智能传感技术是实现智能制造的关键
作者：上海景格科技股份有限公司 徐平
1 引言
未来中国最需要发展的科技是什么？是芯片、数字孪生、元宇宙还是 5G 技术？这些重要的技术都离不开的设备是传感器。现代生产制造中，智能传感技术的作用越来越重要，尤其在万物互联的趋势下，智能传感技术得到了前所未有的发展。
如果说互联网连接的是计算机，那么物联网连接的就是世间万物，物联网利用局部网络或互联网通信技术，把传感器、控制器、机器、人和物等通过新的方式连接在一起，形成人与物、物与物相连，实现信息化、智能化和远程管理控制的网络，从而对物品进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，物联网将我们带到一个新的数据时代，让我们的计算能力、云能力、人工智能都成为可能，万物互联世界将超乎我们的想象。
自传感器诞生以来，它帮助人们获取精准信息，已成为万物互联时代最为基础的设备，传感器已成为万物互联的纽带。
在自动化生产过程中，要用不同的传感器来采集、控制和监视生产过程中的设备的生产信息和参数，保证生产过程在设备工作正常状态或最佳状态，从而使生产出来的产品达到最佳质量。
2 智能传感技术概要
现代信息技术发展到今天，传感器的重要性越来越高，物联网、人工智能、数字孪生、智能制造以及元宇宙等，都离不开传感器。人们在研究自然现象和规律以及生产活动中凭借自身的感觉器官从外界获取信息是远远不够的，为适应瞬息万变的环境需求，就必须借助外部设备：传感器。从智能手机到智能语音设备，从能源平台到工业设备，传感器自然而然地“化身”为人类连接机器、人类自身，以及自然环境的外延器官，它帮助人类将曾经不可知、难判断的信息变成易获取、更精准的数据，传感器已经成为数字化社会最为重要的基础设施。
随着传感器，以及与之相关的数据存储、储能、新材料、网络基础设备等软硬件技术的发展，还有成本的持续下降，传感器的应用场景将变得越来越丰富。
（1）传感器介绍
传感器是一种检测设备，是人们认知世界的一种工具，或者一种手段，是在我们人类的眼耳鼻舌身的基础上建立的一种对宇宙认知和延伸扩展，能将检测到的信息，按一定规律转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它可以检测到温度、声音、压力、位移、亮度等信息，然后将他们转换为电流或电压等电信号，传感器工作原理图如图 1 所示，有了传感器，制造出来的设备才能实现智能化、网络化、数字化。传感器经历了从结构性传感器、固体型传感器到智能型传感器三个阶段的发展，实现了从电阻式传感器的简单结构参量变化到可以感知外界信息从而适应环境的能力的智能传感器。
图1 传感器工作原理图
（2）智能传感器介绍
智能传感器指具有数据信息采集、数据信息处理等功能的多元件集成电路，是集传感器、计算机和计算机接口于一体的设备。智能传感器基本结构如图 2 所示。
图2 智能传感器基本结构图
传感器负责设备信息检测和采集，计算机根据设定对输入信号进行处理，通过计算机接口与其他装置进行通信。智能传感器的实现可以采用模块式、集成式或混合式等结构。没有智能传感器，就不会有所谓的第四次工业革命，也就不会有智能城市应用，不会有智能交通，不会有智能制造。智能传感器在智能制造、智慧农业、智慧交通、人工智能等领域发挥重要作用。
（3）智能传感器技术介绍
智能传感技术是以系统为背景，包括相应传感器集成传感器芯片组成硬件部分和相关软件组成的，系统以传感器技术为主，其他技术为辅。智能传感技术架构如图 3 所示。
图3 智能传感技术架构图
智能制造与传统制造本质的区别在于智能制造是在人与物理系统之间增加了信息系统，信息系统与物理系统组成了信息物理系统 CPS，信息物理系统通过先进的智能传感技术的感知功能，再加上计算机的通信和控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、料、法、环等要素相互映射、相互交换、高效协同的复杂系统，实现数据驱动、虚实映射、资源优化。数字孪生技术就是信息物理系统的虚实映射实现技术。智能系统的智能首先要有智能传感技术的感知，然后建模，进行分析推理，对现实生产系统准确描述，实时感知和控制现实生产系统，如果没有数字孪生技术，那么智能制造系统就是无源之水，无法实现。
3 智能传感技术功能
智能传感器技术把“感知”与“认知”结合起来，起到人体的“五感”功能的作用，可以感知各种现象，实现判断、推理、鉴别功能，最终完成各种动作与任务，全程实现自动化和智能化。
大数据技术应用于产品创新、产品故障诊断与预测、产品销售、生产计划等，大数据是人工智能快速发展的基础，而大数据来源于智能传感技术，没有智能传感器采集和处理数据，就无从谈起大数据，那么生产就会成为孤岛，也就没有智能制造、人工智能、数字孪生、物联网等的产生。智能传感技术的主要功能：自动标定和校正；采集数据，对数据进行预处理；检测检验、自寻故障；数据存储、记忆和信息处理；标准化数字输出或符号输出；判断和决策处理。
