工業傳感器的熱點趨勢及其解決方案

　　迎?九?（《電子產品世界》，北京?100036）

　　摘?要：預測性維護、工業4.0、智能工廠等帶來了對工業傳感器的新需求。作者訪問了8家領先的工業傳感器供應商或代理商，請他們介紹了工業傳感器的新動向，及其最新的解決方案。

　　關鍵詞：預測性維護；加速度計；慣性傳感器；角度傳感器；低功耗

　　1 預測性維護

　　1.1 村田無線振動傳感器在預測性維護中的應用

　　1）預測性維護的重要性

　　轉動設備被廣泛地應用于工業環境中，而由于設備磨損、老化等原因造成的設備停機給企業帶來的損失，這不僅僅包括設備的維修成本，而且因為設備停機造成的產線停滯會給企業造成更大的經濟損失。通過振動信號的分析，可以在設備故障的早期階段偵測設備潛在故障，為設備的維修保養做提前預判，大幅度增加企業的生產效率及OEE （Overall EquipmentEffectiveness，設備總體效能）。

　　在工業物聯網產業中，預測性維護是最受全球制造業CEO（首席執行官）關注的一項技術。表1中的數據是由德勤與美國競爭力委員會在2016年做的調查，通過對全球制造業CEO訪問，對包括預測性分析在內的多個先進工業技術進行了排序，排序1到11，1為最高排序，11為最低排序。

　　數據來源：德勤與美國競爭力委員會，《2016年全球制造業競爭力指數》。

　　從表1可見，預測性維護在美國和中國市場均排在首位。其背后的原因在于，每年制造業企業花費在設備維護上的費用開支巨大，但是依舊無法避免設備的停機或是因為設備老化而造成的生產良品率下降。據ISA數據顯示，全球制造商每年因停機遭受的損失總計約為6 470 億美元。而在預測性維護的產業中，占市場份額最大的是振動傳感器，66%的預測性維護系統使用振動傳感器抓取設備的振動頻率，并對振動頻譜分析從而做出預判。

　　2）村田的解決方案

　　村田電子通過向后一體化整合戰略，結合村田電子在壓電陶瓷振動敏感元件的技術經驗和遍布全球的先進制造能力，推出了可用于工業設備預測性故障維護的無線振動傳感器。圖1所示是村田電子的無線振動傳感器。

　　村田電子推出的無線振動傳感器LBAC0ZZ1LZ使用433 MHz無線通信技術，在工業現場復雜環境下可實現100 m的穩定通信距離。傳感器采用電池供電，小巧靈活，易于現場安裝，避免了現場布設數據線或電源線的困難。傳感器的敏感元件采用的是村田電子的陶瓷壓電元件，體積小巧，可檢測最高10 kHz的振動信號。結合超低功耗MCU（微控制器），對采集的振動信號在傳感器端做快速傅里葉變換（FFT）算法。配合村田電子的智能無線網關使用，可以應對各種復雜的工業現場，在100 m的范圍內，可支持多達50個傳感器節點接入，為智能化工廠轉型助力。

　　1.2 預測性維護需要性能穩定、超低功耗、超低自噪聲的傳感器

　　1）預測性維護的技術趨勢

　　在工業傳感器領域，工業4.0是最熱門的詞匯之一。這個主題非常復雜，因此許多傳感器技術將會變得更加重要。最強勁的增長可能出現在氣體、壓力、震動、濕度、溫度和光學傳感器等領域。

　　結合工業4.0，預測性維護可能是最令人關注的話題。通過監測工業機器的性能及其狀態，以備故障發生的提前預防，這需要智能地結合使用不同的傳感器。根據對發現潛在故障的早晚時間需要，可以使用超聲波、加速度或麥克風傳感器。

　　這類產品的普遍技術趨勢要求是更高的熱穩定性、超低功耗、超低自噪聲（高SNR）、低失真以及先進的數字功能。

　　2）儒卓力的解決方案

　　儒卓力的目標不僅僅是銷售單一的產品，而且是在從創意階段到產品生命周期結束的過程中為客戶提供支持服務。在了解應用及其特定需求后，儒卓力嘗試優化PCB（印制板），因此儒卓力使用現有的通用實踐場景，把應用必需的不同產品組合起來。

　　大多數情況下，傳感器應用需要一個微控制器、無線組件和至少一個顯示器件。而儒卓力為客戶提供一站式的服務，讓客戶不僅可以從儒卓力獲取所有的這些器件，甚至其他更多的資源。

