【導讀】在如今這個(gè)信息化的21世紀，傳感器的應用深入到社會(huì )生活的方方面面。拿今年2月成功舉辦的北京冬奧會(huì )來(lái)說(shuō)，其“冰立方”場(chǎng)館就設置了由4,000多個(gè)傳感器領(lǐng)銜的樓宇設備管理系統，以此來(lái)檢測和監控場(chǎng)內溫濕度的變化。在過(guò)去5年中，傳感器已成為可穿戴、無(wú)人機、智能手機等日常設備中不可缺少的存在。
隨著(zhù)“工業(yè)4.0”的到來(lái)，智能工業(yè)傳感器在工業(yè)制造中扮演的角色也越來(lái)越重要。不同于傳統工業(yè)傳感器，智能傳感器由于結合了微處理器，因而具有數據采集、處理、交換信息的能力，并且通過(guò)充分利用計算機的計算和存儲能力，智能傳感器還具有高精度的物理信息采集，從而及時(shí)、有效地處理所產(chǎn)生的數據要求。
值得一提的是，在當前科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展之下，智能傳感器的功能也在逐步增強，甚至可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、人工智能、信息處理技術(shù)等多項技術(shù)，使傳感器實(shí)現更高級的智能，同時(shí)還具備分析、判斷、自適應、自學(xué)習的功能，能夠完成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復雜任務(wù)?？偠灾?，與傳統工業(yè)傳感器相比，智能傳感器在精度、穩定性、抗沖擊性方面都提出了更為苛刻的要求。
圖1：工業(yè)智能傳感器的發(fā)展演進(jìn)
（圖源：賽迪顧問(wèn)）
憑借著(zhù)精準的數據采集能力以及功能的多樣化，智能傳感器在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)全生態(tài)構建中，成為了提供基礎數據支撐的關(guān)鍵。一方面，將傳感器、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到智能監測中，有助于優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和工藝，同時(shí)提高生產(chǎn)線(xiàn)過(guò)程檢測、實(shí)時(shí)數據采集、生產(chǎn)設備過(guò)程監控、材料消耗監測的能力和水平，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的智能監控、智能控制、智能診斷、智能決策和智能維護水平。
另一方面，憑借獨特的技術(shù)特點(diǎn)，智能傳感器的廣泛應用也將成為實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必經(jīng)之路。對于工業(yè)自動(dòng)化來(lái)說(shuō)，智能傳感器可以保持自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的持續運行，在監控和處理振動(dòng)和噪聲信號之余，還能夠檢測機器健康狀況并預測其發(fā)生故障的可能性，從而幫助制造業(yè)降低維護成本。因此，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，構建完善的工業(yè)傳感組網(wǎng)體系是必經(jīng)之路。
在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益普及的當下，包括汽車(chē)和醫療保健在內的大多數行業(yè)對高精度傳感器的需求都在日漸攀升。Markets and Markets報告數據顯示，全球工業(yè)傳感器市場(chǎng)規模預計將從2021年的206億美元增長(cháng)到2026年的319億美元。從2021年到2026年期間，該市場(chǎng)預計將以9.1%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)。
那么，工業(yè)傳感器究竟有何魅力，能讓其市場(chǎng)增長(cháng)如此之快？本文就將用一些具有代表性的廠(chǎng)商的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)明工業(yè)傳感4.0時(shí)代智能傳感器技術(shù)的四大特點(diǎn)：持續在線(xiàn)、全天候工作、本地處理和多傳感器信息融合。
#01 持續在線(xiàn)
當前，我們處在一個(gè)永遠監聽(tīng)、不間歇運行的設備得到大規模使用的風(fēng)口浪尖。持續在線(xiàn)是作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對于持續在線(xiàn)的傳感設備需求量也會(huì )逐漸飆升，尤其在一些工業(yè)場(chǎng)景中，需要傳感器持續在線(xiàn)去記錄和描述數據。
