智能传感器关键技术及典型应用场景

智能传感器关键技术及典型应用场景

在工业制造领域，传感器的地位日益凸显，尤其是在万物互联的大背景下，智能传感器受到了空前的关注。作为实现智能制造的核心，智能传感器已经无声无息地融入了众多行业。

传感器概念与发展历程

依据国家标准GB/T7665-2005的规定，所谓传感器，是指那些能够感知被测物理量，并依照既定法则将其转换为可利用的输出信号的设备或仪器。

传感器的发展被划分为三个阶段：

20世纪50年代标志着这一阶段的开始，那时结构型传感器问世，该传感器通过结构参数的改变来感知并转换信号。

20世纪70年代标志着第二阶段的开始，此时固体型传感器技术逐渐兴起，主要由半导体、电介质、磁性材料等固体元件组合而成。借助材料的热电效应和霍尔效应，我们成功研发出了热电偶传感器以及霍尔传感器等多种类型。

自20世纪末起，智能传感器问世并迅速壮大。这种传感器是计算机技术与检测技术融合的结晶，具备对环境信息进行检测、自我诊断、数据分析和自适应调节等功能，已成为传感器领域的佼佼者。

智能传感器是一种集成了信息采集、处理、交换、存储等多功能于一体的集成电路，它将传感单元、通信芯片、微处理器、驱动程序以及软件算法等众多元素融合为一个系统级的产品。

智能传感器的构造如图所展示，通常由传感部分、处理部分以及连接部分组成。传感部分主要负责信号的搜集，处理部分则会依据既定规则对信号进行加工，随后通过网络连接与其他设备展开信息交流。智能传感器的构建可选用模块化设计，即将传感器、信号处理电路以及具备总线接口的微处理器组合成单一单元；也可采用集成化方案，通过微机械加工和大规模集成电路技术，将敏感元件、信号处理电路、接口电路和微处理器等集成于单一芯片之上；此外，还有混合式结构，将传感器的各个部分以不同组合方式集成于多块芯片中，并封装于同一外壳之内。

智能传感器关键技术进展

传感器技术构成了智能制造的稳固基础。随着智能时代的到来，高性能、高可靠性的多用途复杂自动测控系统以及基于射频识别技术的物联网的崛起和进步，更加突显了具备感知和认知功能的智能传感器的重要性，同时也迫切地要求其快速发展。

智能传感器在分类上通常采用一种普遍的做法，根据测量对象的差异，大致可以分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器这三大类别。

物理量智能传感器主要依据测量的物理量，大致可以分为力、热、声、光、电、磁这六大类别。在这些主要类别之下，每个类别还细分出多个子类别。以力学量传感器为例，其具体分支内容详见以下列表：

一个真正意义上的智能传感器应该具有如下功能：

1）自校准、自标定和自动补偿功能；

2）自动采集数据、逻辑判断和数据处理功能；

3）自调整、自适应功能；

4）一定程度的存储、识别和信息处理功能；

5）双向通信、标准数字化输出或者符号输出功能；

6）算法判断、决策处理的功能。

智能传感器的功能实现依赖于传感材料、MEMS芯片、驱动程序及应用软件等关键技术，其中MEMS芯片尤为关键。它以其小巧的体积、轻盈的重量、低功耗、高可靠性以及与微处理器的良好兼容性，成为了智能传感器的关键组成部分。以下将选取常见的温度、压力、光学以及RFID传感器为例，对基于MEMS技术的智能传感器发展状况进行详细阐述。

①智能温度传感器

智能温度传感器广泛应用于冶金、石化、石油、化工、制药、造纸、印染、酿造、环保和电力等多个领域。目前，这类传感器正迅速向高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性等方向发展智能制造 传感技术，同时也在积极开发虚拟传感器和网络传感器，以及研制单片测温系统。目前，国际上已经陆续推出了多种具备高精度和高分辨率特性的智能温度传感器。这些传感器采用了9至12位的模数转换器，其分辨率能够达到0.5至0.625摄氏度。特别值得一提的是，美国达拉斯半导体公司最新研发的DS1624型号智能温度传感器，它能够输出13位的二进制数据，分辨率更是达到了0.03摄氏度，其测温精度保持在正负0.2摄氏度以内。

②智能压力传感器

MEMS技术的智能压力传感器以其体积小巧、成本较低、易于整合等优势受到青睐。其压力测量范围宽广，涵盖从1kPa至100MPa。该传感器在微型机电系统、汽车工业、航空动力学、工艺流程控制以及生物医学领域等均有广泛应用。目前，智能压力传感器技术的研究焦点正集中在缓解敏感性与线性度之间的冲突，旨在提升传感器的精确度。美国柏恩Bourns公司研发的BPS140型号压力传感器，其性能表现十分可靠；在-40°C至150°C的温度区间内应用，其总误差仅为2.5%FS；同时，该传感器的使用寿命变化也极小，仅为0.5%FS。

③光学传感器

光学传感器以其非接触和非破坏性测量的显著特点，在电子产品检测行业中得到了广泛的应用。目前，CCD和CMOS图像传感器成为了成像技术的两大主流。随着图像传感器技术的持续进步，像素的精度也在不断提升智能传感器关键技术及典型应用场景，目前已达到5微米的水平，并且对环境照度的需求也在逐步减少。安森美公司生产的KAI-50140型号ITCCD图像传感器，在市场上以其卓越的分辨率著称，高达5000万像素。它具备捕捉关键细节的成像能力，并确保了图像的高均匀性。这款传感器广泛应用于智能手机显示屏的检测、电路板的检测以及机械装配的检测等多个领域。