　　此外，儒卓力還擁有自己的開發實驗室，結合最新的市場趨勢，有針對性地設計并開發相關的演示板，以幫助客戶顯著地縮短開發時間。

　　2 工業傳感器的熱點產品

　　2.1 用于精密振動測量的加速度計及模塊

　　工業4.0的浪潮正在興起。眾所周知，工業4.0有著大量的承諾，其中包括生產力和安全性的指數級改進。如何實現生產力和安全性的大幅提升呢？這其中工業條件監測將發揮重要作用，而傳感器在其中將扮演關鍵角色。振動是機器診斷的關鍵要素之一，已被可靠地運用于監控各種工業應用中的最關鍵設備。

　　1）高精度的振動加速度計

　　振動測量可以使用放置在被監測元件附近的加速度計進行。這種傳感器可以是壓電式，也可以是MEMS（微機電系統）類型，后者更具優勢，不僅可以在低頻率下提供更好的響應，而且體積小巧。

　　以滾珠軸承故障監測為例，每次滾珠碰觸到開裂處或者觸碰到內環或外環的缺陷位置，就會發生撞擊，引起振動，甚至導致旋轉軸輕微移位。撞擊發生的頻率由轉動速度，以及滾珠的數量和直徑決定。一旦故障出現，撞擊有時候會產生可以聽見的聲音，即沖擊波，表現為低能量譜分量和相對較高的頻率，通常大于5 kHz，而且總是遠遠超過基本的旋轉頻率。只有低噪聲、高帶寬加速度計（例如ADI公司的ADXL100x）才能測量與首個故障信號相對應的頻譜線。

　　2）測量模塊的解決方案

　　盡管諸如ADXL100x系列加速度計具有寬帶寬和低噪聲特點。但是，它們采用單軸，需要配備相關的處理電子設備。為了簡化設計，ADI越來越多地提供從組件到完整功能模塊產品。例如ADI公司提供了一套完整的解決方案，采用 ADcmXL3021型號實施三軸測量。這款3.3 V電源電壓產品包括3個基于ADXL1002的測量鏈、1個溫度傳感器、1個處理器和1個FIFO（先入先出）。整個裝置封裝在一個鋁殼 (23.7 mm×26.7mm×12 mm) 內，可以即時安裝在旋轉機器上。該產品的全尺寸為±50 g，具有僅25 μg/√Hz的極低噪聲水平和10 kHz帶寬，這些特點使其能在大量應用中捕捉振動特征。

　　信號處理模塊不僅包括一個具有32個系數的可配置FIR（有限沖擊響應）濾波器，還包括一個每軸2 048個節點的FFT（快速傅里葉變換）函數，用于對振動進行頻譜分析。再將用這種方法計算得出的頻譜的每個頻率級別與可配置的報警閾值（每軸6個）進行對比。如果頻譜組件過于密集，就會生成警報。該產品還可以通過SPI（串行外設接口）與主機處理器進行交互，提供訪問內部寄存器以及一組用戶可配置的函數的權限，包括先進的數學函數，例如計算平均值、標準偏差、最大值、波峰因素和峰度（四階動力矩，支持測量振動的銳度）。利用這些機器健康狀況的深入見解，可以提高生產力和效率，最大限度地延長正常運行時間，加速實現工業 4.0。

　　2.2 毫米波傳感器的應用潛力巨大

　　1）毫米波傳感器的發展趨勢

　　可用于工業領域的傳感器種類很多，它們各自有各特點。而近年來，TI在發力毫米波傳感器(mmWaveSensor)在工業領域的應用，走在行業的前列。

　　T I 目 前 發 布 的 毫 米波傳感器，可工作于77GHz頻段（諸如IWR1642芯片等）和60 GHz頻段（IWR6843芯片），適配于各種工業場景的應用，包含室內室外各種應用場景：從無人機、智能交通、安防監控領域，到工業機器人、工廠自動化、樓宇自動化、智慧家居以及醫療看護等領域，毫米波傳感器都大有用武之地。

　　TI毫米波傳感器基于多輸入多輸出（MIMO）的調頻連續波（FMCW），精確感知目標的相對距離、相對速度、空間位置角度、材質（通過雷達散射截面積RCS來表述）等各項參數，并且隨著技術的發展，可以對目標分類和成像。

