【導(dǎo)讀】在智能制造中，物理AI依賴傳感器感知環(huán)境并做出實時決策。本文詳解圖像、位置、超聲波等核心工業(yè)傳感器的工作原理與應(yīng)用場景，并列出精度、可靠性、集成性等五大選型關(guān)鍵，為構(gòu)建高效物理AI系統(tǒng)提供實用指南。
智能制造中，如何為物理AI挑選傳感器？
作者：安森美
智能制造是數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)制造流程深度融合的體現(xiàn)。其中的核心是物理人工智能 (AI)，它將 AI 算法引入物理系統(tǒng)，例如機(jī)械臂、自動引導(dǎo)車輛 (AGV) 和計算機(jī)數(shù)控 (CNC) 機(jī)床。物理系統(tǒng)要能有效運(yùn)行，離不開來自物理環(huán)境的實時數(shù)據(jù)，而傳感器的作用正在于此。
工業(yè)傳感器扮演著“眼睛和耳朵”的角色，在現(xiàn)代制造和自動化領(lǐng)域中已成為不可或缺的基石，從基礎(chǔ)的測量設(shè)備蛻變?yōu)槟軌蛉轿槐O(jiān)測離散自動化與過程自動化的精密系統(tǒng)。當(dāng)與 AI（視覺 AI、聲學(xué) AI 或物理 AI）相結(jié)合時，工業(yè)傳感器讓物理系統(tǒng)具備了自學(xué)習(xí)能力，進(jìn)而助推制造效率、安全性的提升，并促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)和數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用。本文將深入探討各類傳感器及其應(yīng)用。
洞悉工業(yè)傳感器及其工作原理
工業(yè)傳感器是感知和處理各種物理參數(shù)的器件，如距離、壓力、溫度、流量、液位、運(yùn)動、速度、加速度等。它們收集的數(shù)據(jù)，對于監(jiān)測和控制制造流程而言，可謂舉足輕重。收集到的數(shù)據(jù)隨后會通過數(shù)字/模擬輸入輸出 (I/O) 及通信模塊發(fā)送到可編程邏輯控制器 (PLC) 或 CNC。
在典型的工業(yè)傳感器中，主要組件（見圖 1）包括傳感元件、電壓基準(zhǔn)源、運(yùn)算放大器 (OpAmp)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、處理器、接口和電源管理模塊。傳感元件負(fù)責(zé)測量物理參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為電壓、電流、電阻等電信號。
圖 1. 典型工業(yè)傳感器的組成模塊
工業(yè)傳感器充當(dāng)著 AI 與物理世界之間的接口，恰如人體中的神經(jīng)系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)字世界需要與物理環(huán)境進(jìn)行交互時，離不開模擬和混合信號傳感器。下一代工業(yè)自動化系統(tǒng)不僅在信息技術(shù) (IT) 云端融入 AI 能力，還將 AI 嵌入到部署在現(xiàn)場的操作技術(shù) (OT) 器件中。換言之，AI 算法將應(yīng)用于邊緣端的傳感器或可編程邏輯控制器 (PLC)/機(jī)器人中，以實現(xiàn)快速決策。 在此，我們將重點探討工業(yè)自動化中所使用的傳感器。
傳感器類型
圖像（視覺）傳感器：
圖像傳感器借助攝像頭拍攝在制產(chǎn)品的圖像和視頻，以此判斷產(chǎn)品的有無、方位及精度，是質(zhì)量控制與檢測環(huán)節(jié)中不可或缺的器件。圖像傳感器憑借單個裝置即可實現(xiàn)對產(chǎn)品多個點位的檢測，為機(jī)器視覺提供有力支撐。安森美 (onsemi)的圖像傳感器和短波紅外攝像頭兼具低功耗和出色的圖像質(zhì)量，具備高動態(tài)范圍和低光性能，助力系統(tǒng)在各類智能工廠場景中均發(fā)揮出理想效能。
圖 2. 機(jī)器視覺系統(tǒng)框圖
位置和扭矩傳感器：
盡管霍爾效應(yīng)傳感器、力傳感器和光學(xué)傳感器已應(yīng)用于電機(jī)位置控制，但考慮到磁體、精密電阻等感應(yīng)元件及光學(xué)編碼器復(fù)雜的制造工藝，整體方案的成本實則居高不下。
如今，一種新趨勢逐漸興起：在運(yùn)動控制和機(jī)器人技術(shù)相關(guān)應(yīng)用中開始采用電感式位置傳感器，以帶繞組的印刷電路板 (PCB) 作為感應(yīng)元件，并搭配模擬前端 (AFE) 和控制器。NCS32100和 NCV77320兩款產(chǎn)品相較傳統(tǒng)位置傳感器具有專門優(yōu)勢，包括但不限于耐溫性強(qiáng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化、抗污染能力出色等。
超聲波傳感器：
超聲波傳感器借助超聲波來測量距離，非常適合檢測透明物體（不同于光學(xué)傳感器），且不受灰塵和污垢的影響。安森美的 NCV75215是一款性能出色的接近傳感器，檢測距離為 25 厘米至 4.5 米。在自主移動機(jī)器人中，超聲波傳感器用于導(dǎo)航和避障；在過程自動化應(yīng)用中，可對流體進(jìn)行流量與液位檢測；而在成品質(zhì)量檢驗中，可用于識別缺陷與裂紋。
