核心傳感元器件是“工業(yè)基石”，是工業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，直接決定重大裝備和主機(jī)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量（壽命、可靠性、適用工況）。傳感器在航空航天領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域、智能汽車領(lǐng)域等工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。其技術(shù)發(fā)展總趨勢呈現(xiàn)出明顯的特點(diǎn)：

產(chǎn)品技術(shù)與智能化技術(shù)相互融合；

模塊化、組合化、集成化技術(shù)得到高度重視；

高性能和環(huán)保成為行業(yè)發(fā)展的主題；

廣泛采用新材料、新工藝。

核心傳感器的技術(shù)發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出智能化、無線化、微型化、集成化、多樣化的特點(diǎn)。

工業(yè)機(jī)器人

機(jī)器人變得越來越智能。除操作程序之外，機(jī)器人的輸入絕大部分來自所包含的傳感器。就像我們自己的五官一樣，傳感器向機(jī)器人提供有關(guān)外部世界的信息。舉例來說，在工廠，工業(yè)機(jī)器人需要感測到工人的存在，以避免對工人造成傷害。此外，它們還應(yīng)該能夠檢測到異常情況，例如可能造成損壞的劇烈震動(dòng)。人們已經(jīng)為科學(xué)研究和工程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出種類繁多的傳感器，許多傳感器可通過電子接口應(yīng)用在機(jī)器人中。

MEMS傳感器是令人驚奇的小器件，大小僅為幾平方毫米，通常包含兩個(gè)芯片：傳感器芯片和具有信號處理功能的芯片。傳感器芯片通常用來提供運(yùn)動(dòng)或壓力信息，也可以用作磁性固態(tài)傳感器。具有信號處理功能的芯片能夠?qū)碜詡鞲衅鞯奈⑷醯哪M信號轉(zhuǎn)換為有用信息，并通過一些串行總線傳遞這些信息。

MEMS傳感器外形小巧、價(jià)格實(shí)惠，是工業(yè)機(jī)器人的理想配件。此外，它們的耗電量很低，當(dāng)采用2V或3V電源時(shí)，一個(gè)加速度傳感器的功耗通常不到10μA。低功耗方案（如低于1μA）還可以通過專用傳感器來實(shí)現(xiàn)，這些傳感器可作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)觸發(fā)器或篡改探測單元來運(yùn)行。它們提供的快速喚醒和關(guān)閉機(jī)制是影響功耗的最重要的參數(shù)。

用專業(yè)的術(shù)語來解釋，傳感器其實(shí)就是一種檢測裝置，感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

通俗來說，大致分為幾步：“感應(yīng)”信息，“收集”信息，然后“做出”反應(yīng)。最受關(guān)注的人類5大感覺器官，如果用傳感器相比擬的話，其歸類如下：

視覺——光敏傳感器；

聽覺——聲敏傳感器；

嗅覺——?dú)饷魝鞲衅鳎?/span>

味覺——化學(xué)傳感器；

觸覺——壓敏、溫敏、流體傳感器。

按照傳感器的用武之地，即檢測對象，可以簡單將傳感器簡單分為內(nèi)外兩部分。

內(nèi)部傳感器

內(nèi)部傳感器，又稱為體內(nèi)傳感器，內(nèi)傳感器和電機(jī)、軸等機(jī)械部件或機(jī)械結(jié)構(gòu)如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安裝在一起，主要用于檢測機(jī)器人各內(nèi)部系統(tǒng)的狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度溫度、電機(jī)速度、電機(jī)載荷、電池電壓等，并將所測得的信息作為反饋信息送至控制器，形成閉環(huán)控制。

位置（位移）傳感器

直線移動(dòng)傳感器有電位計(jì)式傳感器和可調(diào)變壓器兩種。角位移傳感器有電位計(jì)式、可調(diào)變壓器（旋轉(zhuǎn)變壓器）及光電編碼器三種，其中光電編碼器有增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制，絕對式編碼器能夠得到對應(yīng)于編碼器初始鎖定位置的驅(qū)動(dòng)軸瞬時(shí)角度值，當(dāng)設(shè)備受到壓力時(shí)，只要讀出每個(gè)關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)，就能夠?qū)λ欧刂频慕o定值進(jìn)行調(diào)整，以防止機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過劇烈的運(yùn)動(dòng)。

速度和加速度傳感器

速度傳感器有測量平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度兩種，但大多數(shù)情況下，只限于測量旋轉(zhuǎn)速度。其利用位移的導(dǎo)數(shù)，特別是光電方法讓光照射旋轉(zhuǎn)圓盤，檢測出旋轉(zhuǎn)頻率和脈沖數(shù)目，以求出旋轉(zhuǎn)角度。

