【導讀】未來(lái)中國最需要發(fā)展的科技是什么？是芯片、數字孿生、元宇宙還是 5G 技術(shù)？這些重要的技術(shù)都離不開(kāi)的設備是傳感器?，F代生產(chǎn)制造中，智能傳感技術(shù)的作用越來(lái)越重要，尤其在萬(wàn)物互聯(lián)的趨勢下，智能傳感技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。
1 引言
未來(lái)中國最需要發(fā)展的科技是什么？是芯片、數字孿生、元宇宙還是 5G 技術(shù)？這些重要的技術(shù)都離不開(kāi)的設備是傳感器?，F代生產(chǎn)制造中，智能傳感技術(shù)的作用越來(lái)越重要，尤其在萬(wàn)物互聯(lián)的趨勢下，智能傳感技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。
如果說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)連接的是計算機，那么物聯(lián)網(wǎng)連接的就是世間萬(wàn)物，物聯(lián)網(wǎng)利用局部網(wǎng)絡(luò )或互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，把傳感器、控制器、機器、人和物等通過(guò)新的方式連接在一起，形成人與物、物與物相連，實(shí)現信息化、智能化和遠程管理控制的網(wǎng)絡(luò )，從而對物品進(jìn)行智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，物聯(lián)網(wǎng)將我們帶到一個(gè)新的數據時(shí)代，讓我們的計算能力、云能力、人工智能都成為可能，萬(wàn)物互聯(lián)世界將超乎我們的想象。
自傳感器誕生以來(lái)，它幫助人們獲取精準信息，已成為萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代最為基礎的設備，傳感器已成為萬(wàn)物互聯(lián)的紐帶。
在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用不同的傳感器來(lái)采集、控制和監視生產(chǎn)過(guò)程中的設備的生產(chǎn)信息和參數，保證生產(chǎn)過(guò)程在設備工作正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，從而使生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品達到最佳質(zhì)量。
2 智能傳感技術(shù)概要
現代信息技術(shù)發(fā)展到今天，傳感器的重要性越來(lái)越高，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數字孿生、智能制造以及元宇宙等，都離不開(kāi)傳感器。人們在研究自然現象和規律以及生產(chǎn)活動(dòng)中憑借自身的感覺(jué)器官從外界獲取信息是遠遠不夠的，為適應瞬息萬(wàn)變的環(huán)境需求，就必須借助外部設備：傳感器。從智能手機到智能語(yǔ)音設備，從能源平臺到工業(yè)設備，傳感器自然而然地“化身”為人類(lèi)連接機器、人類(lèi)自身，以及自然環(huán)境的外延器官，它幫助人類(lèi)將曾經(jīng)不可知、難判斷的信息變成易獲取、更精準的數據，傳感器已經(jīng)成為數字化社會(huì )最為重要的基礎設施。
隨著(zhù)傳感器，以及與之相關(guān)的數據存儲、儲能、新材料、網(wǎng)絡(luò )基礎設備等軟硬件技術(shù)的發(fā)展，還有成本的持續下降，傳感器的應用場(chǎng)景將變得越來(lái)越豐富。
（1）傳感器介紹
傳感器是一種檢測設備，是人們認知世界的一種工具，或者一種手段，是在我們人類(lèi)的眼耳鼻舌身的基礎上建立的一種對宇宙認知和延伸擴展，能將檢測到的信息，按一定規律轉換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它可以檢測到溫度、聲音、壓力、位移、亮度等信息，然后將他們轉換為電流或電壓等電信號，傳感器工作原理圖如圖 1 所示，有了傳感器，制造出來(lái)的設備才能實(shí)現智能化、網(wǎng)絡(luò )化、數字化。傳感器經(jīng)歷了從結構性傳感器、固體型傳感器到智能型傳感器三個(gè)階段的發(fā)展，實(shí)現了從電阻式傳感器的簡(jiǎn)單結構參量變化到可以感知外界信息從而適應環(huán)境的能力的智能傳感器。
圖1 傳感器工作原理圖
