【導(dǎo)讀】未來中國最需要發(fā)展的科技是什么？是芯片、數(shù)字孿生、元宇宙還是 5G 技術(shù)？這些重要的技術(shù)都離不開的設(shè)備是傳感器?，F(xiàn)代生產(chǎn)制造中，智能傳感技術(shù)的作用越來越重要，尤其在萬物互聯(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
未來中國最需要發(fā)展的科技是什么？是芯片、數(shù)字孿生、元宇宙還是 5G 技術(shù)？這些重要的技術(shù)都離不開的設(shè)備是傳感器。現(xiàn)代生產(chǎn)制造中，智能傳感技術(shù)的作用越來越重要，尤其在萬物互聯(lián)的趨勢下，智能傳感技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。
如果說互聯(lián)網(wǎng)連接的是計算機(jī)，那么物聯(lián)網(wǎng)連接的就是世間萬物，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(jī)器、人和物等通過新的方式連接在一起，形成人與物、物與物相連，實現(xiàn)信息化、智能化和遠(yuǎn)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(jiān)控和管理，物聯(lián)網(wǎng)將我們帶到一個新的數(shù)據(jù)時代，讓我們的計算能力、云能力、人工智能都成為可能，萬物互聯(lián)世界將超乎我們的想象。
自傳感器誕生以來，它幫助人們獲取精準(zhǔn)信息，已成為萬物互聯(lián)時代最為基礎(chǔ)的設(shè)備，傳感器已成為萬物互聯(lián)的紐帶。
在自動化生產(chǎn)過程中，要用不同的傳感器來采集、控制和監(jiān)視生產(chǎn)過程中的設(shè)備的生產(chǎn)信息和參數(shù)，保證生產(chǎn)過程在設(shè)備工作正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，從而使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品達(dá)到最佳質(zhì)量。
2 智能傳感技術(shù)概要
現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到今天，傳感器的重要性越來越高，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生、智能制造以及元宇宙等，都離不開傳感器。人們在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中憑借自身的感覺器官從外界獲取信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為適應(yīng)瞬息萬變的環(huán)境需求，就必須借助外部設(shè)備：傳感器。從智能手機(jī)到智能語音設(shè)備，從能源平臺到工業(yè)設(shè)備，傳感器自然而然地“化身”為人類連接機(jī)器、人類自身，以及自然環(huán)境的外延器官，它幫助人類將曾經(jīng)不可知、難判斷的信息變成易獲取、更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，傳感器已經(jīng)成為數(shù)字化社會最為重要的基礎(chǔ)設(shè)施。
隨著傳感器，以及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲、儲能、新材料、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備等軟硬件技術(shù)的發(fā)展，還有成本的持續(xù)下降，傳感器的應(yīng)用場景將變得越來越豐富。
（1）傳感器介紹
傳感器是一種檢測設(shè)備，是人們認(rèn)知世界的一種工具，或者一種手段，是在我們?nèi)祟惖难鄱巧嗌淼幕A(chǔ)上建立的一種對宇宙認(rèn)知和延伸擴(kuò)展，能將檢測到的信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、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(zhuǎn)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，制造出來的設(shè)備才能實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化。傳感器經(jīng)歷了從結(jié)構(gòu)性傳感器、固體型傳感器到智能型傳感器三個階段的發(fā)展，實現(xiàn)了從電阻式傳感器的簡單結(jié)構(gòu)參量變化到可以感知外界信息從而適應(yīng)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(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)信息處理等功能的多元件集成電路，是集傳感器、計算機(jī)和計算機(jī)接口于一體的設(shè)備。智能傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
圖2 智能傳感器基本結(jié)構(gòu)圖
傳感器負(fù)責(zé)設(shè)備信息檢測和采集，計算機(jī)根據(jù)設(shè)定對輸入信號進(jìn)行處理，通過計算機(jī)接口與其他裝置進(jìn)行通信。智能傳感器的實現(xiàn)可以采用模塊式、集成式或混合式等結(jié)構(gòu)。沒有智能傳感器，就不會有所謂的第四次工業(yè)革命，也就不會有智能城市應(yīng)用，不會有智能交通，不會有智能制造。智能傳感器在智能制造、智慧農(nóng)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(tǒng)為背景，包括相應(yīng)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(tǒng)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(gòu)如圖 3 所示。
圖3 智能傳感技術(shù)架構(gòu)圖
