基于工业 4.0 背景下传感器技术在工业机器人中的应用

当今世界经济飞速发展，制造业水平不断提高，德国的工业4.0战略则提出了更高的要求。在该战略中提到的智慧生产则是基于工业机器人来完成，这就对工业机器人的需求和要求都有了更高的标准。而在工业机器人中传感器技术的应用则直接决定了工业机器人的先进程度.一、工业4.0的战略内涵 工业革命开始于18世纪60年代，经历了工业1.0（机械化时代）、工业2.0（电气化时代，人类开始进入电气时代，并在信息革命、资讯革命中达到顶峰）、工业3.0（20世纪后半期，电子计算机技术应用、空间技术快速发展和原子能的广泛应用，人类进入信息时代）的发展。随着经济的快速发展，新的产业革命又将来临，为了提升竞争力，德国政府于2013年在提出了工业 4.0 的发展战略。 工业4.0 战略的提出实际上是开始了第四次工业革命，这次的工业革命区别于之前的3次，它的实质是以智能制造为主。这次的工业革命主要是采用通讯技术和空间虚拟系统相结合的方式，使制造业从信息化时代进入智能化时代。工业4.0项目包含了3个方面，分别是智能工厂、智能生产以及智能物流。 二、工业4.0中的重要环节之一是工业机器人的使用1. 工业 4.0 中工业机器人的重要作用 将信息化与自动化融合起来应用是“工业4.0”实施的关键。作为重要参与者，工业机器人在自动化制造过程中的作用毋庸置疑，机器人技术水平的高低直接影响着装备制造的水平高低。目前很多工业机器人逐渐代替人工操作，随着生产机器人采用数字化技术、物联网技术以及采用高精密电阻器生产智能电路，使得机器人操作越来越灵活。从目前来看，制造过程中工业机器人的作用不言而喻，机器人的身影遍布各个领域。经济的发展要求制造企业转型升级，工业机器人的广泛应用则是转型升级的突破点。据统计，自2013年以来，中国的工业机器人应用已在世界的市场份额占比最大，制造领域的工业机器人使用数量大幅增加。近年来，工业机器人产业与工业 4.0 战略的深度结合已成为我国“十三五”战略的重要组成部分，这使我国的工业机器人得到了飞速的进展。面对要求更高的装备制造和不断升级的自动化工厂，工业机器人作为自动化设备在工业 4.0 中的地位不言而喻。 2．工业机器人的发展趋势 由于在工业生产过程中对加工的复杂性和精度有了越来越高的要求，所以对机器人和应用程序的要求也在逐渐提高。以前机器人的计算平台大多为传统的 PC 平台或嵌入式平台，现在已经逐渐发展到智能手机、平板电脑和其他移动设备。机器人所配备传感器也由原来的结构型、固态型发展到高端智能型。机器人技术采用现场总线通信做为主要的通信方式。 工业机器人未来如何发展，美国权威的机器人产业协会做了如下的预测。 1）智能传感器可以在机器人生产的前沿利用工业物联网技术进行信息的采集，来获得以前生产商无法得到的数据。 2）工业网络安全尤为重要。由于机器人使用规模越来越大，它们都需要连接到内部系统，这样就增加了网络安全的风险。所以要求机器人生产商要对网络安全加大投入，这样才能够保证生产的安全。 3）大数据分析成为竞争优势。机器人会是工厂里的主要信息来源，生产厂家应该对采集的信息数据进行组织和分析，以采取有效的行动来增强他们的竞争优势。 4）将实现一个开放的自动化体系结构。开放式自动化体系结构的需求增加是由于机器人自动化的应用越来越广泛。大型企业与机器人行业机构开展合作，形成统一的标准，这样有助于机器人的集成，使机器人的兼容性更好。 5）为了更好地发挥工业机器人的作用，在未来会加入虚拟解决方案。 6）协作机器人会应用更广泛。协作机器人不但能安全地与人类一起工作，而且往往比工业机器人便宜，能力更强，所以制造商会采用更多的协作机器人。 三、传感器技术的应用及发展 1. 传感器技术与工业机器人 互联网、物联网、智能化都需要大量的信息，这些信息的产生都来自仪器仪表或各种传感器。没有测量和测试，智能制造是不可能的。我国智能制造设备的发展方向主要包括以新型传感器技术为代表的九项智能基础通用技术，以及 8 项核心智能测控装置与部件中应用的新型传感器及其系统。因此可以看出，传感器技术非常重要，而其他技术领域也离不开相关数据的检测和测试，测试的准确度、可靠度、实时度是保证智能制造发展的关键。而得到准确的信息都要靠传感器来进行检测，因此传感器技术的进步必将成为工业 4.0 中的重中之重。 