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智能传感技术的发展与应用

2021/9/7    来源:电子技术与软件工程    作者:肖宇麒      
关键字:智能化  传感器  发展趋势  应用趋势  
本文对智能制造系统与设备生产、运用过程中智能传感技术的重要性、现状、发展与应用趋势等角度出发,阐述在当前产业智能化升级过程中充分利用智能传感技术的价值并给出发展和应用智能传感技术的一些建设性建议。
       1 智能传感技术研究背景

       传感器是可以探知特定的物理量并遵循相关的定律(公式或函数等)转化为相应的输出量的装置或器材。作为设备探知外界环境状态和变化情况的关键零件,传感器决定了设备获取外部信息的效率和广度,因而被视为装备智能化的物理基础,特别在诸多智能化程度较高的装备当中,传感技术是装备性能的支柱。

       智能传感器具体原理是:对探知的物理量信息通过数模转化生成相应的模拟量信息输出,然后通过转换装置重新由模拟量信息转换为数字量信息,再由微处理器对相关信息执行运算、储备、关联等操作,或利用反馈电路反向调节传感器的有关设置,使之更好的与外部环境交互以更快更好地获取设备需要的信息。通过辅以微处理器嵌入多元化的软件功能来处理复杂任务,可以有效优化传感器的复杂结构、降低传其制造难度,从而为智能传感器降本增效。

       当前时代的显著特点便是设备具备高度信息化,因为要适用于多元化的应用场景、方便对外部环境信息的准确、高效感知,作为设备信息感知中枢的传感器不但要实现探知和传送信息的传统功能,还应具备对信息进行分析、关联、处置、储备和随时调用的能力。为了实现以上功能,智能传感器相较于传统装置应实现功能升级,实现以下几个方面的功能:

       (1) 自补偿与自诊断功能;

       (2) 信息存储与记忆功能;

       (3) 自学习与自适应功能;

       (4) 数字输出功能。

       智能传感技术作为工业化、信息化技术的关键技术,成为了诸多高新技术的发展瓶颈,是各方在技术领域争夺的制高点。工业智能传感器技术是我国在国际前沿科技竞争过程中的重要一环。智能型传感技术的蓬勃发展则始于上世纪末,微机技术的应用和普及赋予了传统传感器人工智能的特征[1]。智能传感器用途广泛、门类众多,按测量对象可分为检测放射线、光、力、磁、声、湿度、温度、位置、流体流量流速等不同类型,每种检测同类物理量的传感器又包含多种应用、存在不一样的实现途径[2]。在 《中国制造 2025》、“互联网 + ”行动计划的大力推进以及 2 0 1 8年 工 信 部 《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划》的指导下,国内智能传感器市场发展呈现突飞猛进之态势。国产智能传感器技术通过近来的不断发展和累计,己取得一定突破,然而因为起步比较晚,当前我国智能传感技术机遇与挑战并存[3]。

 
     2 智能传感技术产业链关键环节现状

       智能传感技术的产业链涵盖了研发、设计、制造、封装、测试、软件、芯片及解决方案、 系统 /应用等多个环节,不同环节发展现状如下:

       (1) 研发环节。研发环节难度最大,国内外均呈现出校企合作、联合研发的发展模式,企业通过与学校和研宂机构构建稳定合作、实现资源共享来获得稳定的研发技术支持。

       (2) 设计环节。智能传感技术的开发依赖于半导体集成电路的幵发,因为国内企业尚未突破本环节的技术壁垒,因此芯片自主研发资质不足。

       (3) 制造环节。本环节的关键是晶圆制造,其工艺要求严格,投入高,中芯等国内龙头企业在硬件方面己接近国际同行,但仍未实现规模化生产的工艺标准,因而国内企业大多选择代工。

       (4) 封装环节。国内厂商在本环节有较高的渗透,但受限于三维微机结构的MEMS远复杂于1C 封装,因此难以在技术达标的同时控制好成本。

       (5) 测试环节。量产前的试制和测验环节最重要的是晶圆测试,它对生产可行性、成本控制、次品概率等有决定性作用。由于测试系统缺乏有效验证机制,国产的测试系统在晶圆级的精度和稳定性方面仍有待提升。

       (6) 软件、芯片及解决方案环节。国产软件环节面临卡脖子问题,设计水平亟待提升。而芯片、解决方案环节近年发展势头好, 国内企业在新兴应用场景如基于物联网技术的解决方案取得了突破。

