【導讀】未來中國最需要發展的科技是什么？是芯片、數字孿生、元宇宙還是 5G 技術？這些重要的技術都離不開的設備是傳感器。現代生產制造中，智能傳感技術的作用越來越重要，尤其在萬物互聯的趨勢下，智能傳感技術得到了前所未有的發展。
1 引言
未來中國最需要發展的科技是什么？是芯片、數字孿生、元宇宙還是 5G 技術？這些重要的技術都離不開的設備是傳感器。現代生產制造中，智能傳感技術的作用越來越重要，尤其在萬物互聯的趨勢下，智能傳感技術得到了前所未有的發展。
如果說互聯網連接的是計算機，那么物聯網連接的就是世間萬物，物聯網利用局部網絡或互聯網通信技術，把傳感器、控制器、機器、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，實現信息化、智能化和遠程管理控制的網絡，從而對物品進行智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，物聯網將我們帶到一個新的數據時代，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信息，已成為萬物互聯時代最為基礎的設備，傳感器已成為萬物互聯的紐帶。
在自動化生產過程中，要用不同的傳感器來采集、控制和監視生產過程中的設備的生產信息和參數，保證生產過程在設備工作正常狀態或最佳狀態，從而使生產出來的產品達到最佳質量。
2 智能傳感技術概要
現代信息技術發展到今天，傳感器的重要性越來越高，物聯網、人工智能、數字孿生、智能制造以及元宇宙等，都離不開傳感器。人們在研究自然現象和規律以及生產活動中憑借自身的感覺器官從外界獲取信息是遠遠不夠的，為適應瞬息萬變的環境需求，就必須借助外部設備：傳感器。從智能手機到智能語音設備，從能源平臺到工業設備，傳感器自然而然地“化身”為人類連接機器、人類自身，以及自然環境的外延器官，它幫助人類將曾經不可知、難判斷的信息變成易獲取、更精準的數據，傳感器已經成為數字化社會最為重要的基礎設施。
隨著傳感器，以及與之相關的數據存儲、儲能、新材料、網絡基礎設備等軟硬件技術的發展，還有成本的持續下降，傳感器的應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，制造出來的設備才能實現智能化、網絡化、數字化。傳感器經歷了從結構性傳感器、固體型傳感器到智能型傳感器三個階段的發展，實現了從電阻式傳感器的簡單結構參量變化到可以感知外界信息從而適應環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行處理，通過計算機接口與其他裝置進行通信。智能傳感器的實現可以采用模塊式、集成式或混合式等結構。沒有智能傳感器，就不會有所謂的第四次工業革命，也就不會有智能城市應用，不會有智能交通，不會有智能制造。智能傳感器在智能制造、智慧農業、智慧交通、人工智能等領域發揮重要作用。
（3）智能傳感器技術介紹
智能傳感技術是以系統為背景，包括相應傳感器集成傳感器芯片組成硬件部分和相關軟件組成的，系統以傳感器技術為主，其他技術為輔。智能傳感技術架構如圖 3 所示。
圖3 智能傳感技術架構圖
智能制造與傳統制造本質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，信息物理系統通過先進的智能傳感技術的感知功能，再加上計算機的通信和控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、料、法、環等要素相互映射、相互交換、高效協同的復雜系統，實現數據驅動、虛實映射、資源優化。數字孿生技術就是信息物理系統的虛實映射實現技術。智能系統的智能首先要有智能傳感技術的感知，然后建模，進行分析推理，對現實生產系統準確描述，實時感知和控制現實生產系統，如果沒有數字孿生技術，那么智能制造系統就是無源之水，無法實現。
3 智能傳感技術功能
智能傳感器技術把“感知”與“認知”結合起來，起到人體的“五感”功能的作用，可以感知各種現象，實現判斷、推理、鑒別功能，最終完成各種動作與任務，全程實現自動化和智能化。
大數據技術應用于產品創新、產品故障診斷與預測、產品銷售、生產計劃等，大數據是人工智能快速發展的基礎，而大數據來源于智能傳感技術，沒有智能傳感器采集和處理數據，就無從談起大數據，那么生產就會成為孤島，也就沒有智能制造、人工智能、數字孿生、物聯網等的產生。智能傳感技術的主要功能：自動標定和校正；采集數據，對數據進行預處理；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施的關鍵步驟：狀態感知（通過智能傳感器準確感知設備或系統的實時運行狀態）→實時分析（對獲取設備或系統的實時運行狀態數據進行快速準確的加工和處理）→自動決策（根據數據處理結果，按照設定的規則自動做出判斷和決策）→精準執行（執行機構實現自動決策的執行）。
