「趋势」智能制造的关键——传感器的发展与应用

旺材智能制造2018-06-25 18:59:43

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来源 | 盖勒普


前不久,中兴通讯事件引起了人们的广泛关注,“无芯之痛”再度引发核心技术展的讨论。作为关键零部件的一员,传感器也和电子芯片一样,在相关领域发挥着至关重要的作用。此次中美贸易摩擦也为传感器及相关应用领域敲响了警钟,若国内企业不加大关键零部件的自主创新力度,有朝一日也难免遭此困境,长远发展将无从谈起。



传感器是智能制造核心


人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。


新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。


眼下,形形色色的传感器早已渗透进生活的方方面面,每秒采集到的海量数据构成了智能物联的基础。作为所有智能设备的感官,传感器可对物理层面进行信息采集,主要包括湿度、温度、压力等多方面的感知。


在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。


作为自动化智能设备的关键部件,传感器可谓是发展智能制造的基础和核心。


它广泛应用于社会发展及人类生活的各个领域,尤其在机械设备制造、科学仪器仪表、医疗卫生、通信电子等领域,传感器更是得到了普遍运用。当下,传感器正向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化方向发展,市场应用呈爆发式增长态势。毫无疑问,智能传感器将成为工业互联网、物联网、工业大数据甚至人工智能发展的核心器件之一。


我国传感器应用现状


随着中国工业产业生产自动化规模不断扩大,传统的传感器,已经无法适用工业自动化的需要,工业自动化对高质量传感器产品有着强烈的需求。


传感器技术发展到今天,美国、日本和德国等发达国家长期处于国际领先地位,三国几乎垄断了全球70%的市场,且随着MEMS工艺技术的不断成熟,此增长态势将会越发明显。


近些年来,国内传感器产业发展迅速,传感器的应用场景增加了许多,我国自主生产的传感器已完全可以满足低端市场需求。


据了解,全球传感器研发制造商工6500多家,传感器种类约2万多种,我国目前拥有1万多种。目前,我国传感器的生产企业主要集中在长三角地区,并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为主的区域空间布局。比如长三角区域:以上海、无锡、南京为中心,逐渐形成包括热敏、磁敏、图像、称重、光电、温度、气敏等较为完备的传感器生产体系及产业配套。


在智能制造的传感器应用领域,不同行业间的差距非常大。


对于石油化工等流程工业来说,需要用到的新型高端工业传感器较少,但在高端制造领域,传感器的国产化率还很低。智能制造所需的某些特殊部件,如需要耐高温高压的传感器,国内产品的可靠性、稳定性还是有些差距。


在航天、军工等领域,为了做到自主安全可控,可以不计成本地生产研发、生产部分高端传感器。但以航空航天领域运用的高端传感器为例,我国虽可自主供应,但由于相关技术主要为科研院所掌握,大规模产业化生产尚不具备条件。


然而,应用到工业领域,目前阶段还是采购进口产品比较划算。对于高端电机、视觉、力觉等高附加值的传感器,我国现在还无法大规模生产,只能依赖进口。为了追求整个系统的一致性和可靠性,又连带许多传感器也要使用进口产品。


另外,早期,我国智能制造设备大都是从国外进口,造价很高。后来国内设备企业引进、消化之后,实现了自主生产,但是为了选型方便以及设备运行的稳定性,传感器一般还是采用原厂产品。



国内传感器产业面临的挑战


1.创新能力弱:传感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊应用的高端方面与国外差距巨大,中高档传感器产品几乎100%从国外进口,90%芯片依赖国外。国内缺乏对新原理、新器件和新材料传感器的研发和产业化能力。


2.关键技术尚未突破:设计技术、封装技术、装备技术等方面都存在较大差距。国内尚无一套有自主知识产权的传感器设计软件,国产传感器可靠性比国外同类产品低1-2个数量级,传感器封装尚未形成系列、标准和统一接口。传感器工艺装备研发与生产被国外垄断。


3.产业结构不合理:品种、规格、系列不全,技术指标不高,国内传感器产品往往形不成系列。产品在测量精度、温度特性、响应时间、稳定性、可靠性等指标与国外也有相当大的差距。


4.企业能力弱:我国传感器企业95%以上属小型企业,规模小、研发能力弱、规模效益差。从目前市场份额和市场竞争力指数来看,外资企业仍占据较大的优势。



智能制造工业传感器的应用要求


工业传感器,是考验一个国家工业体系是否完善的关键性因素。工业传感器不仅性能指标要求苛刻,种类也非常繁杂。


从功能上来说,工业传感器分为光电、热敏、气敏、力敏、磁敏、声敏、湿敏等不同类别。以工业机器人为例,其中涉及的几种重要传感器包括:三维视觉传感器、力扭矩传感器、碰撞检测传感器、安全传感器、焊接缝追踪传感器、触觉传感器等。


相对于民用来说,工业环境对传感器的要求更高,从稳定性、精度、运行安全等多方面考虑。和消费电子等民用领域相比,用于智能制造的工业传感器在精度、稳定性、抗震动和抗冲击性方面提出了更为苛刻的要求。


工业控制要确保零误差,传感器不仅要能实时通信,还要足够精准。传感器应用在不同的工业领域,对其能耐受的温度、湿度、酸碱度也有不同的个性化要求,功耗和尺寸也会受到严格限制,比方说零下60℃极端环境就是个极大的挑战。


在工业4.0时代,智能制造所需要的传感器跟传统的传感器相比:


第一,需要有更灵活的接口。传感器不仅要能够在控制器层通信,而且能实现更高数据层的通信。附加的数据或软件系统接口让传感器可以执行新的分析任务及新的功能。这些能力可提高生产的灵活性、质量、效率和透明度,彻底地改变工业金字塔结构。


第二,传感器需要有智能的功能。智能传感器提供的数据越紧凑、越实用,整个系统利用数据源的效率也将越高,分析结果也越准确。在内部对数据直接进行预处理、压缩和滤波的智能传感器将完美匹配工业4.0的要求。


来源:盖勒普



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