光柵盤式光電編碼器原理

應(yīng)變儀即伸縮測量儀，也是一種應(yīng)力傳感器，用于加速度測量。加速度傳感器用于測量工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)控制信號。一般有由速度測量進(jìn)行推演、已知質(zhì)量物體加速度所產(chǎn)生動(dòng)力，即應(yīng)用應(yīng)變儀測量此力進(jìn)行推演。

力覺傳感器

力覺傳感器用于測量兩物體之間作用力的3個(gè)分量和力矩的3個(gè)分量。工業(yè)機(jī)器人中理想的傳感器是黏接在依從部件的半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)。力覺傳感器分為金屬電阻型、半導(dǎo)體型、其他磁性壓力式和利用弦振動(dòng)原理制作的力覺傳感器。

此外，還有轉(zhuǎn)矩傳感器（如用光電傳感器測量轉(zhuǎn)矩）、腕力傳感器（如國際斯坦福研究所的由6個(gè)小型差動(dòng)變壓器組成，能測量作用于腕部X、Y和Z三個(gè)方向的動(dòng)力及各軸動(dòng)轉(zhuǎn)矩）等。

近年來工業(yè)機(jī)器人普遍采用以交流永磁電動(dòng)機(jī)為主的交流伺服系統(tǒng)，對應(yīng)位置、速度等傳感器大量應(yīng)用的是各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。

外部傳感器

外部傳感器，又稱為外界傳感器，用于具有校正能力和反應(yīng)環(huán)境變化的能力的新一代機(jī)器人（如多關(guān)節(jié)機(jī)器人，特別是移動(dòng)機(jī)器人、智能機(jī)器人等）上感知作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息。其是機(jī)器人與周圍交互工作的信息通道。

觸覺傳感器

微型開關(guān)是接觸傳感器最常用型式，另有隔離式雙態(tài)接觸傳感器（即雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)半導(dǎo)體電路）、單模擬量傳感器、矩陣傳感器（壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導(dǎo)聚合物、光反射觸覺傳感器等）。

接近度傳感器

由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度提高及對物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機(jī)器人工作場地內(nèi)存在位置的先驗(yàn)信息以及適當(dāng)?shù)能壽E規(guī)劃，所以有必要應(yīng)用測量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無源傳感器和有源傳感器，所以除自然信號源外，還可能需要人工信號的發(fā)送器和接收器。

超聲波接近度傳感器用于檢測物體的存在和測量距離。它不能用于測量小于30~50cm的距離，而測距范圍較大，它可用在移動(dòng)機(jī)器人上，也可用于大型機(jī)器人的夾手上。還可做成超聲導(dǎo)航系統(tǒng)。

紅外線接近度傳感器，其體積很小，只有幾立方厘米大，因此可以安裝在機(jī)器人夾手上。

紅外發(fā)射管和接收管

聲波傳感器

用于感測和解釋在氣體（非接觸感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)從簡單的聲波存在檢測到復(fù)雜的聲波頻率分析，直到對連續(xù)自然語言中單獨(dú)語音和詞匯的辨別。

接觸式或非接觸式溫度傳感器

滑覺傳感器

用于檢測物體的滑動(dòng)。當(dāng)要求機(jī)器人抓住特性未知的物體時(shí)，必須確定最適當(dāng)?shù)奈樟χ担砸髾z測出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)信號。

目前有利用光學(xué)系統(tǒng)的滑覺傳感器和利用晶體接收器的滑覺傳感器，后者的檢測靈敏度與滑動(dòng)方向無關(guān)。

距離傳感器

用于智能移動(dòng)機(jī)器人的距離傳感器有紅外測距傳感器、激光測距儀（兼可測角）、聲吶傳感器等。

紅外測距傳感器和超聲波測距傳感器

視覺傳感器

根據(jù)運(yùn)行方式，視覺傳感器也可以分為被動(dòng)式傳感器和主動(dòng)式傳感器。被動(dòng)式傳感器是指本身不發(fā)出能量，靠捕獲外界光線來獲得信息的傳感器，如CCD；主動(dòng)式傳感器就是那些有自主性的傳感器了，它們能發(fā)出探測信號（如紅外等）。

二維視覺傳感器和三維視覺傳感器

智能機(jī)器人

智能機(jī)器人對傳感器具體的要求：

傳感器精度

對于智能機(jī)器人來說傳感器需要有精度高，可靠性高，穩(wěn)定性好。智能機(jī)器人在感知系統(tǒng)的幫助下，自主完成人類指定的工作，如果傳感器的精度差，會(huì)直接影響機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量，如果傳感器不穩(wěn)定或者可靠性不高，很容易導(dǎo)致智能機(jī)器人出現(xiàn)故障，輕者導(dǎo)致工作不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重者還會(huì)造成嚴(yán)重的事故，因此傳感器的可靠性和穩(wěn)定性是智能機(jī)器人對其最今本的要求。