光電傳感器：
光電傳感器借助光線實現(xiàn)物體檢測，分為對射式、反射式和漫反射式三種類型，各自具備不同的特性和應(yīng)用場景。光電傳感器以非接觸檢測、適用幾乎所有材料、支持長距離視距檢測為顯著優(yōu)勢，主要采用紅外與激光技術(shù)。安森美的 QR1113是一款性能優(yōu)良的反射式傳感器，940 納米紅外發(fā)射器與配套的硅光電晶體管并排封裝，提供表面貼裝和通孔兩種封裝形式。
接近傳感器：
接近傳感器基于電磁感應(yīng)原理，可在無物理接觸的情況下檢測金屬物體，且對灰塵、油污等環(huán)境因素具有極強(qiáng)的耐受能力。若需檢測非金屬物體，則以超聲波和光電技術(shù)為優(yōu)選方案。
壓力傳感器：
壓力傳感器應(yīng)用于氣動、液壓或潔凈室環(huán)境中，用于維持理想運(yùn)行狀態(tài)并對偏差發(fā)出警報。它們通常以應(yīng)變片或力敏電阻為核心，采用惠斯通 (Wheatstone) 電橋結(jié)構(gòu)來抵消誤差，通過微小電壓變化實現(xiàn)壓力測量。
溫度傳感器：
溫度傳感器用于監(jiān)控和調(diào)節(jié)溫度，應(yīng)用范圍覆蓋食品加工、機(jī)械運(yùn)行等多個行業(yè)。常用類型包括熱電偶、電阻溫度檢測器 (RTD) 及半導(dǎo)體溫度傳感器，例如安森美的 ADM1023。
環(huán)境傳感器：
氣體傳感器、化學(xué)傳感器等環(huán)境傳感器，用于在需要保持警惕的環(huán)境中監(jiān)控特定的有毒或易燃?xì)怏w，常常集成在安全系統(tǒng)中。例如，NCV76124雨量和光線傳感器最初為汽車應(yīng)用設(shè)計，可通過光電二極管發(fā)射并測量反射光，進(jìn)而識別環(huán)境中的顆粒物。再如，用于連續(xù)血糖監(jiān)測 (CGM) 的 CEM102 電化學(xué)傳感器模擬前端與 RSL15 藍(lán)牙 5.2 微控制器配合使用時，能在極低的系統(tǒng)功耗下實現(xiàn)對化學(xué)電流微小變化的測量。
傳感器的主要考量因素
為智能制造中的物理 AI 系統(tǒng)挑選適配傳感器時，需重點關(guān)注以下五大因素：
應(yīng)用所需的精度與速度：傳感器必須滿足特定AI 任務(wù)對精度和速度的要求，例如實時質(zhì)量檢測、預(yù)測性維護(hù)、機(jī)器人控制等任務(wù)。
數(shù)據(jù)質(zhì)量與可靠性：傳感器會隨著時間推移生成海量數(shù)據(jù)，而AI 可對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以挖掘其中的規(guī)律。能夠持續(xù)提供可靠數(shù)據(jù)的傳感器，對于訓(xùn)練和運(yùn)行 AI 模型至關(guān)重要，可為整個制造生態(tài)系統(tǒng)中的敏捷決策奠定堅實基礎(chǔ)。
互操作性與集成：傳感器應(yīng)當(dāng)能與現(xiàn)有制造系統(tǒng)無縫集成，并支持標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線和通信協(xié)議。換言之，新型 AI 傳感器必須具備小型化特性且能夠?qū)崿F(xiàn)互操作。
網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)隱私：隨著聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)量增多，網(wǎng)絡(luò)威脅風(fēng)險也在增高，對OT 和IT 安全的要求愈發(fā)嚴(yán)苛。確保邊緣數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩陵P(guān)重要，尤其是當(dāng) AI 系統(tǒng)依賴傳感器提供的敏感操作數(shù)據(jù)進(jìn)行決策時。為此，可采用具備自校準(zhǔn)和冗余功能的傳感器，用于檢測和隔離威脅。
可持續(xù)性與能效：在為物理AI 系統(tǒng)擴(kuò)充傳感器數(shù)量時，操作人員仍需將功耗控制在預(yù)算范圍內(nèi)，而具有低工作電流的傳感器在系統(tǒng)擴(kuò)展性方面具備顯著優(yōu)勢。
綜上，工業(yè)傳感器是物理 AI 系統(tǒng)的基本構(gòu)成要素，使物理 AI 系統(tǒng)能夠在邊緣與云端對真實世界進(jìn)行感知、理解和交互。隨著 AI 的不斷演進(jìn)，傳感器技術(shù)的進(jìn)步將成為充分釋放 AI 潛力的關(guān)鍵，助力智能制造領(lǐng)域開發(fā)出更智能且適應(yīng)性更強(qiáng)的系統(tǒng)。安森美在智能傳感技術(shù)領(lǐng)域具有優(yōu)勢，憑借豐富的傳感器產(chǎn)品組合與深厚的應(yīng)用專業(yè)知識，正走在助力客戶向工業(yè) 5.0 轉(zhuǎn)型的前列。
