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　　要说在这个工业4.0时代“混得”最好的是那个行业，首当其冲要数传感器行业。传感器是迈入智能制造的连接点，是数据的采集入口，是物联网、智能设备等的“心脏”，也是这一场智能化转型升级大潮的主力军，在未来企业智能化生产中发挥特殊的作用。

　　在工业4.0这个大舞台传感器开始爆发式的增长，应用领域全面开花，各类新型应用也是层出不穷，诸如人工光传感器、小型肌电传感器、贴纸传感器等等。

　　传感器在工业4.0时代能发挥什么作用

　　“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。

　　“工业4.0”旨在通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统相结合的手段，推进信息技术与制造业深度融合，促使工业领域的设备、生产与系统以网络化的形式向互联网迈进，将制造业向智能化转型。“工业4.0”之所以备受瞩目，就在于它形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联互通，实现横向、纵向的全价值链集成。生产的每一领域都被赋予了“智慧”。

　　在这些互联互通的过程中，通讯协议处在了至关重要的位置上。在历史上，曾经出现了若干种现场通讯协议，但大多数协议存在一些固有问题，大大限制了现代工业对实时性，高动态性的需求。

　　在现代自动化生产中，Ethernet技术逐渐取代第一代现场总线已经成为一种趋势。因此，德国米铱公司将实时Ethernet技术集成到众多位移传感器和控制器中。不同于传统总线系统，Ethernet通讯协议安装更为简单快捷。

　　源于Ethernet更高的带宽和实时通讯功能，采用这种技术的传感器可以实现高速数据传输，方便测量数据的读取和分析，且允许随时随地对传感器进行设置。与传统模拟量信号输出不同，Ethernet通讯不受由于输出电路接地不良，插头电阻质量问题带来的噪音影响，源于其采用数字量数据传输，即使很长的传感器电缆也不会导致信号衰减。

　　此外，现代制造过程要求更加高速，更加自动化。因此要求传感器满足更加快速和动态的测量。作为高精密测量领域的领导者，德国米铱公司正在致力于提供更多可以满足未来工业需求的精密传感器和测量系统。

　　近些年来，EtherCAT通讯协议已经成为市场中的标准通讯协议，可以为自动化生产提供更加可靠的实时性。基于此，德国米铱公司已经开发出了若干系列传感器和测量系统，采用EtherCAT协议，使它们可以无缝集成到现有的控制系统和自动化网络内什么是EtherCAT？

　　EtherCAT完全兼容Ethernet，是真正意义上开放的通讯标准。不仅如此，EtherCAT技术还克服了其他Ethernet协议通讯方式所固有的限制。Ethernet数据包不再需要在每次连接时，都完成接收，译码和复制的过程。替代这种传统方式的Ethernet框架被称为“飞速写入”模式。最新开发出的FMMU(现场总线记忆管理)单元，被集成到每一个从属节点中，读取发送给它的数据。于此同时，电文不会停止，而是继续传送给下一个设备或传感器。与此类似，输入数据录入的同时，电文会继续传输。这意味着通讯仅会存在几个纳秒的延迟。

　　在主机端，可以采用经济型标准网络接口卡(NIC)，或者任何便携Ethernet控制器都可以作为硬件接口使用。这种接口可以满足数据通过直接内存访问(DMA)方式传输到PC端。也就是说，网络访问不再占用CPU资源。

　　EtherCAT可以提供更高的网络性能。源于从属节点中的FMMU单元和主机中的直接内存访问技术，整个通讯过程都发生在硬件中，从而不受协议堆栈运行时间，CPU性能和软件运行的限制。

　　在工业自动化环境中，精确的同步功能至关重要。对于需要坐标同步移动和多传感器测量时，同步功能更为重要。为了实现精确同步，就需要实现精准的时钟校准。完全同步通讯中，同步质量会受到通讯错误的直接影响。时钟校准必须考虑由于通讯系统错误导致的延迟。

　　而使用EtherCAT协议通讯时，数据交换完全基于主机和从机硬件时钟。每一个时钟可以简单而精准地决定其他时钟的运行时间偏移，原因是通讯过程使用了符合逻辑和全双工的Ethernet环形物理结构。分布式时钟可以基于这种时间偏移被调节，这意味着整个通讯网络可以基于远小于1微秒的时间节拍。

