智能传感器夯实智能制造和智慧城市

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“十四五”期间,我们应该加大对智能传感器的关注和投入力度,对全社会进行智能传感器的普及,使更多更新的智能传感器应用到生产和生活中,提高中国制造业的生产效率,提升中国人民的生活品质。

智能传感器构建智能感知系统

十多年前,传感器作为一个学术名词,并不被中国大众所了解。一方面,由于传感器技术不集中,学科非常分散;另一方面,普通老百姓接触的比较少。

今年,在新冠肺炎疫情爆发期间,每天的体温检测让中国老百姓熟悉了红外测温仪和额温仪,从而认识了红外热电堆温度传感器;在医院,重症患者使用的呼吸机,也使人们了解了气体压力传感器。

传感器是把自然界的非电量变成可利用的电信号的器件或者装置。随着时代的变迁和技术的进步,传感器的定义也被不断更新。现阶段我们认为,传感器应该是把自然界的物理量、化学量、生物量变成可利用的信号的装置或者器件。

因时而变,各种各样的传感技术及相应传感器产品不断出现在世人面前。20世纪30年代出现电阻应变片和电阻型温度传感器,40年代出现红外传感器,50年代出现压阻式压力传感器,60年代出现半导体气体传感器,70年代出现CCD图像传感器,80年代出现MEMS加速度传感器,90年代出现基因微矩阵传感器。进入21世纪,由于MEMS传感器具有低成本、低功耗、大批量、小尺寸等特点,各种不同种类的MEMS传感器相继问世,全球传感器技术进入了发展的快车道。

传感器到底有多少种?不同的专家站在不同的角度有不同的分类方法。有的按被测量分类,有的按输出信号分类,有的按应用角度分类,也有的按产业领域分类,所以有专家说3万多钟,有专家说几千种。

此外,传感器的形状、尺寸、重量乃至单价也都有天壤之别。有几毫克重的MEMS压力传感器,也有几十公斤重的动态扭矩传感器,重量相差近万倍;有0402SMD封装的NTC温度传感器,也有直径200毫米的称重传感器,面积相差几千倍;有价值仅五角钱的红外热释电传感器,也有单价高达百万元的三轴激光陀螺传感器,价格相差超过百万倍。所以,非传感器领域的人士往往对传感器的理解犹如“盲人摸象”。社会各界人士尤其是政府主管科技经济发展的工作人员,只有了解了传感器种类及特征,熟悉各种各样传感器的功能,才能成为推动中国传感器事业发展的得力推手。

近几年发展起来的智能传感器同普通传感器相比,最大的特点是在传感器内部增加了MCU(微控制器),同时嵌入了很多软件算法。智能传感器输出的不再是简单的传感信号,而是为了完成某种确定功能,通过很多科学的算法得到直接结果。例如,图像传感器能够输出连续不断的图像信号,而智能图像传感器在安防领域的应用就成为人脸识别系统,在工业领域的应用就成为机器视觉系统;声音传感器或麦克风能够输出连续不断的波形信号,而智能声音传感器在工业领域可以当做判断机器是否有异常的智能噪声诊断系统应用,在民生领域可以当做辨别声音的语音识别系统应用。

智能传感器往往和其他专业或者学科交叉在一起,因而表现的物理形态也各不相同。有些归属于集成电路行业,有些归属仪器仪表行业。它和无线通信融合,可以成为各种边缘计算的智能硬件;和人工智能融合,可以成为各种智能系统。

智能传感器是智能制造的基础

制造业发展的方向是智能化、网络化、数字化,而这些都离不开其最根本的基础——智能传感器。

机械制造行业,智能加速度传感器和智能压力传感器安装在挖掘机上,可以随时了解挖掘机现场工作实际状况或运行情况,进而计算出基础建设实际情况的挖掘机指数;

智能三轴振动传感器、智能微位移传感器、智能电量传感器安装在各类机床上,可以有效监测机床的工作状况,并通过数据计算预测故障情况;

