在如今這個信息化的21世紀，傳感器的應用深入到社會生活的方方面面。拿今年2月成功舉辦的北京冬奧會來說，其“冰立方”場館就設置了由4，000多個傳感器領銜的樓宇設備管理系統(tǒng)，以此來檢測和監(jiān)控場內溫濕度的變化。在過去5年中，傳感器已成為可穿戴、無人機、智能手機等日常設備中不可缺少的存在。

隨著“工業(yè)4.0”的到來，智能工業(yè)傳感器在工業(yè)制造中扮演的角色也越來越重要。不同于傳統(tǒng)工業(yè)傳感器，智能傳感器由于結合了微處理器，因而具有數據采集、處理、交換信息的能力，并且通過充分利用計算機的計算和存儲能力，智能傳感器還具有高精度的物理信息采集，從而及時、有效地處理所產生的數據要求。

值得一提的是，在當前科學技術不斷發(fā)展之下，智能傳感器的功能也在逐步增強，甚至可以利用神經網絡、人工智能、信息處理技術等多項技術，使傳感器實現更高級的智能，同時還具備分析、判斷、自適應、自學習的功能，能夠完成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復雜任務?？偠灾?，與傳統(tǒng)工業(yè)傳感器相比，智能傳感器在精度、穩(wěn)定性、抗沖擊性方面都提出了更為苛刻的要求。

圖1：工業(yè)智能傳感器的發(fā)展演進

（圖源：賽迪顧問）

憑借著精準的數據采集能力以及功能的多樣化，智能傳感器在工業(yè)物聯網全生態(tài)構建中，成為了提供基礎數據支撐的關鍵。一方面，將傳感器、無線傳感器網絡技術應用到智能監(jiān)測中，有助于優(yōu)化工業(yè)生產過程和工藝，同時提高生產線過程檢測、實時數據采集、生產設備過程監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平，實現生產過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策和智能維護水平。

另一方面，憑借獨特的技術特點，智能傳感器的廣泛應用也將成為實現工業(yè)自動化發(fā)展的必經之路。對于工業(yè)自動化來說，智能傳感器可以保持自動化生產線的持續(xù)運行，在監(jiān)控和處理振動和噪聲信號之余，還能夠檢測機器健康狀況并預測其發(fā)生故障的可能性，從而幫助制造業(yè)降低維護成本。因此，在工業(yè)互聯網發(fā)展過程中，構建完善的工業(yè)傳感組網體系是必經之路。

在互聯網技術日益普及的當下，包括汽車和醫(yī)療保健在內的大多數行業(yè)對高精度傳感器的需求都在日漸攀升。Markets and Markets報告數據顯示，全球工業(yè)傳感器市場規(guī)模預計將從2021年的206億美元增長到2026年的319億美元。從2021年到2026年期間，該市場預計將以9.1%的復合年增長率增長。

那么，工業(yè)傳感器究竟有何魅力，能讓其市場增長如此之快？本文就將用一些具有代表性的廠商的產品來說明工業(yè)傳感4.0時代智能傳感器技術的四大特點：持續(xù)在線、全天候工作、本地處理和多傳感器信息融合。

#01

持續(xù)在線

當前，我們處在一個永遠監(jiān)聽、不間歇運行的設備得到大規(guī)模使用的風口浪尖。持續(xù)在線是作為物聯網的一個重要特點，隨著互聯網技術的發(fā)展，人們對于持續(xù)在線的傳感設備需求量也會逐漸飆升，尤其在一些工業(yè)場景中，需要傳感器持續(xù)在線去記錄和描述數據。

而要想實現持續(xù)在線，能耗問題就是關鍵，這也是工業(yè)互聯網給智能傳感器帶來的一大挑戰(zhàn)。只有確保感知元器件功耗足夠低，才能實現萬物互聯下感知終端節(jié)能降耗的目標。