智能制造與傳統(tǒng)制造本質(zhì)的區(qū)別在于智能制造是在人與物理系統(tǒng)之間增加了信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)組成了信息物理系統(tǒng) CPS，信息物理系統(tǒng)通過先進(jìn)的智能傳感技術(shù)的感知功能，再加上計算機(jī)的通信和控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、料、法、環(huán)等要素相互映射、相互交換、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛實映射、資源優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)就是信息物理系統(tǒng)的虛實映射實現(xiàn)技術(shù)。智能系統(tǒng)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(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)確描述，實時感知和控制現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)，如果沒有數(shù)字孿生技術(shù)，那么智能制造系統(tǒng)就是無源之水，無法實現(xiàn)。
3 智能傳感技術(shù)功能
智能傳感器技術(shù)把“感知”與“認(rèn)知”結(jié)合起來，起到人體的“五感”功能的作用，可以感知各種現(xiàn)象，實現(xiàn)判斷、推理、鑒別功能，最終完成各種動作與任務(wù)，全程實現(xiàn)自動化和智能化。
大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新、產(chǎn)品故障診斷與預(yù)測、產(chǎn)品銷售、生產(chǎn)計劃等，大數(shù)據(jù)是人工智能快速發(fā)展的基礎(chǔ)，而大數(shù)據(jù)來源于智能傳感技術(shù)，沒有智能傳感器采集和處理數(shù)據(jù)，就無從談起大數(shù)據(jù)，那么生產(chǎn)就會成為孤島，也就沒有智能制造、人工智能、數(shù)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：自動標(biāo)定和校正；采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；檢測檢驗、自尋故障；數(shù)據(jù)存儲、記憶和信息處理；標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)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(yīng)用
當(dāng)我們提到智能制造，首先了解智能制造實施的關(guān)鍵步驟：狀態(tài)感知（通過智能傳感器準(zhǔn)確感知設(shè)備或系統(tǒng)的實時運(yùn)行狀態(tài)）→實時分析（對獲取設(shè)備或系統(tǒng)的實時運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的加工和處理）→自動決策（根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，按照設(shè)定的規(guī)則自動做出判斷和決策）→精準(zhǔn)執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)自動決策的執(zhí)行）。
智能制造技術(shù)是先進(jìn)傳感、儀器、監(jiān)測、控制和過程化的技術(shù)和實際組合，他們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起，體現(xiàn)了制造業(yè)的智能化、數(shù)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(tǒng)主要包括：設(shè)備層、控制層、運(yùn)營層和企業(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(yùn)動的傳感器應(yīng)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(chǔ)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、無線化、微型化和集成化是未來智能制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。智能制造中應(yīng)用常見的智能傳感技術(shù)主要有機(jī)器視覺技術(shù)、RFID 技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等應(yīng)用。
4.1 機(jī)器視覺技術(shù)
機(jī)器視覺的發(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)到動態(tài)、從 2D 走向 3D 演變過程，其技術(shù)的迭代也是遵循相應(yīng)的發(fā)展。
隨著行業(yè)發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)在各大領(lǐng)域都得到了各行各業(yè)的認(rèn)可，在工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛，進(jìn)入了高速發(fā)展的階段。
根據(jù)制造工程師協(xié)會的定義：機(jī)器視覺就是使用光學(xué)非接觸式感應(yīng)設(shè)備自動接收并解釋真實場景的圖像以獲得信息控制機(jī)器或流程。
機(jī)器視覺系統(tǒng)主要有照明電源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集 / 處理卡、圖像處理系統(tǒng)、其他外部設(shè)備等組成，如圖 4 所示。
圖4 機(jī)器視覺系統(tǒng)基本架構(gòu)
機(jī)器視覺可分為“視”和“覺”兩部分?！耙暋笔菍⑼饨缧畔⑼ㄟ^成像來顯示成數(shù)字信號反饋給計算機(jī)，需要依靠一整套的硬件解決方案，包括光源、相機(jī)、圖像采集卡、視覺傳感器等?！坝X”則是計算機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理和分析，主要是軟件算法。