智能张力传感器、智能速度传感器安装在纺织机械上,可以有效地提高纺织品的品质和效率;在大型农业机械上,使用智能惯性传感器,加上北斗定位系统可以适应不同地段的环境,进行有效的生产;

钢铁行业,轧钢机组上安装智能张力传感器、智能光电纠偏传感器、智能激光测速传感器、智能轧制力传感器、智能位移传感器、智能测厚传感器等几十种传感器,可以有效地保障机组的正常运转;

高速列车上安装在轴承上的智能温度传感器,可以预警轴承的温度,结合智能速度传感器,保证列车安全行驶;

石油化工生产领域,智能压力传感器、智能温度传感器、智能流量传感器、智能物料传感器能够实时地准确反映产品生产过程中的各种工艺参数,进而智能地控制产品的品质和产量。

随着5G通信技术的发展,高效、智能、定制化的产品将快速发展。在纺织服装行业,智能视觉传感器、智能RFID的广泛使用,大大提高了生产效率,降低了劳动强度;在生物医药行业,智能温度湿度传感器、Ph值传感器、水溶氧传感器及多种离子传感器已得到广泛使用;在半导体行业,除了机器本身使用的各种智能激光、光纤、微光、红外、图像传感器外,生产车间也离不开智能温度、湿度、压力、压差、空气质量传感器,以保证车间环境达到生产的要求。

总之,在智能制造方面,要让机器设备自动输出信号,离不开根据任务要求设置的各种各样的智能传感器,这些智能传感器有的仅仅执行监测工作,有的通过闭环系统直接参与流程控制。

智能传感器组成智慧城市的方方面面

现代化的城市主要由人和物组成,而物大部分是为人服务的。从无线城市到数字城市,继而发展成智慧城市,最主要的特征是物的智慧化,而物的智慧化的显着变化就是物体要增加各种各样的智能传感器。然后物物相连、人物相连、万物互联,并进行智慧化的处理。

家庭是城市的重要组成部分之一,智能家居需要多种不同的智能传感器,可燃气体传感器、水浸传感器、玻璃破碎传感器、门窗开启传感器、保险柜振动传感器是保证家庭财产安全的智能硬件;家庭空气质量传感器、负氧离子传感器、水质Ph传感器极大地提高了家庭生活质量;人体血压传感器、脉搏传感器、血糖传感器、肤电传感器、老人跌倒传感器等也逐步走进了家庭,满足人们的健康需求。

社区、街区、园区是城市最重要的组成部分,其智慧化必然依赖于更多的智能传感器。

电梯装备称重传感器、光电位移传感器、倾斜传感器,可以保证电梯安全运行;在疫情期间出现的非接触电梯按钮是光学传感器,可以防止交叉感染;

社区管道煤气泄漏、自来水交换站水质变坏、电线漏电分别需要可燃气体传感器、浊度传感器和电流电功率传感器;

人员进入园区社区,入口有应用图像传感器的人脸识别系统;

大楼有智能压力传感器和液位传感器来监测消防栓的水压水流,确保灭火时水压正常;

在街道上我们可以看到马路边的智能车位传感器,来监测车位上有没有停车,并通过车位引导系统让司机快速寻找车位,提高了停车效率,同时减少了尾气排放;

下雨了,立交桥下的水位监测有水位传感器,超出警戒水位会立刻通过屏幕发出报警信号,保障人民生命安全;

天晴了,智能微气象环境复合传感器具有监测风力、风向、温度湿度、大气压力、空气质量、PM2.5、PM10、噪声、雨量等参数,同样通过屏幕展示给市民,了解当地的环境状况;

遍布城市的摄像头也将逐步进行智能化改造,具有穿雾能力、夜视能力和精准诊断能力。

智能传感器已经或者将要渗透到我们生活或生产的方方面面。随着感知技术的不断发展和需求的不断增多,智能传感器将越来越多地应用到不同的领域,满足不同细节的需求。

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