工业机器人需要传感器提供机器人自身状态、操作对象和工作环境的准确认知，来执行正确地操作。机器人通过内部传感器（位置、位移、速度、加速度）来获取自身状态的信息，然后为机器人控制单元反馈信息，进行下一步的操作。对于外部情况和多操作目标的信息获取要靠外部传感器来完成。 2. 工业机器人中的传感器技术 1）二维视觉传感器。 二维视觉传感器是一个摄像头，完成检测移动物体、定位传送带上的部件等各种任务。机器人根据检测到的零件位置来调整自身的动作进行生产操作。 2）三维视觉传感器。 三维视觉系统一般有两个摄像头或不同角度的激光扫描仪来探测物体的三维空间。 3）力/力矩传感器。 机器人的触觉依靠力/力矩传感器来完成检测。主要是用来感知末端执行器的力度的大小，从而来调整操作的位置、力度等相关内容，实现生产线的操作。在大部分情况下，由于力/力矩传感器是处于机器人和夹具之间，所以机器人可以检测监控到反馈到夹具上面的力。 4）碰撞测量传感器。 碰撞测量传感器在机器人应用中起到保护安全的作用，它的形式比较多样。通过检测相关的环境信号，可以保证为操作员提供一个安全的工作环境，在此基础上，机器人才能开展工作，而可靠性是协作机器人所必备的。 3. 传感器技术的发展趋势 传感器技术从产生到广泛应用基本历经了三个时段。第一个时期为结构传感器发展和使用，结构传感器利用传感器自身结构参数在测量时发生改变来感知和转换信号。第二个时期是固态传感器的发展和使用，这个时期的传感器采用特殊材料制成，通过测量时材料的特性发生变化来代表获取的信息不同。第三个时期就是现在，智能传感器正在得到大力的发展。 传感器技术的一个重要发展方向是发展智能化传感器。智能传感器的核心部件是微处理器，与传统传感器相比，可以实现信息采集、处理和交换的功能。 1）自补偿与自诊断功能。 传统传感器存在温度漂移和输出非线性的缺点，还需要定期检查和定期校准，这些都对测量的准确性有一定的影响。而智能传感器通过软件计算，自动补偿由温漂和非线性以及环境因素引起的信号失真，提高传感器的测试精度，达到最好的测量结果。更加先进的是，智能传感器还具有自我诊断的功能。 2）信息存储与记忆功能。 与传统的传感器相比，智能传感器具备一定的存储空间，用来存储相关的参数、信号和程序。这样的话自动控制系统控制器就不需存储上述内容，剩余的存储空间可以存储其他信息，这样就提高了控制器自身的性能。 3）数字输出功能。 传统的传感器大多是模拟输入和输出，输出的信号必须经过 A/D 转换才能进行数字处理。目前，在工业控制系统中大多采用数字控制。智能传感器则正好符合了控制系统的要求，它采用模拟－数字转换电路，直接输出数字信号，不需再进行转换，控制器的信号处理压力得到了缓解。 4、随着技术的进步，智能传感器的发展呈现出以下几个趋势：1）微型化。 智能传感器的一个最主要的发展走向是微型化。微传感器的主要特点是体积小、所占的空间不大，生产制造的成本较低，能够节省开支，但使用时的可靠性还比较高。一个微传感器通常会包括中央处理器、微传感器敏感元件、数字信号接口以及储存部件，可以实现自动的补偿和校准。大小已进入毫米到微米级。半导体加工技术的引入为传感器的生产制造带来了变化，在这基础之上实现了传感器的规模化生产，是实现智能传感器的微型化发展的重要技术支持。 2）多传感器数据融合。 使用多个传感器同时进行数据信息的采集，再利用处理器对采集到的信息进行分析、判断，得到检测对象的真实数据。与仅仅用单传感器来进行数据检测相比，可以看到非常明显的优势。 3）无线传感器网络技术。 单独的微智能传感器存在覆盖的范围小的局限性，所以在实际的应用中常常用数千万个微传感器一起来共同工作，形成网络化，构成智能传感器的网络，这样在生产制造中发挥最大的效用。 四、结语 现代化智能生产和智能制造，没有传感技术便无从谈起。大数据时代的智联网、互联网、物联网和终端设备都需要大量的数据信息，这些数据信息都来自服务器和传感器。根据我国智能装备发展规划，重点是新型传感技术、嵌入式控制系统设计等。核心智能测控装置与部件是新型传感器及其系统、智能控制系统等。国家智能制造的战略布局上需要传感器和传感技术的快速发展，这也将成为我国工业 4.0 发展进程中的关键内容，在一定程度上决定着工业 4.0 革命的进程。

