【導(dǎo)讀】在如今這個信息化的21世紀(jì),傳感器的應(yīng)用深入到社會生活的方方面面。拿今年2月成功舉辦的北京冬奧會來說,其“冰立方”場館就設(shè)置了由4,000多個傳感器領(lǐng)銜的樓宇設(shè)備管理系統(tǒng),以此來檢測和監(jiān)控場內(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、智能手機等日常設(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算機的計算和存儲能力,智能傳感器還具有高精度的物理信息采集,從而及時、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,甚至可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、信息處理技術(shù)等多項技術(shù),使傳感器實現(xiàn)更高級的智能,同時還具備分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能,能夠完成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復(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
(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)測中,有助于優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)過程和工藝,同時提高生產(chǎn)線過程檢測、實時數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)設(shè)備過程監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平,實現(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水平。
另一方面,憑借獨特的技術(shù)特點,智能傳感器的廣泛應(yīng)用也將成為實現(xiàn)工業(yè)自動化發(fā)展的必經(jīng)之路。對于工業(yè)自動化來說,智能傳感器可以保持自動化生產(chǎn)線的持續(xù)運行,在監(jiān)控和處理振動和噪聲信號之余,還能夠檢測機器健康狀況并預(yù)測其發(fā)生故障的可能性,從而幫助制造業(yè)降低維護成本。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)對高精度傳感器的需求都在日漸攀升。Markets and Markets報告數(shù)據(jù)顯示,全球工業(yè)傳感器市場規(guī)模預(yù)計將從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,該市場預(yù)計將以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時代智能傳感器技術(shù)的四大特點: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,我們處在一個永遠監(jiān)聽、不間歇運行的設(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)的一個重要特點,隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,人們對于持續(xù)在線的傳感設(shè)備需求量也會逐漸飆升,尤其在一些工業(yè)場景中,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時代下智能傳感器的標(biāo)配。為了實現(xiàn)這個目標(biāo),研發(fā)人員也用盡全力去掃除各種障礙,比如:實現(xiàn)“睡眠”功能讓整個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,溫度測量高達150°C,可以應(yīng)用在溫度測量及補償和汽車領(lǐng)域,并可在汽車應(yīng)用中提供電壓和噪聲抑制、溫度測量和補償?shù)裙δ堋?/p>
#02 全天候工作
對于智能化工廠而言,如果要用互聯(lián)網(wǎng)代替人工監(jiān)測設(shè)備,那么生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時跟蹤、生產(chǎn)設(shè)備的長期穩(wěn)定運轉(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、溫度、濕度、壓力等數(shù)據(jù)信號,進而監(jiān)控設(shè)備的運作狀況,并及時根據(jù)數(shù)據(jù)進行處理,才能降低機械損壞的機率、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、粉塵、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境影響,不然稍有不慎就會受到環(huán)境干擾,從而影響設(shè)備甚至工廠的運作。
因此相較于傳統(tǒng)傳感器,用于智能制造的工業(yè)傳感器對精度、穩(wěn)定性、抗震動和抗沖擊性等都提出了更加苛刻的要求,需要同時具備高穩(wěn)定性和高可靠性,不僅要能實時通信,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才能保持穩(wěn)定性,進而實現(xiàn)全天候工作。從這個角度來看,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的選擇。
智能傳感器
先說PCM120T屏蔽型SMT功率電感器。其實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)化實現(xiàn)高飽和電流和低直流電阻,同時通過鐵合金磁芯實現(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)機器人、無人機、物流機器人、自動導(dǎo)引車和液位測量系統(tǒng)等。
#03 本地處理
在實現(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傳感器可以幫助工廠收集、處理龐大的數(shù)據(jù)。對于傳感器來說,如果不能采集分析數(shù)據(jù),那么就將失去它的價值。
在工業(yè)3.0時代,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)測性維護應(yīng)用
(圖源:ST)
然而隨著工業(yè)4.0時代的到來,數(shù)據(jù)量將呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。如果仍和此前一樣,那么對于操作員來說,面對如此龐大的數(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)實時處理的條件。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間。
但如果讓智能傳感器先在本地進行數(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,進行下一步指導(dǎo)工作的話,效率就會大大提升。
因此對于工業(yè)4.0來說,智能傳感器的本地處理是一個必不可少的功能,能大大減少傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)量,進而減輕云計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早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始發(fā)展起來,但隨著計算機技術(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,充分利用不同時間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源,對獲得的觀測數(shù)據(jù)進行分析、整合、支配和使用,進而實現(xiàn)相應(yīng)的決策和估計,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)勢十分明顯,能夠綜合利用多種信息源的不同特點,多方位地對相關(guān)事物的信息進行探測、跟蹤和目標(biāo)識別,增強數(shù)據(jù)的可信度,提高整個系統(tǒng)的可靠性和精度。對于工業(yè)領(lǐng)域來說,這些優(yōu)勢恰恰能夠促進制造業(yè)中小批量的生產(chǎn),因為多傳感器能夠更快地檢測到錯誤,對于現(xiàn)存工廠能源管理、狀態(tài)監(jiān)測以及需要大量信息的預(yù)測維護來進行新系統(tǒng)非常有用。
然而多傳感器信息融合也會遇到難題。由于集成了多個傳感器,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)計用于測量0mbar至100mbar范圍,可實現(xiàn)緊湊型壓力傳感器設(shè)計,并通過了高達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)運行提供所需的關(guān)鍵信息及測量數(shù)據(jù),也將迎來巨大的市場機遇。換句話說,隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場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)展要求的推動下,工業(yè)智能傳感器更新迭代的速度將不斷加快,會不斷涌現(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的同時,也將向著工業(yè)智能感知系統(tǒng)加速演進。
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