智能傳感技術的發展與應用
發表時間：2021-11-25 11:36 作者：handler 閱讀數：13251 智能傳感技術研究背景
傳感器是可以探知特定的物理量并遵循相關的定律（公式或函數等）轉化為相應的輸出量的裝置或器材。作為設備探知外界環境狀態和變化情況的關鍵零件，傳感器決定了設備獲取外部信息的效率和廣度，因而被視為裝備智能化的物理基礎，特別在諸多智能化程度較高的裝備當中，傳感技術是裝備性能的支柱。
智能傳感器具體原理是：對探知的物理量信息通過數模轉化生成相應的模擬量信息輸出，然后通過轉換裝置重新由模擬量信息轉換為數字量信息，再由微處理器對相關信息執行運算、儲備、關聯等操作，或利用反饋電路反向調節傳感器的有關設置，使之更好的與外部環境交互以更快更好地獲取設備需要的信息。通過輔以微處理器嵌入多元化的軟件功能來處理復雜任務，可以有效優化傳感器的復雜結構、降低傳其制造難度，從而為智能傳感器降本增效。
當前時代的顯著特點便是設備具備高度信息化，因為要適用于多元化的應用場景、方便對外部環境信息的準確、高效感知，作為設備信息感知中樞的傳感器不但要實現探知和傳送信息的傳統功能，還應具備對信息進行分析、關聯、處置、儲備和隨時調用的能力。為了實現以上功能，智能傳感器相較于傳統裝置應實現功能升級，實現以下幾個方面的功能：
(1) 自補償與自診斷功能；
(2) 信息存儲與記憶功能；
(3) 自學習與自適應功能；
(4) 數字輸出功能。
智能傳感技術作為工業化、信息化技術的關鍵技術，成為了諸多高新技術的發展瓶頸，是各方在技術領域爭奪的制高點。工業智能傳感器技術是我國在國際前沿科技競爭過程中的重要一環。智能型傳感技術的蓬勃發展則始于上世紀末，微機技術的應用和普及賦予了傳統傳感器人工智能的特征[1]。智能傳感器用途廣泛、門類眾多，按測量對象可分為檢測放射線、光、力、磁、聲、濕度、溫度、位置、流體流量流速等不同類型，每種檢測同類物理量的傳感器又包含多種應用、存在不一樣的實現途徑[2]。在 《中國制造 2025》、“互聯網 + ”行動計劃的大力推進以及 2 0 1 8年 工 信 部 《促進新一代人工智能產業發展三年行動計劃》的指導下，國內智能傳感器市場發展呈現突飛猛進之態勢。國產智能傳感器技術通過近來的不斷發展和累計，己取得一定突破，然而因為起步比較晚，當前我國智能傳感技術機遇與挑戰并存[3]。
2 智能傳感技術產業鏈關鍵環節現狀
智能傳感技術的產業鏈涵蓋了研發、設計、制造、封裝、測試、軟件、芯片及解決方案、 系統 /應用等多個環節，不同環節發展現狀如下：
(1) 研發環節。研發環節難度最大，國內外均呈現出校企合作、聯合研發的發展模式，企業通過與學校和研宂機構構建穩定合作、實現資源共享來獲得穩定的研發技術支持。
(2) 設計環節。智能傳感技術的開發依賴于半導體集成電路的幵發，因為國內企業尚未突破本環節的技術壁壘，因此芯片自主研發資質不足。
(3) 制造環節。本環節的關鍵是晶圓制造，其工藝要求嚴格，投入高，中芯等國內龍頭企業在硬件方面己接近國際同行，但仍未實現規模化生產的工藝標準，因而國內企業大多選擇代工。
(4) 封裝環節。國內廠商在本環節有較高的滲透，但受限于三維微機結構的MEMS遠復雜于1C 封裝，因此難以在技術達標的同時控制好成本。
(5) 測試環節。量產前的試制和測驗環節最重要的是晶圓測試，它對生產可行性、成本控制、次品概率等有決定性作用。由于測試系統缺乏有效驗證機制，國產的測試系統在晶圓級的精度和穩定性方面仍有待提升。
(6) 軟件、芯片及解決方案環節。國產軟件環節面臨卡脖子問題，設計水平亟待提升。而芯片、解決方案環節近年發展勢頭好， 國內企業在新興應用場景如基于物聯網技術的解決方案取得了突破。