機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用包括檢驗、計量、測量、定位、瑕疵檢測和分揀，比如：汽車焊裝生產(chǎn)線，檢查四個車門和前后蓋的內(nèi)板邊框所涂的反震和折邊的膠條是否連續(xù)，是否有滿足技術(shù)要求的高度；啤酒罐裝生產(chǎn)線，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(jī)器視覺參與的質(zhì)量檢驗比人工檢驗要快準(zhǔn)。
如果能讓機(jī)器像人一樣具有自我意識，可以根據(jù)產(chǎn)品的位置、亮度、顏色、表面特征等信息進(jìn)行對應(yīng)的操作，進(jìn)一步解放生產(chǎn)力，完成柔性化的制造，而實現(xiàn)這一切的前提就是為機(jī)器人裝上“眼睛”，也就是“機(jī)器視覺”。機(jī)器視覺應(yīng)用賦予工業(yè)機(jī)器人智慧化，并助力整個工業(yè)從 3.0 時代步入 4.0 時代的關(guān)鍵一環(huán)，為智能制造的落地打開了“新窗口”，為智能制造實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。
4.2 RFID 技術(shù)
RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種非接觸的、實時快速、高效準(zhǔn)確地采集和處理對象信息的自動識別技術(shù)。RFID 是傳統(tǒng)條碼技術(shù)的繼承者，又稱為“電子標(biāo)簽”。RFID 主要由電子標(biāo)簽、天線、讀寫器和控制軟件組成，簡單理解為讀寫器通過無線電波技術(shù)，無接觸式快速批量讀寫標(biāo)簽內(nèi)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)過程中使用 RFID 技術(shù)，將產(chǎn)品放置于托盤 / 工裝，安裝于生產(chǎn)線的 RFID 閱讀器自動識別托盤 /工裝的 RFID 標(biāo)簽，并與 MES 實時對接，完成信息綁定跟蹤管理，零配件識別、加工工序自動識別，檢測設(shè)備自動對接等功能。
在工業(yè)生產(chǎn)線使用 RFID 的優(yōu)點：
1）實現(xiàn)物料防錯，確保裝配準(zhǔn)確性，提高效率和質(zhì)量；
2）實現(xiàn)對在制品的自動識別與跟蹤；
3）節(jié)省人力投入，自動防錯，提升對環(huán)境適用性；
4）數(shù)據(jù)信息采集，實現(xiàn) MES 信息收集。
在智能制造工位上安裝工位定置格、智能引導(dǎo)器、安燈、工位一體機(jī)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(biāo)簽，MES 集成所有的設(shè)備，并在每個工步下配置了使用的工具類型。工位自動執(zhí)行時，將在工位一體機(jī)顯示需要執(zhí)行的任務(wù)，引導(dǎo)器指引應(yīng)拿取的工具，RFID 讀寫器校驗是否拿取了正確的工具，安燈系統(tǒng)通過不同顏色的燈光顯示每個環(huán)節(jié)的執(zhí)行的正確性。
在智能制造工作臺上使用 RFID 的優(yōu)點：
1）人工依據(jù)各項指引操作，無需記憶復(fù)雜操作流程；
2）智能引導(dǎo)、智能校驗、智能提醒、智能數(shù)據(jù)采集，減少失誤，提高效率和準(zhǔn)確性。
RFID 作為一種自動化的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，必須要與相關(guān)的軟件系統(tǒng)，如 WMS、LES、MES 等結(jié)合應(yīng)用，滿足數(shù)據(jù)自動批量采集上傳、自動校驗、自動反饋等業(yè)務(wù)需求。智能制造實施缺少了 RFID 技術(shù)，就無法獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)，也就無法實現(xiàn)自動化控制，RFID 技術(shù)是智能制造實現(xiàn)的必備技術(shù)。
4.3?工業(yè)機(jī)器人技術(shù)
智能制造生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人起著非常關(guān)鍵的作用，工業(yè)機(jī)器人是一種自動執(zhí)行工作的機(jī)器，它可以接受人類命令運(yùn)行預(yù)先編程的程序或根據(jù)基于人工智能技術(shù)的原則行事，它的使命是協(xié)助或替代人類的工作，例如生產(chǎn)、建筑或危險工作，伺服電機(jī)在控制伺服系統(tǒng)中，作為機(jī)械部件運(yùn)行的發(fā)動機(jī)組件，其輔助電機(jī)間接傳動，伺服電機(jī)能夠準(zhǔn)確地控制智能制造生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度和產(chǎn)品位置精度，且還能將電壓信號轉(zhuǎn)換成扭矩和速度來驅(qū)動調(diào)節(jié)目標(biāo)。
工業(yè)機(jī)器人是一個在三維空間具有較多自由度的，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機(jī)器，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，有很高的自由度，幾乎適合任何范圍工作。它的特點是：可編程、擬人化、通用性、機(jī)電一體化。工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)：運(yùn)動范圍、自由度、有效負(fù)載、重復(fù)定位精度、運(yùn)動速度、分辨率等，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)反映了工業(yè)機(jī)器人可勝任的工作、具有的可操作性能等情況，是設(shè)計、應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人必須要考慮的問題。
工業(yè)機(jī)器人主要由五個子系統(tǒng)組成：
1）驅(qū)動系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行起來的傳動裝置，有液壓、氣動和電動三種驅(qū)動形式；
