智能传感器将中国制造向中国智造转变

 

　　我们已经进入了信息技术高速发展的时代，智能感应就是其中必不可少而且至关重要的技术。传感器作为信息产业的神经触角，把人们从“通信时代”带到了“感知时代”。传感器是数据采集的重要工具，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，广泛应用于航天、航空、国防、科技、工农业生产等各个领域。基于微机电系统技术的智能传感器代表了传感器的主要发展方向，其技术进步不仅可以提高产品的智能化水平，还可以促进中国制造业向中国智能制造的发展。2010年后，中国已经成为工业制造大国，但我们必须清醒地认识到中国制造业大而不强、不可持续的现状。这些问题主要集中在自主创新能力弱、产业价值低、生产效率低、产业结构和产品质量不合理等方面。中国政府高度重视制造业的发展，《中国制造2025》标志着中国制造业由大变强的第一步，其中智能制造被定位为中国制造业的主要方向，与德国工业4.0和美国工业互联网相对应。工业和信息化部副部长毛伟明，指出：“传感技术、计算技术和通信技术应该统称为信息技术领域的三大支柱。以传感器为代表的传感制造将是未来重要的战略性新兴产业，信息系统的源头，自动化和智能化的核心。”

 

　　传统传感器弊端凸显

　　传感器与中国制造联系紧密。传感器属于基础零部件，是工业的基石、性能的关键和发展的瓶颈，其重要性不言而喻。传感器具有使用量大，应用面广的特点，在工业生产制造中起到了承上启下的作用。目前，在中国制造企业中，利用传感器对数据进行采集、处理和传输已经不是新鲜事，但是传统的传感器存在两方面的问题：

　　1．性能方面

　　传统传感器基本属于低端基础类别，反应较慢、精度不高、稳定性差、体积偏大、对恶劣工业场所（高温、粉尘、潮湿、电磁干扰等）的适应能力不强、能耗偏高、技术含量低和寿命偏短等问题。而现代工业控制要确保生产设备高质量和高效率的运行，内置的传感器不仅要求能够实现通信，还要足够精准和稳定。在不同的工业领域应用场景中，有的精密仪器或设备本身体积就很小，这也对传感器微型化提出了更高的要求。

　　2．功能方面

　　传统在数据采集的过程中，只能采用相同的工作原理，以数据形式记录物理变量，再将采集的数据发送至设备控制器，无法实现在前端自动地、智能地收集、提供和分析海量的工业数据的功能，更不能时刻与互联网或云端进行信息互通。大数据分析作为实现智能制造的基础，它要求传感器必须更智能化地运作，这对大数据和工业自动化融合至关重要，也是实现智能制造的突破口。

所以，传统传感器已经不能满足现代制造业生产的需求，传感器向智能化发展势在必行。

 

　　智能传感器的优势

　　智能传感器的概念最早由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出来，它是指具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储等功能的多元件集成电路，是集成传感器、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品。智能传感器与传统传感器相比，它具有对外界环境等信息进行自动收集、数据处理、逻辑判断、功能计算以及自诊断、自校准、自补偿与自适应的能力，拥有更高的精度、更好的稳定性与更强的环境适应能力。一方面，智能传感器通过更灵活的接口不仅可以在控制器层通信，而且能实现更高数据层的通信，附加的数据或软件系统接口让传感器可以执行新的分析任务及新的功能。这些能力可提高生产的灵活性、质量、效率和透明度。另一方面，由于增加了智能功能，智能传感器提供的数据更加紧凑、实用，数据资源的利用效率也越高，得到的数据处理结果也更加准确。在内部对数据直接进行预处理、压缩和滤波的智能传感器能更好的满足智能制造的要求。随着应用的深化发展，智能传感器正逐渐向微型化、数字化、智能化、系统化、网络化、移动互联网化等方向发展。

 

