【導(dǎo)讀】工業(yè)用傳感器能夠測(cè)量或感知特定物體的狀態(tài)和變化，并轉(zhuǎn)化為可傳輸、可處理、可存儲(chǔ)的電子信號(hào)或其他形式信息。工業(yè)用傳感器是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。下文則主要解讀在新工業(yè)發(fā)展背景下，傳感器技術(shù)的發(fā)展原動(dòng)力及應(yīng)用前景。
在新的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，工業(yè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)演變和調(diào)整正成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)動(dòng)力，特別是在作為先進(jìn)制造業(yè)代表的德國(guó)提出工業(yè)4.0的概念之后，“智能工業(yè)”與“智能生產(chǎn)”正成為帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要推動(dòng)力。在這里面需要重點(diǎn)解決的是如何將資源、信息、物品和人進(jìn)行互聯(lián)，這需要以信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用為重點(diǎn)，并依托傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，打造全面而先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)。下文則主要解讀在新工業(yè)發(fā)展背景下，傳感器技術(shù)的發(fā)展原動(dòng)力及應(yīng)用前景。
工業(yè)用傳感器能夠測(cè)量或感知特定物體的狀態(tài)和變化，并轉(zhuǎn)化為可傳輸、可處理、可存儲(chǔ)的電子信號(hào)或其他形式信息。工業(yè)用傳感器是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。甚至我們可以說(shuō)，沒(méi)有眾多質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的工業(yè)傳感器，就沒(méi)有現(xiàn)代化工業(yè)的生產(chǎn)體系，更別談工業(yè)4.0體系的構(gòu)建。
在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官，能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受?chē)?yán)酷環(huán)境考驗(yàn)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)信息精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無(wú)法談及和實(shí)現(xiàn)。比如工業(yè)機(jī)器人之所以能夠準(zhǔn)確操作，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)各種傳感器來(lái)準(zhǔn)確感知自身、操作對(duì)象及作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，包括：其自身狀態(tài)信息的獲取通過(guò)內(nèi)部傳感器（位置、位移、速度、加速度等）來(lái)完成，操作對(duì)象與外部環(huán)境的感知通過(guò)外部傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程非常重要，足以為機(jī)器人控制提供反饋信息。所以，傳感器技術(shù)在很大程度上影響和決定著工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
而在智能制造業(yè)的未來(lái)，對(duì)人機(jī)交互技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)都有更高的要求，這些都必須要依靠傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)制造工業(yè)，以智能工廠為代表的未來(lái)智能制造業(yè)是一種理想的生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠智能編輯產(chǎn)品特性、成本、物流管理、安全、信賴(lài)性、時(shí)間以及可持續(xù)性等要素。而信息技術(shù)與傳感技術(shù)，則是支撐工業(yè)智能化的重要支點(diǎn)。如今，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支柱之一的傳感器技術(shù)，已成為工業(yè)領(lǐng)域在高新技術(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。
伴隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，各種先進(jìn)的傳感器產(chǎn)品被越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)未來(lái)五年，國(guó)內(nèi)傳感器市場(chǎng)平均銷(xiāo)售增長(zhǎng)率將達(dá)31%。本土傳感器需求規(guī)模快速增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?lái)自于工業(yè)電子設(shè)備和汽車(chē)電子、通信電子、消費(fèi)電子和專(zhuān)用電子設(shè)備等。工業(yè)電子設(shè)備則是電子信息產(chǎn)業(yè)中增長(zhǎng)最快的行業(yè)，也是傳感器應(yīng)用最多的領(lǐng)域，如測(cè)量各種工藝變量、電子特性和物理量，以及傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)/定位等。
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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展提速
如何依靠科技創(chuàng)新的力量，搶占制造業(yè)新的制高點(diǎn)，這是很多廠商都在思考的問(wèn)題。而由于某些工業(yè)控制領(lǐng)域的技術(shù)難度較大，諸如控制區(qū)域測(cè)點(diǎn)分散、轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合較難測(cè)量、有毒有害危險(xiǎn)場(chǎng)合檢測(cè)維護(hù)非常困難、復(fù)雜環(huán)境下敷設(shè)電纜成本高昂和長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)衰減嚴(yán)重等，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)走進(jìn)我們的視野。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是微電子技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、分布式計(jì)算等信息技術(shù)發(fā)展和融合的產(chǎn)物。