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在如今這個(gè)信息化的21世紀(jì)，傳感器的應(yīng)用深入到社會(huì)生活的方方面面。拿今年2月成功舉辦的北京冬奧會(huì)來說，其“冰立方”場(chǎng)館就設(shè)置了由4,000多個(gè)傳感器領(lǐng)銜的樓宇設(shè)備管理系統(tǒng)，以此來檢測(cè)和監(jiān)控場(chǎng)內(nèi)溫濕度的變化。在過去5年中，傳感器已成為可穿戴、無人機(jī)、智能手機(jī)等日常設(shè)備中不可缺少的存在。
隨著“工業(yè)4.0”的到來，智能工業(yè)傳感器在工業(yè)制造中扮演的角色也越來越重要。不同于傳統(tǒng)工業(yè)傳感器，智能傳感器由于結(jié)合了微處理器，因而具有數(shù)據(jù)采集、處理、交換信息的能力，并且通過充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，智能傳感器還具有高精度的物理信息采集，從而及時(shí)、有效地處理所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要求。
值得一提的是，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展之下，智能傳感器的功能也在逐步增強(qiáng)，甚至可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、信息處理技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，使傳感器實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的智能，同時(shí)還具備分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能，能夠完成圖象識(shí)別、特征檢測(cè)、多維檢測(cè)等復(fù)雜任務(wù)?？偠灾?，與傳統(tǒng)工業(yè)傳感器相比，智能傳感器在精度、穩(wěn)定性、抗沖擊性方面都提出了更為苛刻的要求。
圖1：工業(yè)智能傳感器的發(fā)展演進(jìn)（圖源：賽迪顧問）
憑借著精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集能力以及功能的多樣化，智能傳感器在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)全生態(tài)構(gòu)建中，成為了提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐的關(guān)鍵。一方面，將傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到智能監(jiān)測(cè)中，有助于優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)過程和工藝，同時(shí)提高生產(chǎn)線過程檢測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)設(shè)備過程監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測(cè)的能力和水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策和智能維護(hù)水平。
另一方面，憑借獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，智能傳感器的廣泛應(yīng)用也將成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必經(jīng)之路。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化來說，智能傳感器可以保持自動(dòng)化生產(chǎn)線的持續(xù)運(yùn)行，在監(jiān)控和處理振動(dòng)和噪聲信號(hào)之余，還能夠檢測(cè)機(jī)器健康狀況并預(yù)測(cè)其發(fā)生故障的可能性，從而幫助制造業(yè)降低維護(hù)成本。因此，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，構(gòu)建完善的工業(yè)傳感組網(wǎng)體系是必經(jīng)之路。
在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益普及的當(dāng)下，包括汽車和醫(yī)療保健在內(nèi)的大多數(shù)行業(yè)對(duì)高精度傳感器的需求都在日漸攀升。Markets and Markets報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，全球工業(yè)傳感器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2021年的206億美元增長到2026年的319億美元。從2021年到2026年期間，該市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以9.1%的復(fù)合年增長率增長。
那么，工業(yè)傳感器究竟有何魅力，能讓其市場(chǎng)增長如此之快？本文就將用一些具有代表性的廠商的產(chǎn)品來說明工業(yè)傳感4.0時(shí)代智能傳感器技術(shù)的四大特點(diǎn)：持續(xù)在線、全天候工作、本地處理和多傳感器信息融合。
#01、持續(xù)在線
當(dāng)前，我們處在一個(gè)永遠(yuǎn)監(jiān)聽、不間歇運(yùn)行的設(shè)備得到大規(guī)模使用的風(fēng)口浪尖。持續(xù)在線是作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于持續(xù)在線的傳感設(shè)備需求量也會(huì)逐漸飆升，尤其在一些工業(yè)場(chǎng)景中，需要傳感器持續(xù)在線去記錄和描述數(shù)據(jù)。
