智能傳感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

肖宇麒

（中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 湖南省株洲市 412000）

1 智能傳感技術(shù)研究背景

傳感器是可以探知特定的物理量并遵循相關(guān)的定律（公式或函數(shù)等）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出量的裝置或器材。作為設(shè)備探知外界環(huán)境狀態(tài)和變化情況的關(guān)鍵零件，傳感器決定了設(shè)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(chǔ)，特別在諸多智能化程度較高的裝備當(dāng)中，傳感技術(shù)是裝備性能的支柱。

智能傳感器具體原理是：對(duì)探知的物理量信息通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化生成相應(yīng)的模擬量信息輸出，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置重新由模擬量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息，再由微處理器對(duì)相關(guān)信息執(zhí)行運(yùn)算、儲(chǔ)備、關(guān)聯(lián)等操作，或利用反饋電路反向調(diào)節(jié)傳感器的有關(guān)設(shè)置，使之更好的與外部環(huán)境交互以更快更好地獲取設(shè)備需要的信息。通過(guò)輔以微處理器嵌入多元化的軟件功能來(lái)處理復(fù)雜任務(wù)，可以有效優(yōu)化傳感器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、降低傳其制造難度，從而為智能傳感器降本增效。

當(dāng)前時(shí)代的顯著特點(diǎn)便是設(shè)備具備高度信息化，因?yàn)橐m用于多元化的應(yīng)用場(chǎng)景、方便對(duì)外部環(huán)境信息的準(zhǔn)確、高效感知，作為設(shè)備信息感知中樞的傳感器不但要實(shí)現(xiàn)探知和傳送信息的傳統(tǒng)功能，還應(yīng)具備對(duì)信息進(jìn)行分析、關(guān)聯(lián)、處置、儲(chǔ)備和隨時(shí)調(diào)用的能力。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，智能傳感器相較于傳統(tǒng)裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能：

（1）自補(bǔ)償與自診斷功能；

（2）信息存儲(chǔ)與記憶功能；

（3）自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能；

（4）數(shù)字輸出功能。

智能傳感技術(shù)作為工業(yè)化、信息化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，成為了諸多高新技術(shù)的發(fā)展瓶頸，是各方在技術(shù)領(lǐng)域爭(zhēng)奪的制高點(diǎn)。工業(yè)智能傳感器技術(shù)是我國(guó)在國(guó)際前沿科技競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中的重要一環(huán)。智能型傳感技術(shù)的蓬勃發(fā)展則始于上世紀(jì)末，微機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和普及賦予了傳統(tǒng)傳感器人工智能的特征[1]。智能傳感器用途廣泛、門(mén)類(lèi)眾多，按測(cè)量對(duì)象可分為檢測(cè)放射線、光、力、磁、聲、濕度、溫度、位置、流體流量流速等不同類(lèi)型，每種檢測(cè)同類(lèi)物理量的傳感器又包含多種應(yīng)用、存在不一樣的實(shí)現(xiàn)途徑[2]。在《中國(guó)制造2025》、“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃的大力推進(jìn)以及2018年工信部《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃》的指導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)智能傳感器市場(chǎng)發(fā)展呈現(xiàn)突飛猛進(jìn)之態(tài)勢(shì)。國(guó)產(chǎn)智能傳感器技術(shù)通過(guò)近來(lái)的不斷發(fā)展和累計(jì)，已取得一定突破，然而因?yàn)槠鸩奖容^晚，當(dāng)前我國(guó)智能傳感技術(shù)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存[3]。

2 智能傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)現(xiàn)狀

智能傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋了研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試、軟件、芯片及解決方案、 系統(tǒng)/應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)發(fā)展現(xiàn)狀如下：

（1）研發(fā)環(huán)節(jié)。研發(fā)環(huán)節(jié)難度最大，國(guó)內(nèi)外均呈現(xiàn)出校企合作、聯(lián)合研發(fā)的發(fā)展模式，企業(yè)通過(guò)與學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)構(gòu)建穩(wěn)定合作、實(shí)現(xiàn)資源共享來(lái)獲得穩(wěn)定的研發(fā)技術(shù)支持。

（2）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。智能傳感技術(shù)的開(kāi)發(fā)依賴(lài)于半導(dǎo)體集成電路的開(kāi)發(fā)，因?yàn)閲?guó)內(nèi)企業(yè)尚未突破本環(huán)節(jié)的技術(shù)壁壘，因此芯片自主研發(fā)資質(zhì)不足。

（3）制造環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是晶圓制造，其工藝要求嚴(yán)格，投入高，中芯等國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)在硬件方面已接近國(guó)際同行，但仍未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的工藝標(biāo)準(zhǔn)，因而國(guó)內(nèi)企業(yè)大多選擇代工。

