要說(shuō)在這個(gè)工業(yè)4.0時(shí)代“混得”最好的是那個(gè)行業(yè)，首當(dāng)其沖要數(shù)傳感器行業(yè)。傳感器是邁入智能制造的連接點(diǎn)，是數(shù)據(jù)的采集入口，是物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備等的“心臟”，也是這一場(chǎng)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)大潮的主力軍，在未來(lái)企業(yè)智能化生產(chǎn)中發(fā)揮特殊的作用。

在工業(yè)4.0這個(gè)大舞臺(tái)傳感器開(kāi)始爆發(fā)式的增長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域全面開(kāi)花，各類新型應(yīng)用也是層出不窮，諸如人工光傳感器、小型肌電傳感器、貼紙傳感器等等。

傳感器在工業(yè)4.0時(shí)代能發(fā)揮什么作用

“工業(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng)造新價(jià)值的過(guò)程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。

“工業(yè)4.0”旨在通過(guò)充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)相結(jié)合的手段，推進(jìn)信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，促使工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備、生產(chǎn)與系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)化的形式向互聯(lián)網(wǎng)邁進(jìn)，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。“工業(yè)4.0”之所以備受矚目，就在于它形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)橫向、縱向的全價(jià)值鏈集成。生產(chǎn)的每一領(lǐng)域都被賦予了“智慧”。

在這些互聯(lián)互通的過(guò)程中，通訊協(xié)議處在了至關(guān)重要的位置上。在歷史上，曾經(jīng)出現(xiàn)了若干種現(xiàn)場(chǎng)通訊協(xié)議，但大多數(shù)協(xié)議存在一些固有問(wèn)題，大大限制了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)性，高動(dòng)態(tài)性的需求。

在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中，Ethernet技術(shù)逐漸取代第一代現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。因此，德國(guó)米銥公司將實(shí)時(shí)Ethernet技術(shù)集成到眾多位移傳感器和控制器中。不同于傳統(tǒng)總線系統(tǒng)，Ethernet通訊協(xié)議安裝更為簡(jiǎn)單快捷。

源于Ethernet更高的帶寬和實(shí)時(shí)通訊功能，采用這種技術(shù)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，方便測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取和分析，且允許隨時(shí)隨地對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置。與傳統(tǒng)模擬量信號(hào)輸出不同，Ethernet通訊不受由于輸出電路接地不良，插頭電阻質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的噪音影響，源于其采用數(shù)字量數(shù)據(jù)傳輸，即使很長(zhǎng)的傳感器電纜也不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減。

此外，現(xiàn)代制造過(guò)程要求更加高速，更加自動(dòng)化。因此要求傳感器滿足更加快速和動(dòng)態(tài)的測(cè)量。作為高精密測(cè)量領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，德國(guó)米銥公司正在致力于提供更多可以滿足未來(lái)工業(yè)需求的精密傳感器和測(cè)量系統(tǒng)。

近些年來(lái)，EtherCAT通訊協(xié)議已經(jīng)成為市場(chǎng)中的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可以為自動(dòng)化生產(chǎn)提供更加可靠的實(shí)時(shí)性?；诖?，德國(guó)米銥公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了若干系列傳感器和測(cè)量系統(tǒng)，采用EtherCAT協(xié)議，使它們可以無(wú)縫集成到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)和自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)什么是EtherCAT？

EtherCAT完全兼容Ethernet，是真正意義上開(kāi)放的通訊標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，EtherCAT技術(shù)還克服了其他Ethernet協(xié)議通訊方式所固有的限制。Ethernet數(shù)據(jù)包不再需要在每次連接時(shí)，都完成接收，譯碼和復(fù)制的過(guò)程。替代這種傳統(tǒng)方式的Ethernet框架被稱為“飛速寫入”模式。最新開(kāi)發(fā)出的FMMU(現(xiàn)場(chǎng)總線記憶管理)單元，被集成到每一個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)中，讀取發(fā)送給它的數(shù)據(jù)。于此同時(shí)，電文不會(huì)停止，而是繼續(xù)傳送給下一個(gè)設(shè)備或傳感器。與此類似，輸入數(shù)據(jù)錄入的同時(shí)，電文會(huì)繼續(xù)傳輸。這意味著通訊僅會(huì)存在幾個(gè)納秒的延遲。

