工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器的作用越來越重要，特別在萬物互聯(lián)的趨勢下，智能傳感器得到了前所未有的重視。智能傳感器作為智能制造的基礎(chǔ)，已經(jīng)悄然應(yīng)用到各行各業(yè)。

一、傳感器概念與發(fā)展歷程

根據(jù)國標GB/T 7665-2005，傳感器是“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。

傳感器的發(fā)展被劃分為三個階段：

● 第一階段始于20世紀50年代，結(jié)構(gòu)型傳感器出現(xiàn)，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號。

●第二階段始于20 世紀70年代，固體型傳感器逐漸發(fā)展，這種傳感器由半導體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成。利用材料的熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器等。

●第三階段由 20 世紀末開始，智能型傳感器出現(xiàn)并快速發(fā)展。它是計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠?qū)ν饨缧畔⒕哂幸欢z測、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力，是當前傳感器的主流。

智能傳感器是指具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲等功能的多元件集成電路，是集傳感單元、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。

智能傳感器基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，一般包含傳感單元、計算單元和接口單元。傳感單元負責信號采集，計算單元根據(jù)設(shè)定對輸入信號進行處理，再通過網(wǎng)絡(luò)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（將傳感器、信號調(diào)理電路和帶總線接口的微處理器組合成一個整體）、集成式（采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)將敏感元件、信號調(diào)理電路、接口電路和微處理器等集成在同一塊芯片上）或混合式（將傳感器各環(huán)節(jié)以不同的組合方式集成在數(shù)塊芯片上并封裝在一個外殼中）等結(jié)構(gòu)。

圖 1智能傳感器基本結(jié)構(gòu)

二、智能傳感器關(guān)鍵技術(shù)進展

傳感器技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的基石。在當前智能時代的推動下，高性能、高可靠性的多功能復(fù)雜自動測控系統(tǒng)以及基于射頻識別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展，愈發(fā)凸顯了具有感知、認知能力的智能傳感器的重要性及其快速發(fā)展的迫切性。

智能傳感器沿用較為通用的分類方法，依據(jù)被測量的不同，一般分為物理量智能傳感器、化學量智能傳感器和生物量智能傳感器三大類。

圖2 智能傳感器分類

其中，物理量智能傳感器根據(jù)被測物理量，可簡單歸納為力、熱、聲、光、電、磁六大類。每一大類傳感器中又包含多個分支。以力學量傳感器為例，其分支部分列表見下：

圖3 力學量傳感器詳細分類

一個真正意義上的智能傳感器應(yīng)該具有如下功能：

1）自校準、自標定和自動補償功能； 2）自動采集數(shù)據(jù)、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理功能； 3）自調(diào)整、自適應(yīng)功能； 4）一定程度的存儲、識別和信息處理功能； 5）雙向通信、標準數(shù)字化輸出或者符號輸出功能； 6）算法判斷、決策處理的功能。

傳感材料、MEMS 芯片、驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件是智能傳感器實現(xiàn)這些功能的核心技術(shù)，特別是 MEMS 芯片，由于其具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高并能與微處理器集成等特點，已成為智能傳感器的重要載體。下面以常用的溫度、壓力、光學和RFID傳感器為例，介紹基于MEMS的智能傳感器技術(shù)進展。

①智能溫度傳感器

智能溫度傳感器適用于冶金、石化、石油、化工、制藥、造紙、印染、釀造、環(huán)保、電力等行業(yè)。當前的智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等方向迅速發(fā)展。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，使用 9~12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率可以達到 0.5~0.625℃。由美國Dallas半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，分辨率高達0.03℃，測溫精度為±0.2℃。

② 智能壓力傳感器

基于 MEMS技術(shù)的智能壓力傳感器具有小型化、低成本、易集成等優(yōu)點。壓力的傳感范圍也很寬，在1kPa～100MPa 之間。可廣泛應(yīng)用于微型機電系統(tǒng)、汽車、航空動力學、工藝控制和生物醫(yī)學等方面。當前智能壓力傳感器技術(shù)的研究熱點致力于減輕其敏感性和線性之間的矛盾，以提高傳感器精度[3]。美國柏恩Bourns研制的BPS140新型壓力傳感器性能穩(wěn)定，在溫度范圍為-40°C至150°C之間使用時，總誤差為2.5%FS，產(chǎn)品壽命變化為0.5%FS[4]。

③ 光學傳感器

非接觸和非破壞性測量是光學傳感器的一大優(yōu)勢，在電子產(chǎn)品檢測領(lǐng)域應(yīng)用較多。當前CCD和CMOS圖像傳感器是兩大主流成像技術(shù)。隨著圖像傳感器技術(shù)的不斷改進，像素精度不斷提高（已經(jīng)達到5μm級別），同時對環(huán)境照度要求不斷降低。安森美推出的KAI-50140是當前市場上分辨率最高的ITCCD圖像傳感器，達到5000萬像素，具有關(guān)鍵細節(jié)成像能力和高圖像均勻性，可用于智能手機顯示屏檢測、電路板檢測和機械裝配檢測等領(lǐng)域。

④ RFID

RFID即射頻識別技術(shù)，俗稱電子標簽，是利用無線電信號進行自動識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的通信技術(shù)，無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。