　　智能传感器的应用

　　在智能工厂里，无论是智能机器人，还是智能化生产线、自动化生产设备，它们的工作流程基本都是数据采集、分析和处理，很多工作都是由智能传感器来共同协作完成的。智能传感器不仅能够提供生产控制的实时监测数据，还可以提供预警和状态监控，使现场设备透明并实时可控。 在汉诺威工业博览会上，ABB展示了一种智能传感器，通过该传感器，每台电动机的有关运行状态信息和状态参数都能够迅速而准确地被获得，如振动、温度或过载，同时可以测量能源消耗，精确度为10％，同时将数据无线传输至云服务器中，通过专门开发的软件转化为可用信息以便进行分析，为客户提供电动机维护的信息和建议。设备管理者可以随时通过智能手机或电脑检查其电动机的运行状态，并可以根据实际需要进行计划维护，不再单纯依靠计划进行维护，避免计划外的停机，延长运行时间。预防性维护是一个非常重要的优势，因为在生产过程中停机一个小时就意味着数万欧元的损失。

 

 

　　智能传感器的发展与制造业息息相关，智能传感器发展水平已成为衡量一个国家是否具有国际竞争优势的重要标志。为了实现中国制造业强国的目标，《中国制造2025》和《智能传感器产业三年行动指南（2017－2019）》都对传感器产业发展提出明确要求，大力发展具有自主知识产权的高端智能传感器，为打造工业互联网平台和实现智能制造夯实基础。智能传感器作为物联网重要感知器件，必将成为推动中国制造发展强有力的驱动力。

 

 

传感器相关知识

 

一、按工作(检测)原理分类　

 

检测原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学效应和生物效应等机理。有电阻式、电容式、电感式、压电式、电磁式、磁阻式、光电式、压阻式、热电式、核辐射式、半导体式传感器等。

 

如根据变电阻原理，相应的有电位器式、应变片式、压阻式等传感器；如根据电磁感应原理，相应的有电感式、差压变送器、电涡流式、电磁式、磁阻式等传感器；如根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏、磁敏等固态传感器。

 

这种分类方法的优点是便于传感器专业工作者从原理与设计上作归纳性的分析研究，避免了传感器的名目过于繁多，故最常采用。缺点是用户选用传感器时会感到不够方便。

 

有时也常把用途和原理结合起来命名，如电感式位移传感器，压电式力传感器等，以避免传感器名目过于繁多．

 

二、按照传感器与被测对象的关联方式(是否接触)可分为：

 

a、接触式：如：电位差计式、应变式、电容式、电感式等；

 

b、非接触式：接触式的优点是传感器与被测对象视为一体，传感器的标定无须在使用现场进行，缺点是传感器与被测对象接触会对被测对象的状态或特性不可避免地产生或多或少的影响。非接触式则没有这种影响；

 

非接触化测量可以消除传感器介入而使被测量受到的影响，提高测量的准确性，同时，可使传感器的使用寿命增加。但是非接触式传感器的输出会受到被测对象与传感器之间介质或环境的影响。因此传感器标定必须在使用现场进行。

 

三、按输入量即测量对象的不同分：

 

如输入量分别为：温度、压力、位移、速度、湿度、光线、气体等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、称重传感器等。

 

这种分类方法明确地说明了传感器的用途，给使用者提供了方便，容易根据测量对象来选择所需要的传感器，缺点是这种分类方法是将原理互不相同的传感器归为一类，很难找出每种传感器在转换机理上有何共性和差异，因此，对掌握传感器的一些基本原理及分析方法是不利的。因为同一种型式的传感器，如压电式传感器，它可以用来测量机械振动中的加速度、速度和振幅等，也可以用来测量冲击和力，但其工作原理是一样的。

 

这种分类方法把种类最多的物理量分为：基本量和派生量两大类．例如力可视为基本物理量，从力可派生出压力、重量，应力、力矩等派生物理量．当我们需要测量上述物理量时，只要采用力传感器就可以了。所以了解基本物理量和派生物理量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。

 