因此，通過更省電來保持持續(xù)在線的工作狀態(tài)必將成為工業(yè)4.0時代下智能傳感器的標配。為了實現這個目標，研發(fā)人員也用盡全力去掃除各種障礙，比如：實現“睡眠”功能讓整個傳感器組件以及與之相連的其他系統(tǒng)保持低功耗模式，直到某些事件發(fā)生才喚醒；提升電池技術。增大電池容量，延長電池工作壽命預期；又或者采用抗老化技術，提高電阻穩(wěn)定性等等。

智能傳感器

以EPCOS / TDK NTC熱敏電阻來說，這款熱敏電阻在內電極、鎳屏障終端、高溫環(huán)境下具有出色的長期抗老化效能，并且在焊接期間擁有卓越的電阻穩(wěn)定性，足以長時間保持持續(xù)在線。

圖2：EPCOS / TDK NTC熱敏電阻

（圖源：EPCOS / TDK）

此外，這款熱敏電阻具有多層NTC，溫度測量高達150°C，可以應用在溫度測量及補償和汽車領域，并可在汽車應用中提供電壓和噪聲抑制、溫度測量和補償等功能。

#02

全天候工作

對于智能化工廠而言，如果要用互聯網代替人工監(jiān)測設備，那么生產數據的實時跟蹤、生產設備的長期穩(wěn)定運轉等便是重中之重。

工廠需要通過傳感器全天候工作，才能掌握震動、溫度、濕度、壓力等數據信號，進而監(jiān)控設備的運作狀況，并及時根據數據進行處理，才能降低機械損壞的機率、提高生產線的穩(wěn)定性。但與日常生活相比，工業(yè)環(huán)境要惡劣許多，智能傳感器需要抵抗震動、粉塵、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境影響，不然稍有不慎就會受到環(huán)境干擾，從而影響設備甚至工廠的運作。

因此相較于傳統(tǒng)傳感器，用于智能制造的工業(yè)傳感器對精度、穩(wěn)定性、抗震動和抗沖擊性等都提出了更加苛刻的要求，需要同時具備高穩(wěn)定性和高可靠性，不僅要能實時通信，還要足夠精準、確保盡可能消除誤差。

換句話說，智能傳感器需要抗干擾能力足夠強才能保持穩(wěn)定性，進而實現全天候工作。從這個角度來看，EPCOS / TDK的PCM120T屏蔽型SMT功率電感器以及B78416A*超聲波傳感器用變壓器都是不錯的選擇。

智能傳感器

先說PCM120T屏蔽型SMT功率電感器。其實從名稱就可以看出這款傳感器非常適合用于干擾抑制，例如汽車電機等。據介紹，該系列傳感器采用鐵氧體材料閉合外殼，無外部間隙，因此具有出色的EMC性能，并且經優(yōu)化實現高飽和電流和低直流電阻，同時通過鐵合金磁芯實現這些出色的飽和特性。而扁平線繞組則保持盡可能低的損耗，該結構可實現0.72mΩ（0.4μH）至9mΩ（10μH）低阻值。

圖3：EPCOS / TDK PCM120T屏蔽型SMT功率電感器

（圖源：EPCOS / TDK）

而超聲波傳感器用B78416A*變壓器則擁有磁屏蔽特性，可更好地抑制干擾。據悉，這款傳感器采用EP 6磁芯，適用于超聲波應用，轉化比介于18.42和115之間，符合AEC-Q200標準，提供3mH至5mH的電感值，適用于52kHz至300kHz之間的頻率。

圖4：超聲波傳感器用B78416A*變壓器圖解

（圖源：EPCOS / TDK）

此外，其允許的溫度范圍在-40°C至+125°C之間，典型應用包括泊車輔助設備、工業(yè)機器人、無人機、物流機器人、自動導引車和液位測量系統(tǒng)等。

#03

本地處理

在實現工廠智能化過程中，智能傳感器之所以是必不可少的元部件，原因就在于成千上萬個傳感器可以幫助工廠收集、處理龐大的數據。對于傳感器來說，如果不能采集分析數據，那么就將失去它的價值。