       (7) 应用环节。智能传感技术应用前景广,市场需求旺盛。以华为为代表的消费电子领域企业创造力强,资源整合能力强,后续发展势头强劲。

 
     3 智能传感技术发展趋势分析

       基于现实需要,智能传感技术将朝着高精度、微型化、可靠、低能耗、网络化和低成本化等几个维度发展。

       (1) 高精度。智能制造过程中涉及装备自动化,而装备自动化程度受限于传感技术的精度和灵敏度,因此不断提升精度是智能传感技术的基本趋势。

       (2) 微型化。随着传统产业制造升级,和对轻量化及便于维保等需求的不断增强,在满足基本性能的同时,不断为智能传感器 减重、缩小体积成为产业升级的客观需求,因此微型化将是主要演 
变趋势。

       (3) 高可靠性。稳定性越好,信号越完整,传感技术的可靠性就越高,智能传感器应具备较强的抗干扰特征,以应对复杂工况下的数据准确采集和稳定传递需求,未来的产业发展对传感器可靠性的需求将逐步提高。

       (4) 低能耗。 目前智能传感器大多是有源工况下运行,但未来智能传感技术将广泛应用于无源工况下,尤其是电网未覆盖的高山、深海、外太空等应用场景,而仅依靠太阳能或燃料电池又无法保证大功率传感器的稳定使用,因此低能耗甚至无源化也将智能传感技术未来的重要发展趋势。

       (5) 网络化。目前很多智能传感技术的应用场景没有复杂电路支撑,传感器采集信号后需要可视判断或近距离观测和触发传递,缺乏有效的信息传递机制,而网络化的钶能传感器能实现重要信号的实时传递、便捷存储,避免了频繁的人工运维和信号失真,网络化将是未来智能传感技术的重要发展趋势。

       (6) 低成本化。在智能传感技术门类逐渐齐全、性能逐渐满足产业基本需求后,为了实现量产和全面普及,满足行业的需求,就要求智能传感技术既要好又要成本可控,因此降本增效将是未来一段时间的持续改进方向。

   
   4 智能传感技术的应用趋势分析

       智能装备性能的提升源自于传感技术的科学应用。为满足智能装备不断变化和逐渐苛刻的应用需求,智能传感技术未来主要应用趋势有三个方面:同类智能传感器的集聚运用、多种传感器的的组合应用、新型场景下的应用。

       (1) 同种智能传感器的功能集聚效应。当单一智能传感器的性能无法满足系统的某一功能时,就需要同类智能传感器组合,通过冗余结构来保障系统对某项功能的性能。如小汽车的感应雷达,当布置多个感应雷达在小汽车的各角度时,就能实现位置感应的聚集效应,方便驾驶员同时感知四周障碍物[4]。因此同类传感技术的聚集使用将是未来智能传感技术的一个重点应用趋势。

       以装备丰富智能传感设备的自动驾驶车辆为例。 自动驾驶车辆主要根据智慧感知系统完成对障碍物、路标、指示牌等目标的自动识别,即智慧感知系统是实现车辆自动驾驶的核心技术。车辆的智慧感知能力主要依赖于视觉传感器、红外传感器、光敏传感器、陀螺仪等多元化的智能传感器的组合来完善功能,并且在各功能模块中同类智能传感装置的功能叠加、覆盖来保障安全。无人驾驶使用 “三重”测距模式,即超声波探测、3D 激光扫描和毫米波探测等多种测距类传感技术共同组成。自动驾驶车辆无法通过单一设备实现对外部环境的全面感知,必须依赖于不同装置的协调、配合来完成对多元化模态和多种维度输入信息的处置,而相关方面能力的提升正是智能传感技术发展过程中面临的客观挑战。

       (2) 多种智能传感器的功能互补。智能化设备或系统往往涉及到多元化的、不同层次的信号传递功能需要,需要使用到不同种类的智能传感器提供丰富的感知能力。如智能机器人同时设计了视听、触觉和位置等不同的信号感知能力,以实现机器人对外部环境的综合感知和判断,需要不同种类的智能传感器为机器人提供支撑,使得机器人系统形成更完善更全面的环境感知能力[5]。未来类似机器人的智能化系统将会需要应用更多种类、更加细分的传感器。以软银集团制造的虚拟伴侣Pepper为例,该机器人集成了多种智能传感器,通过红外智能传感器、摄像头、激光雷达、麦克风、触觉与滑觉传感器实现对视听、空间距离等信息的实时精确感知能力,同时辅以特定曲面屏来展示表情及表达内心情感,再通过机械臂表现肢体语言来进一步实现人机互动。

       此外最近频频曝光的引发学术界和工程界热议的谷歌犬型机器人亦是多元化智能传感装置协同作业的成功案例。该机器人由著名的仿生学研究单位波士顿动力制造。其外形似犬,可走动、小跑、后空翻、可蹲可爬可直立行走,能实现巡逻、驼运等任务,能在陡峭、高低不平的路面、河谷、山丘等地畅行无阻,而且能耐受低强度的外力冲击和干扰,能在失去平衡的瞬间模拟人类自动找回平衡状态。

