工業(yè)的發(fā)展離不開眾多感知技術(shù)的加持，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一便是傳感器。可以說，工業(yè)傳感器讓自動化智能設(shè)備有了感知能力。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，我國工業(yè)傳感器在體系、規(guī)模、產(chǎn)品種類、基礎(chǔ)技術(shù)研究、產(chǎn)學(xué)研用一條龍建設(shè)等多方面取得了一定的進(jìn)步，基本滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要。

　　那么，四次工業(yè)革命的技術(shù)有何不同?工業(yè)傳感器有何應(yīng)用?不同的傳感器有何特點(diǎn)?

　　四次工業(yè)革命的技術(shù)特征

　　第一次工業(yè)革命開始于 18 世紀(jì)后期的英國，用水和蒸汽動力取代純粹的人力和畜力，從而幫助實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。成品是用機(jī)器制造，而不再是手工制作。

　　一個世紀(jì)后，第二次工業(yè)革命引入了裝配線以及對石油、天然氣和電力的利用。這些新能源，以及借助電話和電報進(jìn)行的更先進(jìn)的通信，為制造過程帶來了大規(guī)模生產(chǎn)和一定程度的自動化。

　　第三次工業(yè)革命始于 20 世紀(jì)中葉，在制造過程中增加了計算機(jī)、先進(jìn)的電信和數(shù)據(jù)分析。工廠的數(shù)字化始于將可編程邏輯控制器 (PLC) 嵌入機(jī)器中，以幫助自動化某些流程并收集和共享數(shù)據(jù)。

　　我們現(xiàn)在正處于第四次工業(yè)革命，也稱為工業(yè) 4.0。只要將傳感器或者執(zhí)行器嵌入到工廠現(xiàn)場的物理對象中，并能夠無線或者有線網(wǎng)絡(luò)連接，就能輕松采集到工廠低層的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將傳給到計算中心進(jìn)行分析，而所有物理對象都能或感知自己的環(huán)境，并可以進(jìn)行相互之間的通信。

　　工業(yè) 4.0 這種數(shù)字技術(shù)可提高自動化、預(yù)測性維護(hù)、流程改進(jìn)的自我優(yōu)化，最重要的是，將效率和對客戶的響應(yīng)能力提高到前所未有的新水平。

　　未來的制造工廠里，實(shí)現(xiàn)了虛擬計算和現(xiàn)實(shí)世界的連接，利用數(shù)字化技術(shù)顛覆制造流程，讓一切都變得可控可調(diào)。數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)可能是未來10年內(nèi)較有可能對制造業(yè)產(chǎn)生重大影響的顛覆性技術(shù)。通過應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，制造商可以立即檢測錯誤，而不是在維修工作更昂貴的后期階段。

　　隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，未來交互技術(shù)也將發(fā)生巨大的變革，例如生物識別、意念控制等等，人與機(jī)器的交流將變得越來越輕松，甚至有可能將機(jī)器變成人的一部分，進(jìn)一步增強(qiáng)人類的能力，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)力的提升。

　　工業(yè) 4.0 概念和技術(shù)可以應(yīng)用于所有類型的工業(yè)公司，包括離散和流程制造，以及石油和天然氣、采礦和其他工業(yè)領(lǐng)域。

　　工業(yè)傳感器的應(yīng)用

　　工業(yè)傳感器是用于各種工業(yè)場景如能源、石油、化工、冶金、電力、機(jī)械制造、汽車等工業(yè)制造過程中的各類傳感器，泛指在工業(yè)制造過程能將感受的力、熱、光、磁、聲、濕、電、環(huán)境等被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件與裝置。是一類涉及多學(xué)科基礎(chǔ)技術(shù)融合的工業(yè)產(chǎn)品。具有技術(shù)密集、多品種、小批量、使用靈活及應(yīng)用分布廣泛的典型特征。