而要想實(shí)現持續在線(xiàn)，能耗問(wèn)題就是關(guān)鍵，這也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)給智能傳感器帶來(lái)的一大挑戰。只有確保感知元器件功耗足夠低，才能實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)下感知終端節能降耗的目標。
因此，通過(guò)更省電來(lái)保持持續在線(xiàn)的工作狀態(tài)必將成為工業(yè)4.0時(shí)代下智能傳感器的標配。為了實(shí)現這個(gè)目標，研發(fā)人員也用盡全力去掃除各種障礙，比如：實(shí)現“睡眠”功能讓整個(gè)傳感器組件以及與之相連的其他系統保持低功耗模式，直到某些事件發(fā)生才喚醒；提升電池技術(shù)。增大電池容量，延長(cháng)電池工作壽命預期；又或者采用抗老化技術(shù)，提高電阻穩定性等等。
智能傳感器
以EPCOS / TDK NTC熱敏電阻來(lái)說(shuō)，這款熱敏電阻在內電極、鎳屏障終端、高溫環(huán)境下具有出色的長(cháng)期抗老化效能，并且在焊接期間擁有卓越的電阻穩定性，足以長(cháng)時(shí)間保持持續在線(xiàn)。
圖2：EPCOS / TDK NTC熱敏電阻
（圖源：EPCOS / TDK）
此外，這款熱敏電阻具有多層NTC，溫度測量高達150°C，可以應用在溫度測量及補償和汽車(chē)領(lǐng)域，并可在汽車(chē)應用中提供電壓和噪聲抑制、溫度測量和補償等功能。
#02 全天候工作
對于智能化工廠(chǎng)而言，如果要用互聯(lián)網(wǎng)代替人工監測設備，那么生產(chǎn)數據的實(shí)時(shí)跟蹤、生產(chǎn)設備的長(cháng)期穩定運轉等便是重中之重。
工廠(chǎng)需要通過(guò)傳感器全天候工作，才能掌握震動(dòng)、溫度、濕度、壓力等數據信號，進(jìn)而監控設備的運作狀況，并及時(shí)根據數據進(jìn)行處理，才能降低機械損壞的機率、提高生產(chǎn)線(xiàn)的穩定性。但與日常生活相比，工業(yè)環(huán)境要惡劣許多，智能傳感器需要抵抗震動(dòng)、粉塵、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境影響，不然稍有不慎就會(huì )受到環(huán)境干擾，從而影響設備甚至工廠(chǎng)的運作。
因此相較于傳統傳感器，用于智能制造的工業(yè)傳感器對精度、穩定性、抗震動(dòng)和抗沖擊性等都提出了更加苛刻的要求，需要同時(shí)具備高穩定性和高可靠性，不僅要能實(shí)時(shí)通信，還要足夠精準、確保盡可能消除誤差。
換句話(huà)說(shuō)，智能傳感器需要抗干擾能力足夠強才能保持穩定性，進(jìn)而實(shí)現全天候工作。從這個(gè)角度來(lái)看，EPCOS / TDK的PCM120T屏蔽型SMT功率電感器以及B78416A*超聲波傳感器用變壓器都是不錯的選擇。
智能傳感器
先說(shuō)PCM120T屏蔽型SMT功率電感器。其實(shí)從名稱(chēng)就可以看出這款傳感器非常適合用于干擾抑制，例如汽車(chē)電機等。據介紹，該系列傳感器采用鐵氧體材料閉合外殼，無(wú)外部間隙，因此具有出色的EMC性能，并且經(jīng)優(yōu)化實(shí)現高飽和電流和低直流電阻，同時(shí)通過(guò)鐵合金磁芯實(shí)現這些出色的飽和特性。而扁平線(xiàn)繞組則保持盡可能低的損耗，該結構可實(shí)現0.72mΩ（0.4μH）至9mΩ（10μH）低阻值。
圖3：EPCOS / TDK PCM120T屏蔽型SMT功率電感器
（圖源：EPCOS / TDK）
而超聲波傳感器用B78416A*變壓器則擁有磁屏蔽特性，可更好地抑制干擾。據悉，這款傳感器采用EP 6磁芯，適用于超聲波應用，轉化比介于1:1:8.42和1:1:15之間，符合AEC-Q200標準，提供3mH至5mH的電感值，適用于52kHz至300kHz之間的頻率。
圖4：超聲波傳感器用B78416A*變壓器圖解
（圖源：EPCOS / TDK）
此外，其允許的溫度范圍在-40°C至+125°C之間，典型應用包括泊車(chē)輔助設備、工業(yè)機器人、無(wú)人機、物流機器人、自動(dòng)導引車(chē)和液位測量系統等。
#03 本地處理
在實(shí)現工廠(chǎng)智能化過(guò)程中，智能傳感器之所以是必不可少的元部件，原因就在于成千上萬(wàn)個(gè)傳感器可以幫助工廠(chǎng)收集、處理龐大的數據。對于傳感器來(lái)說(shuō)，如果不能采集分析數據，那么就將失去它的價(jià)值。
在工業(yè)3.0時(shí)代，工廠(chǎng)中描述設備狀況的原始傳感器數據是直接傳輸給操作員的，不涉及任何本地處理或決策任務(wù)。
圖5：工業(yè)4.0中的典型預測性維護應用
（圖源：ST）