在主機(jī)端，可以采用經(jīng)濟(jì)型標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)，或者任何便攜Ethernet控制器都可以作為硬件接口使用。這種接口可以滿足數(shù)據(jù)通過(guò)直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)方式傳輸?shù)絇C端。也就是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)不再占用CPU資源。

EtherCAT可以提供更高的網(wǎng)絡(luò)性能。源于從屬節(jié)點(diǎn)中的FMMU單元和主機(jī)中的直接內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)，整個(gè)通訊過(guò)程都發(fā)生在硬件中，從而不受協(xié)議堆棧運(yùn)行時(shí)間，CPU性能和軟件運(yùn)行的限制。

在工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中，精確的同步功能至關(guān)重要。對(duì)于需要坐標(biāo)同步移動(dòng)和多傳感器測(cè)量時(shí)，同步功能更為重要。為了實(shí)現(xiàn)精確同步，就需要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)鐘校準(zhǔn)。完全同步通訊中，同步質(zhì)量會(huì)受到通訊錯(cuò)誤的直接影響。時(shí)鐘校準(zhǔn)必須考慮由于通訊系統(tǒng)錯(cuò)誤導(dǎo)致的延遲。

而使用EtherCAT協(xié)議通訊時(shí)，數(shù)據(jù)交換完全基于主機(jī)和從機(jī)硬件時(shí)鐘。每一個(gè)時(shí)鐘可以簡(jiǎn)單而精準(zhǔn)地決定其他時(shí)鐘的運(yùn)行時(shí)間偏移，原因是通訊過(guò)程使用了符合邏輯和全雙工的Ethernet環(huán)形物理結(jié)構(gòu)。分布式時(shí)鐘可以基于這種時(shí)間偏移被調(diào)節(jié)，這意味著整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)可以基于遠(yuǎn)小于1微秒的時(shí)間節(jié)拍。

延伸：智能化時(shí)代傳感器應(yīng)用盤點(diǎn)

人工光傳感器

近年來(lái)，在生物能源相關(guān)物質(zhì)及醫(yī)藥品的生產(chǎn)等領(lǐng)域，使用生物的“生物工藝”變得愈發(fā)重要，可利用光合作用生產(chǎn)多種物質(zhì)的藍(lán)綠藻的能力備受關(guān)注。11月24，東京農(nóng)工大學(xué)宣布，其通過(guò)對(duì)源自藍(lán)綠藻的光傳感器蛋白質(zhì)實(shí)施改造，成功開(kāi)發(fā)出了以紅色光誘導(dǎo)基因表達(dá)的“人工光傳感器”。

此次研究成果以利用DNA重組技術(shù)設(shè)計(jì)、創(chuàng)造具有全新功能的生物這一“合成生物學(xué)”理念為基礎(chǔ)。通過(guò)將此次獲得成功的、使利用光的基因表達(dá)控制功能發(fā)生改變的技術(shù)應(yīng)用到藍(lán)綠藻等可生產(chǎn)有用物質(zhì)的微生物中，有望使具有高功能的新型生物工藝的開(kāi)發(fā)得到迅速推進(jìn)。

小型肌電傳感器

傳感器因其處在采集數(shù)據(jù)的最前哨，在醫(yī)療健康領(lǐng)域一直是個(gè)重要角色。上海丞電科技有限公司研發(fā)的小型肌電傳感器已成功應(yīng)用在了康復(fù)醫(yī)療和仿生義肢，未來(lái)更會(huì)拓展到VR/AR，體育健身，人體外骨骼等朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)中。

上海丞電自主研發(fā)的肌電傳感器是一種電荷傳感器，具有采樣率高，抗干擾能力強(qiáng)，濾波效果好的特點(diǎn)。其核心算法可以將采集到的有效肌電數(shù)據(jù)通過(guò)濾波轉(zhuǎn)化為清晰波形，然后通過(guò)處理波形應(yīng)用到康復(fù)、健身、VR\AR等領(lǐng)域，目前已經(jīng)通過(guò)國(guó)家二類醫(yī)療器械質(zhì)量檢測(cè)。