（2）智能傳感器介紹
智能傳感器指具有數據信息采集、數據信息處理等功能的多元件集成電路，是集傳感器、計算機和計算機接口于一體的設備。智能傳感器基本結構如圖 2 所示。
圖2 智能傳感器基本結構圖
傳感器負責設備信息檢測和采集，計算機根據設定對輸入信號進(jìn)行處理，通過(guò)計算機接口與其他裝置進(jìn)行通信。智能傳感器的實(shí)現可以采用模塊式、集成式或混合式等結構。沒(méi)有智能傳感器，就不會(huì )有所謂的第四次工業(yè)革命，也就不會(huì )有智能城市應用，不會(huì )有智能交通，不會(huì )有智能制造。智能傳感器在智能制造、智慧農業(yè)、智慧交通、人工智能等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
（3）智能傳感器技術(shù)介紹
智能傳感技術(shù)是以系統為背景，包括相應傳感器集成傳感器芯片組成硬件部分和相關(guān)軟件組成的，系統以傳感器技術(shù)為主，其他技術(shù)為輔。智能傳感技術(shù)架構如圖 3 所示。
圖3 智能傳感技術(shù)架構圖
智能制造與傳統制造本質(zhì)的區別在于智能制造是在人與物理系統之間增加了信息系統，信息系統與物理系統組成了信息物理系統 CPS，信息物理系統通過(guò)先進(jìn)的智能傳感技術(shù)的感知功能，再加上計算機的通信和控制技術(shù)，構建了物理空間與信息空間中人、機、料、法、環(huán)等要素相互映射、相互交換、高效協(xié)同的復雜系統，實(shí)現數據驅動(dòng)、虛實(shí)映射、資源優(yōu)化。數字孿生技術(shù)就是信息物理系統的虛實(shí)映射實(shí)現技術(shù)。智能系統的智能首先要有智能傳感技術(shù)的感知，然后建模，進(jìn)行分析推理，對現實(shí)生產(chǎn)系統準確描述，實(shí)時(shí)感知和控制現實(shí)生產(chǎn)系統，如果沒(méi)有數字孿生技術(shù)，那么智能制造系統就是無(wú)源之水，無(wú)法實(shí)現。
3 智能傳感技術(shù)功能
智能傳感器技術(shù)把“感知”與“認知”結合起來(lái)，起到人體的“五感”功能的作用，可以感知各種現象，實(shí)現判斷、推理、鑒別功能，最終完成各種動(dòng)作與任務(wù)，全程實(shí)現自動(dòng)化和智能化。
大數據技術(shù)應用于產(chǎn)品創(chuàng )新、產(chǎn)品故障診斷與預測、產(chǎn)品銷(xiāo)售、生產(chǎn)計劃等，大數據是人工智能快速發(fā)展的基礎，而大數據來(lái)源于智能傳感技術(shù)，沒(méi)有智能傳感器采集和處理數據，就無(wú)從談起大數據，那么生產(chǎn)就會(huì )成為孤島，也就沒(méi)有智能制造、人工智能、數字孿生、物聯(lián)網(wǎng)等的產(chǎn)生。智能傳感技術(shù)的主要功能：自動(dòng)標定和校正；采集數據，對數據進(jìn)行預處理；檢測檢驗、自尋故障；數據存儲、記憶和信息處理；標準化數字輸出或符號輸出；判斷和決策處理。
4 智能傳感技術(shù)在智能制造中的應用
當我們提到智能制造，首先了解智能制造實(shí)施的關(guān)鍵步驟：狀態(tài)感知（通過(guò)智能傳感器準確感知設備或系統的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)）→實(shí)時(shí)分析（對獲取設備或系統的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)數據進(jìn)行快速準確的加工和處理）→自動(dòng)決策（根據數據處理結果，按照設定的規則自動(dòng)做出判斷和決策）→精準執行（執行機構實(shí)現自動(dòng)決策的執行）。
智能制造技術(shù)是先進(jìn)傳感、儀器、監測、控制和過(guò)程化的技術(shù)和實(shí)際組合，他們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起，體現了制造業(yè)的智能化、數字化和網(wǎng)絡(luò )化，智能制造是中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級必經(jīng)之路。
