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技術(shù)文章
21世紀(jì)，傳感器已是無處不在。日常生活中，小到遙控器、感應(yīng)燈，大到醫(yī)療器械、機器人，都離不開傳感器。而像手機、汽車、飛機等智能產(chǎn)品，更是集成應(yīng)用了很多傳感器。據(jù)統(tǒng)計，一部普通的智能手機大約應(yīng)用了10余個傳感器，一輛高檔汽車的傳感器往往上百，而一架飛機中則有2000-4000個傳感器。
傳感器不僅在生活中極為常見，在工業(yè)領(lǐng)域中更是不可缺。工業(yè)4.0時代，傳感器已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的智能“感官"，幫助人們檢測關(guān)鍵變量，監(jiān)控生產(chǎn)過程，保障生產(chǎn)安全。比如，圖像傳感器能夠?qū)θS結(jié)構(gòu)件進行精密測量與精準(zhǔn)定位，實現(xiàn)機械加工工藝的優(yōu)化和提升；溫度傳感器可以連續(xù)測量大面積的溫度分布，為生產(chǎn)工藝的精準(zhǔn)控制提供決策依據(jù)；接近傳感器能檢測出人體等目標(biāo)對象的靠近，在大型機械設(shè)備運行中切實保障生產(chǎn)安全。
本文將帶來傳感器的演進過程，介紹常見的傳感器分類，并選取六類傳感器，介紹其發(fā)展與應(yīng)用趨勢。
? 結(jié)構(gòu)型傳感器是利用結(jié)構(gòu)參量的變化來感受和轉(zhuǎn)化信號。如電阻式直線位移傳感器，以位移或力的作用使電阻值產(chǎn)生變化進而來反映被測量的大小。
? 物性型傳感器是利用材料本身的物理特性變化而實現(xiàn)測量的傳感器，例如熱敏傳感器、光敏傳感器。物性型傳感器無可動部件，靈敏度高，可以減少對被測對象的影響，解決了結(jié)構(gòu)型傳感器不能解決的某些對象測量問題，擴大了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。
? 智能型傳感器是對自身狀態(tài)具有一定的自診斷、自補償、自適應(yīng)能力，同時具有雙向通訊功能的傳感器裝置。從結(jié)構(gòu)上看，它是將傳感器、通信芯片、微處理器、驅(qū)動程序、軟件算法等有機結(jié)合，通過高度敏感的傳感元件實現(xiàn)多功能檢測，通過邊緣計算實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)匯聚的一個感知測量系統(tǒng) [2]。常見的MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng)）傳感器可視為典型的智能傳感器，隨著CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)與MEMS技術(shù)的發(fā)展與融合，智能傳感器未來將繼續(xù)向網(wǎng)絡(luò)化、微型化、集成化和多樣化發(fā)展。
與結(jié)構(gòu)型、物性型傳感器相比，智能傳感器能瞬時獲取大量信息，對所獲取的信息還具有信號處理的功能，具有高精度、高可靠性、高適應(yīng)性的優(yōu)勢。智能傳感器迎合了工業(yè)4.0時代對數(shù)據(jù)采集、處理等流程的高階需求，正逐漸成為市場主流。
傳感器分類方式較為多樣，有通用分類、智能化分類、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)分類等。其中僅就通用分類方式而言，常見的有按檢測對象（用途）、工作原理、輸出信號類型、制作材料、工作機理、制作工藝等方面進行分類 [3]，也可以依據(jù)結(jié)構(gòu)類型、感知量類型、作用形式、能量變換關(guān)系、技術(shù)特征以及關(guān)聯(lián)方式等進行分類。
傳感器的分類也不止一個層級，通?？梢愿鶕?jù)更具體的檢測對象、工作原理或應(yīng)用場景等進行更細層級的劃分，見下圖示意。下文將基于傳感器通用分類方式中常見的幾類進行介紹。
根據(jù)檢測對象（用途）進行分類，有位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光強傳感器、濃度傳感器、粘度傳感器等等。
上述傳感器還可以根據(jù)具體的檢測對象進一步細分，如速度傳感器可以分為角速度傳感器、線速度傳感器等，壓力傳感器可以分為靜態(tài)壓力傳感器、動態(tài)壓力傳感器、差壓傳感器以及真空傳感器等。