(7) 應用環節。智能傳感技術應用前景廣，市場需求旺盛。以華為為代表的消費電子領域企業創造力強，資源整合能力強，后續發展勢頭強勁。
3 智能傳感技術發展趨勢分析
基于現實需要，智能傳感技術將朝著高精度、微型化、可靠、低能耗、網絡化和低成本化等幾個維度發展。
(1) 高精度。智能制造過程中涉及裝備自動化，而裝備自動化程度受限于傳感技術的精度和靈敏度，因此不斷提升精度是智能傳感技術的基本趨勢。
(2) 微型化。隨著傳統產業制造升級，和對輕量化及便于維保等需求的不斷增強，在滿足基本性能的同時，不斷為智能傳感器 減重、縮小體積成為產業升級的客觀需求，因此微型化將是主要演變趨勢。
(3) 高可靠性。穩定性越好，信號越完整，傳感技術的可靠性就越高，智能傳感器應具備較強的抗干擾特征，以應對復雜工況下的數據準確采集和穩定傳遞需求，未來的產業發展對傳感器可靠性的需求將逐步提高。
(4) 低能耗。 目前智能傳感器大多是有源工況下運行，但未來智能傳感技術將廣泛應用于無源工況下，尤其是電網未覆蓋的高山、深海、外太空等應用場景，而僅依靠太陽能或燃料電池又無法保證大功率傳感器的穩定使用，因此低能耗甚至無源化也將智能傳感技術未來的重要發展趨勢。
(5) 網絡化。目前很多智能傳感技術的應用場景沒有復雜電路支撐，傳感器采集信號后需要可視判斷或近距離觀測和觸發傳遞，缺乏有效的信息傳遞機制，而網絡化的鈳能傳感器能實現重要信號的實時傳遞、便捷存儲，避免了頻繁的人工運維和信號失真，網絡化將是未來智能傳感技術的重要發展趨勢。
(6) 低成本化。在智能傳感技術門類逐漸齊全、性能逐漸滿足產業基本需求后，為了實現量產和全面普及，滿足行業的需求，就要求智能傳感技術既要好又要成本可控，因此降本增效將是未來一段時間的持續改進方向。
4 智能傳感技術的應用趨勢分析
智能裝備性能的提升源自于傳感技術的科學應用。為滿足智能裝備不斷變化和逐漸苛刻的應用需求，智能傳感技術未來主要應用趨勢有三個方面：同類智能傳感器的集聚運用、多種傳感器的的組合應用、新型場景下的應用。
(1) 同種智能傳感器的功能集聚效應。當單一智能傳感器的性能無法滿足系統的某一功能時，就需要同類智能傳感器組合，通過冗余結構來保障系統對某項功能的性能。如小汽車的感應雷達，當布置多個感應雷達在小汽車的各角度時，就能實現位置感應的聚集效應，方便駕駛員同時感知四周障礙物[4]。因此同類傳感技術的聚集使用將是未來智能傳感技術的一個重點應用趨勢。
以裝備豐富智能傳感設備的自動駕駛車輛為例。 自動駕駛車輛主要根據智慧感知系統完成對障礙物、路標、指示牌等目標的自動識別，即智慧感知系統是實現車輛自動駕駛的核心技術。車輛的智慧感知能力主要依賴于視覺傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器、陀螺儀等多元化的智能傳感器的組合來完善功能，并且在各功能模塊中同類智能傳感裝置的功能疊加、覆蓋來保障安全。無人駕駛使用 “三重”測距模式，即超聲波探測、3D 激光掃描和毫米波探測等多種測距類傳感技術共同組成。自動駕駛車輛無法通過單一設備實現對外部環境的全面感知，必須依賴于不同裝置的協調、配合來完成對多元化模態和多種維度輸入信息的處置，而相關方面能力的提升正是智能傳感技術發展過程中面臨的客觀挑戰。
(2) 多種智能傳感器的功能互補。智能化設備或系統往往涉及到多元化的、不同層次的信號傳遞功能需要，需要使用到不同種類的智能傳感器提供豐富的感知能力。如智能機器人同時設計了視聽、觸覺和位置等不同的信號感知能力，以實現機器人對外部環境的綜合感知和判斷，需要不同種類的智能傳感器為機器人提供支撐，使得機器人系統形成更完善更全面的環境感知能力[5]。未來類似機器人的智能化系統將會需要應用更多種類、更加細分的傳感器。以軟銀集團制造的虛擬伴侶Pepper為例，該機器人集成了多種智能傳感器，通過紅外智能傳感器、攝像頭、激光雷達、麥克風、觸覺與滑覺傳感器實現對視聽、空間距離等信息的實時精確感知能力，同時輔以特定曲面屏來展示表情及表達內心情感，再通過機械臂表現肢體語言來進一步實現人機互動。
