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智能傳感器
作者:wenhecheng0532           時間:2020-10-17 07:51:30

智能傳感器是物聯網和工業互聯網的關鍵硬件,是人工智能的信息入口,是大數據的重要組成部分,是智能制造和智慧城市的基礎。

“十四五”期間,我們應該加大對智能傳感器的關注和投入力度,對全社會進行智能傳感器的普及,使更多更新的智能傳感器應用到生產和生活中,提高中國制造業的生產效率,提升中國人民的生活品質。

 

智能傳感器構建智能感知系統

十多年前,傳感器作為一個學術名詞,并不被中國大眾所了解。一方面,由于傳感器技術不集中,學科非常分散;另一方面,普通老百姓接觸的比較少。

今年,在新冠肺炎疫情爆發期間,每天的體溫檢測讓中國老百姓熟悉了紅外測溫儀和額溫儀,從而認識了紅外熱電堆溫度傳感器;在醫院,重癥患者使用的呼吸機,也使人們了解了氣體壓力傳感器。

傳感器是把自然界的非電量變成可利用的電信號的器件或者裝置。隨著時代的變遷和技術的進步,傳感器的定義也被不斷更新。現階段我們認為,傳感器應該是把自然界的物理量、化學量、生物量變成可利用的信號的裝置或者器件。

因時而變,各種各樣的傳感技術及相應傳感器產品不斷出現在世人面前。20世紀30年代出現電阻應變片和電阻型溫度傳感器,40年代出現紅外傳感器,50年代出現壓阻式壓力傳感器,60年代出現半導體氣體傳感器,70年代出現CCD圖像傳感器,80年代出現MEMS加速度傳感器,90年代出現基因微矩陣傳感器。進入21世紀,由于MEMS傳感器具有低成本、低功耗、大批量、小尺寸等特點,各種不同種類的MEMS傳感器相繼問世,全球傳感器技術進入了發展的快車道。

傳感器到底有多少種?不同的專家站在不同的角度有不同的分類方法。有的按被測量分類,有的按輸出信號分類,有的按應用角度分類,也有的按產業領域分類,所以有專家說3萬多鐘,有專家說幾千種。

此外,傳感器的形狀、尺寸、重量乃至單價也都有天壤之別。有幾毫克重的MEMS壓力傳感器,也有幾十公斤重的動態扭矩傳感器,重量相差近萬倍;有0402SMD封裝的NTC溫度傳感器,也有直徑200毫米的稱重傳感器,面積相差幾千倍;有價值僅五角錢的紅外熱釋電傳感器,也有單價高達百萬元的三軸激光陀螺傳感器,價格相差超過百萬倍。所以,非傳感器領域的人士往往對傳感器的理解猶如“盲人摸象”。社會各界人士尤其是政府主管科技經濟發展的工作人員,只有了解了傳感器種類及特征,熟悉各種各樣傳感器的功能,才能成為推動中國傳感器事業發展的得力推手。

近幾年發展起來的智能傳感器同普通傳感器相比,最大的特點是在傳感器內部增加了MCU(微控制器),同時嵌入了很多軟件算法。智能傳感器輸出的不再是簡單的傳感信號,而是為了完成某種確定功能,通過很多科學的算法得到直接結果。例如,圖像傳感器能夠輸出連續不斷的圖像信號,而智能圖像傳感器在安防領域的應用就成為人臉識別系統,在工業領域的應用就成為機器視覺系統;聲音傳感器或麥克風能夠輸出連續不斷的波形信號,而智能聲音傳感器在工業領域可以當做判斷機器是否有異常的智能噪聲診斷系統應用,在民生領域可以當做辨別聲音的語音識別系統應用。

智能傳感器往往和其他專業或者學科交叉在一起,因而表現的物理形態也各不相同。有些歸屬于集成電路行業,有些歸屬儀器儀表行業。它和無線通信融合,可以成為各種邊緣計算的智能硬件;和人工智能融合,可以成為各種智能系統。

智能傳感器是智能制造的基礎

制造業發展的方向是智能化、網絡化、數字化,而這些都離不開其最根本的基礎——智能傳感器。

 

機械制造行業,智能加速度傳感器和智能壓力傳感器安裝在挖掘機上,可以隨時了解挖掘機現場工作實際狀況或運行情況,進而計算出基礎建設實際情況的挖掘機指數;

