智能傳感器將中國制造向中國智造轉(zhuǎn)變

 

　　我們已經(jīng)進入了信息技術高速發(fā)展的時代，智能感應就是其中必不可少而且至關重要的技術。傳感器作為信息產(chǎn)業(yè)的神經(jīng)觸角，把人們從“通信時代”帶到了“感知時代”。傳感器是數(shù)據(jù)采集的重要工具，是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，廣泛應用于航天、航空、國防、科技、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領域?；谖C電系統(tǒng)技術的智能傳感器代表了傳感器的主要發(fā)展方向，其技術進步不僅可以提高產(chǎn)品的智能化水平，還可以促進中國制造業(yè)向中國智能制造的發(fā)展。2010年后，中國已經(jīng)成為工業(yè)制造大國，但我們必須清醒地認識到中國制造業(yè)大而不強、不可持續(xù)的現(xiàn)狀。這些問題主要集中在自主創(chuàng)新能力弱、產(chǎn)業(yè)價值低、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量不合理等方面。中國政府高度重視制造業(yè)的發(fā)展，《中國制造2025》標志著中國制造業(yè)由大變強的第一步，其中智能制造被定位為中國制造業(yè)的主要方向，與德國工業(yè)4.0和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相對應。工業(yè)和信息化部副部長毛偉明，指出：“傳感技術、計算技術和通信技術應該統(tǒng)稱為信息技術領域的三大支柱。以傳感器為代表的傳感制造將是未來重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，信息系統(tǒng)的源頭，自動化和智能化的核心。”

 

　　傳統(tǒng)傳感器弊端凸顯

　　傳感器與中國制造聯(lián)系緊密。傳感器屬于基礎零部件，是工業(yè)的基石、性能的關鍵和發(fā)展的瓶頸，其重要性不言而喻。傳感器具有使用量大，應用面廣的特點，在工業(yè)生產(chǎn)制造中起到了承上啟下的作用。目前，在中國制造企業(yè)中，利用傳感器對數(shù)據(jù)進行采集、處理和傳輸已經(jīng)不是新鮮事，但是傳統(tǒng)的傳感器存在兩方面的問題：

　　1．性能方面

　　傳統(tǒng)傳感器基本屬于低端基礎類別，反應較慢、精度不高、穩(wěn)定性差、體積偏大、對惡劣工業(yè)場所（高溫、粉塵、潮濕、電磁干擾等）的適應能力不強、能耗偏高、技術含量低和壽命偏短等問題。而現(xiàn)代工業(yè)控制要確保生產(chǎn)設備高質(zhì)量和高效率的運行，內(nèi)置的傳感器不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)通信，還要足夠精準和穩(wěn)定。在不同的工業(yè)領域應用場景中，有的精密儀器或設備本身體積就很小，這也對傳感器微型化提出了更高的要求。

　　2．功能方面

　　傳統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的過程中，只能采用相同的工作原理，以數(shù)據(jù)形式記錄物理變量，再將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至設備控制器，無法實現(xiàn)在前端自動地、智能地收集、提供和分析海量的工業(yè)數(shù)據(jù)的功能，更不能時刻與互聯(lián)網(wǎng)或云端進行信息互通。大數(shù)據(jù)分析作為實現(xiàn)智能制造的基礎，它要求傳感器必須更智能化地運作，這對大數(shù)據(jù)和工業(yè)自動化融合至關重要，也是實現(xiàn)智能制造的突破口。

所以，傳統(tǒng)傳感器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)的需求，傳感器向智能化發(fā)展勢在必行。

 

　　智能傳感器的優(yōu)勢

　　智能傳感器的概念最早由美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出來，它是指具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲等功能的多元件集成電路，是集成傳感器、通信芯片、微處理器、驅(qū)動程序、軟件算法等于一體的系統(tǒng)級產(chǎn)品。智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有對外界環(huán)境等信息進行自動收集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、功能計算以及自診斷、自校準、自補償與自適應的能力，擁有更高的精度、更好的穩(wěn)定性與更強的環(huán)境適應能力。一方面，智能傳感器通過更靈活的接口不僅可以在控制器層通信，而且能實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)層的通信，附加的數(shù)據(jù)或軟件系統(tǒng)接口讓傳感器可以執(zhí)行新的分析任務及新的功能。這些能力可提高生產(chǎn)的靈活性、質(zhì)量、效率和透明度。另一方面，由于增加了智能功能，智能傳感器提供的數(shù)據(jù)更加緊湊、實用，數(shù)據(jù)資源的利用效率也越高，得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果也更加準確。在內(nèi)部對數(shù)據(jù)直接進行預處理、壓縮和濾波的智能傳感器能更好的滿足智能制造的要求。隨著應用的深化發(fā)展，智能傳感器正逐漸向微型化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化、移動互聯(lián)網(wǎng)化等方向發(fā)展。

 