（4）封裝環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)廠商在本環(huán)節(jié)有較高的滲透，但受限于三維微機(jī)結(jié)構(gòu)的MEMS 遠(yuǎn)復(fù)雜于IC 封裝，因此難以在技術(shù)達(dá)標(biāo)的同時(shí)控制好成本。

（5）測(cè)試環(huán)節(jié)。量產(chǎn)前的試制和測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)最重要的是晶圓測(cè)試，它對(duì)生產(chǎn)可行性、成本控制、次品概率等有決定性作用。由于測(cè)試系統(tǒng)缺乏有效驗(yàn)證機(jī)制，國(guó)產(chǎn)的測(cè)試系統(tǒng)在晶圓級(jí)的精度和穩(wěn)定性方面仍有待提升。

（6）軟件、芯片及解決方案環(huán)節(jié)。國(guó)產(chǎn)軟件環(huán)節(jié)面臨卡脖子問(wèn)題，設(shè)計(jì)水平亟待提升。而芯片、解決方案環(huán)節(jié)近年發(fā)展勢(shì)頭好，國(guó)內(nèi)企業(yè)在新興應(yīng)用場(chǎng)景如基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案取得了突破。

（7）應(yīng)用環(huán)節(jié)。智能傳感技術(shù)應(yīng)用前景廣，市場(chǎng)需求旺盛。以華為為代表的消費(fèi)電子領(lǐng)域企業(yè)創(chuàng)造力強(qiáng)，資源整合能力強(qiáng)，后續(xù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。

3 智能傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

基于現(xiàn)實(shí)需要，智能傳感技術(shù)將朝著高精度、微型化、可靠、低能耗、網(wǎng)絡(luò)化和低成本化等幾個(gè)維度發(fā)展。

（1）高精度。智能制造過(guò)程中涉及裝備自動(dòng)化，而裝備自動(dòng)化程度受限于傳感技術(shù)的精度和靈敏度，因此不斷提升精度是智能傳感技術(shù)的基本趨勢(shì)。

（2）微型化。隨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)制造升級(jí)，和對(duì)輕量化及便于維保等需求的不斷增強(qiáng)，在滿足基本性能的同時(shí)，不斷為智能傳感器減重、縮小體積成為產(chǎn)業(yè)升級(jí)的客觀需求，因此微型化將是主要演變趨勢(shì)。

（3）高可靠性。穩(wěn)定性越好，信號(hào)越完整，傳感技術(shù)的可靠性就越高，智能傳感器應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾特征，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況下的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集和穩(wěn)定傳遞需求，未來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)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(yùn)行，但未來(lái)智能傳感技術(shù)將廣泛應(yīng)用于無(wú)源工況下，尤其是電網(wǎng)未覆蓋的高山、深海、外太空等應(yīng)用場(chǎng)景，而僅依靠太陽(yáng)能或燃料電池又無(wú)法保證大功率傳感器的穩(wěn)定使用，因此低能耗甚至無(wú)源化也將智能傳感技術(shù)未來(lái)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

（5）網(wǎng)絡(luò)化。目前很多智能傳感技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景沒(méi)有復(fù)雜電路支撐，傳感器采集信號(hào)后需要可視判斷或近距離觀測(cè)和觸發(fā)傳遞，缺乏有效的信息傳遞機(jī)制，而網(wǎng)絡(luò)化的智能傳感器能實(shí)現(xiàn)重要信號(hào)的實(shí)時(shí)傳遞、便捷存儲(chǔ)，避免了頻繁的人工運(yùn)維和信號(hào)失真，網(wǎng)絡(luò)化將是未來(lái)智能傳感技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

（6）低成本化。在智能傳感技術(shù)門(mén)類(lèi)逐漸齊全、性能逐漸滿足產(chǎn)業(yè)基本需求后，為了實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和全面普及，滿足行業(yè)的需求，就要求智能傳感技術(shù)既要好又要成本可控，因此降本增效將是未來(lái)一段時(shí)間的持續(xù)改進(jìn)方向。

4 智能傳感技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)分析

智能裝備性能的提升源自于傳感技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用。為滿足智能裝備不斷變化和逐漸苛刻的應(yīng)用需求，智能傳感技術(shù)未來(lái)主要應(yīng)用趨勢(shì)有三個(gè)方面：同類(lèi)智能傳感器的集聚運(yùn)用、多種傳感器的的組合應(yīng)用、新型場(chǎng)景下的應(yīng)用。