　　延伸：智能化时代传感器应用盘点

　　人工光传感器

　　近年来，在生物能源相关物质及医药品的生产等领域，使用生物的“生物工艺”变得愈发重要，可利用光合作用生产多种物质的蓝绿藻的能力备受关注。11月24，东京农工大学宣布，其通过对源自蓝绿藻的光传感器蛋白质实施改造，成功开发出了以红色光诱导基因表达的“人工光传感器”。

　　此次研究成果以利用DNA重组技术设计、创造具有全新功能的生物这一“合成生物学”理念为基础。通过将此次获得成功的、使利用光的基因表达控制功能发生改变的技术应用到蓝绿藻等可生产有用物质的微生物中，有望使具有高功能的新型生物工艺的开发得到迅速推进。

　　小型肌电传感器

　　传感器因其处在采集数据的最前哨，在医疗健康领域一直是个重要角色。上海丞电科技有限公司研发的小型肌电传感器已成功应用在了康复医疗和仿生义肢，未来更会拓展到VR/AR，体育健身，人体外骨骼等朝阳产业中。

　　上海丞电自主研发的肌电传感器是一种电荷传感器，具有采样率高，抗干扰能力强，滤波效果好的特点。其核心算法可以将采集到的有效肌电数据通过滤波转化为清晰波形，然后通过处理波形应用到康复、健身、VR\AR等领域，目前已经通过国家二类医疗器械质量检测。

　　“袜子”温度传感器

　　致力于糖尿病患者健康监测的创企SirenCare研发了一款智能袜子，该袜子通过温度传感器来检测患者是否出现炎症，进而实时检测糖尿病患者健康状况。与之前其它公司开发的靴子、鞋垫相比，Siren的袜子又更接近皮肤。传感器被编织到袜子中，可以随时检测足部炎症，而探测出的所有信息都会上传到智能手机上的App上，方便患者随时了解自身足部情况。

　　所有的数据都存储于袜子的传感器、手机App以及云盘中。当足部出现损伤时，袜子可以检测到高温差，然后App会发出警报，提醒患者足部出现了问题。智能袜子虽然是一款传感器可穿戴设备，但不需要经常充电。每个袜子的内置电池都充满电量，可以使用六个月。

　　贴纸传感器

　　据报道，美国研究人员开发出一种类似皮肤贴纸的柔性传感器，可监测心率和识别语音。该器件的潜在应用包括诊断病情、操纵机器人，以及在没有手柄的情况下玩电脑游戏等。例如，用户只需说出“上、下、左、右”就可控制吃豆人游戏，语音识别率可达90%。

　　据悉，这种新型传感器类似于一个小的创可贴，只有20毫米厚，213.6毫克重，具有足够的灵活性和可伸展性，可穿戴在颈部这样的人体弯曲部位。与常见的听诊器传感器相比，贴纸传感器所使用的低功率商用微型机电系统(MEMS)加速度计，被包裹在具有黏性的弹性硅胶中，穿戴性很强。

　　生物发光传感器

　　生物发光传感器其实是一种新型的研究手段，由美国范德堡大学的一组科学家通过对荧光素酶这种生物酶进行基因改造而发明出来。据研究人员介绍，这一新型传感器可用来追踪大脑中大型神经网络的内部互动情况。

　　研究小组领头人CarlJohnson教授说：“长期以来，神经系统科学家依靠电讯号纪录神经元的活动。该方式虽然能起到很好的检测效果，但却只能用于少量神经元。而我们的新方法可以使用光学技术，同时记录数百个神经元的活动。”

　　可贴式皮肤传感器

　　据报道，日本研究人员最新发明了一种廉价的像创可贴一般的集成传感器。这种创可贴集成传感器是一种可随意贴在身体上的柔性设备，能监测人体活动量、心跳次数以及紫外线强度等，可用于健康管理和物联网等领域。

　　研究人员介绍说，可贴式皮肤传感器以最新开发的印刷技术印制在薄薄的塑料膜上，与以往半导体传感器制造技术相比成本很低。从卫生角度考虑，直接贴在皮肤上的薄膜部分可一次性使用，而晶体管等较昂贵的电子部件则设计为可重复使用，兼顾了使用便利和低成本。

　　总结：

　　基于传感器在智能化时代的强大地位以及其广泛的应用领域，可以肯定未来传感器在整个智能制造领域发挥的作用是不可估量的，同时，也给了我国传感器的创新研发工作一些启示。

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