本文對智能傳感器的原理及應用做了全景式介紹，指出值得關注的智能傳感器應用在智能製造中的投資機遇。建議在WIFI環境下閱讀。
愛就投研究院不定期選擇公開行業研究成果，願與各行業實際從業者和投資人分享、交流關於創業、創新機會的洞見。
一．什麼是智能傳感器？
傳感器（Transducer / Sensor）是能感受被測量，並按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器是由敏感元件和轉換元件組成，敏感元件感知被測量的物理或化學特性；轉換元件將敏感元件輸出的微弱信號調製/放大，輸出數據。
隨著集成技術的進步，傳感器逐步發展為微型化、多功能化、無線網絡化的智能傳感器（Samrt / Intelligent sensor）。智能傳感器兼具多個傳感器的檢測功能與微處理器的信息處理功能，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能。
圖1
從結構上，智能傳感器可分為非集成式、集成式智能傳感器。
圖1為典型的非集成式智能傳感器構成框圖，見於《科技論壇》雜誌。非集成式智能傳感器由多個相互獨立的模塊組成，包括多個傳感器、微處理器，以及其他電路如電源、傳感器數據表、ADC（模擬數字轉換器，Analog to Digital Converter）信號濾波放大、多路開關、數據交換模塊、D/A（數模轉換器，Digital to Analog）、控制模塊、外部網絡接口模塊、數據採集模塊和PROM（可編程只讀存儲器， Programmable Read-Only Memory）傳感器特性參數漂移、校正、補償。
集成式智能傳感器是在同一硅片上集成多個敏感器件與微處理器、信號處理電路，通常為三維立體結構。
二．目前有哪些公認的智能傳感器？
目前公認的智能傳感器如多功能傳感器、3D智能傳感器，隨著消費需求的帶動，率先應用在了消費電子、汽車電子和醫療電子領域。
圖2
多功能傳感器是指將多種檢測功能集合於一體的傳感器。圖2是Loop Labs公司於2015年在美國Kickstarter上發起眾籌的智能傳感器notion。這個不到手掌大小的notion可以感測溫度、加速度、自然頻率、光、運動、聲音、距離、水八種信號，並可通過無線網將信息傳輸到手機上。目前notion主要應用於智能家居領域。
Notion集成了7種傳感器：加速度計（Accelerometer）、環境光傳感器（Ambient light sensor）、陀螺儀（Gyroscope）、溫度傳感器（Temperature sensor）、壓電式轉換器（Piezoelectrictransducer）、近距離傳感器（Proximity sensor）、水洩漏探測器（Water leak probes）。與notion類似的智能傳感器有Quiky公司與GE（通用電氣）共同研發的 Spotter、三星的SmartThings。
3D智能傳感器（也被稱為3D攝像頭、深度攝像頭）是指可以同時獲取二維影像信息和三維深度/位置資訊的智能傳感器，在體感遊戲機、筆記本電腦、手機等消費電子、自動駕駛汽車、醫療電子領域已有應用。
圖3
如圖3，目前3D智能傳感器主要有三類主流技術：結構光、雙目立體成像和TOF（Time of Flight，光飛行時間）。
圖4
圖4是2015年IDF（英特爾信息技術峰會）大會上Intel發佈的實感計算（RealSense）近距離3D攝像頭的構成圖。採用結構光技術，集成了紅外傳感器（IR Sensor）、色彩傳感器（Color Sensor）、紅外激光發射器（IR Laser Projector）、實感圖像處理器（RealSense ImagingProcessor）。
其原理是紅外激光發射器發射光源，經衍射光柵（DOE）/光學稜鏡（Lens），向空間投影預定圖像（光斑/條紋），紅外傳感器獲取反射回來的圖案，與原來投影圖案對比，經實感圖像處理器測算出深度信息。結合色彩傳感器捕捉的色彩像素值，從而輸出三維深度圖像。
結構光技術是較為成熟的深度檢測方案，特點是受光線影響較大，精確度和算法難度中等，硬件成本較高。蘋果收購的Prime Sense和我國的奧比中光均是採用結構光技術。
圖5
圖5是Intel的遠距離3D攝像頭，比近距離3D攝像頭多了一個紅外傳感器。由於物體與攝像頭距離越遠，反射回來的圖案與原始圖案偏離的也越遠，因此遠距離的3D攝像頭採用兩個分散在兩端的紅外傳感器。左右兩個紅外傳感器獲得的影像存在相位差，實感圖像處理器通過對比計算兩個影像差，輸出三維深度圖像。兩個紅外傳感器與人的兩隻眼睛類似，該技術也被稱為雙目立體成像。
雙目立體成像技術需要目標具有良好的特徵變化，其特點是強光環境成像良好、精確度低、硬件成本高、算法難度高。目前Peap MoTion和我國的圖漾公司都採用這一技術。
圖6