智能制造技術是先進傳感、儀器、監測、控制和過程化的技術和實際組合，他們將信息和通信技術與制造環境融合在一起，體現了制造業的智能化、數字化和網絡化，智能制造是中國制造業產業升級必經之路。
智能制造系統主要包括：設備層、控制層、運營層和企業層。智能制造與智能傳感技術緊密聯系，各式各樣的有嵌入的、絕對的、相對的、靜止的和運動的傳感器應用于企業生產中，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，它是工業的基石、性能的關鍵和發展的瓶頸。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發展的關鍵。智能制造中應用常見的智能傳感技術主要有機器視覺技術、RFID 技術、工業機器人技術等應用。
4.1 機器視覺技術
機器視覺的發展主要經歷了從黑白到彩色、從低分辨率到高分辨率、從靜態到動態、從 2D 走向 3D 演變過程，其技術的迭代也是遵循相應的發展。
隨著行業發展，機器視覺技術在各大領域都得到了各行各業的認可，在工業上應用非常廣泛，進入了高速發展的階段。
根據制造工程師協會的定義：機器視覺就是使用光學非接觸式感應設備自動接收并解釋真實場景的圖像以獲得信息控制機器或流程。
機器視覺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 機器視覺系統基本架構
機器視覺可分為“視”和“覺”兩部分。“視”是將外界信息通過成像來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、視覺傳感器等。“覺”則是計算機對數字信號進行處理和分析，主要是軟件算法。
機器視覺技術在工業應用包括檢驗、計量、測量、定位、瑕疵檢測和分揀，比如：汽車焊裝生產線，檢查四個車門和前后蓋的內板邊框所涂的反震和折邊的膠條是否連續，是否有滿足技術要求的高度；啤酒罐裝生產線，檢查啤酒瓶蓋是否正確密封、裝灌啤酒液位是否正確等質量檢測，機器視覺參與的質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，可以根據產品的位置、亮度、顏色、表面特征等信息進行對應的操作，進一步解放生產力，完成柔性化的制造，而實現這一切的前提就是為機器人裝上“眼睛”，也就是“機器視覺”。機器視覺應用賦予工業機器人智慧化，并助力整個工業從 3.0 時代步入 4.0 時代的關鍵一環，為智能制造的落地打開了“新窗口”，為智能制造實現提供了堅實的基礎。
4.2 RFID 技術
RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種非接觸的、實時快速、高效準確地采集和處理對象信息的自動識別技術。RFID 是傳統條碼技術的繼承者，又稱為“電子標簽”。RFID 主要由電子標簽、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，無接觸式快速批量讀寫標簽內的信息，RFID 技術原理及組成如圖 5 所示。
圖5 RFID 技術原理及組成
在工業生產過程中使用 RFID 技術，將產品放置于托盤 / 工裝，安裝于生產線的 RFID 閱讀器自動識別托盤 /工裝的 RFID 標簽，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，檢測設備自動對接等功能。
在工業生產線使用 RFID 的優點：
1）實現物料防錯，確保裝配準確性，提高效率和質量；
2）實現對在制品的自動識別與跟蹤；
3）節省人力投入，自動防錯，提升對環境適用性；
4）數據信息采集，實現 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，并在每個工步下配置了使用的工具類型。工位自動執行時，將在工位一體機顯示需要執行的任務，引導器指引應拿取的工具，RFID 讀寫器校驗是否拿取了正確的工具，安燈系統通過不同顏色的燈光顯示每個環節的執行的正確性。
在智能制造工作臺上使用 RFID 的優點：
1）人工依據各項指引操作，無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 作為一種自動化的數據采集技術，必須要與相關的軟件系統，如 WMS、LES、MES 等結合應用，滿足數據自動批量采集上傳、自動校驗、自動反饋等業務需求。智能制造實施缺少了 RFID 技術，就無法獲取產品數據，也就無法實現自動化控制，RFID 技術是智能制造實現的必備技術。
4.3?工業機器人技術
智能制造生產線上的工業機器人起著非常關鍵的作用，工業機器人是一種自動執行工作的機器，它可以接受人類命令運行預先編程的程序或根據基于人工智能技術的原則行事，它的使命是協助或替代人類的工作，例如生產、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動機組件，其輔助電機間接傳動，伺服電機能夠準確地控制智能制造生產線的生產速度和產品位置精度，且還能將電壓信號轉換成扭矩和速度來驅動調節目標。