工业物联网传感器对制造业有什么影响

一、改变工业制造公司生产和运输产品的方式2018年第四季度，制造业为美国经济贡献了2.38万亿美元，雇佣了1200多万工人，占当年美国国内生产总值的11.4%。尽管所有媒体都对制造业地位的下降感到担忧，但由于关键技术的进步，该行业近年来蓬勃发展。而工业物联网(IoT)传感器就是制造业中最有前途的技术。这些传感器正在彻底改变工业制造公司生产和运输产品的方式。随着物联网技术的不断发展和边缘计算框架的普及，它们将帮助工业制造商在全球舞台上变得更具竞争力。 二、运营可见性改善 物联网传感器的最大好处之一是其连接性和收集数据的能力。现代制造工厂的车间里堆满了各种先进机器。与20世纪初那些肮脏、危险的工厂相比，如今的制造工厂已经在操作技术上投入了大量资金，以创造清洁、安全、甚至舒适的工作场所，同时还能提高效率和生产力。 工业物联网传感器通过提供对制造运营各个方面的前所未有可见性，帮助使这些环境成为可能。它们可以监控环境条件，评估生产线的状态，发现问题和潜在的安全威胁，甚至允许技术人员远程控制关键操作。然后，所有这些数据都可以传输到本地微型数据中心或附近的边缘数据中心，并由强大的分析程序进行处理，从而使制造工厂能够识别趋势并优化操作，以获得更好的性能。 三、预测性维护 使用预测分析的主要好处之一是维护。随着工业机械变得越来越复杂，监测其状态的必要性也变得越来越重要。发生故障或组件磨损可能会使生产线停止运转。此外，如果没有备用零件，或者没有人准备进行必要的维修，则故障可能会导致供应链严重中断。 随着工业物联网传感器不断收集设备数据以监控其性能，预测分析可以识别出可能发生故障的位置，并估计特定组件在最高效率下的运行时间。有了这些数据，工厂经理可以确保现场有替换零件，并安排专门维修，以最大限度地减少中断。 四、自主设备 人为错误仍然是导致系统停机的主要原因之一。在当今复杂的工业环境中，即使是熟练工人也常常要考虑太多的变量，以不牺牲性能或安全性。自动化对制造业来说当然不是什么新鲜事，但经过专门设计的工业物联网传感器使设备能够在很大程度上实现自动化，而不是盲目地执行重复性任务。 自主系统的特点在于它能够根据各种变化因素做出决策。由于工业物联网传感器通常具有显著的机载处理能力，因此它们能够评估环境条件并相应地调整操作。这些决策是由大量数据提供的，并远远超出了人们期望能够快速准确地进行分析的范围。这不仅消除了许多与人为错误相关的风险，而且还有望在最小监督情况下提高效率和生产力。 五、物流透明度 了解关键资产在供应链中的位置是制造业的关键方面。如果制造的产品在工厂车间和目标客户之间丢失，那么经过精心优化的工业机械也就没那么有价值了。借助物联网传感器的连接功能(如智能RFID标签)，工业制造企业可以获得其供应链和物流运营的空前可见性。(来源物联之家网)这种可见性不仅有助于确保一切顺利进行，而且也有助于工业制造企业简化供应链，从而更有效地将产品推向市场。 六、边缘功能 智能物联网传感器可以提供机器在传统云计算网络边缘运行所需的处理能力。它们还可以让机器完全独立运行，收集数据并执行关键的处理任务，直到机器可以重新连接回集中式网络。借助物联网传感器，工业设备永远不会远离公司的主服务器。 工业物联网传感器通过提供对工厂运营的更大可见性，以及增强的数据收集和分析能力来提高生产效率，同时最大限度地减少中断，从而改善制造业。在未来几年，这些智能物联网设备将变得更加普遍，从而使它们能够在几乎任何地方运行。此外，再加上供应链透明度的提高，这些创新将有助于工业制造企业在增长业务的同时提高生产力，并更好地为客户服务。