Big Dog機(jī)器人對傳感器的需求

抗干擾能力

由于智能機(jī)器人的傳感器往往工作在未知的環(huán)境中，因此要求傳感器具有抗電磁干擾振動(dòng)灰塵和油垢等惡劣環(huán)境下干擾能力。重量輕，體積小同樣是機(jī)器人上傳感器的要求，對于安裝在機(jī)器人手臂等運(yùn)動(dòng)部件上的傳感器，重量一定要輕，否則會(huì)加大運(yùn)動(dòng)部件的損壞，影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。對于工作空間受到某種限制的機(jī)器人，對體積和安裝方向的要求也是必不可少的。

傳感器的安裝

智能機(jī)器人的安全問題首先是它的自我保護(hù)，另外一方面則是機(jī)器人為保護(hù)人類安全不受侵犯采取的措施。人類在工作時(shí)，總是利用自己的感覺反饋，控制使用肌肉力量不超過骨骼和肌腱的承受能力。同樣，機(jī)器人在工作過程中，采用力和力矩傳感器來檢測和控制各構(gòu)件的受力情況，使各個(gè)構(gòu)件均不超過其受力極限，從而保護(hù)構(gòu)件不被破壞。為了防止機(jī)器人和周圍物體的碰撞，需要采用各種觸覺傳感器和接近傳感器來防止碰撞。智能機(jī)器人的服務(wù)對象是人類，為了保護(hù)人類免受其害，智能機(jī)器人需要傳感器來限制自身的行為。

傳感器其實(shí)也相當(dāng)于人類的神經(jīng)末梢，所以可知，靈敏度與分布的密度有極大的關(guān)系。的確如此，因?yàn)閷`敏度的高要求，服務(wù)機(jī)器人必須攜帶更多的傳感器，所以，就牽涉出了未來的重要設(shè)計(jì)趨勢以及重大難題：機(jī)器人有限的內(nèi)部空間和人類對機(jī)器人無限感官的期待之間的矛盾。

在大量現(xiàn)有傳感器的基礎(chǔ)上，機(jī)器人傳感技術(shù)的未來將向更小、更輕、性價(jià)比更高且更易于整合的方向發(fā)展。

智慧工廠

隨著網(wǎng)際網(wǎng)路技術(shù)與製造業(yè)原本即相當(dāng)成熟的自動(dòng)化方案開始結(jié)合，2012年德國提出了智慧工廠概念，透過大量數(shù)據(jù)的采擷與分析，改變了服務(wù)模式，也讓工廠真正朝智慧化邁進(jìn)。

當(dāng)前，智慧工廠主要包括三大架構(gòu)，分別為物聯(lián)網(wǎng)、海量資訊、創(chuàng)新服務(wù)架構(gòu)，而這三大架構(gòu)構(gòu)筑成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(Cyber Physical System)就成為現(xiàn)在智慧工廠的建置主體。

由于自身的自動(dòng)化水平較高，解決了現(xiàn)在制造業(yè)面對生產(chǎn)資源調(diào)度與制程彈性化與定制化的兩大難題，因此實(shí)施智慧工廠相對比較容易。架構(gòu)智慧工廠概念的三大技術(shù)，并非各自獨(dú)立運(yùn)作，而是交叉運(yùn)用相互整合，讓制造現(xiàn)場的所有設(shè)備均可發(fā)揮最大效益。在此系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)位居第一線，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與少量控制。物聯(lián)網(wǎng)透過使用大量的MEMS，密集采集特定區(qū)域或物件的特定數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)回傳至后端系統(tǒng)，所以物聯(lián)網(wǎng)被視為繼PC與因特網(wǎng)后，再一次改變世界的重要技術(shù)。

在智慧工廠端，物聯(lián)網(wǎng)成功應(yīng)用了近年來已然成熟的 3D IC 技術(shù)，讓感測器內(nèi)可建入微機(jī)電(MEMS)。與流程工業(yè)相比，離散制造業(yè)首先在底層制造環(huán)節(jié)由于生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，如車、銑、刨、磨、鑄、鍛、鉚、焊對生產(chǎn)設(shè)備的智能化要求很高，投資很大。特別是裝備制造業(yè)、家電、汽車、機(jī)械、模具、航空航天、消費(fèi)電子等產(chǎn)品大都要求產(chǎn)品智能化，設(shè)計(jì)智能。為了實(shí)現(xiàn)智能智慧工廠，企業(yè)的生產(chǎn)線和物流需要多種多樣的傳感器，利用傳感器可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的傳輸，這些傳感器必須能夠與互聯(lián)網(wǎng)或者云端進(jìn)行信息互通，在此過程中如何更智能地去運(yùn)行，對將來大數(shù)據(jù)和工廠自動(dòng)化的融合至關(guān)重要。