工業機器人是一個在三維空間具有較多自由度的，并能實現諸多擬人動作和功能的機器，動作靈活，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。它的特點是：可編程、擬人化、通用性、機電一體化。工業機器人主要技術參數指標：運動范圍、自由度、有效負載、重復定位精度、運動速度、分辨率等，工業機器人技術參數反映了工業機器人可勝任的工作、具有的可操作性能等情況，是設計、應用工業機器人必須要考慮的問題。
工業機器人主要由五個子系統組成：
1）驅動系統，工業機器人運行起來的傳動裝置，有液壓、氣動和電動三種驅動形式；
2）感知系統，工業機器人感知內部和外部環境狀態的信息；
3）交互系統，可以參與機器人控制與聯系的裝置；
4）機械系統，由工業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，工業機器人大腦，支配工業機器人完成預定的運動和功能。工業機器人技術的傳感器技術融合如圖 6 所示。
圖6 工業機器人技術的傳感器技術融合
延伸閱讀：《機器人傳感器技術及市場-2022版》
工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器和人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業的自動化裝備。
工業機器人適合用于大批量多品種高質量自動化生產線，廣泛應用于汽車制造業的沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間及發動機制造中，尤其在汽車白車身焊裝生產中應用。運用工業機器人，不僅提高生產效率，而且在很大程度上提高了焊接的外觀和質量，保證了產品質量，降低了勞動強度，改善了勞動環境。工業機器人技術現在已經廣泛應用于智能制造生產線中，是智能制造生產線中的關鍵技術。
5 智能傳感技術展望
智能傳感技術發展趨勢依賴于硬件和軟件的技術，現在硬件電器尤其是大規模集成電路的制作水平越來越高，軟件的運算處理功能越來越強，優化的越來越好，而且現在技術水平已經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更快，特別是在數據通信中，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，數字化傳感器必將替代模擬傳感器，現在數字化技術只是開始和起步階段，未來趨勢是向智能化、網絡化、系統化和功能化方向發展。
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展趨勢，新型傳感材料與器件將是未來智能傳感技術發展的重要方向。
不管是德國“工業 4.0”、美國工業互聯網，還是中國制造 2025，具體到物聯網、智能汽車、智能交通、智能制造，這些的前端核心技術都用到智能傳感技術。智能傳感技術發展趨勢主要在以下幾方面：
1）關注傳感技術的系統性以及傳感器、數據處理與識別技術的協調發展；
2）研究開發新型傳感器和傳感器技術，涉及新理論、新材料、新工藝等諸多因素；
3）研究與開發特殊環境下的傳感器與傳感器技術系統；
4）研究各種行業使用的傳感技術系統，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。
智能傳感技術是一門多學科交叉的高技術領域，伴隨著物理學、生物科學、信息科學和材料科學等相關學科的高速發展，未來智能傳感技術功能全面化、結構微型化、智能化程度高、集成一體化等。未來智能傳感技術將更有效模仿人類的感官，來檢測、處理和分析復雜的信息。
6 結束語
在信息技術時代，數字化技術起著巨大的作用，推動科學高速發展，不僅體現在計算機、網絡通信，還體現在傳感器上，數字化傳感器是未來高端設備、高端制造的核心。在數字技術化時代，互聯網助力現代產業蓬勃發展，從企業到行業，從農村到城鎮，智能傳感技術早已滲透到社會的各個行業。
現在的無人工廠、智慧工廠、“工業 4.0”、兩化融合等，其核心都離不開智能制造，智能制造技術是在智能傳感技術、互聯網技術、計算機技術、自動化技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、自動決策和執行，實現制造過程的智能化、網絡化、數字化，借助計算機模擬人的活動，從而替代生產制造中人的腦力勞動。現在生活中，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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