根據(jù)作用原理的不同，傳感器可分為物理型、化學(xué)型和生物型三大類：
物理傳感器是依據(jù)變換元件的物理性質(zhì)制成的傳感器，可以按照被測量所屬細分領(lǐng)域劃分為力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)等類型，常見的如電學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器。還可以進一步細分，如電學(xué)傳感器又可分為電容式、電阻式、電感式等等，典型的有電阻式位移傳感器、電容式壓力傳感器等。
化學(xué)傳感器是利用敏感材料與物質(zhì)間的電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機和有機化學(xué)成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，如氣體傳感器、濕度傳感器等。
生物傳感器是對生物物質(zhì)敏感，并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器。生物體中，能夠選擇性的分辨特定物質(zhì)的種類有酶、微生物、抗體等等，據(jù)此進一步分類，常見的有酶傳感器、微生物傳感器等。
根據(jù)輸出信號，可分為模擬型、數(shù)字型、贗數(shù)字型、開關(guān)型等類型。其中：
模擬傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號，即連續(xù)的信號。常見的模擬傳感器有聲音傳感器、水位傳感器等；
數(shù)字傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號（包括直接和間接轉(zhuǎn)換），即離散的信號。常見的數(shù)字傳感器有編碼器、計量光柵等；
贗數(shù)字傳感器將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出（包括直接或間接轉(zhuǎn)換），這類型的代表有增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，將信號以脈沖的方式提供給控制器；
開關(guān)傳感器是當(dāng)一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號，如液位開關(guān)傳感器、溫度開關(guān)傳感器、接近傳感器等。
按照傳感器所用材料類別可分為金屬、聚合物、陶瓷、混合物等；還可按材料的物理性質(zhì)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體、磁性材料等；亦可以按材料的晶體結(jié)構(gòu)分為單晶、多晶、非晶材料等類型。
按照傳感器制作工藝可分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器等。其中集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的；薄膜傳感器是通過真空沉積技術(shù)，在介質(zhì)襯底（基板）上形成敏感材料的薄膜；厚膜傳感器則是利用敏感材料的漿料涂覆在基片上制成，通常涂覆后還要進行熱處理，使厚膜成形；陶瓷傳感器的制造主要是依靠標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或變種的溶膠工藝，將成形的元件在高溫中進行燒結(jié)。
應(yīng)用于制造業(yè)場景的傳感器類型多樣，本文將選取視覺/圖像傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、編碼器、接近傳感器等工業(yè)應(yīng)用中常見的六類傳感器，圍繞其測量參數(shù)、應(yīng)用場景、技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢等方面進行介紹，并盤點相應(yīng)的主流生產(chǎn)廠商。
視覺傳感器（也叫圖像傳感器）是機器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)，顧名思義是對圖像進行采集的裝置，是工業(yè)相機的核心部件。