四、根据敏感元件与被测对象之间的能量关系(或按是否需外加能源)来分：

 

a、能量转换型(有源式、自源式、发电式)：在进行信号转换时不需要另外提供能量，直接由被测对象输入能量，把输入信号能量变换为另一种形式的能量输出使其工作。有源传感器类似一台微型发电机，它能将输入的非电能量转换成电能输出，传感器本身勿需外加电源，信号能量直接从被测对象取得。因此只要配上必要的放大器就能推动显示记录仪表。

 

如：压电式、压磁式、电磁式、电动式、热电偶、光电池、霍尔元件、磁致伸缩式、电致伸缩式、静电式等传感器。

 

这类传感器中，有一部分能量的变换是可逆的，也可以将电能转换为机械能或其它非电量。如压电式、压磁式、电动式传感器等。　

 

b、能量控制型(无源式、他源式、参量式)：在进行信号转换时，需要先供给能量即从外部供给辅助能源使传感器工作，并且由被测量来控制外部供给能量的变化等。对于无源传感器，被测非电量只是对传感器中的能量起控制或调制作用，得通过测量电路将它变为电压或电流量，然后进行转换、放大，以推动指示或记录仪表。配用测量电路通常是电桥电路或谐振电路。

 

如：电阻式、电容式、电感式、差动变压器式、涡流式、热敏电阻、光电管、光敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻等。

 

五、按传感器的特殊性来分：

 

上面介绍的分类是传感器的基本类型，按特殊性可分以下类型：

 

按检测功能可分为检测温度、压力、温度、流量计、流速、加速度、磁场、光通量等的传感器；

 

按传感器工作的物理基础可分为机械式、电气式、光学式、液体式等；

 

按转换现象的范围可分为化学传感器、电磁学传感器、力学传感器和光学传感器；

 

按材料可分为金属、陶瓷、有机高分子材料、半导体传感器等；

 

按应用领域分为工业，民用、科研、医疗，农用，军用等传感器；　

 

按功能用途分为计测用、监视用、检查用，诊断用、控制用，分析用等传感器。

 

六、按输出信号的性质分：

 

模拟式传感器：将被测非电量转换成连续变化的电压或电流，如要求配合数字显示器或数字计算机，需要配备模／数(A/D)转换装置。

 

上面提到的传感器基本上属于模拟传感器。　

 

b、数字式传感器：能直接将非电量转换为数字量，可以直接用于数字显示和计算，可直接配合计算机，具有抗干扰能力强，适宜距离传输等优点。

 

目前这类传感器可分为脉冲、频率和数码输出三类。如光栅传感器等。

 

3、按照传感器的结构参数在信号变换过程中是否发生变化可分为：

 

a、物性型传感器：在实现信号的变换过程中，结构参数基本不变，而是利用某些物质材料(敏感元件)本身的物理或化学性质的变化而实现信号变换的。

 

这种传感器一般没有可动结构部分，易小型化，故也被称作固态传感器，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。如：热电偶、压电石英晶体、热电阻以及各种半导体传感器如力敏、热敏、湿敏、气敏、光敏元件等。　

 

b、结构型传感器：依靠传感器机械结构的几何形状或尺寸(即结构参数)的变化而将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，实现信号变换，从而检测出被测信号。

 

如：电容式、电感式、应变片式、电位差计式等。

 

七、按作用形式来分：

 

按作用形式可分为主动型和被动型传感器。

 

主动型传感器又有作用型和反作用型，此种传感器对被测对象能发出一定探测信号，能检测探测信号在被测对象中所产生的变化，或者由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成信号。检测探测信号变化方式的称为作用型，检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型。雷达与无线电频率范围探测器是作用型实例，而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型实例。

 

被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号，如红外辐射温度计、红外摄像装置等　

 

八、按传感器构成来分：

 

a、基本型传感器：是一种最基本的单个变换装置。

 

b、组合型传感器：是由不同单个变换装置组合而构成的传感器。

 

c、应用型传感器：是基本型传感器或组合型传感器与其他机构组合而构成的传感器。

 

例如：热电偶是基本型传感器，把它与红外线辐射转为热量的热吸收体组合成红外线辐射传感器，即一种组合传感器；把这种组合传感器应用于红外线扫描设备中，就是一种应用型传感器。