而要想實(shí)現(xiàn)持續(xù)在線，能耗問題就是關(guān)鍵，這也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)給智能傳感器帶來的一大挑戰(zhàn)。只有確保感知元器件功耗足夠低，才能實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)下感知終端節(jié)能降耗的目標(biāo)。
因此，通過更省電來保持持續(xù)在線的工作狀態(tài)必將成為工業(yè)4.0時(shí)代下智能傳感器的標(biāo)配。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，研發(fā)人員也用盡全力去掃除各種障礙，比如：實(shí)現(xiàn)“睡眠”功能讓整個(gè)傳感器組件以及與之相連的其他系統(tǒng)保持低功耗模式，直到某些事件發(fā)生才喚醒；提升電池技術(shù)。增大電池容量，延長電池工作壽命預(yù)期；又或者采用抗老化技術(shù)，提高電阻穩(wěn)定性等等。
智能傳感器
以EPCOS / TDK NTC熱敏電阻來說，這款熱敏電阻在內(nèi)電極、鎳屏障終端、高溫環(huán)境下具有出色的長期抗老化效能，并且在焊接期間擁有卓越的電阻穩(wěn)定性，足以長時(shí)間保持持續(xù)在線。
圖2：EPCOS / TDK NTC熱敏電阻（圖源：EPCOS / TDK）
此外，這款熱敏電阻具有多層NTC，溫度測(cè)量高達(dá)150°C，可以應(yīng)用在溫度測(cè)量及補(bǔ)償和汽車領(lǐng)域，并可在汽車應(yīng)用中提供電壓和噪聲抑制、溫度測(cè)量和補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>
#02、全天候工作
對(duì)于智能化工廠而言，如果要用互聯(lián)網(wǎng)代替人工監(jiān)測(cè)設(shè)備，那么生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤、生產(chǎn)設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)等便是重中之重。
工廠需要通過傳感器全天候工作，才能掌握震動(dòng)、溫度、濕度、壓力等數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)而監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)作狀況，并及時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能降低機(jī)械損壞的機(jī)率、提高生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。但與日常生活相比，工業(yè)環(huán)境要惡劣許多，智能傳感器需要抵抗震動(dòng)、粉塵、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境影響，不然稍有不慎就會(huì)受到環(huán)境干擾，從而影響設(shè)備甚至工廠的運(yùn)作。
因此相較于傳統(tǒng)傳感器，用于智能制造的工業(yè)傳感器對(duì)精度、穩(wěn)定性、抗震動(dòng)和抗沖擊性等都提出了更加苛刻的要求，需要同時(shí)具備高穩(wěn)定性和高可靠性，不僅要能實(shí)時(shí)通信，還要足夠精準(zhǔn)、確保盡可能消除誤差。
換句話說，智能傳感器需要抗干擾能力足夠強(qiáng)才能保持穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全天候工作。從這個(gè)角度來看，EPCOS / TDK的PCM120T屏蔽型SMT功率電感器以及B78416A*超聲波傳感器用變壓器都是不錯(cuò)的選擇。
智能傳感器
先說PCM120T屏蔽型SMT功率電感器。其實(shí)從名稱就可以看出這款傳感器非常適合用于干擾抑制，例如汽車電機(jī)等。據(jù)介紹，該系列傳感器采用鐵氧體材料閉合外殼，無外部間隙，因此具有出色的EMC性能，并且經(jīng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高飽和電流和低直流電阻，同時(shí)通過鐵合金磁芯實(shí)現(xiàn)這些出色的飽和特性。而扁平線繞組則保持盡可能低的損耗，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)0.72mΩ（0.4μH）至9mΩ（10μH）低阻值。
圖3：EPCOS / TDK PCM120T屏蔽型SMT功率電感器（圖源：EPCOS / TDK）
而超聲波傳感器用B78416A*變壓器則擁有磁屏蔽特性，可更好地抑制干擾。據(jù)悉，這款傳感器采用EP 6磁芯，適用于超聲波應(yīng)用，轉(zhuǎn)化比介于1:1:8.42和1:1:15之間，符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，提供3mH至5mH的電感值，適用于52kHz至300kHz之間的頻率。
圖4：超聲波傳感器用B78416A*變壓器圖解（圖源：EPCOS / TDK）
此外，其允許的溫度范圍在-40°C至+125°C之間，典型應(yīng)用包括泊車輔助設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、無人機(jī)、物流機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)引車和液位測(cè)量系統(tǒng)等。
#03、本地處理
在實(shí)現(xiàn)工廠智能化過程中，智能傳感器之所以是必不可少的元部件，原因就在于成千上萬個(gè)傳感器可以幫助工廠收集、處理龐大的數(shù)據(jù)。對(duì)于傳感器來說，如果不能采集分析數(shù)據(jù)，那么就將失去它的價(jià)值。
在工業(yè)3.0時(shí)代，工廠中描述設(shè)備狀況的原始傳感器數(shù)據(jù)是直接傳輸給操作員的，不涉及任何本地處理或決策任務(wù)。
圖5：工業(yè)4.0中的典型預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用（圖源：ST）