④RFID

射频识别技术，又称电子标签，它通过无线电波信号实现对特定目标的自动识别，并能够进行数据的读写操作，这一过程无需识别系统与目标之间进行机械或光学接触。

RFID技术属于智能识别与数据采集领域，是物联网领域的关键构成要素之一。它能够在生产线的物流管理中发挥重要作用，例如在物料分拣环节得到应用。最近几年，RFID技术的研究焦点主要围绕数据的完整性及安全性展开，这包括提高数据识别的精确度，确保在信息获取过程中用户的隐私得到保护，以及探索RFID技术在其他领域的应用可能性，例如基于RFID技术的室内定位系统等。

智能传感器技术典型应用场景

在制造业领域，智能传感器被视为推进智能制造的核心要素。众多传统制造业在迈向智能制造的道路上，普遍在生产、检测和物流环节引入了传感器技术。本研究挑选了机械制造、汽车、高端装备、电子以及石化、冶金等代表性行业，对这些行业中智能传感器的应用进行了详细阐述。

智能传感技术在制造业中有着显著的应用，尤其在机械制造领域，数控机床的广泛应用便是其典型例证。这些现代数控机床配备了高性能的传感器，它们在检测位移、位置、速度、压力等关键参数方面发挥着重要作用。通过这些传感器，机床能够对加工过程中的状态、刀具的状态、磨损程度以及能耗进行实时监控。这种监控能力使得机床能够进行灵活的误差补偿和自我校正，从而推动了数控机床向智能化方向的发展。除此之外，采纳基于视觉传感器的可视化监控技术，大大提升了数控机床智能监控的便利性。

汽车制造业广泛采用了智能传感器技术。以光学传感器为基础的机器视觉技术，在工业应用中扮演着重要角色，具体表现在视觉测量、视觉引导以及视觉检测等三大领域。在汽车制造领域，视觉测量技术对产品关键尺寸、表面状况及装配效果进行精确测量，从而保障了出厂产品的质量达标；视觉引导技术则通过指导机器进行自动化搬运、实现最佳装配匹配和精确钻孔，大幅提高了生产效率和车身装配的精确度；此外，视觉检测技术还能监控车身制造工艺的稳定性，并确保产品具有完整性和可追溯性，进而有助于降低生产成本。

在高端装备领域，传感器广泛应用于设备维护和健康管理阶段。例如，航空发动机配备的智能型传感器智能制造 传感技术，赋予了控制系统自我诊断和故障处理的功能，从而增强了系统应对复杂环境及实现精确控制的能力。依托智能传感技术，结合多学科建模技巧与前沿信息技术，成功打造了能够精确复现物理实体的数字孪生模型。此模型不仅能够反映系统的物理属性，还能应对环境变化的多样性。它能对发动机进行性能评估、故障检测、寿命预测等工作。此外，依托全生命周期的多维度反馈数据，模型能在行为状态空间中快速学习并自主模拟，预测对安全事件的应对措施。通过对比物理实体与数字实体的交互数据，能够及时发现并解决问题，启动自修复机制，降低损伤和退化风险，从而有效防止可能导致致命损害的系统行为。

在工业电子行业，智能传感器在多个环节扮演着关键角色，包括生产、运输、检测以及维护，例如机械臂、自动导引车（AGV）以及自动光学检测（AOI）系统等设备都广泛应用了智能传感器。而在消费电子以及医疗电子产品领域，智能传感器的应用则更为丰富多样。以智能手机为例，其中常见的智能传感器包括距离感应器、光感应器、重力感应器、图像感应器、三轴陀螺仪以及电子罗盘等。可穿戴设备的核心作用在于运用传感器进行动作捕捉智能传感器关键技术及典型应用场景，一般配备有MEMS加速度计、心率监测器、脉搏探测器、陀螺仪以及MEMS麦克风等多种类型的传感器。智能家居系统（例如扫地机器人、洗衣机等）则涵盖了位置探测器、接近探测器、液位探测器、流量与速度调节、环境监控以及安防感应等多种传感器技术。

流程性行业相较于离散行业，在传感器应用方面更为广泛，数量也更为庞大。特别是在石化、冶金等特定行业，其生产、加工、运输和使用过程中，会排放出大量具有危险性和污染性的气体。因此，必须对一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、环氧乙烷、丙烯、氯乙烯、乙炔等有害气体，以及苯、醛、酮等有机蒸气进行监测。这就要求大量气体传感器被用于安全防护智能制造 传感技术，以预防中毒和爆炸事故的发生。此外，在原料配比管理环节，工艺参数的严格控制，以及设备运维和健康管理领域，均需广泛部署各类传感器。

传感器技术展望

新材料和新技术的广泛运用推动了各类功能材料为基础的新型传感器件的迅猛发展，这种发展对制造业的影响日益凸显。展望未来，智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高灵敏度以及高可靠性将成为新型传感器件的主要发展方向。而新型传感材料与器件也将成为未来智能传感技术进步的关键领域。