       (3) 新型场景下的应用。将智能传感器集成到传统装备或系统,使其具备丰富的感知能力,就能实现传统装备的智能化升级。传统传感器己经无法适用于智能家居、自动驾驶、AI机器人等前沿应用场景,需嵌入智能传感技术来丰富设备或系统对前沿技术应用场景的兼容。如将智能测距传感器与清洁机器组合,使之具备避障能力;而具备网络化特征的传感器通过物联网与手机APP建立通信联系,就可以实现远程启动和控制家居设备的工作,使人类居住体验更加舒适便捷[6]。再比如当城市轨道交通车辆嵌入加速度、角速度信息采集、传递和分析等网络化智能传感技术后,便能实现车辆防止侧翻或横漂等异常状态下的主动防护,并且在主动防护失效的时能及时地启动在线远程救援呼叫机制,最大程度保护驾驶员和车辆的安全[7] 。未来基于不同功能输述求的应用场景将会越来越专业化、细分化,随之而来的是智能传感技术的更普遍、更专业化的场景应用。

       较为突出的例子如最近在生活家具市场热卖的的扫地机器人。该机器人有按路径规划式和随机走动形两类行走模式,总体而言自主规划路径的设备往往具有易于脱困、工作高效、清洁面广等优点,有望渐渐取代随机走动式产品。而根据各自主要依赖的传感技术的不同,自主规划路径式产品可分三种类型:激光式、视觉式和GPS式。其中,激光式机器人通过 3 6 0度激光旋转测距智能传感技术实现定位,规避障碍物、规划路径;视觉式通过高清视觉传感器感知物体影响并通过视觉测距算法实现定位、规避和规划路径,但目前受技术条件限制仍有待进一步研究。 GPS式设备通过卫星定位技术探知设备的空间位置信息,避免重复活动,保障了工作路线高效便捷,但单独依靠GPS无法很好地规避障碍物,因此往往在受到撞击后被动改变路径。

       无人机、机器人为智能传感技术的重要应用对象,跳舞机器人、迎宾机器人、外卖无人接、蜂群演出无人机等产品不断推动智能传感技术在新应用场景的发展。在现有的汽车辅助驾驶系统市场(包括未来的全自动汽车驾驶系统市场)、无人机和机器人等产品市场,高清成像设备、激光测距仪、毫米波雷达等智能传感器都具备较大的市场潜力,基于以上市场的智能传感技术的更新迭代将日新月异,智能传感技术将逐渐走向生产、生活的更多细分领域。

 
     5 结语

       近年来,国内智能传感器市场需求增势强劲,将带动智能传感器产业蓬勃发展。但同时需看到,国产智能传感器大多只满足中低档产品需求,新产品研发明显不足,高新技术类产品少,而且智能化、数字化、微型化程度有待提高。虽然国内智能传感器市场持续快速增长,但是,我国的智能传感技术只能满足中低档的产品需求,面向高端市场的配套能力有待加强。从行业产品结构看,老产品占比60%以上,流量型、压力型、位移型、温度型和指纹类智能传感技术己经较成熟,而新产品研发明显不足,高新技术类产品少。此外,国产先进智能传感技术突破较慢,产业化进程进展缓慢。为解决以上问题,建议传统制造行业在智能制造产业升级中应加强产学研合作、深化上下游产业技术协同创新,应以新场景、新项目为试点,在无人驾驶、在线诊断、智慧物流、万物互联等新应用中发掘智能传感器的性能潜力与应用的价值。

       参考文献
       [1]李鹏,毕建刚,于浩等.变电设备智能传感与状态感知技术及应用[J].高电压技术,2020(9).
       [2] 郭经红,梁云,陈川等.电力智能传感技术挑战及应用展望[J].电力信息与通信技术,2020,18;No.200(04):21-30.
       [3] 李盛涛,丁卫东,马国明. “智能传感关键技术及其应用”专题主编寄语[J].高电压技术,2020,46;No.331(06):6-7.
       [4] 马瑞林.汽车电子技术中的智能传感器技术[J] .内燃机与配件,2019.
       [5] 李磊 .多传感器融合的智能车自主导航系统设计 [D] .西南交通大学,2019.
       [6] 邓家成 .智能手机传感器的应用及发展[J].三联技术,2019 (114): 35-39.
       [7] 何云丰 . 基于智能传感器的汽车电子技术应用分析[J].内燃机与配件,2020 (1): 209-210.

       作者简介
       肖宇麒 (1991-) , 男,博士,电气工程师,从事电力机车系统研发工作。
责任编辑:杨培
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