2）感知系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人感知內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)的信息；
3）交互系統(tǒng)，可以參與機(jī)器人控制與聯(lián)系的裝置；
4）機(jī)械系統(tǒng)，由工業(yè)機(jī)器人本體和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成的多自由度的機(jī)械系統(tǒng)；
5）控制系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人大腦，支配工業(yè)機(jī)器人完成預(yù)定的運(yùn)動和功能。工業(yè)機(jī)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(jī)器人技術(shù)的傳感器技術(shù)融合
延伸閱讀：《機(jī)器人傳感器技術(shù)及市場-2022版》
工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器和人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)的自動化裝備。
工業(yè)機(jī)器人適合用于大批量多品種高質(zhì)量自動化生產(chǎn)線，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)的沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間及發(fā)動機(jī)制造中，尤其在汽車白車身焊裝生產(chǎn)中應(yīng)用。運(yùn)用工業(yè)機(jī)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和質(zhì)量，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了勞動強(qiáng)度，改善了勞動環(huán)境。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能制造生產(chǎn)線中，是智能制造生產(chǎn)線中的關(guān)鍵技術(shù)。
5 智能傳感技術(shù)展望
智能傳感技術(shù)發(fā)展趨勢依賴于硬件和軟件的技術(shù)，現(xiàn)在硬件電器尤其是大規(guī)模集成電路的制作水平越來越高，軟件的運(yùn)算處理功能越來越強(qiáng)，優(yōu)化的越來越好，而且現(xiàn)在技術(shù)水平已經(jīng)可以使傳感器硬件的轉(zhuǎn)換、處理、運(yùn)算能力更快，軟件的運(yùn)算速度也會更快，特別是在數(shù)據(jù)通信中，提高通信速率，幾乎沒有誤碼率或者說誤碼率極低，會提高生產(chǎn)效率，降低使用成本，特別是延遲時間會越來越少，甚至趨近于零，所以從這個趨勢來看，數(shù)字化傳感器必將替代模擬傳感器，現(xiàn)在數(shù)字化技術(shù)只是開始和起步階段，未來趨勢是向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)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、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(tǒng)性以及傳感器、數(shù)據(jù)處理與識別技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展；
2）研究開發(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）研究與開發(fā)特殊環(huán)境下的傳感器與傳感器技術(shù)系統(tǒng)；
4）研究各種行業(yè)使用的傳感技術(shù)系統(tǒng)，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(jī)結(jié)合應(yīng)用，主要高可靠性、自適應(yīng)性、抗干擾性智能傳感技術(shù)。
智能傳感技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域，伴隨著物理學(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，未來智能傳感技術(shù)功能全面化、結(jié)構(gòu)微型化、智能化程度高、集成一體化等。未來智能傳感技術(shù)將更有效模仿人類的感官，來檢測、處理和分析復(fù)雜的信息。
6 結(jié)束語
在信息技術(shù)時代，數(shù)字化技術(shù)起著巨大的作用，推動科學(xué)高速發(fā)展，不僅體現(xiàn)在計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信，還體現(xiàn)在傳感器上，數(shù)字化傳感器是未來高端設(shè)備、高端制造的核心。在數(shù)字技術(shù)化時代，互聯(lián)網(wǎng)助力現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，從企業(yè)到行業(yè)，從農(nóng)村到城鎮(zhèn)，智能傳感技術(shù)早已滲透到社會的各個行業(yè)。
現(xiàn)在的無人工廠、智慧工廠、“工業(yè) 4.0”、兩化融合等，其核心都離不開智能制造，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(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過智能化的感知、人機(jī)交互、自動決策和執(zhí)行，實現(xiàn)制造過程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，借助計算機(jī)模擬人的活動，從而替代生產(chǎn)制造中人的腦力勞動。現(xiàn)在生活中，無處不在的分布各種各樣的傳感器。傳感器的未來已來。
（文章來源：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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