RFID是智能識別和數(shù)據(jù)采集（AIDC）的一種方法，也是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的重要組成部分，可應(yīng)用于生產(chǎn)線的物流管理，如物料分揀。近年來，RFID的研究熱點主要集中在數(shù)據(jù)的完整性與安全性，如提升數(shù)據(jù)識別的準確率，在獲取信息的同時保證用戶的隱私不被泄漏，以及利用RFID技術(shù)實現(xiàn)其他領(lǐng)域的應(yīng)用，像基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位等。

三、智能傳感器技術(shù)典型應(yīng)用場景

對于制造業(yè)來說，智能傳感器是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。大量傳統(tǒng)制造業(yè)在實現(xiàn)智能制造的轉(zhuǎn)型過程中，廣泛地在生產(chǎn)、檢測及物流領(lǐng)域采用傳感器。本文選取機械制造、汽車、高端裝備、電子、及石化、冶金等典型行業(yè)，對其中涉及到的智能傳感器應(yīng)用進行介紹。

圖4 自動化生產(chǎn)線上的機器視覺系統(tǒng)

智能傳感在制造過程中的典型應(yīng)用之一，體現(xiàn)在機械制造行業(yè)廣泛采用的數(shù)控機床中。現(xiàn)代數(shù)控機床在檢測位移、位置、速度、壓力等方面均部署了高性能傳感器，能夠?qū)庸顟B(tài)、刀具狀態(tài)、磨損情況以及能耗等過程進行實時監(jiān)控，以實現(xiàn)靈活的誤差補償與自校正，實現(xiàn)數(shù)控機床智能化的發(fā)展趨勢。此外，基于視覺傳感器的可視化監(jiān)控技術(shù)的采用，使得數(shù)控機床的智能監(jiān)控變得更加便捷。

圖5 汽車車門檢測（圖片來源：e-works培訓資料）

汽車制造行業(yè)應(yīng)用智能傳感也較多。以基于光學傳感的機器視覺為例，在工業(yè)領(lǐng)域的三大主要應(yīng)用有視覺測量、視覺引導和視覺檢測。在汽車制造行業(yè)，視覺測量技術(shù)通過測量產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸、表面質(zhì)量、裝配效果等，可以確保出廠產(chǎn)品合格；視覺引導技術(shù)通過引導機器完成自動化搬運、最佳匹配裝配、精確制孔等，可以顯著提升制造效率和車身裝配質(zhì)量；視覺檢測技術(shù)可以監(jiān)控車身制造工藝的穩(wěn)定性，同時也可以用于保證產(chǎn)品的完整性和可追溯性，有利于降低制造成本。

高端裝備行業(yè)的傳感器多應(yīng)用在設(shè)備運維與健康管理環(huán)節(jié)。如航空發(fā)動機裝備的智能傳感器，使控制系統(tǒng)具備故障自診斷、故障處理能力，提高了系統(tǒng)應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境和精確控制的能力。基于智能傳感技術(shù)，綜合多領(lǐng)域建模技術(shù)和新型信息技術(shù)，構(gòu)建出可精確模擬物理實體的數(shù)字孿生體，該模型能反應(yīng)系統(tǒng)的物理特性和應(yīng)對環(huán)境的多變特性，實現(xiàn)發(fā)動機的性能評估、故障診斷、壽命預(yù)測等，同時基于全生命周期多維反饋數(shù)據(jù)源，在行為狀態(tài)空間迅速學習和自主模擬，預(yù)測對安全事件的響應(yīng)，并通過物理實體與數(shù)字實體的交互數(shù)據(jù)對比，及時發(fā)現(xiàn)問題，激活自修復(fù)機制，減輕損傷和退化，有效避免具有致命損傷的系統(tǒng)行為。

工業(yè)電子領(lǐng)域，在生產(chǎn)、搬運、檢測、維護等方面均涉及智能傳感器，如機械臂、AGV導航車、AOI檢測等裝備。在消費電子和醫(yī)療電子產(chǎn)品領(lǐng)域，智能傳感器的應(yīng)用更具多樣化。如智能手機中比較常見的智能傳感器有距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤等。可穿戴設(shè)備最基本的功能就是通過傳感器實現(xiàn)運動傳感，通常內(nèi)置MEMS加速度計、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風等多種傳感器。智能家居（如掃地機器人、洗衣機等）涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環(huán)境監(jiān)測、安防感應(yīng)等傳感器等技術(shù)。

圖6 氣體傳感器在石化行業(yè)的應(yīng)用 （圖片來源：威格官網(wǎng)）

相比離散行業(yè)，流程行業(yè)應(yīng)用傳感器的環(huán)節(jié)和數(shù)量更多，特別是石化、冶金等行業(yè)，整個生產(chǎn)、加工、運輸、使用環(huán)節(jié)會排放較多危險性、污染性氣體，需要對一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氨氣、環(huán)氧乙烷、丙烯、氯乙烯、乙炔等毒性氣體和苯、醛、酮等有機蒸氣進行檢測，需要大量氣體傳感器應(yīng)用于安全防護，防止中毒與爆炸事故。此外，在原料配比管理、工藝參數(shù)控制、設(shè)備運維與健康管理方面均需部署大量傳感器。

四、傳感器技術(shù)展望

隨著新材料，新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于各種功能材料的新型傳感器件得到快速發(fā)展，其對制造的影響愈加顯著。未來，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的發(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。