4 智能传感技术在智能制造中的应用
当我们提到智能制造，首先了解智能制造实施的关键步骤：状态感知（通过智能传感器准确感知设备或系统的实时运行状态）→实时分析（对获取设备或系统的实时运行状态数据进行快速准确的加工和处理）→自动决策（根据数据处理结果，按照设定的规则自动做出判断和决策）→精准执行（执行机构实现自动决策的执行）。
智能制造技术是先进传感、仪器、监测、控制和过程化的技术和实际组合，他们将信息和通信技术与制造环境融合在一起，体现了制造业的智能化、数字化和网络化，智能制造是中国制造业产业升级必经之路。
智能制造系统主要包括：设备层、控制层、运营层和企业层。智能制造与智能传感技术紧密联系，各式各样的有嵌入的、绝对的、相对的、静止的和运动的传感器应用于企业生产中，它是帮助人们采集获取信息的重要手段。智能制造中传感器属于基础零部件，它是工业的基石、性能的关键和发展的瓶颈。传感器的智能化、无线化、微型化和集成化是未来智能制造技术发展的关键。智能制造中应用常见的智能传感技术主要有机器视觉技术、RFID 技术、工业机器人技术等应用。
4.1 机器视觉技术
机器视觉的发展主要经历了从黑白到彩色、从低分辨率到高分辨率、从静态到动态、从 2D 走向 3D 演变过程，其技术的迭代也是遵循相应的发展。
随着行业发展，机器视觉技术在各大领域都得到了各行各业的认可，在工业上应用非常广泛，进入了高速发展的阶段。
根据制造工程师协会的定义：机器视觉就是使用光学非接触式感应设备自动接收并解释真实场景的图像以获得信息控制机器或流程。
机器视觉系统主要有照明电源、镜头、相机、图像采集 / 处理卡、图像处理系统、其他外部设备等组成，如图 4 所示。
图4 机器视觉系统基本架构
机器视觉可分为“视”和“觉”两部分。“视”是将外界信息通过成像来显示成数字信号反馈给计算机，需要依靠一整套的硬件解决方案，包括光源、相机、图像采集卡、视觉传感器等。“觉”则是计算机对数字信号进行处理和分析，主要是软件算法。
机器视觉技术在工业应用包括检验、计量、测量、定位、瑕疵检测和分拣，比如：汽车焊装生产线，检查四个车门和前后盖的内板边框所涂的反震和折边的胶条是否连续，是否有满足技术要求的高度；啤酒罐装生产线，检查啤酒瓶盖是否正确密封、装灌啤酒液位是否正确等质量检测，机器视觉参与的质量检验比人工检验要快准。
如果能让机器像人一样具有自我意识，可以根据产品的位置、亮度、颜色、表面特征等信息进行对应的操作，进一步解放生产力，完成柔性化的制造，而实现这一切的前提就是为机器人装上“眼睛”，也就是“机器视觉”。机器视觉应用赋予工业机器人智慧化，并助力整个工业从 3.0 时代步入 4.0 时代的关键一环，为智能制造的落地打开了“新窗口”，为智能制造实现提供了坚实的基础。
4.2 RFID 技术
RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）是一种非接触的、实时快速、高效准确地采集和处理对象信息的自动识别技术。RFID 是传统条码技术的继承者，又称为“电子标签”。RFID 主要由电子标签、天线、读写器和控制软件组成，简单理解为读写器通过无线电波技术，无接触式快速批量读写标签内的信息，RFID 技术原理及组成如图 5 所示。
图5 RFID 技术原理及组成
在工业生产过程中使用 RFID 技术，将产品放置于托盘 / 工装，安装于生产线的 RFID 阅读器自动识别托盘 /工装的 RFID 标签，并与 MES 实时对接，完成信息绑定跟踪管理，零配件识别、加工工序自动识别，检测设备自动对接等功能。
在工业生产线使用 RFID 的优点：
1）实现物料防错，确保装配准确性，提高效率和质量；
2）实现对在制品的自动识别与跟踪；
3）节省人力投入，自动防错，提升对环境适用性；
4）数据信息采集，实现 MES 信息收集。
在智能制造工位上安装工位定置格、智能引导器、安灯、工位一体机等，定置格下面安装 RFID 阅读器，为定置格中的每种工具都绑定 RFID 标签，MES 集成所有的设备，并在每个工步下配置了使用的工具类型。工位自动执行时，将在工位一体机显示需要执行的任务，引导器指引应拿取的工具，RFID 读写器校验是否拿取了正确的工具，安灯系统通过不同颜色的灯光显示每个环节的执行的正确性。
在智能制造工作台上使用 RFID 的优点：
1）人工依据各项指引操作，无需记忆复杂操作流程；
2）智能引导、智能校验、智能提醒、智能数据采集，减少失误，提高效率和准确性。
RFID 作为一种自动化的数据采集技术，必须要与相关的软件系统，如 WMS、LES、MES 等结合应用，满足数据自动批量采集上传、自动校验、自动反馈等业务需求。智能制造实施缺少了 RFID 技术，就无法获取产品数据，也就无法实现自动化控制，RFID 技术是智能制造实现的必备技术。
4.3 工业机器人技术
