要說在這個工業4.0時代“混得”最好的是那個行業，首當其沖要數傳感器行業。傳感器是邁入智能制造的連接點，是數據的采集入口，是物聯網、智能設備等的“心臟”，也是這一場智能化轉型升級大潮的主力軍，在未來企業智能化生產中發揮特殊的作用。

在工業4.0這個大舞臺傳感器開始爆發式的增長，應用領域全面開花，各類新型應用也是層出不窮，諸如人工光傳感器、小型肌電傳感器、貼紙傳感器等等。

傳感器在工業4.0時代能發揮什么作用

“工業4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組。

“工業4.0”旨在通過充分利用信息通信技術和網絡空間虛擬系統相結合的手段，推進信息技術與制造業深度融合，促使工業領域的設備、生產與系統以網絡化的形式向互聯網邁進，將制造業向智能化轉型。“工業4.0”之所以備受矚目，就在于它形成一個智能網絡，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯互通，實現橫向、縱向的全價值鏈集成。生產的每一領域都被賦予了“智慧”。

在這些互聯互通的過程中，通訊協議處在了至關重要的位置上。在歷史上，曾經出現了若干種現場通訊協議，但大多數協議存在一些固有問題，大大限制了現代工業對實時性，高動態性的需求。

在現代自動化生產中，Ethernet技術逐漸取代第一代現場總線已經成為一種趨勢。因此，德國米銥公司將實時Ethernet技術集成到眾多位移傳感器和控制器中。不同于傳統總線系統，Ethernet通訊協議安裝更為簡單快捷。

源于Ethernet更高的帶寬和實時通訊功能，采用這種技術的傳感器可以實現高速數據傳輸，方便測量數據的讀取和分析，且允許隨時隨地對傳感器進行設置。與傳統模擬量信號輸出不同，Ethernet通訊不受由于輸出電路接地不良，插頭電阻質量問題帶來的噪音影響，源于其采用數字量數據傳輸，即使很長的傳感器電纜也不會導致信號衰減。

此外，現代制造過程要求更加高速，更加自動化。因此要求傳感器滿足更加快速和動態的測量。作為高精密測量領域的領導者，德國米銥公司正在致力于提供更多可以滿足未來工業需求的精密傳感器和測量系統。

近些年來，EtherCAT通訊協議已經成為市場中的標準通訊協議，可以為自動化生產提供更加可靠的實時性。基于此，德國米銥公司已經開發出了若干系列傳感器和測量系統，采用EtherCAT協議，使它們可以無縫集成到現有的控制系統和自動化網絡內什么是EtherCAT？

EtherCAT完全兼容Ethernet，是真正意義上開放的通訊標準。不僅如此，EtherCAT技術還克服了其他Ethernet協議通訊方式所固有的限制。Ethernet數據包不再需要在每次連接時，都完成接收，譯碼和復制的過程。替代這種傳統方式的Ethernet框架被稱為“飛速寫入”模式。最新開發出的FMMU(現場總線記憶管理)單元，被集成到每一個從屬節點中，讀取發送給它的數據。于此同時，電文不會停止，而是繼續傳送給下一個設備或傳感器。與此類似，輸入數據錄入的同時，電文會繼續傳輸。這意味著通訊僅會存在幾個納秒的延遲。

在主機端，可以采用經濟型標準網絡接口卡(NIC)，或者任何便攜Ethernet控制器都可以作為硬件接口使用。這種接口可以滿足數據通過直接內存訪問(DMA)方式傳輸到PC端。也就是說，網絡訪問不再占用CPU資源。

EtherCAT可以提供更高的網絡性能。源于從屬節點中的FMMU單元和主機中的直接內存訪問技術，整個通訊過程都發生在硬件中，從而不受協議堆棧運行時間，CPU性能和軟件運行的限制。

在工業自動化環境中，精確的同步功能至關重要。對于需要坐標同步移動和多傳感器測量時，同步功能更為重要。為了實現精確同步，就需要實現精準的時鐘校準。完全同步通訊中，同步質量會受到通訊錯誤的直接影響。時鐘校準必須考慮由于通訊系統錯誤導致的延遲。

而使用EtherCAT協議通訊時，數據交換完全基于主機和從機硬件時鐘。每一個時鐘可以簡單而精準地決定其他時鐘的運行時間偏移，原因是通訊過程使用了符合邏輯和全雙工的Ethernet環形物理結構。分布式時鐘可以基于這種時間偏移被調節，這意味著整個通訊網絡可以基于遠小于1微秒的時間節拍。