智能制造系統主要包括：設備層、控制層、運營(yíng)層和企業(yè)層。智能制造與智能傳感技術(shù)緊密聯(lián)系，各式各樣的有嵌入的、絕對的、相對的、靜止的和運動(dòng)的傳感器應用于企業(yè)生產(chǎn)中，它是幫助人們采集獲取信息的重要手段。智能制造中傳感器屬于基礎零部件，它是工業(yè)的基石、性能的關(guān)鍵和發(fā)展的瓶頸。傳感器的智能化、無(wú)線(xiàn)化、微型化和集成化是未來(lái)智能制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。智能制造中應用常見(jiàn)的智能傳感技術(shù)主要有機器視覺(jué)技術(shù)、RFID 技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)等應用。
4.1 機器視覺(jué)技術(shù)
機器視覺(jué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了從黑白到彩色、從低分辨率到高分辨率、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從 2D 走向 3D 演變過(guò)程，其技術(shù)的迭代也是遵循相應的發(fā)展。
隨著(zhù)行業(yè)發(fā)展，機器視覺(jué)技術(shù)在各大領(lǐng)域都得到了各行各業(yè)的認可，在工業(yè)上應用非常廣泛，進(jìn)入了高速發(fā)展的階段。
根據制造工程師協(xié)會(huì )的定義：機器視覺(jué)就是使用光學(xué)非接觸式感應設備自動(dòng)接收并解釋真實(shí)場(chǎng)景的圖像以獲得信息控制機器或流程。
機器視覺(jué)系統主要有照明電源、鏡頭、相機、圖像采集 / 處理卡、圖像處理系統、其他外部設備等組成，如圖 4 所示。
圖4 機器視覺(jué)系統基本架構
機器視覺(jué)可分為“視”和“覺(jué)”兩部分?！耙暋笔菍⑼饨缧畔⑼ㄟ^(guò)成像來(lái)顯示成數字信號反饋給計算機，需要依靠一整套的硬件解決方案，包括光源、相機、圖像采集卡、視覺(jué)傳感器等?！坝X(jué)”則是計算機對數字信號進(jìn)行處理和分析，主要是軟件算法。
機器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)應用包括檢驗、計量、測量、定位、瑕疵檢測和分揀，比如：汽車(chē)焊裝生產(chǎn)線(xiàn)，檢查四個(gè)車(chē)門(mén)和前后蓋的內板邊框所涂的反震和折邊的膠條是否連續，是否有滿(mǎn)足技術(shù)要求的高度；啤酒罐裝生產(chǎn)線(xiàn)，檢查啤酒瓶蓋是否正確密封、裝灌啤酒液位是否正確等質(zhì)量檢測，機器視覺(jué)參與的質(zhì)量檢驗比人工檢驗要快準。
如果能讓機器像人一樣具有自我意識，可以根據產(chǎn)品的位置、亮度、顏色、表面特征等信息進(jìn)行對應的操作，進(jìn)一步解放生產(chǎn)力，完成柔性化的制造，而實(shí)現這一切的前提就是為機器人裝上“眼睛”，也就是“機器視覺(jué)”。機器視覺(jué)應用賦予工業(yè)機器人智慧化，并助力整個(gè)工業(yè)從 3.0 時(shí)代步入 4.0 時(shí)代的關(guān)鍵一環(huán)，為智能制造的落地打開(kāi)了“新窗口”，為智能制造實(shí)現提供了堅實(shí)的基礎。
4.2 RFID 技術(shù)
RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種非接觸的、實(shí)時(shí)快速、高效準確地采集和處理對象信息的自動(dòng)識別技術(shù)。RFID 是傳統條碼技術(shù)的繼承者，又稱(chēng)為“電子標簽”。RFID 主要由電子標簽、天線(xiàn)、讀寫(xiě)器和控制軟件組成，簡(jiǎn)單理解為讀寫(xiě)器通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波技術(shù)，無(wú)接觸式快速批量讀寫(xiě)標簽內的信息，RFID 技術(shù)原理及組成如圖 5 所示。
圖5 RFID 技術(shù)原理及組成
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用 RFID 技術(shù)，將產(chǎn)品放置于托盤(pán) / 工裝，安裝于生產(chǎn)線(xiàn)的 RFID 閱讀器自動(dòng)識別托盤(pán) /工裝的 RFID 標簽，并與 MES 實(shí)時(shí)對接，完成信息綁定跟蹤管理，零配件識別、加工工序自動(dòng)識別，檢測設備自動(dòng)對接等功能。
在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)使用 RFID 的優(yōu)點(diǎn)：
1）實(shí)現物料防錯，確保裝配準確性，提高效率和質(zhì)量；
2）實(shí)現對在制品的自動(dòng)識別與跟蹤；