在工業(yè)3.0時代，工廠中描述設備狀況的原始傳感器數據是直接傳輸給操作員的，不涉及任何本地處理或決策任務。

圖5：工業(yè)4.0中的典型預測性維護應用

（圖源：ST）

然而隨著工業(yè)4.0時代的到來，數據量將呈現出爆發(fā)式增長。如果仍和此前一樣，那么對于操作員來說，面對如此龐大的數據量，幾乎不可能快速完成數據采集（感知）、分析、決策執(zhí)行等任務，無法滿足數據實時處理的條件。而若將數據上傳云端，一方面，大量數據上傳可能會造成網絡擁堵；另一方面，上傳、云端分析、傳回、再指導，來來回回將耽誤很多時間。

但如果讓智能傳感器先在本地進行數據的簡單處理，篩選出有效的數據再上傳，而操作員僅在收到云端的通知消息后才開始介入處理，進行下一步指導工作的話，效率就會大大提升。

因此對于工業(yè)4.0來說，智能傳感器的本地處理是一個必不可少的功能，能大大減少傳輸到云端的數據量，進而減輕云計算中心或者本地服務器的負擔。

#04

多傳感器信息融合

多傳感器信息融合其實早在20世紀60年代就已經開始發(fā)展起來，但隨著計算機技術的發(fā)展，如今也演變成了新的層次，就是數據融合。當下，多傳感器信息融合的定義更傾向于，充分利用不同時間與空間的多傳感器數據資源，對獲得的觀測數據進行分析、整合、支配和使用，進而實現相應的決策和估計，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。

與單傳感器相比，多傳感器信息融合優(yōu)勢十分明顯，能夠綜合利用多種信息源的不同特點，多方位地對相關事物的信息進行探測、跟蹤和目標識別，增強數據的可信度，提高整個系統(tǒng)的可靠性和精度。對于工業(yè)領域來說，這些優(yōu)勢恰恰能夠促進制造業(yè)中小批量的生產，因為多傳感器能夠更快地檢測到錯誤，對于現存工廠能源管理、狀態(tài)監(jiān)測以及需要大量信息的預測維護來進行新系統(tǒng)非常有用。

然而多傳感器信息融合也會遇到難題。由于集成了多個傳感器，體積和功耗很有可能隨之增大，這和用戶小型化的需求是相悖的。換句話說，就是給智能傳感器的小型化提出了挑戰(zhàn)。

不過這顯然不是什么無解問題。比如EPCOS / TDK C35壓力傳感器的尺寸就只有2.05mm x 2.05mm x 1.2mm。正是由于它足夠小，所以能更好地實現多傳感器信息融合。

圖6：EPCOS / TDK C35壓力傳感器

（圖源：EPCOS / TDK）

據介紹，該系列傳感器設計用于測量0mbar至100mbar范圍，可實現緊湊型壓力傳感器設計，并通過了高達10V的工作電壓認證，可通過惠斯登電橋按照壓阻式原理工作。此外，該系列還具有110mV/V/bar的高靈敏度，適合用于對靈敏度、精度和0.1% FSON的長期穩(wěn)定性有高要求的應用。其工作溫度范圍從-40°C至+150°C，適合用于非腐蝕性氣體和液體的壓力測量。

寫在最后

總而言之，工業(yè)互聯網作為新基建重要組成部分之一，其建設的全面推進和落地執(zhí)行，必將助力傳感器產業(yè)發(fā)生革命性新變革。而工業(yè)智能傳感器為工業(yè)物聯網運行提供所需的關鍵信息及測量數據，也將迎來巨大的市場機遇。換句話說，隨著工業(yè)互聯網應用場景逐漸向廣度和深度拓展，工業(yè)智能傳感器將在工業(yè)自動化領域得到越來越廣泛的應用。

更重要的是，未來，在工業(yè)互聯網高質量發(fā)展要求的推動下，工業(yè)智能傳感器更新迭代的速度將不斷加快，會不斷涌現出更多新型、低成本、微功耗、高性能及高精度的傳感器。而智能傳感器在逐步提高安全性和可靠性等級的同時，也將向著工業(yè)智能感知系統(tǒng)加速演進。