　　智能傳感器的應用

　　在智能工廠里，無論是智能機器人，還是智能化生產(chǎn)線、自動化生產(chǎn)設備，它們的工作流程基本都是數(shù)據(jù)采集、分析和處理，很多工作都是由智能傳感器來共同協(xié)作完成的。智能傳感器不僅能夠提供生產(chǎn)控制的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以提供預警和狀態(tài)監(jiān)控，使現(xiàn)場設備透明并實時可控。 在漢諾威工業(yè)博覽會上，ABB展示了一種智能傳感器，通過該傳感器，每臺電動機的有關運行狀態(tài)信息和狀態(tài)參數(shù)都能夠迅速而準確地被獲得，如振動、溫度或過載，同時可以測量能源消耗，精確度為10％，同時將數(shù)據(jù)無線傳輸至云服務器中，通過專門開發(fā)的軟件轉(zhuǎn)化為可用信息以便進行分析，為客戶提供電動機維護的信息和建議。設備管理者可以隨時通過智能手機或電腦檢查其電動機的運行狀態(tài)，并可以根據(jù)實際需要進行計劃維護，不再單純依靠計劃進行維護，避免計劃外的停機，延長運行時間。預防性維護是一個非常重要的優(yōu)勢，因為在生產(chǎn)過程中停機一個小時就意味著數(shù)萬歐元的損失。

 

 

　　智能傳感器的發(fā)展與制造業(yè)息息相關，智能傳感器發(fā)展水平已成為衡量一個國家是否具有國際競爭優(yōu)勢的重要標志。為了實現(xiàn)中國制造業(yè)強國的目標，《中國制造2025》和《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017－2019）》都對傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出明確要求，大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的高端智能傳感器，為打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和實現(xiàn)智能制造夯實基礎。智能傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)重要感知器件，必將成為推動中國制造發(fā)展強有力的驅(qū)動力。

 

 

傳感器相關知識

 

一、按工作(檢測)原理分類　

 

檢測原理指傳感器工作時所依據(jù)的物理效應、化學效應和生物效應等機理。有電阻式、電容式、電感式、壓電式、電磁式、磁阻式、光電式、壓阻式、熱電式、核輻射式、半導體式傳感器等。

 

如根據(jù)變電阻原理，相應的有電位器式、應變片式、壓阻式等傳感器；如根據(jù)電磁感應原理，相應的有電感式、差壓變送器、電渦流式、電磁式、磁阻式等傳感器；如根據(jù)半導體有關理論，則相應的有半導體力敏、熱敏、光敏、氣敏、磁敏等固態(tài)傳感器。

 

這種分類方法的優(yōu)點是便于傳感器專業(yè)工作者從原理與設計上作歸納性的分析研究，避免了傳感器的名目過于繁多，故最常采用。缺點是用戶選用傳感器時會感到不夠方便。

 

有時也常把用途和原理結(jié)合起來命名，如電感式位移傳感器，壓電式力傳感器等，以避免傳感器名目過于繁多．

 

二、按照傳感器與被測對象的關聯(lián)方式(是否接觸)可分為：

 

a、接觸式：如：電位差計式、應變式、電容式、電感式等；

 

b、非接觸式：接觸式的優(yōu)點是傳感器與被測對象視為一體，傳感器的標定無須在使用現(xiàn)場進行，缺點是傳感器與被測對象接觸會對被測對象的狀態(tài)或特性不可避免地產(chǎn)生或多或少的影響。非接觸式則沒有這種影響；

 

非接觸化測量可以消除傳感器介入而使被測量受到的影響，提高測量的準確性，同時，可使傳感器的使用壽命增加。但是非接觸式傳感器的輸出會受到被測對象與傳感器之間介質(zhì)或環(huán)境的影響。因此傳感器標定必須在使用現(xiàn)場進行。

 

三、按輸入量即測量對象的不同分：

 

如輸入量分別為：溫度、壓力、位移、速度、濕度、光線、氣體等非電量時，則相應的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、稱重傳感器等。

 

這種分類方法明確地說明了傳感器的用途，給使用者提供了方便，容易根據(jù)測量對象來選擇所需要的傳感器，缺點是這種分類方法是將原理互不相同的傳感器歸為一類，很難找出每種傳感器在轉(zhuǎn)換機理上有何共性和差異，因此，對掌握傳感器的一些基本原理及分析方法是不利的。因為同一種型式的傳感器，如壓電式傳感器，它可以用來測量機械振動中的加速度、速度和振幅等，也可以用來測量沖擊和力，但其工作原理是一樣的。

 

這種分類方法把種類最多的物理量分為：基本量和派生量兩大類．例如力可視為基本物理量，從力可派生出壓力、重量，應力、力矩等派生物理量．當我們需要測量上述物理量時，只要采用力傳感器就可以了。所以了解基本物理量和派生物理量的關系，對于系統(tǒng)使用何種傳感器是很有幫助的。

 

四、根據(jù)敏感元件與被測對象之間的能量關系(或按是否需外加能源)來分：

 

a、能量轉(zhuǎn)換型(有源式、自源式、發(fā)電式)：在進行信號轉(zhuǎn)換時不需要另外提供能量，直接由被測對象輸入能量，把輸入信號能量變換為另一種形式的能量輸出使其工作。有源傳感器類似一臺微型發(fā)電機，它能將輸入的非電能量轉(zhuǎn)換成電能輸出，傳感器本身勿需外加電源，信號能量直接從被測對象取得。因此只要配上必要的放大器就能推動顯示記錄儀表。

 

如：壓電式、壓磁式、電磁式、電動式、熱電偶、光電池、霍爾元件、磁致伸縮式、電致伸縮式、靜電式等傳感器。

 

這類傳感器中，有一部分能量的變換是可逆的，也可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能或其它非電量。如壓電式、壓磁式、電動式傳感器等?！?/div>