智能傳感器將中國制造向中國智造轉變
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)結構和產(chǎn)品質量不合理等方面。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)設備高質量和高效率的運行,內(nèi)置的傳感器不僅要求能夠實現(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、能量轉換型(有源式、自源式、發(fā)電式):在進行信號轉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>
b、能量控制型(無源式、他源式、參量式):在進行信號轉換時,需要先供給能量即從外部供給輔助能源使傳感器工作,并且由被測量來控制外部供給能量的變化等。對于無源傳感器,被測非電量只是對傳感器中的能量起控制或調制作用,得通過測量電路將它變?yōu)殡妷夯螂娏髁?,然后進行轉換、放大,以推動指示或記錄儀表。配用測量電路通常是電橋電路或諧振電路。
如:電阻式、電容式、電感式、差動變壓器式、渦流式、熱敏電阻、光電管、光敏電阻、濕敏電阻、磁敏電阻等。
五、按傳感器的特殊性來分:
上面介紹的分類是傳感器的基本類型,按特殊性可分以下類型:
按檢測功能可分為檢測溫度、壓力、溫度、流量計、流速、加速度、磁場、光通量等的傳感器;
按傳感器工作的物理基礎可分為機械式、電氣式、光學式、液體式等;
按轉換現(xiàn)象的范圍可分為化學傳感器、電磁學傳感器、力學傳感器和光學傳感器;
按材料可分為金屬、陶瓷、有機高分子材料、半導體傳感器等;
按應用領域分為工業(yè),民用、科研、醫(yī)療,農(nóng)用,軍用等傳感器;
按功能用途分為計測用、監(jiān)視用、檢查用,診斷用、控制用,分析用等傳感器。
六、按輸出信號的性質分:
模擬式傳感器:將被測非電量轉換成連續(xù)變化的電壓或電流,如要求配合數(shù)字顯示器或數(shù)字計算機,需要配備模/數(shù)(A/D)轉換裝置。
上面提到的傳感器基本上屬于模擬傳感器?!?/div>
b、數(shù)字式傳感器:能直接將非電量轉換為數(shù)字量,可以直接用于數(shù)字顯示和計算,可直接配合計算機,具有抗干擾能力強,適宜距離傳輸?shù)葍?yōu)點。
目前這類傳感器可分為脈沖、頻率和數(shù)碼輸出三類。如光柵傳感器等。
3、按照傳感器的結構參數(shù)在信號變換過程中是否發(fā)生變化可分為:
a、物性型傳感器:在實現(xiàn)信號的變換過程中,結構參數(shù)基本不變,而是利用某些物質材料(敏感元件)本身的物理或化學性質的變化而實現(xiàn)信號變換的。
這種傳感器一般沒有可動結構部分,易小型化,故也被稱作固態(tài)傳感器,它是以半導體、電介質、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。如:熱電偶、壓電石英晶體、熱電阻以及各種半導體傳感器如力敏、熱敏、濕敏、氣敏、光敏元件等?!?/div>
b、結構型傳感器:依靠傳感器機械結構的幾何形狀或尺寸(即結構參數(shù))的變化而將外界被測參數(shù)轉換成相應的電阻、電感、電容等物理量的變化,實現(xiàn)信號變換,從而檢測出被測信號。
如:電容式、電感式、應變片式、電位差計式等。
七、按作用形式來分:
按作用形式可分為主動型和被動型傳感器。
主動型傳感器又有作用型和反作用型,此種傳感器對被測對象能發(fā)出一定探測信號,能檢測探測信號在被測對象中所產(chǎn)生的變化,或者由探測信號在被測對象中產(chǎn)生某種效應而形成信號。檢測探測信號變化方式的稱為作用型,檢測產(chǎn)生響應而形成信號方式的稱為反作用型。雷達與無線電頻率范圍探測器是作用型實例,而光聲效應分析裝置與激光分析器是反作用型實例。
被動型傳感器只是接收被測對象本身產(chǎn)生的信號,如紅外輻射溫度計、紅外攝像裝置等
八、按傳感器構成來分:
a、基本型傳感器:是一種最基本的單個變換裝置。
b、組合型傳感器:是由不同單個變換裝置組合而構成的傳感器。
c、應用型傳感器:是基本型傳感器或組合型傳感器與其他機構組合而構成的傳感器。
例如:熱電偶是基本型傳感器,把它與紅外線輻射轉為熱量的熱吸收體組合成紅外線輻射傳感器,即一種組合傳感器;把這種組合傳感器應用于紅外線掃描設備中,就是一種應用型傳感器。
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