然而隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)量將呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。如果仍和此前一樣，那么對(duì)于操作員來說，面對(duì)如此龐大的數(shù)據(jù)量，幾乎不可能快速完成數(shù)據(jù)采集（感知）、分析、決策執(zhí)行等任務(wù)，無法滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的條件。而若將數(shù)據(jù)上傳云端，一方面，大量數(shù)據(jù)上傳可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁堵；另一方面，上傳、云端分析、傳回、再指導(dǎo)，來來回回將耽誤很多時(shí)間。
但如果讓智能傳感器先在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)的簡單處理，篩選出有效的數(shù)據(jù)再上傳，而操作員僅在收到云端的通知消息后才開始介入處理，進(jìn)行下一步指導(dǎo)工作的話，效率就會(huì)大大提升。
因此對(duì)于工業(yè)4.0來說，智能傳感器的本地處理是一個(gè)必不可少的功能，能大大減少傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)量，進(jìn)而減輕云計(jì)算中心或者本地服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。
#04、多傳感器信息融合
多傳感器信息融合其實(shí)早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始發(fā)展起來，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，如今也演變成了新的層次，就是數(shù)據(jù)融合。當(dāng)下，多傳感器信息融合的定義更傾向于，充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源，對(duì)獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整合、支配和使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的決策和估計(jì)，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。
與單傳感器相比，多傳感器信息融合優(yōu)勢(shì)十分明顯，能夠綜合利用多種信息源的不同特點(diǎn)，多方位地對(duì)相關(guān)事物的信息進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和目標(biāo)識(shí)別，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和精度。對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來說，這些優(yōu)勢(shì)恰恰能夠促進(jìn)制造業(yè)中小批量的生產(chǎn)，因?yàn)槎鄠鞲衅髂軌蚋斓貦z測(cè)到錯(cuò)誤，對(duì)于現(xiàn)存工廠能源管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及需要大量信息的預(yù)測(cè)維護(hù)來進(jìn)行新系統(tǒng)非常有用。
然而多傳感器信息融合也會(huì)遇到難題。由于集成了多個(gè)傳感器，體積和功耗很有可能隨之增大，這和用戶小型化的需求是相悖的。換句話說，就是給智能傳感器的小型化提出了挑戰(zhàn)。
不過這顯然不是什么無解問題。比如EPCOS / TDK C35壓力傳感器的尺寸就只有2.05mm x 2.05mm x 1.2mm。正是由于它足夠小，所以能更好地實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合。
圖6：EPCOS / TDK C35壓力傳感器（圖源：EPCOS / TDK）
據(jù)介紹，該系列傳感器設(shè)計(jì)用于測(cè)量0mbar至100mbar范圍，可實(shí)現(xiàn)緊湊型壓力傳感器設(shè)計(jì)，并通過了高達(dá)10V的工作電壓認(rèn)證，可通過惠斯登電橋按照壓阻式原理工作。此外，該系列還具有110mV/V/bar的高靈敏度，適合用于對(duì)靈敏度、精度和0.1% FSON的長期穩(wěn)定性有高要求的應(yīng)用。其工作溫度范圍從-40°C至+150°C，適合用于非腐蝕性氣體和液體的壓力測(cè)量。
寫在最后
總而言之，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新基建重要組成部分之一，其建設(shè)的全面推進(jìn)和落地執(zhí)行，必將助力傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性新變革。而工業(yè)智能傳感器為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行提供所需的關(guān)鍵信息及測(cè)量數(shù)據(jù)，也將迎來巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。換句話說，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景逐漸向廣度和深度拓展，工業(yè)智能傳感器將在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
更重要的是，未來，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展要求的推動(dòng)下，工業(yè)智能傳感器更新迭代的速度將不斷加快，會(huì)不斷涌現(xiàn)出更多新型、低成本、微功耗、高性能及高精度的傳感器。而智能傳感器在逐步提高安全性和可靠性等級(jí)的同時(shí)，也將向著工業(yè)智能感知系統(tǒng)加速演進(jìn)。