（1）同種智能傳感器的功能集聚效應(yīng)。當(dāng)單一智能傳感器的性能無(wú)法滿足系統(tǒng)的某一功能時(shí)，就需要同類(lèi)智能傳感器組合，通過(guò)冗余結(jié)構(gòu)來(lái)保障系統(tǒng)對(duì)某項(xiàng)功能的性能。如小汽車(chē)的感應(yīng)雷達(dá)，當(dāng)布置多個(gè)感應(yīng)雷達(dá)在小汽車(chē)的各角度時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)位置感應(yīng)的聚集效應(yīng)，方便駕駛員同時(shí)感知四周障礙物[4]。因此同類(lèi)傳感技術(shù)的聚集使用將是未來(lái)智能傳感技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用趨勢(shì)。

以裝備豐富智能傳感設(shè)備的自動(dòng)駕駛車(chē)輛為例。 自動(dòng)駕駛車(chē)輛主要根據(jù)智慧感知系統(tǒng)完成對(duì)障礙物、路標(biāo)、指示牌等目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別，即智慧感知系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)。車(chē)輛的智慧感知能力主要依賴(lài)于視覺(jué)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(lái)完善功能，并且在各功能模塊中同類(lèi)智能傳感裝置的功能疊加、覆蓋來(lái)保障安全。無(wú)人駕駛使用“三重”測(cè)距模式，即超聲波探測(cè)、3D 激光掃描和毫米波探測(cè)等多種測(cè)距類(lèi)傳感技術(shù)共同組成。自動(dòng)駕駛車(chē)輛無(wú)法通過(guò)單一設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的全面感知，必須依賴(lài)于不同裝置的協(xié)調(diào)、配合來(lái)完成對(duì)多元化模態(tài)和多種維度輸入信息的處置，而相關(guān)方面能力的提升正是智能傳感技術(shù)發(fā)展過(guò)程中面臨的客觀挑戰(zhàn)。

（2）多種智能傳感器的功能互補(bǔ)。智能化設(shè)備或系統(tǒng)往往涉及到多元化的、不同層次的信號(hào)傳遞功能需要，需要使用到不同種類(lèi)的智能傳感器提供豐富的感知能力。如智能機(jī)器人同時(shí)設(shè)計(jì)了視聽(tīng)、觸覺(jué)和位置等不同的信號(hào)感知能力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境的綜合感知和判斷，需要不同種類(lèi)的智能傳感器為機(jī)器人提供支撐，使得機(jī)器人系統(tǒng)形成更完善更全面的環(huán)境感知能力[5]。未來(lái)類(lèi)似機(jī)器人的智能化系統(tǒng)將會(huì)需要應(yīng)用更多種類(lèi)、更加細(xì)分的傳感器。

以軟銀集團(tuán)制造的虛擬伴侶Pepper 為例，該機(jī)器人集成了多種智能傳感器，通過(guò)紅外智能傳感器、攝像頭、激光雷達(dá)、麥克風(fēng)、觸覺(jué)與滑覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)視聽(tīng)、空間距離等信息的實(shí)時(shí)精確感知能力，同時(shí)輔以特定曲面屏來(lái)展示表情及表達(dá)內(nèi)心情感，再通過(guò)機(jī)械臂表現(xiàn)肢體語(yǔ)言來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

此外最近頻頻曝光的引發(fā)學(xué)術(shù)界和工程界熱議的谷歌犬型機(jī)器人亦是多元化智能傳感裝置協(xié)同作業(yè)的成功案例。該機(jī)器人由著名的仿生學(xué)研究單位波士頓動(dòng)力制造。其外形似犬，可走動(dòng)、小跑、后空翻、可蹲可爬可直立行走，能實(shí)現(xiàn)巡邏、駝運(yùn)等任務(wù)，能在陡峭、高低不平的路面、河谷、山丘等地暢行無(wú)阻，而且能耐受低強(qiáng)度的外力沖擊和干擾，能在失去平衡的瞬間模擬人類(lèi)自動(dòng)找回平衡狀態(tài)。

（3）新型場(chǎng)景下的應(yīng)用。將智能傳感器集成到傳統(tǒng)裝備或系統(tǒng)，使其具備豐富的感知能力，就能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)裝備的智能化升級(jí)。傳統(tǒng)傳感器已經(jīng)無(wú)法適用于智能家居、自動(dòng)駕駛、AI 機(jī)器人等前沿應(yīng)用場(chǎng)景，需嵌入智能傳感技術(shù)來(lái)豐富設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)前沿技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的兼容。如將智能測(cè)距傳感器與清潔機(jī)器組合，使之具備避障能力；而具備網(wǎng)絡(luò)化特征的傳感器通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)APP 建立通信聯(lián)系，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)和控制家居設(shè)備的工作，使人類(lèi)居住體驗(yàn)更加舒適便捷[6]。再比如當(dāng)城市軌道交通車(chē)輛嵌入加速度、角速度信息采集、傳遞和分析等網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)后，便能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛防止側(cè)翻或橫漂等異常狀態(tài)下的主動(dòng)防護(hù)，并且在主動(dòng)防護(hù)失效的時(shí)能及時(shí)地啟動(dòng)在線遠(yuǎn)程救援呼叫機(jī)制，最大程度保護(hù)駕駛員和車(chē)輛的安全[7]。未來(lái)基于不同功能輸述求的應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)越來(lái)越專(zhuān)業(yè)化、細(xì)分化，隨之而來(lái)的是智能傳感技術(shù)的更普遍、更專(zhuān)業(yè)化的場(chǎng)景應(yīng)用。