　　毫米波傳感器在工作時不會受到周圍環境的光照、氣候等環境因素的顯著影響，可以安裝在塑料面板、石膏板等材料的后面，不會破壞工業設計與造型的美觀度；隨著系統信噪比的不斷提升，毫米波傳感器的輻射功率也被控制在非常安全的范圍里，在許多的室內與家庭應用中，TI毫米波傳感器的電磁輻射功率已經遠小于人們常用的Wi-Fi設備，而且在60 GHz或者77 GHz頻段，人體的體表皮膚對電磁波的反射率非常的高，大部分的輻射能量（超過60%）是被人體的皮膚直接反射回去而非能量吸收，事實上對人體而言是非常安全的。

　　也正是由于這些原因，可以預見在不久的將來，毫米波傳感器將會迅速地普及到工業與民用的各個領域中，例如電子設備（諸如手機或者燈光）的手勢控制、人體的體征探測（非接觸式呼吸與心率的探測）、居家看護的人體運動與姿態檢測（比如老人摔倒的事件）、智能自動門控系統（可以感知到人的行動意圖從而決定是否真的需要為您開門）、掃地機器人的自我定位與環境感知、建筑物與橋梁的輕微震動監測、樓宇電梯的運行速度控制、河流與液位管道的防災監控（液位高低的測量以及地質災害引起的液面波動監測）等等，有越來越多的應用可以通過毫米波傳感器來實現。

　　2）TI的相關技術創新

　　TI在業內率先推出了基于RF（射頻）CMOS制程的毫米波傳感器，產品的集成度非常高，單顆芯片內集成了射頻模塊、高速高精度數模轉換模塊、射頻信號處理（3D FFT）硬件加速模塊、高速DSP（數字信號處理器）模塊、芯片微控制器（MCU）模塊、各種信號輸入/輸出單元模塊，使得產品的性價比非常高，而且也是因為集成度高，降低了系統硬件設計的門檻（各種高速信號鏈都已經集成在一個單芯片內，為毫米波傳感器的系統硬件設計帶來便利）。TI還準備推出基于片上天線（AOP）的單芯片毫米波傳感器，目前IWR6843AOP的工程樣片和開發板（EVM）已經可以提供給客戶。

　　2.3 工業用CMOS圖像傳感器的發展動向

　　隨著視覺信息在工業應用中變得愈發重要，未來CMOS圖像傳感器將從工業應用中獲得巨大發展機遇。目前已有不少工業自動化應用中使用了CMOS圖像傳感器。然而隨著應用領域的擴大，CMOS圖像傳感器也面臨著諸多挑戰，解決這些挑戰正是未來CMOS傳感器發展的主要技術動向。

　　1）加快產品迭代滿足不斷提升的分辨率需求

　　在工業應用中，CMOS圖像傳感器非常重要的應用之一便是自動光學檢測（AOI，Automated OpticalInspection）。在顯示面板檢測、PCB檢測等諸多應用中，人工檢測已無法勝任，只有依靠自動光學。而隨著面板尺寸和分辨率、PCB電路復雜度等的提升，檢測用CMOS圖像傳感器的像素要求也在不斷提升。

　　以顯示面板檢測為例，配套的AOI用CMOS圖像傳感器像素正在不斷提升——從5 MP到12 MP，再到2018年主流的20 MP，以及今年開始廣泛使用的50 MP像素。

　　思特威目前正針對這一趨勢，設計開發分辨率更高的產品，以幫助工業用戶滿足其在AOI應用上的需求。

　　2）全局快門解決高速運動下的圖像變形問題

　　由于CMOS圖像傳感器逐行掃描式的成像原理，當成像物體高速運動時，便會產生“果凍效應”，導致成像變形。而在高速運動的生產線上，“果凍效應”嚴重影響了CMOS圖像傳感器的應用。

　　因 此 ， 業 界 推 出 了 “ 全 局 快 門 ” （ G l o b a lShutter）的概念。通過整片CMOS圖像傳感器整體曝光，可實現高速物體成像無變形的效果，這對目前炙手可熱的機器視覺與圖像識別算法的實現至關重要。

　　當然，全局快門只是一個技術點，目前思特威的SmartGS系列產品將BSI（Backside Illuminated，背照式）、單幀HDR等技術應用于全局快門CMOS圖像傳感器中，面向工業推出了多款具有競爭力的產品，未來還將繼續研發及發布更高性能的產品。

　　3）獨特技術優勢應對復雜光照條件

　　在很多工業應用環境中，由于環境或其他因素的限制，往往存在十分復雜的光照條件，例如低光照、明暗對比極大等情況。這就要求所采用的CMOS圖像傳感器擁有非常優秀的低光照性能和高動態范圍（HDR）性能。