隨著機器視覺技術(shù)從二維圖像識別到三維圖像識別的演進，圖像傳感器在工業(yè)智能化生產(chǎn)中的應(yīng)用也從質(zhì)量控制階段發(fā)展到了精密測量階段。光柵投影三維測量技術(shù)就是基于三維圖像識別的一種精密測量技術(shù)[4]，該技術(shù)將光柵條紋投射到被測物體，由CCD采集到條紋圖像后，通過圖像處理與三維轉(zhuǎn)換模型得到被測物體的三維信息，具有測量速度快、視場大、精度高等優(yōu)點。據(jù)悉，國內(nèi)的光柵投影三維測量精度目前最高可達8微米量級。在基于圖像傳感的精密測量加持下，目前汽車工業(yè)的沖壓、焊裝、涂裝、總裝等四大工藝環(huán)節(jié)都實現(xiàn)了高精度的自動化操作。
圖像傳感器當(dāng)前的主流技術(shù)包括CCD和CMOS兩大類。CCD（Charge-Coupled Device）含義是電荷耦合器件，CMOS是互補金屬氧化物半導(dǎo)體。兩類技術(shù)的主要差異是數(shù)字信號的傳送方式不同，CCD中共用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而CMOS中每個像素都有獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這種差異導(dǎo)致CCD圖像傳感器在分辨率、靈敏度以及噪聲控制等方面表現(xiàn)較優(yōu)，而CMOS圖像傳感器則具有低功耗、低成本以及高整合度的特性。業(yè)界普遍認為CMOS技術(shù)最終會取代CCD技術(shù)，但目前在工業(yè)相機中，CCD技術(shù)還是主流。隨著制造技術(shù)的進步，兩者的差異正在縮小，預(yù)計在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，兩者會保持共存的關(guān)系。
圖像傳感器的國際廠商主要有索尼、三星、豪威、安森美、海力士、意法半導(dǎo)體、基恩士、康耐視、西克等，國內(nèi)廠商則有格科微、思特威、?？禉C器人、深視智能、大恒圖像、奧普特、凌云光、華?？萍?、圖漾科技等。
壓力傳感器(Pressure Sensor)是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，通常用于測量物體受力情況，并將其轉(zhuǎn)化成能夠傳輸和顯示的電信號，因此也常被稱為“變送器"（需要注意的是，在很多場合實際測量值為壓強，因此稱“壓強傳感器"更為準(zhǔn)確，但工程上習(xí)慣稱“壓力傳感器"）。
壓力測量在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用很多。第一種常見的應(yīng)用是稱重，分為靜態(tài)和動態(tài)稱重。常見的電子秤、汽車地磅等屬于靜態(tài)稱重，工業(yè)場合多用動態(tài)稱重，如輸送機在輸送大宗散料過程中的稱重，汽車在裝卸過程中的稱重等。第二種常見應(yīng)用是監(jiān)控生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的力。例如，鍛壓是機械加工中常見的成形工藝，在鍛壓時會產(chǎn)生非常大的力施加于工件，有時會超過鍛壓機的公稱力，對設(shè)備造成損壞，因此需要對加工力進行監(jiān)測。另外一種常見應(yīng)用則是對加速度、振動等動態(tài)壓力的測量，如電機運行中振動的測量能夠有效地幫助診斷和預(yù)防電機故障。
除了直接的壓力測量，壓力傳感器同時也可用于間接測量其他量，如液體/氣體的流量、速度、液位等，在流程行業(yè)壓力傳感器常見的三類應(yīng)用如下：第一種是在蒸汽系統(tǒng)的壓強測量中，壓力傳感器首先用來監(jiān)控壓力，其次可以測量蒸汽流動的時間和流向，智能壓力傳感器還可以通過控制閥門以調(diào)節(jié)蒸汽壓力保持在恒定數(shù)值上。第二種是過濾系統(tǒng)的流量測量。壓力傳感器被安裝在過濾器旁，只要濾網(wǎng)開始堵塞，流量就會降低，隨之濾網(wǎng)處受到的壓強就會發(fā)生變化，從而給出提示需要清理或者更換過濾器。還有一種是液位的測量，通過測量液面和容器內(nèi)氣體的壓力差值來間接計算出靜態(tài)或者動態(tài)液位。
根據(jù)結(jié)構(gòu)與原理的不同，壓力傳感器可分為應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、光電式、光纖式、超聲式等不同類型。其中應(yīng)變式是應(yīng)用較為廣泛的一種，有數(shù)據(jù)表明，應(yīng)變式壓力傳感器使用量約占壓力傳感器總量的90％左右。這類傳感器廣泛用于機械、汽車、食品、建筑等行業(yè)，如機械制造工藝中的液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等，以及機械裝備的載荷監(jiān)測系統(tǒng)。