“襪子”溫度傳感器

致力于糖尿病患者健康監(jiān)測(cè)的創(chuàng)企SirenCare研發(fā)了一款智能襪子，該襪子通過(guò)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)患者是否出現(xiàn)炎癥，進(jìn)而實(shí)時(shí)檢測(cè)糖尿病患者健康狀況。與之前其它公司開(kāi)發(fā)的靴子、鞋墊相比，Siren的襪子又更接近皮膚。傳感器被編織到襪子中，可以隨時(shí)檢測(cè)足部炎癥，而探測(cè)出的所有信息都會(huì)上傳到智能手機(jī)上的App上，方便患者隨時(shí)了解自身足部情況。

所有的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于襪子的傳感器、手機(jī)App以及云盤中。當(dāng)足部出現(xiàn)損傷時(shí)，襪子可以檢測(cè)到高溫差，然后App會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒患者足部出現(xiàn)了問(wèn)題。智能襪子雖然是一款傳感器可穿戴設(shè)備，但不需要經(jīng)常充電。每個(gè)襪子的內(nèi)置電池都充滿電量，可以使用六個(gè)月。

貼紙傳感器

據(jù)報(bào)道，美國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出一種類似皮膚貼紙的柔性傳感器，可監(jiān)測(cè)心率和識(shí)別語(yǔ)音。該器件的潛在應(yīng)用包括診斷病情、操縱機(jī)器人，以及在沒(méi)有手柄的情況下玩電腦游戲等。例如，用戶只需說(shuō)出“上、下、左、右”就可控制吃豆人游戲，語(yǔ)音識(shí)別率可達(dá)90%。

據(jù)悉，這種新型傳感器類似于一個(gè)小的創(chuàng)可貼，只有20毫米厚，213.6毫克重，具有足夠的靈活性和可伸展性，可穿戴在頸部這樣的人體彎曲部位。與常見(jiàn)的聽(tīng)診器傳感器相比，貼紙傳感器所使用的低功率商用微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)，被包裹在具有黏性的彈性硅膠中，穿戴性很強(qiáng)。

生物發(fā)光傳感器

生物發(fā)光傳感器其實(shí)是一種新型的研究手段，由美國(guó)范德堡大學(xué)的一組科學(xué)家通過(guò)對(duì)熒光素酶這種生物酶進(jìn)行基因改造而發(fā)明出來(lái)。據(jù)研究人員介紹，這一新型傳感器可用來(lái)追蹤大腦中大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部互動(dòng)情況。

研究小組領(lǐng)頭人CarlJohnson教授說(shuō)：“長(zhǎng)期以來(lái)，神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家依靠電訊號(hào)紀(jì)錄神經(jīng)元的活動(dòng)。該方式雖然能起到很好的檢測(cè)效果，但卻只能用于少量神經(jīng)元。而我們的新方法可以使用光學(xué)技術(shù)，同時(shí)記錄數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)?！?/P>

可貼式皮膚傳感器

據(jù)報(bào)道，日本研究人員最新發(fā)明了一種廉價(jià)的像創(chuàng)可貼一般的集成傳感器。這種創(chuàng)可貼集成傳感器是一種可隨意貼在身體上的柔性設(shè)備，能監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)量、心跳次數(shù)以及紫外線強(qiáng)度等，可用于健康管理和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

研究人員介紹說(shuō)，可貼式皮膚傳感器以最新開(kāi)發(fā)的印刷技術(shù)印制在薄薄的塑料膜上，與以往半導(dǎo)體傳感器制造技術(shù)相比成本很低。從衛(wèi)生角度考慮，直接貼在皮膚上的薄膜部分可一次性使用，而晶體管等較昂貴的電子部件則設(shè)計(jì)為可重復(fù)使用，兼顧了使用便利和低成本。

總結(jié)：

基于傳感器在智能化時(shí)代的強(qiáng)大地位以及其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可以肯定未來(lái)傳感器在整個(gè)智能制造領(lǐng)域發(fā)揮的作用是不可估量的，同時(shí)，也給了我國(guó)傳感器的創(chuàng)新研發(fā)工作一些啟示。

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