　　德國傳感和測量技術(shù)協(xié)會(AMA)在《傳感器技術(shù)2022——讓創(chuàng)新互聯(lián)》報告中指出，傳感器技術(shù)是很多機(jī)器、設(shè)備和車輛競爭力的核心技術(shù)，是提升其價值增值的手段。與當(dāng)前快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)一樣，傳感器的發(fā)展為其帶來機(jī)遇與挑戰(zhàn)。未來傳感器的先進(jìn)程度決定了機(jī)械制造、汽車、過程控制和制造領(lǐng)域的國際競爭力。美國則在上世紀(jì)80年代就成立了國際技術(shù)小組(BGT)，從國家層面協(xié)調(diào)政府資源、企業(yè)和相關(guān)部門在傳感器技術(shù)、功能材料等全方面開展工作，服務(wù)于美國工業(yè)制造、智能制造和軍工領(lǐng)域。日本在上世紀(jì)末就已經(jīng)將傳感器技術(shù)列為本世紀(jì)十大技術(shù)之首，日本工商界直接認(rèn)為，“支配了傳感器技術(shù)就能支配新時代”，并將傳感器技術(shù)的開發(fā)利用列為本世紀(jì)國家重點(diǎn)發(fā)展六大核心技術(shù)之一。

　　我國工業(yè)傳感器經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，在體系、規(guī)模、產(chǎn)品種類、基礎(chǔ)技術(shù)研究、產(chǎn)學(xué)研用一條龍建設(shè)等多方面取得了一定的進(jìn)步，基本滿足了改革開放以來快速發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要。但我國工業(yè)傳感器產(chǎn)業(yè)自身所存在的共性基礎(chǔ)研究不利、創(chuàng)新能力弱、核心技術(shù)少、核心元件成果走不出實(shí)驗(yàn)室、核心元器件國產(chǎn)化嚴(yán)重缺失的問題并沒有得到根本解決。我國基礎(chǔ)科學(xué)研究短板依然突出，企業(yè)對基礎(chǔ)研究重視不夠，重大原創(chuàng)成果缺乏，底層基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)工藝能力不足，基礎(chǔ)元器件、基礎(chǔ)材料等瓶頸仍然突出，關(guān)鍵技術(shù)受制于人的局面沒有根本性改變。工業(yè)傳感器作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)、工業(yè)革命(工業(yè)4.0)的基石，對我國整個工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有四兩撥千斤的重要價值。

　　不同的傳感器

　　那么，在工業(yè)自動化中，通常需要用到哪些傳感器呢?

　　一、溫濕度傳感器

　　溫濕度傳感器是一種裝有濕敏和熱敏元件，能夠用來測量溫度和濕度的傳感器。將溫度和濕度信號采集出來，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成線性關(guān)系的電流信號或電壓信號輸出。

　　二、光電傳感器

　　光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種設(shè)備。其工作原理基于光電效應(yīng)，光電效應(yīng)是指光照射在某些物質(zhì)上時，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生了相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象?？捎糜跈z測直接引起光量變化的非電物理量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等;也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。

　　三、壓力傳感器

　　壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中常用的一種傳感器，是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。廣泛應(yīng)用于水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等行業(yè)。

　　四、霍爾傳感器

　　霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

　　五、接近傳感器

　　接近傳感器，是代替限位開關(guān)等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象就能進(jìn)行檢測的傳感器總稱，能將檢測對象的移動信息和存在信息轉(zhuǎn)換為電氣信號。接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件，它利用位移傳感器對接近的物體具有敏感特性來識別物體的接近，并輸出相應(yīng)開關(guān)信號，因此，接近傳感器又稱為接近開關(guān)。

　　六、MEMS傳感器

　　MEMS傳感器即微機(jī)電系統(tǒng)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，涉及電子、機(jī)械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)。目前在太空衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、航空航天設(shè)備、飛機(jī)、汽車、生物醫(yī)學(xué)及消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　七、扭矩傳感器

　　扭矩傳感器，又稱力矩傳感器、扭力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、扭矩儀。采用應(yīng)變片電測技術(shù) ，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。通過對各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測。該傳感器可以準(zhǔn)確測量各種扭力、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率。