壓力傳感器的生產(chǎn)廠商眾多，其中較為的國際廠商均有生產(chǎn)，如博世、英飛凌、泰科電子、霍尼韋爾、意法半導(dǎo)體、森薩塔、橫河電機、威卡、安費諾、恩智浦等等，國內(nèi)廠商有杭州美控、青島潤能、鵬合電子、聯(lián)測、天宇恒創(chuàng)、米科、創(chuàng)威、星儀、匡建儀表等。
液位傳感器能夠把容器內(nèi)的液位高度轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)電信號，進行集中顯示、報警、控制，廣泛應(yīng)用在石油、化工、冶金、電力、制藥、食品加工、給排水、環(huán)保等領(lǐng)域。
工業(yè)中常用的液位傳感器可分為點式液位傳感器和連續(xù)液位傳感器兩類。
點式液位傳感器通常用于檢測介質(zhì)存在與否，或者判斷液位處在高或低的水平。點式液位傳感器的兩類常見應(yīng)用一是泄露檢測，防止對設(shè)備、生產(chǎn)造成損壞。如液壓系統(tǒng)的油液，通過非工作通道，由高壓腔流到低壓腔，或由系統(tǒng)內(nèi)流到系統(tǒng)外時，會造成設(shè)備異常，嚴(yán)重時導(dǎo)致整機癱瘓；二是防止液體外溢或者空轉(zhuǎn)干燒的情況。生產(chǎn)中的常見裝置水泵，其葉輪主要依靠水流冷卻。當(dāng)管道中缺水時，水泵長時間空轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大量熱量，進而燒毀。
連續(xù)液位傳感器用于實現(xiàn)液位的連續(xù)測量。在化工行業(yè)一些有毒有害的原料檢測場合，如液氯儲罐、氯化石蠟反應(yīng)釜中，連續(xù)液位傳感能夠適用這種危險品的實時液位監(jiān)測，對生產(chǎn)的監(jiān)控、分析具有重要意義。
液位傳感器根據(jù)檢測原理，可以分為電容式、電導(dǎo)率（電阻）式、光學(xué)、振動音叉式、浮子式、超聲波式、雷達（微波）式、激光式等。與前幾種類型相比，超聲波式和雷達式屬于非接觸式測量，適用于有毒、高粘性液體的液位測量，在當(dāng)前的工業(yè)應(yīng)用中普及迅速。由于超聲波需要傳播媒介，且容易被氣泡、水霧等吸收，而電磁波不存在這些問題，因此相比超聲波式，雷達式應(yīng)用的場合要擴展不少。激光液位傳感器的出現(xiàn)，更是將非接觸式的液位測量拓展到表面粗造的工況中，如鑄造砂型鐵水液位測量。
液位傳感器的國際廠商主要有威格、西門子、科隆、E+H、艾默生、橫河電機、ABB、霍尼韋爾、施耐德、西克等，國內(nèi)廠商主要有美控、正泰、伊萊科、新九洲、匡建儀表、天康、中控、通博、仁科等。
溫度是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)自動化流程中，溫度測量點有時會占全部測量點的一半以上。例如，在鋼鐵冶煉過程中，準(zhǔn)確地控制冶煉溫度可以明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，還能節(jié)能降耗；在石油煉化廠，準(zhǔn)確控制裂解溫度，可以得到不同品質(zhì)的柴油系列產(chǎn)品。
溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，可按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻、熱電偶、半導(dǎo)體熱敏電阻以及光學(xué)式等，也可按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。熱電阻、熱電偶、半導(dǎo)體熱敏電阻等等屬于接觸式溫度傳感器，非接觸式溫度傳感器則主要包括紅外測溫、光纖測溫等。非接觸式溫度傳感器具有測溫范圍廣、測溫面積大、信號傳輸與轉(zhuǎn)換方便快捷等優(yōu)勢，正在工業(yè)測溫領(lǐng)域逐步普及。
紅外測溫儀是常見的非接觸式溫度傳感器，它是利用被測物體自身向外輻射的能量來實現(xiàn)對溫度的監(jiān)測，還可以將溫度分布以可視化的形式展示出來（紅外熱像儀），是溫度檢測的重要手段。目前紅外熱像儀在新品研發(fā)、生產(chǎn)管控、設(shè)備維護、環(huán)境檢測等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，特別在高溫測量方面，如高爐爐壁、工件、冷卻壁等固體表面測溫以及爐膛內(nèi)溫度及分布的測量等。