它由大量集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和無(wú)線通信模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低能耗、低成本、易使用和泛在感知等特性，使傳統(tǒng)實(shí)踐中因成本等因素未能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的某些重要工業(yè)過(guò)程參數(shù)的測(cè)量成為可能，并能夠借此實(shí)施優(yōu)化控制、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能效、減少維護(hù)運(yùn)行成本。此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)易于拓展升級(jí)，能夠有效減少二次投資，提高經(jīng)濟(jì)效益。這些先天優(yōu)勢(shì)使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。特別是在一些傳感器節(jié)點(diǎn)位置需要隨機(jī)布置的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正快速增長(zhǎng)，眾多工業(yè)企業(yè)開(kāi)始采用諸如基于Zigbee和UWB等無(wú)線技術(shù)的典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)用在檢測(cè)、監(jiān)視等工業(yè)過(guò)程控制方面。
在工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，許多具有通信和信息處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線的方式組網(wǎng)連接，并相互協(xié)作，共同完成對(duì)目標(biāo)信息的采集和監(jiān)測(cè)等任務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)感知傳感器節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將信息傳遞給遠(yuǎn)端用戶(hù)。有助于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程工藝的優(yōu)化，幫助提高生產(chǎn)線過(guò)程檢測(cè)、實(shí)時(shí)參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測(cè)的能力和水平，使得生產(chǎn)過(guò)程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護(hù)水平不斷提高。
比如鋼鐵企業(yè)應(yīng)用各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)流程。環(huán)保監(jiān)測(cè)部門(mén)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與環(huán)保設(shè)備的融合實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理各環(huán)節(jié)關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在重點(diǎn)排污企業(yè)排污口安裝無(wú)線傳感設(shè)備，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)企業(yè)排污數(shù)據(jù)，而且可以遠(yuǎn)程關(guān)閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。工業(yè)安全生產(chǎn)管理把感應(yīng)器嵌入和裝備到礦山設(shè)備、油氣管道、礦工設(shè)備中，可以感知危險(xiǎn)環(huán)境中工作人員、設(shè)備機(jī)器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，將現(xiàn)有分散、獨(dú)立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái)提升為系統(tǒng)、開(kāi)放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知、準(zhǔn)確辨識(shí)、快捷響應(yīng)、有效控制。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的新一輪制高點(diǎn)，正在工業(yè)領(lǐng)域廣泛滲透和應(yīng)用，并與未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，正形成新的智能化的制造體系---泛在制造信息處理技術(shù)。這一體系是建立在泛在感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)之上，并服務(wù)于智能制造體系，為制造中的設(shè)計(jì)、設(shè)備、過(guò)程、管理和商務(wù)提供無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。盡管目前面向未來(lái)智能制造的泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展還處于初始階段。但是隨著工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提升、工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這一制造體系亦在不斷發(fā)展和完善之中。
現(xiàn)在我們可以看清的是，通信技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展、以及兩者的融合，極大的加快了工業(yè)自動(dòng)化前進(jìn)的步伐。比如ZigBee技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)易靈活、設(shè)備成本低、低功耗等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使得基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制領(lǐng)域中展現(xiàn)了深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景。而且，包括傳感器材料技術(shù)、傳感器制造新工藝的進(jìn)展都使得傳感器正在向著高精度、小型化、集成化、多功能化、多維化、智能化和高性能的方向發(fā)展，這些都為傳感器未來(lái)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用增添了更多想象空間。而無(wú)論是工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)還是智慧城市建設(shè)，甚至包括物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)等，都在向我們昭示著傳感器產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)多么輝煌的發(fā)展。