智能制造生产线上的工业机器人起着非常关键的作用，工业机器人是一种自动执行工作的机器，它可以接受人类命令运行预先编程的程序或根据基于人工智能技术的原则行事，它的使命是协助或替代人类的工作，例如生产、建筑或危险工作，伺服电机在控制伺服系统中，作为机械部件运行的发动机组件，其辅助电机间接传动，伺服电机能够准确地控制智能制造生产线的生产速度和产品位置精度，且还能将电压信号转换成扭矩和速度来驱动调节目标。
工业机器人是一个在三维空间具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器，动作灵活，结构紧凑，占地面积小，有很高的自由度，几乎适合任何范围工作。它的特点是：可编程、拟人化、通用性、机电一体化。工业机器人主要技术参数指标：运动范围、自由度、有效负载、重复定位精度、运动速度、分辨率等，工业机器人技术参数反映了工业机器人可胜任的工作、具有的可操作性能等情况，是设计、应用工业机器人必须要考虑的问题。
工业机器人主要由五个子系统组成：
1）驱动系统，工业机器人运行起来的传动装置，有液压、气动和电动三种驱动形式；
2）感知系统，工业机器人感知内部和外部环境状态的信息；
3）交互系统，可以参与机器人控制与联系的装置；
4）机械系统，由工业机器人本体和末端执行机构等组成的多自由度的机械系统；
5）控制系统，工业机器人大脑，支配工业机器人完成预定的运动和功能。工业机器人技术的传感器技术融合如图 6 所示。
图6 工业机器人技术的传感器技术融合
延伸阅读：《机器人传感器技术及市场-2022版》
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器和人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业的自动化装备。
工业机器人适合用于大批量多品种高质量自动化生产线，广泛应用于汽车制造业的冲压车间、焊装车间、涂装车间、总装车间及发动机制造中，尤其在汽车白车身焊装生产中应用。运用工业机器人，不仅提高生产效率，而且在很大程度上提高了焊接的外观和质量，保证了产品质量，降低了劳动强度，改善了劳动环境。工业机器人技术现在已经广泛应用于智能制造生产线中，是智能制造生产线中的关键技术。
5 智能传感技术展望
智能传感技术发展趋势依赖于硬件和软件的技术，现在硬件电器尤其是大规模集成电路的制作水平越来越高，软件的运算处理功能越来越强，优化的越来越好，而且现在技术水平已经可以使传感器硬件的转换、处理、运算能力更快，软件的运算速度也会更快，特别是在数据通信中，提高通信速率，几乎没有误码率或者说误码率极低，会提高生产效率，降低使用成本，特别是延迟时间会越来越少，甚至趋近于零，所以从这个趋势来看，数字化传感器必将替代模拟传感器，现在数字化技术只是开始和起步阶段，未来趋势是向智能化、网络化、系统化和功能化方向发展。
智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高灵敏度、高可靠性将是新型传感器件发展趋势，新型传感材料与器件将是未来智能传感技术发展的重要方向。
不管是德国“工业 4.0”、美国工业互联网，还是中国制造 2025，具体到物联网、智能汽车、智能交通、智能制造，这些的前端核心技术都用到智能传感技术。智能传感技术发展趋势主要在以下几方面：
1）关注传感技术的系统性以及传感器、数据处理与识别技术的协调发展；
2）研究开发新型传感器和传感器技术，涉及新理论、新材料、新工艺等诸多因素；
3）研究与开发特殊环境下的传感器与传感器技术系统；
4）研究各种行业使用的传感技术系统，主要是可靠性、可利用性和降低成本；
5）与人工智能等技术有机结合应用，主要高可靠性、自适应性、抗干扰性智能传感技术。
智能传感技术是一门多学科交叉的高技术领域，伴随着物理学、生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展，未来智能传感技术功能全面化、结构微型化、智能化程度高、集成一体化等。未来智能传感技术将更有效模仿人类的感官，来检测、处理和分析复杂的信息。
6 结束语
在信息技术时代，数字化技术起着巨大的作用，推动科学高速发展，不仅体现在计算机、网络通信，还体现在传感器上，数字化传感器是未来高端设备、高端制造的核心。在数字技术化时代，互联网助力现代产业蓬勃发展，从企业到行业，从农村到城镇，智能传感技术早已渗透到社会的各个行业。
现在的无人工厂、智慧工厂、“工业 4.0”、两化融合等，其核心都离不开智能制造，智能制造技术是在智能传感技术、互联网技术、计算机技术、自动化技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、自动决策和执行，实现制造过程的智能化、网络化、数字化，借助计算机模拟人的活动，从而替代生产制造中人的脑力劳动。现在生活中，无处不在的分布各种各样的传感器。传感器的未来已来。
原文刊载于《智能制造》2022年第2期