溫度傳感器的國際廠商有德州儀器、泰科電子、TDK、芝浦電子、TKS、SEMITEC、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾、安費諾、西門子等，國內(nèi)廠商則有華工科技（華工高理）、高德智感、杭州美控、飛卓科技、奧迪威、保隆科技、精創(chuàng)、南北儀器、勝利儀器等。
編碼器（encoder）是一種運動控制傳感器，主要用于機械運動中角度、速度、位置、距離等的測量，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、電梯等需要檢測位置和角度的裝置中。它同時也是一種典型的數(shù)字傳感器，能夠?qū)⒈粶y對象轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。
按結(jié)構(gòu)形式劃分，編碼器可分為線性編碼器和旋轉(zhuǎn)編碼器。其中線性編碼器用來測量直線位移，通常用在CNC銑床上；旋轉(zhuǎn)編碼器可以將旋轉(zhuǎn)位置或旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字信號，多用于需要精確旋轉(zhuǎn)位置及速度的場合，例如機器人。
按照測量類型，編碼器可以分為增量式編碼器和絕對式編碼器。顧名思義，增量式編碼器可以輸出編碼器從預(yù)定義起始位置發(fā)生的增量變化。優(yōu)點是精度高、構(gòu)造簡單，可靠性高，成本相對較低。缺點是斷電后需要先尋零，易受干擾導(dǎo)致累計誤差。絕對式編碼器可以記錄編碼器在一個絕對坐標(biāo)系上的位置，優(yōu)點是精度高，無接觸，壽命長，開機不需尋零，沒有累計誤差，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格不具優(yōu)勢。
按照工作原理，編碼器又可分為光電式、電磁式、電感式、電容式、激光式等。其中光學(xué)編碼器精度更高，應(yīng)用范圍更廣，但在戶外及惡劣環(huán)境下使用時需要較高的防護要求，并且不適宜在凝露的環(huán)境中使用。比如在低溫下使用光學(xué)編碼器，如果環(huán)境溫度急劇上升，可能在光學(xué)碼盤上形成凝霧，進而導(dǎo)致信號讀取障礙；磁編碼器受到環(huán)境的影響較小，但由于存在天然的非線性現(xiàn)象，精度不如光學(xué)編碼器。它們通常用于灰塵、蒸汽、振動和其他可能干擾光學(xué)編碼器性能的環(huán)境中。隨著技術(shù)的發(fā)展，磁編碼器的精度得到持續(xù)提升，逐漸可與光學(xué)編碼器抗衡。
編碼器的國際廠商有海德漢、西克、堡盟、倍加福、亨士樂、多摩川、歐姆龍、奧托尼克斯、圖爾克、巴魯夫等，國內(nèi)廠商有禹衡光學(xué)、宜科電子、時易、深浦電氣、上海锝秉工控、升威電子等。
以無需接觸的方式檢測到物體的接近和檢測對象有無的產(chǎn)品總稱為“接近傳感器"或者“接近開關(guān)"，在各種自動控制系統(tǒng)中可作為限位、定位控制等功能使用，能夠保障生產(chǎn)安全。
接近傳感器代替了限位開關(guān)等接觸式檢測方式，根據(jù)其感應(yīng)原理，一般分為電感式、電容式、光電式、磁性式等，每種類型都有特定使用的應(yīng)用范圍，如電感式接近傳感器檢測的被測物體是金屬導(dǎo)體，非金屬導(dǎo)體不能測量；電容式接近開關(guān)可以檢測絕緣的液體或粉狀物體；光電式開關(guān)抗電、磁干擾能力強，但使用環(huán)境要保證不能振動，否則將嚴(yán)重影響精度；磁性接近傳感器利用磁效應(yīng)，只對磁性物體做出響應(yīng)。
安全光幕是一種典型的接近傳感器，隨著人與機器協(xié)同工作場景的普及而為人們所熟知。安全光幕主要由投光器和受光器組成，兩者之間形成一個保護網(wǎng)，當(dāng)有物體進入保護網(wǎng)區(qū)間，投光器發(fā)射的光線會被物體擋住，受光器就會作出反應(yīng)。安全光幕常會應(yīng)用在具有潛在危險的機械設(shè)備或危險區(qū)域，如沖壓機械、剪切設(shè)備、金屬切削設(shè)備、自動化焊接線、機械傳送搬運設(shè)備以及高溫、高壓及有毒等危險區(qū)域。
接近傳感器的國際廠商有西克、易福門、巴魯夫、圖爾克、歐姆龍、倍加福、阿自倍爾、奧托尼克斯、基恩士、堡盟等，國內(nèi)廠商有長江傳感、德寶、深浦、德夫爾、肯森斯等。
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