較為突出的例子如最近在生活家具市場(chǎng)熱賣(mài)的的掃地機(jī)器人。該機(jī)器人有按路徑規(guī)劃式和隨機(jī)走動(dòng)形兩類(lèi)行走模式，總體而言自主規(guī)劃路徑的設(shè)備往往具有易于脫困、工作高效、清潔面廣等優(yōu)點(diǎn)，有望漸漸取代隨機(jī)走動(dòng)式產(chǎn)品。而根據(jù)各自主要依賴(lài)的傳感技術(shù)的不同，自主規(guī)劃路徑式產(chǎn)品可分三種類(lèi)型：激光式、視覺(jué)式和GPS式。其中，激光式機(jī)器人通過(guò)360 度激光旋轉(zhuǎn)測(cè)距智能傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位，規(guī)避障礙物、規(guī)劃路徑；視覺(jué)式通過(guò)高清視覺(jué)傳感器感知物體影響并通過(guò)視覺(jué)測(cè)距算法實(shí)現(xiàn)定位、規(guī)避和規(guī)劃路徑，但目前受技術(shù)條件限制仍有待進(jìn)一步研究。GPS 式設(shè)備通過(guò)衛(wèi)星定位技術(shù)探知設(shè)備的空間位置信息，避免重復(fù)活動(dòng)，保障了工作路線高效便捷，但單獨(dú)依靠GPS 無(wú)法很好地規(guī)避障礙物，因此往往在受到撞擊后被動(dòng)改變路徑。

無(wú)人機(jī)、機(jī)器人為智能傳感技術(shù)的重要應(yīng)用對(duì)象，跳舞機(jī)器人、迎賓機(jī)器人、外賣(mài)無(wú)人接、蜂群演出無(wú)人機(jī)等產(chǎn)品不斷推動(dòng)智能傳感技術(shù)在新應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展。在現(xiàn)有的汽車(chē)輔助駕駛系統(tǒng)市場(chǎng)（包括未來(lái)的全自動(dòng)汽車(chē)駕駛系統(tǒng)市場(chǎng)）、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人等產(chǎn)品市場(chǎng)，高清成像設(shè)備、激光測(cè)距儀、毫米波雷達(dá)等智能傳感器都具備較大的市場(chǎng)潛力，基于以上市場(chǎng)的智能傳感技術(shù)的更新迭代將日新月異，智能傳感技術(shù)將逐漸走向生產(chǎn)、生活的更多細(xì)分領(lǐng)域。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)智能傳感器市場(chǎng)需求增勢(shì)強(qiáng)勁，將帶動(dòng)智能傳感器產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。但同時(shí)需看到，國(guó)產(chǎn)智能傳感器大多只滿足中低檔產(chǎn)品需求，新產(chǎn)品研發(fā)明顯不足，高新技術(shù)類(lèi)產(chǎn)品少，而且智能化、數(shù)字化、微型化程度有待提高。雖然國(guó)內(nèi)智能傳感器市場(chǎng)持續(xù)快速增長(zhǎng)，但是，我國(guó)的智能傳感技術(shù)只能滿足中低檔的產(chǎn)品需求，面向高端市場(chǎng)的配套能力有待加強(qiáng)。從行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，老產(chǎn)品占比60%以上，流量型、壓力型、位移型、溫度型和指紋類(lèi)智能傳感技術(shù)已經(jīng)較成熟，而新產(chǎn)品研發(fā)明顯不足，高新技術(shù)類(lèi)產(chǎn)品少。此外，國(guó)產(chǎn)先進(jìn)智能傳感技術(shù)突破較慢，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程進(jìn)展緩慢。為解決以上問(wèn)題，建議傳統(tǒng)制造行業(yè)在智能制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)中應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作、深化上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新，應(yīng)以新場(chǎng)景、新項(xiàng)目為試點(diǎn)，在無(wú)人駕駛、在線診斷、智慧物流、萬(wàn)物互聯(lián)等新應(yīng)用中發(fā)掘智能傳感器的性能潛力與應(yīng)用的價(jià)值。