導讀

根據國標GB/T 7665-2005，傳感器是“能感受被測量并按照一定的規律轉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(gè)階段：

第一階段始于20世紀50年代，結構型傳感器出現，它利用結構參量變化來(lái)感受和轉化信號。

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成。利用材料的熱電效應、霍爾效應，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(kāi)始，智能型傳感器出現并快速發(fā)展。它是計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結合的產(chǎn)物，能夠對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力，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、驅動(dòng)程序、軟件算法等于一體的系統級產(chǎn)品。

智能傳感器基本結構如下圖所示，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，計算單元根據設定對輸入信號進(jìn)行處理，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口與其他裝置進(jìn)行通信。智能傳感器的實(shí)現可以采用模塊式（將傳感器、信號調理電路和帶總線(xiàn)接口的微處理器組合成一個(gè)整體）、集成式（采用微機械加工技術(shù)和大規模集成電路工藝技術(shù)將敏感元件、信號調理電路、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)節以不同的組合方式集成在數塊芯片上并封裝在一個(gè)外殼中）等結構。

傳感器技術(shù)是實(shí)現智能制造的基石。在當前智能時(shí)代的推動(dòng)下，高性能、高可靠性的多功能復雜自動(dòng)測控系統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(lèi)方法，依據被測量的不同，一般分為物理量智能傳感器、化學(xué)量智能傳感器和生物量智能傳感器三大類(lèi)。

其中，物理量智能傳感器根據被測物理量，可簡(jiǎn)單歸納為力、熱、聲、光、電、磁六大類(lèi)。每一大類(lèi)傳感器中又包含多個(gè)分支。以力學(xué)量傳感器為例，其分支部分列表見(jiàn)下：

一個(gè)真正意義上的智能傳感器應該具有如下功能：

1）自校準、自標定和自動(dòng)補償功能；

2）自動(dòng)采集數據、邏輯判斷和數據處理功能；

3）自調整、自適應功能；

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、驅動(dòng)程序和應用軟件是智能傳感器實(shí)現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(diǎn)，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(xué)和RFID傳感器為例，介紹基于MEMS的智能傳感器技術(shù)進(jìn)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(zhù)高精度、多功能、總線(xiàn)標準化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò )傳感器、研制單片測溫系統等方向迅速發(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(jìn)制數據，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(diǎn)。壓力的傳感范圍也很寬，在1kPa～100MPa 之間?？蓮V泛應用于微型機電系統、汽車(chē)、航空動(dòng)力學(xué)、工藝控制和生物醫學(xué)等方面。當前智能壓力傳感器技術(shù)的研究熱點(diǎn)致力于減輕其敏感性和線(xiàn)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定，在溫度范圍為-40°C至150°C之間使用時(shí)，總誤差為2.5%FS，產(chǎn)品壽命變化為0.5%FS[4]。

③ 光學(xué)傳感器

非接觸和非破壞性測量是光學(xué)傳感器的一大優(yōu)勢，在電子產(chǎn)品檢測領(lǐng)域應用較多。當前CCD和CMOS圖像傳感器是兩大主流成像技術(shù)。隨著(zhù)圖像傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，像素精度不斷提高（已經(jīng)達到5μm級別），同時(shí)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(chǎng)上分辨率最高的ITCCD圖像傳感器，達到5000萬(wàn)像素，具有關(guān)鍵細節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(chēng)電子標簽，是利用無(wú)線(xiàn)電信號進(jìn)行自動(dòng)識別特定目標并讀寫(xiě)相關(guān)數據的通信技術(shù)，無(wú)需識別系統與特定目標之間建立機械或光學(xué)接觸。

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

對于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，智能傳感器是實(shí)現智能制造的基礎。大量傳統制造業(yè)在實(shí)現智能制造的轉型過(guò)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(chē)、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用進(jìn)行介紹。

智能傳感在制造過(guò)程中的典型應用之一，體現在機械制造行業(yè)廣泛采用的數控機床中?，F代數控機床在檢測位移、位置、速度、壓力等方面均部署了高性能傳感器，能夠對加工狀態(tài)、刀具狀態(tài)、磨損情況以及能耗等過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，以實(shí)現靈活的誤差補償與自校正，實(shí)現數控機床智能化的發(fā)展趨勢。此外，基于視覺(jué)傳感器的可視化監控技術(shù)的采用，使得數控機床的智能監控變得更加便捷。

汽車(chē)制造行業(yè)應用智能傳感也較多。以基于光學(xué)傳感的機器視覺(jué)為例，在工業(yè)領(lǐng)域的三大主要應用有視覺(jué)測量、視覺(jué)引導和視覺(jué)檢測。在汽車(chē)制造行業(yè)，視覺(jué)測量技術(shù)通過(guò)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(chǎng)產(chǎn)品合格；視覺(jué)引導技術(shù)通過(guò)引導機器完成自動(dòng)化搬運、最佳匹配裝配、精確制孔等，可以顯著(zhù)提升制造效率和車(chē)身裝配質(zhì)量；視覺(jué)檢測技術(shù)可以監控車(chē)身制造工藝的穩定性，同時(shí)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)的傳感器多應用在設備運維與健康管理環(huán)節。如航空發(fā)動(dòng)機裝備的智能傳感器，使控制系統具備故障自診斷、故障處理能力，提高了系統應對復雜環(huán)境和精確控制的能力?；谥悄軅鞲屑夹g(shù)，綜合多領(lǐng)域建模技術(shù)和新型信息技術(shù)，構建出可精確模擬物理實(shí)體的數字孿生體，該模型能反應系統的物理特性和應對環(huán)境的多變特性，實(shí)現發(fā)動(dòng)機的性能評估、故障診斷、壽命預測等，同時(shí)基于全生命周期多維反饋數據源，在行為狀態(tài)空間迅速學(xué)習和自主模擬，預測對安全事件的響應，并通過(guò)物理實(shí)體與數字實(shí)體的交互數據對比，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，激活自修復機制，減輕損傷和退化，有效避免具有致命損傷的系統行為。

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(chē)、AOI檢測等裝備。在消費電子和醫療電子產(chǎn)品領(lǐng)域，智能傳感器的應用更具多樣化。如智能手機中比較常見(jiàn)的智能傳感器有距離傳感器、光線(xiàn)傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤(pán)等?？纱┐髟O備最基本的功能就是通過(guò)傳感器實(shí)現運動(dòng)傳感，通常內置MEMS加速度計、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)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)境監測、安防感應等傳感器等技術(shù)。

相比離散行業(yè)，流程行業(yè)應用傳感器的環(huán)節和數量更多，特別是石化、冶金等行業(yè)，整個(gè)生產(chǎn)、加工、運輸、使用環(huán)節會(huì )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(jìn)行檢測，需要大量氣體傳感器應用于安全防護，防止中毒與爆炸事故。此外，在原料配比管理、工藝參數控制、設備運維與健康管理方面均需部署大量傳感器。

隨著(zhù)新材料，新技術(shù)的廣泛應用，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(zhù)。未來(lái)，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(lái)智能傳感技術(shù)發(fā)展的重要方向。

來(lái)源：數字化企業(yè)