作者：上海景格科技股份有限公司 徐平

　　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,，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,、智能化和遠程管理控制的網(wǎng)絡(luò)，從而對物品進行智能化識別,、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遠不夠的,，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,。

　?。?）傳感器介紹

　　傳感器是一種檢測設(shè)備，是人們認知世界的一種工具,，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知和延伸擴展，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

　?。?）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、計算機和計算機接口于一體的設(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

　　傳感器負責(zé)設(shè)備信息檢測和采集，計算機根據(jù)設(shè)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(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)通過先進的智能傳感技術(shù)的感知功能,，再加上計算機的通信和控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人,、機,、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，進行分析推理,，對現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)準確描述,，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（通過智能傳感器準確感知設(shè)備或系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)）→實時分析（對獲取設(shè)備或系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行快速準確的加工和處理）→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）→精準執(zhí)行（執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)自動決策的執(zhí)行）,。

　　智能制造技術(shù)是先進傳感、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)主要有機器視覺技術(shù)、RFID 技術(shù),、工業(yè)機器人技術(shù)等應(yīng)用,。

　　4.1 機器視覺技術(shù)

　　機器視覺的發(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,，機器視覺技術(shù)在各大領(lǐng)域都得到了各行各業(yè)的認可，在工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛,，進入了高速發(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器或流程。

　　機器視覺系統(tǒng)主要有照明電源,、鏡頭,、相機,、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 機器視覺系統(tǒng)基本架構(gòu)

　　機器視覺可分為“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，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(shù)字信號進行處理和分析,，主要是軟件算法,。

　　機器視覺技術(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,，機器視覺參與的質(zhì)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(jù)產(chǎn)品的位置,、亮度,、顏色、表面特征等信息進行對應(yīng)的操作,，進一步解放生產(chǎn)力,，完成柔性化的制造，而實現(xiàn)這一切的前提就是為機器人裝上“眼睛”,，也就是“機器視覺”,。機器視覺應(yīng)用賦予工業(yè)機器人智慧化，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)機器人技術(shù)

　　智能制造生產(chǎn)線上的工業(yè)機器人起著非常關(guān)鍵的作用,，工業(yè)機器人是一種自動執(zhí)行工作的機器，它可以接受人類命令運行預(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,，伺服電機在控制伺服系統(tǒng)中,，作為機械部件運行的發(fā)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(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、機電一體化,。工業(yè)機器人主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)：運動范圍,、自由度、有效負載,、重復(fù)定位精度,、運動速度、分辨率等,，工業(yè)機器人技術(shù)參數(shù)反映了工業(yè)機器人可勝任的工作,、具有的可操作性能等情況，是設(shè)計,、應(yīng)用工業(yè)機器人必須要考慮的問題,。

　　工業(yè)機器人主要由五個子系統(tǒng)組成：

　　1）驅(qū)動系統(tǒng)，工業(yè)機器人運行起來的傳動裝置,，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)，可以參與機器人控制與聯(lián)系的裝置,；

　　4）機械系統(tǒng),，由工業(yè)機器人本體和末端執(zhí)行機構(gòu)等組成的多自由度的機械系統(tǒng)；

　　5）控制系統(tǒng),，工業(yè)機器人大腦，支配工業(yè)機器人完成預(yù)定的運動和功能,。工業(yè)機器人技術(shù)的傳感器技術(shù)融合如圖 6 所示,。

　　圖6 工業(yè)機器人技術(shù)的傳感器技術(shù)融合

　　延伸閱讀：《機器人傳感器技術(shù)及市場-2022版》

　　工業(yè)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(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)的自動化裝備,。

　　工業(yè)機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)動機制造中,，尤其在汽車白車身焊裝生產(chǎn)中應(yīng)用。運用工業(yè)機器人,，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,，降低了勞動強度,，改善了勞動環(huán)境。工業(yè)機器人技術(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,，軟件的運算處理功能越來越強,，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,、運算能力更快，軟件的運算速度也會更快,，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,、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),、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)等先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,，通過智能化的感知,、人機交互、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。

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