　　思特威在低光照、HDR等方面擁有不俗的技術優勢，而通過將這些技術優勢應用于工業用CMOS圖像傳感器產品，思特威先后推出了具有高感度和HDR功能的CMOS傳感器產品SC2210、SC4210。這兩款產品主要針對復雜環境，能夠實現具備高適應性的成像性能。

　　4）創新工藝助力芯片適應惡劣工作條件

　　提到工業應用，嚴苛的工作溫度是所有相關傳感器不可回避的問題之一。傳統CMOS圖像傳感器芯片的工作溫度范圍往往不能滿足工業應用的需求，這就要求CMOS圖像傳感器芯片設計者從設計、制造、封裝等多個層面出發，擴大工作溫度。

　　2019年7月，思特威發布了兩款全新工業級CMOS圖像傳感器——SC2310T與SC4210T。這兩款產品兼具思特威獨特的像素技術與業界領先的工作溫度范圍，能夠為惡劣工作環境中的應用提供超低光照條件下的優異成像性能，以及高達100 dB的動態范圍。3 工業傳感器的整體趨勢探討

　　3.1 工業傳感器的高精度、綜合化和智能化

　　1）整體傳感器的動向：高精度、綜合化、智能化

　　在工業4.0及智慧城市等市場的驅動下，ST在運動傳感器（加速計、陀螺儀、磁力計）和環境傳感器（溫度計、濕度計、氣壓計、硅麥克風）上持續投入 ^[1] 。基于20多年MEMS產品設計和市場經驗的積累，ST（意法半導體）認為工業市場對于傳感器提出了更高精度、更加綜合、更加智能化的需求。

　　為了助力智能工業，ST已經發布了很多針對工業市場的高精度傳感器。它們中有具備超高帶寬（5kHz）的加速計可以檢測到高頻振動，從而對工業設備做出有效的預測性維護；也有基于陶瓷封裝技術的加速計具有高精度、高穩定性（<0.075 mg/℃）及超寬溫度范圍（-40 ℃~+105℃），可以保證產品的安裝精度或檢測橋梁建筑物的傾斜角度。

　　在很多工業應用場景里，客戶經常會既有運動傳感器的需求（比如檢測碰撞和跌落），又有環境傳感器的需求（監測環境的溫度）。針對這樣的多樣化要求，ST將加速計和溫度計封裝到一顆芯片中，從而給系統帶來了更加簡單的設計和更加小的尺寸。

　　很多工業客戶希望傳感器能更加智能化，不僅能從工業設備上采集到原始數據，更希望能告訴系統其數據背后的含義；也希望能通過大量設備收集到的數據進行系統優化，從而讓設備工作得更有效率。ST將人工智能和機器學習的概念也帶到了傳感器中，將上述設想變成了現實。

　　2）ST的“X”戰略

　　最近ST發布了 一 系列“ X ”傳感器（ 例 如ISM330DHCX、IIS2ICLX等），該系列傳感器具有增強的機器學習核心（Core），并且可以支持可編程狀態機（Finite State Machine）。通過這些功能，傳感器可以預設告警條件，一旦采集到的數據滿足預設條件則可以自行向系統告警；也可以設置幾種工作模式，然后通過不同設備采集到的大數據對工作模式的細節進行優化，從而令系統更加智能。

　　3.2 工業需要豐富多樣的傳感器及融合產品

　　受訪人：莫仕 工業解決方案業務發展經理 LindaShan

　　1）IIoT所需傳感器的總體特點超高效率的工業自動化將需要采用IIoT（工業物聯網）支持的技術，實現這一技術將需要一系列傳感器來監測環境條件，包括溫度、壓力、振動、濕度和聲學。這些類型的傳感器已經被廣泛采用，并持續增長。

　　IIoT的增長還將推動對機器視覺的需求，這將要求光學傳感器能支持具有極高幀速率（通常超過 1000 幀/s）的攝像機，以便近乎實時地傳輸高速工業過程的流媒體視頻。

　　在制造無人機（UAV）在過程中有無數的應用。其中，精確導航需要使用加速度計、陀螺儀、磁力儀、氣壓傳感器等，其中許多都結合在慣性測量單元等“傳感器融合”設備中。這將帶來高需求和長期增長。

　　印刷傳感器的使用，例如Molex（莫仕）印刷電子產品Soligie生產線上的傳感器，將加快生產速度，同時降低成本。

　　2）莫仕的解決方案

　　莫仕最近與Contrinex合作，后者生產用于工廠自動化、安全和RFID（射頻識別）系統的傳感器，現在可以為產品設計師提供多種感應式和光電傳感器。這些設備中的大多數都具有強大的ASIC（專用集成電路），適用于一流的操作距離和較長的傳感器壽命。