　　八、光纖傳感器

　　光纖傳感器是一種將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的傳感器。光纖傳感器的工作原理是將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)與外界被測參數(shù)的相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號，再經(jīng)過光纖送入光電器件、經(jīng)解調(diào)器后獲得被測參數(shù)。

　　九、位移傳感器

　　位移傳感器又稱為線性傳感器，是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，位移傳感器的作用是把各種被測物理量轉(zhuǎn)換為電量。該感器的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，常用在工業(yè)自動化或者建筑橋梁等方面。

　　十、磁性傳感器

　　磁性材料在感受到外界的熱、光、壓力、放射線等之后，其磁特性會改變。利用這種物質(zhì)可以做成各種可靠性好，靈敏度高的傳感器，這類傳感器是利用磁性材料作為其敏感元件，故稱磁性傳感器。

　　十一、集成的傳感器

　　下一代驅(qū)動軸將采用智能化測量技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，core sensing將智能傳感器和測量部件集成到驅(qū)動軸的腔體中，并開發(fā)了針對預(yù)測性維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測的智能解決方案，可使公司能夠更高效、更經(jīng)濟(jì)地使用生產(chǎn)設(shè)備和商用車輛。

　　集成的傳感器可直接提供作用在驅(qū)動軸上的實(shí)時、高精度扭矩測量數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)可以得出關(guān)于驅(qū)動軸及其周圍部件狀況的可靠結(jié)論，為用戶提供精確的測量結(jié)果。

　　十二、IO-Link傳感器

　　無論過去還是現(xiàn)在，許多情況下，工業(yè)傳感器都采用模擬形態(tài)，其中包含檢測元件和將檢測數(shù)據(jù)傳輸至控制器的某種方式。數(shù)據(jù)采用單向模擬方式進(jìn)行傳輸。之后出現(xiàn)了可提供數(shù)字開/關(guān)信號的二進(jìn)制傳感器，包含電感、電容、超聲波、光電等檢測元件，以及半導(dǎo)體開關(guān)元件。其輸出可能是：高端(HS)開關(guān)(PNP)或低端(LS)開關(guān)(NPN)，或者是推挽式(PP)。但數(shù)據(jù)仍然受到限制，只能從傳感器單向傳輸至主機(jī)，不提供糾錯控制，仍然需要現(xiàn)場技術(shù)人員來執(zhí)行手動校準(zhǔn)等任務(wù)。因此，業(yè)界亟需一種更好的解決方案來滿足“工業(yè)4.0”、智能傳感器和可重新配置的廠區(qū)部署等需求。

　　時下獲得公認(rèn)的解決方案是IO-Link協(xié)議，一種相對較新的工業(yè)傳感器標(biāo)準(zhǔn)，目前已呈現(xiàn)出迅速增長態(tài)勢。據(jù)IO-Link相關(guān)組織預(yù)測，截至當(dāng)前，行業(yè)使用支持IO-Link標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)已超過1600萬個，而這個數(shù)字仍再不斷攀升。

　　IO-Link是一種標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)(IEC 61131-9)，規(guī)定工業(yè)系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器如何與控制器交互。作為一種點(diǎn)對點(diǎn)通信鏈接，IO-Link采用標(biāo)準(zhǔn)連接器、電纜和協(xié)議。IO-Link系統(tǒng)設(shè)計用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3線傳感器和執(zhí)行器基礎(chǔ)設(shè)施，由IO-Link主機(jī)和IO-Link器件產(chǎn)品組成。

　　IO-Link通信在一個主機(jī)和一個器件(傳感器或執(zhí)行器)之間進(jìn)行。通信采用二進(jìn)制(半雙工)形式，使用非屏蔽電纜時，通信距離限制在20米內(nèi)。進(jìn)行通信需要使用三線式接口(L+、C/Q和L-)。在IO-Link系統(tǒng)中，主機(jī)的供電范圍為20V至30V，器件(傳感器或執(zhí)行器)的供電范圍為18至30V。

　　來源：非猩芯人類，傳感器專家網(wǎng)，德國工業(yè)智庫，電子工程世界