智能传感技术助力工业数字化建设

引言：1月12日，国务院印发了《“十四五”数字经济发展规划》，规划中明确指出，要瞄准传感器、量子信息、网络通信、集成电路、关键软件、大数据、人工智能、区块链、新材料等战略性前瞻性领域的发展。

工业4.0趋势下，智能传感技术助力工业数字化建设

数字经济浪潮席卷全球，随着“工业4.0” 、中国制造2025等战略部署出台，新一轮产业革命加速推进，“智能制造” 已成为新的发展制高点。其中智能传感技术作为提升信息化与工业化融合的关键技术之一，是国家工业生产发展平稳运行的保障。

智能传感技术的应用加速下，基于工业场景的智能化技术应用需求愈加丰富，智能机器人、智能制造装备产业体系已经形成。但目前经济形势下，人口红利减少，消费结构升级促进制造业转型，结合传感技术延伸了机器“感知”，生产各环节中通过机器降低人工重复性工作节省成本，或代替人工从事危险环境工作，是数字化工场的趋势。

智能制造领域各行业的精密检测需求

工厂质量控制体系就是为满足产品的质量要求，而实时进行的质量测量和监督检查系统。特别是3C产品零部件、半导体元器件、汽车部件加工制造、锂电新能源等行业，外观质量检测是极为重要的环节，传统检测方式是由大量的质检人员肉眼完成产品检测，而受制于个体生理差异和主观判断，测量工具不能将结果及时数字化和智能化等，极大程度影响力产品质量和产出速度。因此，在重复性、标准化生产应用场景下，比如检测芯片高度尺寸、玻璃表面气隙或涂胶缺陷等，工业视觉具备绝佳优势。

相关科学研究提到人在明视距离25mm时，肉眼可识别的物体大小尺寸为0.1mm(约12根亚洲成年人头发并排的直径)，所以当个体处于运动状态或者不间断重复识别场景中，识别的效率就会大打折扣。在重复性极强的工业产线上，人工检测很难达到一致性;尤其是当产品零件和材料的精密检测很多是以微米甚至是纳米级尺寸为标准且来料速度较快时，肉眼完全无法满足现场需求，就必须借助机器的视觉去做数据的采集分析。

智能制造趋势下，3C电子、半导体、锂电新能源、科研医疗等领域，视觉检测需求极为庞大。以某 3C 产品供应链企业产品外观检测为例，每月人工视觉检测人力成本超过 200 万，质检人力员工占比占到 20%~40%，且 还存在漏检等质量问题(数据来源：【华为-百度】5G-AI智能工业视觉白皮书)。5G+AI 的外观质量检查方案，依托 AI 深度视觉检测技术和 5G 通信技术进行融合，可在复杂纹理图像分类和背景干 扰的情况下大幅度减少漏检误检，缺陷阀精确可控，同步实现检测结果数据实时同步，实现数据模型高效快速迭代闭环， 不断提升现场模型准确率。

智能传感技术为智能制造下机器视觉“感知”能力延伸的工具

机器视觉在工业生产中应用广泛，常用于遍布整个生产环节的四类业务应用：视觉引导与定位、模式有无识别检测、 精准测量测距、产品外观检测等。概括的说，工业机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度，主要应用在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合。

同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉来替代人工视觉可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现自动化集成，软件集成，是实现智能制造的基础技术。

在智能制造感官的视觉延伸上，国内专注于工业智能传感器研发生产，需要企业产品线丰富，且技术领域的专业性强，在3D视觉成像、2D图形检测和位置距离测量等应用皆有覆盖。

就以国内企业海伯森为例，一方面，结合光、机、电、算、软技术应用的深度创新，在2D/3D精密检测领域开发出3D线光谱共焦传感器、点光谱共焦位移传感器和激光位移传感器系列产品;另一方面，其超高速工业相机产品，开拓了面阵和线阵两条产品线;而在2D/3D测距识别领域，面阵固态激光雷达和ToF测距传感器系列产品，为工业机器人、AGV和无人机的应用提供助力;除此之外，激光对针传感器产品HPS-LCB02还可用于工业视觉定位。