工業(yè)應(yīng)用通常會(huì)專注于產(chǎn)出高端產(chǎn)品而非高量生產(chǎn)，因此對傳感器的需求偏向能在嚴(yán)苛工作環(huán)境下可靠、精準(zhǔn)且小型的設(shè)備。隨著機(jī)器之間(Machine-to-Machine，M2M)的連結(jié)協(xié)作越來越精密，傳感器的任務(wù)也從被動(dòng)監(jiān)測，演化成主動(dòng)探測預(yù)防型維護(hù)、資產(chǎn)控管與數(shù)據(jù)分析，協(xié)助增加生產(chǎn)效率。在智慧工廠生產(chǎn)流程的領(lǐng)域中，流程控管、流程安全、作業(yè)管理與資產(chǎn)利用等系統(tǒng)，皆需要使用傳感器來測量、分析與控制系統(tǒng)設(shè)置。將多個(gè)傳感科技與軟體分析工具整合，推動(dòng)生產(chǎn)效能、可靠性與安全的信息傳播會(huì)變得更快、更準(zhǔn)確。

智慧工廠由四個(gè)非常關(guān)鍵的因素組成：一是個(gè)性化的需求，小批量生產(chǎn)，二是人機(jī)協(xié)作，三是信息系統(tǒng)，四是高效生產(chǎn)。

個(gè)性化生產(chǎn)方面，即柔性制造，是通過智能傳感器實(shí)現(xiàn)的。柔性制造首先就是要實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字透明化，智能傳感器可提供所有層次的信息。人機(jī)協(xié)作方面，安全保護(hù)是智能制造里面非常重要的一方面，人在整個(gè)自動(dòng)化設(shè)備跟系統(tǒng)里面是非常重要的，所以保護(hù)人跟人機(jī)協(xié)作也是非常重要。這其中，有兩個(gè)方面是比較關(guān)注，一個(gè)是靜態(tài)的安全保護(hù)，就是在工廠里面，人在里面走動(dòng)，而機(jī)器相對固定，處于靜態(tài)的保護(hù)。另外一個(gè)就是動(dòng)態(tài)安全保護(hù)，牽扯到人機(jī)協(xié)作，需要利用傳感器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航以及人與機(jī)器人的融合應(yīng)用。

智慧工廠利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)、及時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以合理的安排生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)進(jìn)度，并優(yōu)化供應(yīng)鏈。傳感器應(yīng)用非常廣泛，工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)都需要傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)反饋給控制中心，以便對出現(xiàn)異常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，保證工業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)行。業(yè)界普遍認(rèn)為，新一代的智能傳感器是智能工業(yè)的“心臟”，它讓產(chǎn)品生產(chǎn)流程持續(xù)運(yùn)行，并讓工作人員遠(yuǎn)離生產(chǎn)線和設(shè)備，保證人身安全和健康。在智慧工廠里，機(jī)器和設(shè)備將具有提升的自我優(yōu)化和自主決策的能力。

MEMS技術(shù)讓智慧工廠中的傳感器小型化、智能化，MEMS傳感器將在智慧工廠時(shí)代大有可為。MEMS溫度、濕度傳感器可用于環(huán)境條件的檢測，MEMS加速度計(jì)可以用來監(jiān)測工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)速度。高精度的MEMS加速度計(jì)和陀螺儀可以為工業(yè)機(jī)器人的導(dǎo)航和轉(zhuǎn)動(dòng)提供精確的位置信息。

除了上述提到的傳感器，智慧工廠中常見的還有氣壓傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器以及指紋傳感器等。它們的工作原理雖然各有不同，但最基本的原理都是上述提到的，即通過光波、聲波、特殊材料甚至化學(xué)原理將待測量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，只不過大多都根據(jù)特定的領(lǐng)域在一般原理的基礎(chǔ)上做了升級和擴(kuò)展。

智慧工廠所需要的傳感器跟傳統(tǒng)的傳感器相比，第一，需要有更靈活的接口，傳感器不僅要能夠在控制器層通信，而且能實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)層的通信。附加的數(shù)據(jù)或軟件系統(tǒng)接口讓傳感器可以執(zhí)行新的分析任務(wù)及新的功能。這些能力可提高生產(chǎn)的靈活性、質(zhì)量、效率和透明度，徹底地改變工業(yè)金字塔結(jié)構(gòu)。第二，傳感器需要有智能的功能。智能傳感器提供的數(shù)據(jù)越緊湊、越實(shí)用，整個(gè)系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)源的效率也將越高，分析結(jié)果也越準(zhǔn)確。在內(nèi)部對數(shù)據(jù)直接進(jìn)行預(yù)處理、壓縮和濾波的智能傳感器將完美匹配工業(yè)4.0的要求。