此外最近頻頻曝光的引發學術界和工程界熱議的谷歌犬型機器人亦是多元化智能傳感裝置協同作業的成功案例。該機器人由著名的仿生學研究單位波士頓動力制造。其外形似犬，可走動、小跑、后空翻、可蹲可爬可直立行走，能實現巡邏、駝運等任務，能在陡峭、高低不平的路面、河谷、山丘等地暢行無阻，而且能耐受低強度的外力沖擊和干擾，能在失去平衡的瞬間模擬人類自動找回平衡狀態。
(3) 新型場景下的應用。將智能傳感器集成到傳統裝備或系統，使其具備豐富的感知能力，就能實現傳統裝備的智能化升級。傳統傳感器己經無法適用于智能家居、自動駕駛、AI機器人等前沿應用場景，需嵌入智能傳感技術來豐富設備或系統對前沿技術應用場景的兼容。如將智能測距傳感器與清潔機器組合，使之具備避障能力；而具備網絡化特征的傳感器通過物聯網與手機APP建立通信聯系，就可以實現遠程啟動和控制家居設備的工作，使人類居住體驗更加舒適便捷[6]。再比如當城市軌道交通車輛嵌入加速度、角速度信息采集、傳遞和分析等網絡化智能傳感技術后，便能實現車輛防止側翻或橫漂等異常狀態下的主動防護，并且在主動防護失效的時能及時地啟動在線遠程救援呼叫機制，最大程度保護駕駛員和車輛的安全[7] 。未來基于不同功能輸述求的應用場景將會越來越專業化、細分化，隨之而來的是智能傳感技術的更普遍、更專業化的場景應用。
較為突出的例子如最近在生活家具市場熱賣的的掃地機器人。該機器人有按路徑規劃式和隨機走動形兩類行走模式，總體而言自主規劃路徑的設備往往具有易于脫困、工作高效、清潔面廣等優點，有望漸漸取代隨機走動式產品。而根據各自主要依賴的傳感技術的不同，自主規劃路徑式產品可分三種類型：激光式、視覺式和GPS式。其中，激光式機器人通過 3 6 0度激光旋轉測距智能傳感技術實現定位，規避障礙物、規劃路徑；視覺式通過高清視覺傳感器感知物體影響并通過視覺測距算法實現定位、規避和規劃路徑，但目前受技術條件限制仍有待進一步研究。 GPS式設備通過衛星定位技術探知設備的空間位置信息，避免重復活動，保障了工作路線高效便捷，但單獨依靠GPS無法很好地規避障礙物，因此往往在受到撞擊后被動改變路徑。
無人機、機器人為智能傳感技術的重要應用對象，跳舞機器人、迎賓機器人、外賣無人接、蜂群演出無人機等產品不斷推動智能傳感技術在新應用場景的發展。在現有的汽車輔助駕駛系統市場（包括未來的全自動汽車駕駛系統市場）、無人機和機器人等產品市場，高清成像設備、激光測距儀、毫米波雷達等智能傳感器都具備較大的市場潛力，基于以上市場的智能傳感技術的更新迭代將日新月異，智能傳感技術將逐漸走向生產、生活的更多細分領域。
5 結語
近年來，國內智能傳感器市場需求增勢強勁，將帶動智能傳感器產業蓬勃發展。但同時需看到，國產智能傳感器大多只滿足中低檔產品需求，新產品研發明顯不足，高新技術類產品少，而且智能化、數字化、微型化程度有待提高。雖然國內智能傳感器市場持續快速增長，但是，我國的智能傳感技術只能滿足中低檔的產品需求，面向高端市場的配套能力有待加強。從行業產品結構看，老產品占比60%以上，流量型、壓力型、位移型、溫度型和指紋類智能傳感技術己經較成熟，而新產品研發明顯不足，高新技術類產品少。此外，國產先進智能傳感技術突破較慢，產業化進程進展緩慢。為解決以上問題，建議傳統制造行業在智能制造產業升級中應加強產學研合作、深化上下游產業技術協同創新，應以新場景、新項目為試點，在無人駕駛、在線診斷、智慧物流、萬物互聯等新應用中發掘智能傳感器的性能潛力與應用的價值。