延伸：智能化時代傳感器應用盤點

人工光傳感器

近年來，在生物能源相關物質及醫藥品的生產等領域，使用生物的“生物工藝”變得愈發重要，可利用光合作用生產多種物質的藍綠藻的能力備受關注。11月24，東京農工大學宣布，其通過對源自藍綠藻的光傳感器蛋白質實施改造，成功開發出了以紅色光誘導基因表達的“人工光傳感器”。

此次研究成果以利用DNA重組技術設計、創造具有全新功能的生物這一“合成生物學”理念為基礎。通過將此次獲得成功的、使利用光的基因表達控制功能發生改變的技術應用到藍綠藻等可生產有用物質的微生物中，有望使具有高功能的新型生物工藝的開發得到迅速推進。

小型肌電傳感器

傳感器因其處在采集數據的最前哨，在醫療健康領域一直是個重要角色。上海丞電科技有限公司研發的小型肌電傳感器已成功應用在了康復醫療和仿生義肢，未來更會拓展到VR/AR，體育健身，人體外骨骼等朝陽產業中。

上海丞電自主研發的肌電傳感器是一種電荷傳感器，具有采樣率高，抗干擾能力強，濾波效果好的特點。其核心算法可以將采集到的有效肌電數據通過濾波轉化為清晰波形，然后通過處理波形應用到康復、健身、VR\AR等領域，目前已經通過國家二類醫療器械質量檢測。

“襪子”溫度傳感器

致力于糖尿病患者健康監測的創企SirenCare研發了一款智能襪子，該襪子通過溫度傳感器來檢測患者是否出現炎癥，進而實時檢測糖尿病患者健康狀況。與之前其它公司開發的靴子、鞋墊相比，Siren的襪子又更接近皮膚。傳感器被編織到襪子中，可以隨時檢測足部炎癥，而探測出的所有信息都會上傳到智能手機上的App上，方便患者隨時了解自身足部情況。

所有的數據都存儲于襪子的傳感器、手機App以及云盤中。當足部出現損傷時，襪子可以檢測到高溫差，然后App會發出警報，提醒患者足部出現了問題。智能襪子雖然是一款傳感器可穿戴設備，但不需要經常充電。每個襪子的內置電池都充滿電量，可以使用六個月。

貼紙傳感器

據報道，美國研究人員開發出一種類似皮膚貼紙的柔性傳感器，可監測心率和識別語音。該器件的潛在應用包括診斷病情、操縱機器人，以及在沒有手柄的情況下玩電腦游戲等。例如，用戶只需說出“上、下、左、右”就可控制吃豆人游戲，語音識別率可達90%。

據悉，這種新型傳感器類似于一個小的創可貼，只有20毫米厚，213.6毫克重，具有足夠的靈活性和可伸展性，可穿戴在頸部這樣的人體彎曲部位。與常見的聽診器傳感器相比，貼紙傳感器所使用的低功率商用微型機電系統(MEMS)加速度計，被包裹在具有黏性的彈性硅膠中，穿戴性很強。

生物發光傳感器

生物發光傳感器其實是一種新型的研究手段，由美國范德堡大學的一組科學家通過對熒光素酶這種生物酶進行基因改造而發明出來。據研究人員介紹，這一新型傳感器可用來追蹤大腦中大型神經網絡的內部互動情況。

研究小組領頭人CarlJohnson教授說：“長期以來，神經系統科學家依靠電訊號紀錄神經元的活動。該方式雖然能起到很好的檢測效果，但卻只能用于少量神經元。而我們的新方法可以使用光學技術，同時記錄數百個神經元的活動。”

可貼式皮膚傳感器

據報道，日本研究人員最新發明了一種廉價的像創可貼一般的集成傳感器。這種創可貼集成傳感器是一種可隨意貼在身體上的柔性設備，能監測人體活動量、心跳次數以及紫外線強度等，可用于健康管理和物聯網等領域。

研究人員介紹說，可貼式皮膚傳感器以最新開發的印刷技術印制在薄薄的塑料膜上，與以往半導體傳感器制造技術相比成本很低。從衛生角度考慮，直接貼在皮膚上的薄膜部分可一次性使用，而晶體管等較昂貴的電子部件則設計為可重復使用，兼顧了使用便利和低成本。

總結：

基于傳感器在智能化時代的強大地位以及其廣泛的應用領域，可以肯定未來傳感器在整個智能制造領域發揮的作用是不可估量的，同時，也給了我國傳感器的創新研發工作一些啟示。

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