传感器产业链日益完善克服壁垒将厚积薄发

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。 一、传感器行业的产业链 随着我国工业领域的不断发展，物联网也被大规模运用于传感器领域。根据传感器类型不同，大致可以分为温度和湿度传感器、压力传感器、图像传感器、光传感器、位置传感器、重力传感器等。其中，流量传感器、压力传感器、温度传感器占据最大的市场份额。 国内智能传感器市场中，本土企业竞争力较弱，跨国公司占据了87%的市场份额。不过，中国智能传感器产业生态也趋于完备，设计制造，封测等重点环节均有骨干企业布局。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。我国已有1700多家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事微系统研制、生产的有50多家。同时，传感器越来越多地被应用到社会发展及人类生活的各个领域。如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等。 二、我国传感器的发展壁垒 传感器是物联网技术的底层和前沿，对物联网产业发展有着十分重要的意义。物联网是新一代信息技术的高度集成和综合运用，对新一轮产业变革和经济社会绿色、智能、可持续发展具有重要意义。 1.专业化程度欠缺 传感器的设计涉及的专业领域繁多，技术囊括了多种学科、理论、材料和工艺知识。所以好的传感器的研发需要全方面的专业型人才。而我国目前正面临着人才匮乏、研发成本不足、企业恶性竞争激烈的情况，导致我国还没有突破传感器一些共性关键技术。并且由于我国企业技术实力的落后，行业发展规范尚未形成，导致我国传感器产品不配套且不成系列，重复生产、恶性竞争的现象的多发，使得产品可靠性较差、低端偏移较为严重，产业化程度与品种和系列不成正比，只能长期依赖国外进口。 企业也可以采用高效率的专用设备和专用工艺装备，生产过程的机械化、自动化水平比较高，工人易于掌握操作技术；可以按对象专业化组织生产，有条件的可以组织流水生产线，编制标准作业计划，实行严格的生产控制。 2.资金制约产业发展 我国对传感器产业的政策扶持力度不够，导致传感器企业税费负担过重。传感器产业技术含量较高，人才、技术密集，开发成本大于其他行业，企业负担过重，在同等高科技中享有税收等政策较少，企业规模小，各项产业政策扶持条件适应性不够，难于获得项目资金持。 且传感器企业长期受到进口产品冲击，市场公平性秩序混乱和壁垒太高。成熟领域配套市场长期被国外垄断和挤压，导致国内企业在生产规模、品种、质量、价格上缺乏竞争优势，市场反应速度、个性化服务能力不足，缺少规模效应和拉动作用。 三、总结 传感器产业化发展不能单单从发达国家获取核心技术和关键工艺，需要制定出国家层面的统筹规划和战略性政策予以扶持。通过制定相关政策来激励中小企业发展专业性强、有特色、有特长技术的产品，鼓励并推动中小企业朝着产业化方向发展。打造良好的传感器产业生态环境，创建中国国际传感器产业园。优化产业发展环境，形成行业资源优势互补，促进产学研结合，创造上下游整合契机，必将是传感器发展的必经之路。

测量小百科：电阻应变片测试原理

关键词：应变测试，应变片、Strain Gauge导读： 机械测试和测量中，我们需要了解一个物体对于力的作用所产生的形变。应变效应，即为材料由于受力所产生的变形，贴于其上的应变片的电阻值也会随着发生变化。此文将介绍应变片的基本结构，分类及其原理。应变片的基本结构 上图为电阻丝应变片的结构示意图。电阻丝由直径为0.01～0.05mm的金属丝制成的，为了获得最大相对应方向的应变力，将其绕成栅状，称为敏感栅，并黏贴于绝缘的基底上。铜线与电阻丝的两端连接作为应变片引线，用来连接测量导线。敏感栅上面黏贴有保护作用的覆盖层。栅长乘以珊宽即为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如3mm×20mm，120Ω。应变片的分类 应变片可分为金属式应变片和半导体式应变片两大类。金属式应变片中，按照敏感栅的材料不同，分为丝式，箔式和金属膜式。丝式应变片：金属丝式应变片式用0.01-0.05mm的金属丝做敏感栅，有回线式和短接式两种。金属丝应变片蠕变较大，金属丝易脱落，但价格便宜。箔式应变片：金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003-0.01mm的金属箔片制成敏感栅。箔式应变片于片基的接触面积大，散热好，蠕变较小，目前广泛使用。薄膜应变片：金属薄膜应变片式采用真空蒸发或真空沉积等方法，再薄的绝缘基底上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅。优点式灵敏度大，允许电流密度大，工作范围广，可达-197 ~ 317℃。半导体式应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。是一种利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件。半导体应变片与电阻应变片相比，具有灵敏系数高（约高 50～100倍）、机械滞后小、体积小、耗电少等优点。它的缺点是电阻和灵敏系数的温度系数大、非线性大和分散性大等。应变片的原理 当应变片受到外力而产生形变时（拉伸或压缩），其电阻值R会随之增加或降低，借由此特性可以用来测量应力ε，应力ε与应变片电阻值R的变化量∆R的关系如下： 应变系数GF（Gauge factor)是表示应变片灵敏度的系数。用于一般应变片的铜镍合金和镍铬合金的应变系数GF大约为2。