然而隨著(zhù)工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，數據量將呈現出爆發(fā)式增長(cháng)。如果仍和此前一樣，那么對于操作員來(lái)說(shuō)，面對如此龐大的數據量，幾乎不可能快速完成數據采集（感知）、分析、決策執行等任務(wù)，無(wú)法滿(mǎn)足數據實(shí)時(shí)處理的條件。而若將數據上傳云端，一方面，大量數據上傳可能會(huì )造成網(wǎng)絡(luò )擁堵；另一方面，上傳、云端分析、傳回、再指導，來(lái)來(lái)回回將耽誤很多時(shí)間。
但如果讓智能傳感器先在本地進(jìn)行數據的簡(jiǎn)單處理，篩選出有效的數據再上傳，而操作員僅在收到云端的通知消息后才開(kāi)始介入處理，進(jìn)行下一步指導工作的話(huà)，效率就會(huì )大大提升。
因此對于工業(yè)4.0來(lái)說(shuō)，智能傳感器的本地處理是一個(gè)必不可少的功能，能大大減少傳輸到云端的數據量，進(jìn)而減輕云計算中心或者本地服務(wù)器的負擔。
#04 多傳感器信息融合
多傳感器信息融合其實(shí)早在20世紀60年代就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，但隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，如今也演變成了新的層次，就是數據融合。當下，多傳感器信息融合的定義更傾向于，充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器數據資源，對獲得的觀(guān)測數據進(jìn)行分析、整合、支配和使用，進(jìn)而實(shí)現相應的決策和估計，使系統獲得更充分的信息。
與單傳感器相比，多傳感器信息融合優(yōu)勢十分明顯，能夠綜合利用多種信息源的不同特點(diǎn)，多方位地對相關(guān)事物的信息進(jìn)行探測、跟蹤和目標識別，增強數據的可信度，提高整個(gè)系統的可靠性和精度。對于工業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這些優(yōu)勢恰恰能夠促進(jìn)制造業(yè)中小批量的生產(chǎn)，因為多傳感器能夠更快地檢測到錯誤，對于現存工廠(chǎng)能源管理、狀態(tài)監測以及需要大量信息的預測維護來(lái)進(jìn)行新系統非常有用。
然而多傳感器信息融合也會(huì )遇到難題。由于集成了多個(gè)傳感器，體積和功耗很有可能隨之增大，這和用戶(hù)小型化的需求是相悖的。換句話(huà)說(shuō)，就是給智能傳感器的小型化提出了挑戰。
不過(guò)這顯然不是什么無(wú)解問(wèn)題。比如EPCOS / TDK C35壓力傳感器的尺寸就只有2.05mm x 2.05mm x 1.2mm。正是由于它足夠小，所以能更好地實(shí)現多傳感器信息融合。
圖6：EPCOS / TDK C35壓力傳感器
（圖源：EPCOS / TDK）
據介紹，該系列傳感器設計用于測量0mbar至100mbar范圍，可實(shí)現緊湊型壓力傳感器設計，并通過(guò)了高達10V的工作電壓認證，可通過(guò)惠斯登電橋按照壓阻式原理工作。此外，該系列還具有110mV/V/bar的高靈敏度，適合用于對靈敏度、精度和0.1% FSON的長(cháng)期穩定性有高要求的應用。其工作溫度范圍從-40°C至+150°C，適合用于非腐蝕性氣體和液體的壓力測量。
寫(xiě)在最后
總而言之，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新基建重要組成部分之一，其建設的全面推進(jìn)和落地執行，必將助力傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性新變革。而工業(yè)智能傳感器為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運行提供所需的關(guān)鍵信息及測量數據，也將迎來(lái)巨大的市場(chǎng)機遇。換句話(huà)說(shuō)，隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景逐漸向廣度和深度拓展，工業(yè)智能傳感器將在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。
更重要的是，未來(lái)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展要求的推動(dòng)下，工業(yè)智能傳感器更新迭代的速度將不斷加快，會(huì )不斷涌現出更多新型、低成本、微功耗、高性能及高精度的傳感器。而智能傳感器在逐步提高安全性和可靠性等級的同時(shí)，也將向著(zhù)工業(yè)智能感知系統加速演進(jìn)。
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