3）節省人力投入，自動(dòng)防錯，提升對環(huán)境適用性；
4）數據信息采集，實(shí)現 MES 信息收集。
在智能制造工位上安裝工位定置格、智能引導器、安燈、工位一體機等，定置格下面安裝 RFID 閱讀器，為定置格中的每種工具都綁定 RFID 標簽，MES 集成所有的設備，并在每個(gè)工步下配置了使用的工具類(lèi)型。工位自動(dòng)執行時(shí)，將在工位一體機顯示需要執行的任務(wù)，引導器指引應拿取的工具，RFID 讀寫(xiě)器校驗是否拿取了正確的工具，安燈系統通過(guò)不同顏色的燈光顯示每個(gè)環(huán)節的執行的正確性。
在智能制造工作臺上使用 RFID 的優(yōu)點(diǎn)：
1）人工依據各項指引操作，無(wú)需記憶復雜操作流程；
2）智能引導、智能校驗、智能提醒、智能數據采集，減少失誤，提高效率和準確性。
RFID 作為一種自動(dòng)化的數據采集技術(shù)，必須要與相關(guān)的軟件系統，如 WMS、LES、MES 等結合應用，滿(mǎn)足數據自動(dòng)批量采集上傳、自動(dòng)校驗、自動(dòng)反饋等業(yè)務(wù)需求。智能制造實(shí)施缺少了 RFID 技術(shù)，就無(wú)法獲取產(chǎn)品數據，也就無(wú)法實(shí)現自動(dòng)化控制，RFID 技術(shù)是智能制造實(shí)現的必備技術(shù)。
4.3?工業(yè)機器人技術(shù)
智能制造生產(chǎn)線(xiàn)上的工業(yè)機器人起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用，工業(yè)機器人是一種自動(dòng)執行工作的機器，它可以接受人類(lèi)命令運行預先編程的程序或根據基于人工智能技術(shù)的原則行事，它的使命是協(xié)助或替代人類(lèi)的工作，例如生產(chǎn)、建筑或危險工作，伺服電機在控制伺服系統中，作為機械部件運行的發(fā)動(dòng)機組件，其輔助電機間接傳動(dòng)，伺服電機能夠準確地控制智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)速度和產(chǎn)品位置精度，且還能將電壓信號轉換成扭矩和速度來(lái)驅動(dòng)調節目標。
工業(yè)機器人是一個(gè)在三維空間具有較多自由度的，并能實(shí)現諸多擬人動(dòng)作和功能的機器，動(dòng)作靈活，結構緊湊，占地面積小，有很高的自由度，幾乎適合任何范圍工作。它的特點(diǎn)是：可編程、擬人化、通用性、機電一體化。工業(yè)機器人主要技術(shù)參數指標：運動(dòng)范圍、自由度、有效負載、重復定位精度、運動(dòng)速度、分辨率等，工業(yè)機器人技術(shù)參數反映了工業(yè)機器人可勝任的工作、具有的可操作性能等情況，是設計、應用工業(yè)機器人必須要考慮的問(wèn)題。
工業(yè)機器人主要由五個(gè)子系統組成：
1）驅動(dòng)系統，工業(yè)機器人運行起來(lái)的傳動(dòng)裝置，有液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三種驅動(dòng)形式；
2）感知系統，工業(yè)機器人感知內部和外部環(huán)境狀態(tài)的信息；
3）交互系統，可以參與機器人控制與聯(lián)系的裝置；
4）機械系統，由工業(yè)機器人本體和末端執行機構等組成的多自由度的機械系統；
5）控制系統，工業(yè)機器人大腦，支配工業(yè)機器人完成預定的運動(dòng)和功能。工業(yè)機器人技術(shù)的傳感器技術(shù)融合如圖 6 所示。
圖6 工業(yè)機器人技術(shù)的傳感器技術(shù)融合
延伸閱讀：《機器人傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器和人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現代制造業(yè)的自動(dòng)化裝備。
工業(yè)機器人適合用于大批量多品種高質(zhì)量自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，廣泛應用于汽車(chē)制造業(yè)的沖壓車(chē)間、焊裝車(chē)間、涂裝車(chē)間、總裝車(chē)間及發(fā)動(dòng)機制造中，尤其在汽車(chē)白車(chē)身焊裝生產(chǎn)中應用。運用工業(yè)機器人，不僅提高生產(chǎn)效率，而且在很大程度上提高了焊接的外觀(guān)和質(zhì)量，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了勞動(dòng)強度，改善了勞動(dòng)環(huán)境。工業(yè)機器人技術(shù)現在已經(jīng)廣泛應用于智能制造生產(chǎn)線(xiàn)中，是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)。