　　針對惡劣的環境，產品組合包括IP67、68和69K級別的產品以及符合Ecolab標準的產品。感應范圍還包括一些非常強大的設備，例如具有機油一體式不銹鋼外殼，以及一些耐鹽水和其他具有焊接現場防護功能的設備。廣泛的光電范圍包括有專利UV（紫外線）技術的透明物體傳感器，以及顏色和對比度傳感器。

　　空間有限，莫仕可提供直徑僅為3 mm（感應式）或4 mm（光電式）的小型獨立設備的作為選擇。與大多數組合中的傳感器一樣，這些微型設備也具有可選的IO-Link接口，用于遠程傳感器教學、調整和監控。通過IO-Link接口，傳感器處理和輸出數據可以無縫地集成到一個物聯網架構中，用于持續監測和診斷。

　　3.3 工業自動化和智能工廠用傳感器探析

　　1）工業傳感器的技術動向

　　Allegro MicroSystems（以下簡稱Allegro）的創新傳感解決方案正在推動工業技術的發展和創新，從叉車中的精確速度傳感器到變頻驅動器，以及精密控制的工廠和倉庫機器人等，都可以看到Allegro創新傳感的廣泛應用。

　　在工業領域，一個趨勢是自動化的深度和廣度都在不斷提高。在倉庫和廠房領域，許多公司都在轉向多層建筑以節省房地產成本，并靠近人口稠密的城市，這就需要更先進的電梯、叉車和機器人等設備。但是，在這些自動化設備周圍，也會有一些人在進行各種操作。為了保證人員和設施的安全，并保證生產活動的正常進行，需要始終確保這些設備安全運行。

　　安全正成為智能工廠的首要任務。預防性維護不僅有助于降低計劃外的維護/維修成本，還可以通過減少關鍵組件可能發生的故障來保證工廠中人員和設備的安全。例如，Allegro的霍爾和GMR（巨磁電阻）速度傳感器可以識別齒輪速度的降低，這種速度降低可能預示即將發生軸承故障。Allegro的電流傳感器可以檢測到過流狀況，而這種過流通常由過載電機引起，因而該檢測功能可增加額外的安全保護，防止對設備或人員造成傷害。電流傳感器還可用于監控電機電流波形，并提供預測性維護和高級診斷信息，從而提高電機的整體效率和壽命。

　　除了上述安全挑戰之外，工業自動化和智能工廠也正在普遍地面臨從機械系統過渡到高度復雜的電子系統，這要求制造商在電子系統的開發和維護方面具有精深的專業知識。Allegro開發了一些創新的高集成度解決方案，使客戶能更輕松地設計先進、高效、功能強大的傳感系統。從電流傳感器到速度和線性傳感器，在Allegro所有傳感器產品系列中都可以看到這些優勢。Allegro的目標是在提高系統性能和可靠性的同時，幫助客戶減少電路板所需的元器件數量，簡化工藝設計和元器件采購管理。

　　此外，在工業領域也面臨著提高能源效率和減少碳排放的挑戰，在世界各地都是如此，特別是在亞洲。預計未來十年后能源需求將超過供給，因此，工業制造商需要采用低功耗的解決方案來應對可能的能源短缺。可持續性發展是Allegro追求的目標，其正在努力探尋更具創新的技術來提高能源效率。

　　2）Allegro的解決方案

　　Allegro最新的電流傳感器IC（集成電路）即是用于工業和工廠自動化領域的創新典范，這些完全集成的解決方案可提供優異的性能、更小的占位面積和更多的功能，同時可簡化PCB布局，并消除由于設計中的零部件擁擠而導致的潛在可能故障。所有這些解決方案都具有非常有競爭力的價格和功能，能滿足市場的需求。

　　Allegro的ACS720系列就是一個例子，它是一種易于使用且功效很高的解決方案，具有極低的電阻，理想適合于客戶在工廠車間實現“綠色”解決方案的設計目標。ACS720的一個應用案例是變頻驅動器（VFD），該解決方案只需非常低的功率損耗即可實現電流感測，提供可提高性能和效率的優化算法，利用該系列傳感器能夠進行高精度的電機控制。

　　參考文獻

　　[1]迎九.ST對MEMS傳感器的定位和研發考慮.電子產品世界[J],2019(5):26-28.

　　[2]韓允.MEMS傳感器的發展概況.電子產品世界[J],2019(1):4-8.

　　[3]王瑩.光探測器、傳感器預見未來.電子產品世界[J],2019(1):1-3.

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第10期第8頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。