智能三軸振動傳感器、智能微位移傳感器、智能電量傳感器安裝在各類機床上,可以有效監測機床的工作狀況,并通過數據計算預測故障情況;

智能張力傳感器、智能速度傳感器安裝在紡織機械上,可以有效地提高紡織品的品質和效率;在大型農業機械上,使用智能慣性傳感器,加上北斗定位系統可以適應不同地段的環境,進行有效的生產;

鋼鐵行業,軋鋼機組上安裝智能張力傳感器、智能光電糾偏傳感器、智能激光測速傳感器、智能軋制力傳感器、智能位移傳感器、智能測厚傳感器等幾十種傳感器,可以有效地保障機組的正常運轉;

高速列車上安裝在軸承上的智能溫度傳感器,可以預警軸承的溫度,結合智能速度傳感器,保證列車安全行駛;

石油化工生產領域,智能壓力傳感器、智能溫度傳感器、智能流量傳感器、智能物料傳感器能夠實時地準確反映產品生產過程中的各種工藝參數,進而智能地控制產品的品質和產量。

隨著5G通信技術的發展,高效、智能、定制化的產品將快速發展。在紡織服裝行業,智能視覺傳感器、智能RFID的廣泛使用,大大提高了生產效率,降低了勞動強度;在生物醫藥行業,智能溫度濕度傳感器、Ph值傳感器、水溶氧傳感器及多種離子傳感器已得到廣泛使用;在半導體行業,除了機器本身使用的各種智能激光、光纖、微光、紅外、圖像傳感器外,生產車間也離不開智能溫度、濕度、壓力、壓差、空氣質量傳感器,以保證車間環境達到生產的要求。

總之,在智能制造方面,要讓機器設備自動輸出信號,離不開根據任務要求設置的各種各樣的智能傳感器,這些智能傳感器有的僅僅執行監測工作,有的通過閉環系統直接參與流程控制。

智能傳感器組成智慧城市的方方面面

現代化的城市主要由人和物組成,而物大部分是為人服務的。從無線城市到數字城市,繼而發展成智慧城市,最主要的特征是物的智慧化,而物的智慧化的顯著變化就是物體要增加各種各樣的智能傳感器。然后物物相連、人物相連、萬物互聯,并進行智慧化的處理。

 

家庭是城市的重要組成部分之一,智能家居需要多種不同的智能傳感器,可燃氣體傳感器、水浸傳感器、玻璃破碎傳感器、門窗開啟傳感器、保險柜振動傳感器是保證家庭財產安全的智能硬件;家庭空氣質量傳感器、負氧離子傳感器、水質Ph傳感器極大地提高了家庭生活質量;人體血壓傳感器、脈搏傳感器、血糖傳感器、膚電傳感器、老人跌倒傳感器等也逐步走進了家庭,滿足人們的健康需求。

社區、街區、園區是城市最重要的組成部分,其智慧化必然依賴于更多的智能傳感器。

電梯裝備稱重傳感器、光電位移傳感器、傾斜傳感器,可以保證電梯安全運行;在疫情期間出現的非接觸電梯按鈕是光學傳感器,可以防止交叉感染;

社區管道煤氣泄漏、自來水交換站水質變壞、電線漏電分別需要可燃氣體傳感器、濁度傳感器和電流電功率傳感器;

人員進入園區社區,入口有應用圖像傳感器的人臉識別系統;

大樓有智能壓力傳感器和液位傳感器來監測消防栓的水壓水流,確保滅火時水壓正常;

在街道上我們可以看到馬路邊的智能車位傳感器,來監測車位上有沒有停車,并通過車位引導系統讓司機快速尋找車位,提高了停車效率,同時減少了尾氣排放;

下雨了,立交橋下的水位監測有水位傳感器,超出警戒水位會立刻通過屏幕發出報警信號,保障人民生命安全;

天晴了,智能微氣象環境復合傳感器具有監測風力、風向、溫度濕度、大氣壓力、空氣質量、PM2.5、PM10、噪聲、雨量等參數,同樣通過屏幕展示給市民,了解當地的環境狀況;

遍布城市的攝像頭也將逐步進行智能化改造,具有穿霧能力、夜視能力和精準診斷能力。


智能傳感器已經或者將要滲透到我們生活或生產的方方面面。隨著感知技術的不斷發展和需求的不斷增多,智能傳感器將越來越多地應用到不同的領域,滿足不同細節的需求。

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