5 智能傳感技術(shù)展望
智能傳感技術(shù)發(fā)展趨勢依賴(lài)于硬件和軟件的技術(shù)，現在硬件電器尤其是大規模集成電路的制作水平越來(lái)越高，軟件的運算處理功能越來(lái)越強，優(yōu)化的越來(lái)越好，而且現在技術(shù)水平已經(jīng)可以使傳感器硬件的轉換、處理、運算能力更快，軟件的運算速度也會(huì )更快，特別是在數據通信中，提高通信速率，幾乎沒(méi)有誤碼率或者說(shuō)誤碼率極低，會(huì )提高生產(chǎn)效率，降低使用成本，特別是延遲時(shí)間會(huì )越來(lái)越少，甚至趨近于零，所以從這個(gè)趨勢來(lái)看，數字化傳感器必將替代模擬傳感器，現在數字化技術(shù)只是開(kāi)始和起步階段，未來(lái)趨勢是向智能化、網(wǎng)絡(luò )化、系統化和功能化方向發(fā)展。
智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高靈敏度、高可靠性將是新型傳感器件發(fā)展趨勢，新型傳感材料與器件將是未來(lái)智能傳感技術(shù)發(fā)展的重要方向。
不管是德國“工業(yè) 4.0”、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，還是中國制造 2025，具體到物聯(lián)網(wǎng)、智能汽車(chē)、智能交通、智能制造，這些的前端核心技術(shù)都用到智能傳感技術(shù)。智能傳感技術(shù)發(fā)展趨勢主要在以下幾方面：
1）關(guān)注傳感技術(shù)的系統性以及傳感器、數據處理與識別技術(shù)的協(xié)調發(fā)展；
2）研究開(kāi)發(fā)新型傳感器和傳感器技術(shù)，涉及新理論、新材料、新工藝等諸多因素；
3）研究與開(kāi)發(fā)特殊環(huán)境下的傳感器與傳感器技術(shù)系統；
4）研究各種行業(yè)使用的傳感技術(shù)系統，主要是可靠性、可利用性和降低成本；
5）與人工智能等技術(shù)有機結合應用，主要高可靠性、自適應性、抗干擾性智能傳感技術(shù)。
智能傳感技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域，伴隨著(zhù)物理學(xué)、生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的高速發(fā)展，未來(lái)智能傳感技術(shù)功能全面化、結構微型化、智能化程度高、集成一體化等。未來(lái)智能傳感技術(shù)將更有效模仿人類(lèi)的感官，來(lái)檢測、處理和分析復雜的信息。
6 結束語(yǔ)
在信息技術(shù)時(shí)代，數字化技術(shù)起著(zhù)巨大的作用，推動(dòng)科學(xué)高速發(fā)展，不僅體現在計算機、網(wǎng)絡(luò )通信，還體現在傳感器上，數字化傳感器是未來(lái)高端設備、高端制造的核心。在數字技術(shù)化時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)助力現代產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，從企業(yè)到行業(yè)，從農村到城鎮，智能傳感技術(shù)早已滲透到社會(huì )的各個(gè)行業(yè)。
現在的無(wú)人工廠(chǎng)、智慧工廠(chǎng)、“工業(yè) 4.0”、兩化融合等，其核心都離不開(kāi)智能制造，智能制造技術(shù)是在智能傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎上，通過(guò)智能化的感知、人機交互、自動(dòng)決策和執行，實(shí)現制造過(guò)程的智能化、網(wǎng)絡(luò )化、數字化，借助計算機模擬人的活動(dòng)，從而替代生產(chǎn)制造中人的腦力勞動(dòng)?，F在生活中，無(wú)處不在的分布各種各樣的傳感器。傳感器的未來(lái)已來(lái)。
（文章來(lái)源：MEMS，原文刊載于《智能制造》2022年第2期作者：上海景格科技股份有限公司 徐平）
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