值得一提的是，国内2021年发布的中国首台3D线光谱共焦传感器HPS-LCF1000，在技术上，采用光谱共焦原理，解决传统激光检测的难题，能实现对透明、反光和吸光材料的高精度检测;在应用上，结合自主软件算法和AI图像处理，将2D、3D视觉技术融合，测量可同步输出二维图形和三维点云数据;产品性能上，具备2048点/线的分辨率，也实现了业内最高的35000线/秒的扫描速率。

得益于技术的先进性，3D线光谱共焦传感器HPS-LCF系列赋能机器以极致入微的“视觉”感知，具有广阔的市场前景，可以广泛应用在3C电子、半导体、精密工件等材料的检测上，在科学研究、机器视觉和智能制造领域上。

机器本是一个在感知、思维、效应方面全面模拟人的机器系统，在视觉“感知”上，装配了激光、视觉图像传感器的设备，可以实现精密准确的视觉定位、识别和检测。而视觉识别更高层面的应用是结合其他“感官”延伸，从而实现AI的人机交互。

机器触觉“感知”能力延伸

触觉的“感知”让机器运动变得更为柔顺，显得更具人性化，而装配了末端力控装置的机器人，则可以实现更为安全有效的力控制和防护。

在目前的工业界中，大部分装配生产机械的应用仍在使用传统的位置控制系统，比较典型的就是通过机器视觉的引导和定位确认机械臂在空间中的运动轨迹，来适应外部生产环境的节奏。但是在某些应用场合中，机械臂需要实现与人做物理上交互的安全性或者更为柔顺的阻抗控制，因此，既要判断关节的目标位置，也需要更加精确地控制施加在末端执行器的力，在特定产品精密装配和打磨抛光应用中，比如细小工件装配、精密材料抓取或边缘毛刺打磨等，就必须引入力矩/力控制输出量，或者将力矩/力作为闭环反馈量引入控制。

由于机械臂和工作面的接触常常是未知的复杂曲面，因而这种力/力矩的感知，必须是多维的，而六维力传感器HPS-FT系列可以同时测量空间X、Y、Z三个方向上的力和扭矩，为机械臂的运行提供更为敏锐的触觉感知。一般衡量六维力传感器性能的主要指标有，量程、精度、抗过载能力、数据输出频率、非线性度、蠕变、迟滞、零漂、温漂、轴间串扰和软件补偿算法等，海伯森采用高精度应变计和紧凑结构设计，结合自主数据处理、滤波和解耦算法，可检测出最小力0.05N，力矩0.001Mm，工作状态中可实现最高2000Hz的输出频率，350%的安全过载，以及0.5ms的IO急停输出。

小结：未来智能传感技术创新面临的挑战

建设数字化工业，延伸智能制造“感知”，要依靠信息采集、处理、交换、存储等能力全面提升，而工业智能传感器为工业信息互联提供关键信息及测量数据，地位日益突出。随着智能制造技术的广度和深度需求拓展，智能传感器更新迭代的速度将不断加快，这就需要市场主体以更有活力的创新基因，推动工业智能传感器制造、设计开发创新。

虽然，在高端传感器研发层面，产品研发周期长，一款传感器产品也需要平均5-10年时间才能成熟，市场风险大，但是，如果基于自身技术优势，专注于目标领域业务升级优化，未来依然可期。海伯森就如此，专注研发的创新和持续投入。

未来，智能制造相关技术愈加成熟和完善，精密智能和AI传感技术为工业机器创造“慧眼”，并赋予机器人“手”引导，延伸智能制造的视觉和触觉“感知”，助力实现智慧工业和万物互联。

审核编辑：汤梓红