採用TOF（光飛行時間）技術的代表企業有：德州儀器、微軟的第二代Kinect、意法半導體、PMD、英飛凌和我國的樂行天下。TOF的原理是通過給目標物連續發送光脈衝，然後用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈衝的飛行（往返）時間來計算目標物距離，得到深度影像。
圖6是德州儀器的TOF技術構成圖，光源（IR LED / IR Laser）發射連續光脈衝，光傳感器（OPT8241）控制光源發射、接收和處理反射光，並將原始數據逐步輸出（Digital raw phase out）給TOF控制器（OPT9221）。TOF控制器負責整個系統時序和控制（Timing and control），並把原始數字相位信息處理並輸出景深數據。需外配DDR（資料定向寄存器，Data Direction Register）。光源（LED 或Laser）發熱較大，需要TMP103 溫度傳感器監測溫度給OPT9221 以作系統溫度校正。除了電子元器件，還需要接收反射光的透鏡，調整鏡頭焦距來決定測量目標的遠近。
TOF技術的特點是對光環境敏感度低，精確度高、硬件成本中等，算法難度低。TOF深度計算不受物體表麵灰度和特徵影響，可以非常準確的進行三維探測，且精度不隨距離改變而變化，對於大範圍運動的應用場景非常有意義。
3D攝像頭目前已有應用在電腦、平板等消費電子和汽車電子產品上。美國權威諮詢機構Cowen and Company預測蘋果可能會在2017年的iPhone8上集成3D傳感器。3D傳感器進一步與激光雷達配合，可以實現對路況的實時監測，是自動駕駛實現的關鍵傳感器。
三．智能傳感器對於智能製造有什麼價值？
智能製造（Intelligent Manufacturing）是製造業生產活動的智能化升級（工業4.0）。對於單個企業，智能化升級是要使研發、採購、生產、銷售的每一個環節數據都實現可精確追蹤、分析；對於整個製造業，通過企業間供應鏈數據共享、分析，實現整體資源最優化配置。
圖7
以傳統的製造業質量管理流程為例，通常是人工取樣檢測，以研發人員制定的性能指標（Specification，Spec）區間為參考，偏離Spec樣品所對應的該批次產品均需進入待檢區。待研發中心技術人員再次性能評估後，再進一步確定產品是返工、作為次品降價出售，或是直接報廢。從生產線上工人取樣、檢測，到研發人員確認分析，再到產品處理、質量偏離指標原因分析，整個週期長，有時甚至需要停產排查故障。縮短質量管理週期，提升質量管理效率，是工廠降低運營成本、提高生產效率的關鍵因素。
在質量管理流程中，傳感器是所有數據的採集端口。傳統工業用的傳感器如壓力計、流量儀表、溫/溼度計等這類儀器儀表，已廣泛應用於機械製造、能源化工、電子信息、紡織、醫藥、食品等領域的製造過程中。但傳統的傳感器通常功能單一，如溫度計只能測量溫度、粘度計只能測量黏度，硬度儀只能測量硬度；體積較大，如觀察表面結構的顯微鏡、掃描電鏡。大部分質量參數都需要人工抽樣檢測，如流體黏度、物品硬度、表面光潔度、氣味、組分、顏色，無法在線、快速檢測產品質量。
製造業智能化升級是我國經濟轉型升級的主要方向，目前軟件、系統已初步完善，而智能傳感器是智能製造最大的短板。智能傳感器可以同時檢測多個參數，在工業製造中，可提高檢測速度，甚至在線檢測。通過無線聯網，可讓研發人員實時監控生產線上的產品質量情況，縮短異常批次處理週期。智能傳感器的應用，有助於跨越式的提高生產效率，提升產品質量穩定性，減少質量管理週期，降低勞動、生產成本。
視頻為德國易福門IFM公司關於3D智能傳感器（3D Smart Sensor）在工業中的應用介紹。該3D智能傳感器採用TOF技術，可以在瞬間檢測到物體的色彩、深度信息，輸出三維空間圖像。通過體積、距離及料位三維空間檢測，可精確算出物體的不同形態，為辨別物體存在、完整性、位置及質量控制，以及對物體分類和計數提供了快速的在線解決方案。
四．我國智能傳感器產業現狀和投資機遇如何？
智能傳感器是萬物互聯的基礎，目前在消費電子、汽車電子和醫療電子領域的應用已備受資本關注。隨著全球工業4.0的到來和我國對智能製造的規劃，智能傳感器在製造業的應用將可能迎來新的增長。
圖8
我國傳感器企業在2000年前後開始崛起，現已超過百家。圖8對我國傳感器行業內的十六家代表企業進行梳理，目前智能傳感器主要由消費電子、汽車電子和通信電子的需求帶動。隨著智能製造概念興起，國家先後發佈《中國製造2025》、《智能製造發展規劃（2016—2020）》、《“十三五”先進製造技術領域科技創新專項規劃》，相信未來智能傳感器在智能製造領域將迎來跨越式增長。
圖9
圖9進一步梳理了傳感器代表企業的基本資料。我國傳感器行業中，民營企業已經崛起。消費電子領域的代表企業，歌爾股份主營MEMS麥克風傳感器,2014年以5000萬美元收購丹麥音響製造商丹拿，現成為全球第二大MEMS麥克風供應商；工業傳感器領域的大華股份，今年5月25日發佈的智能雲存儲，一站式融合了雲存儲、雲識別、大數據、雲計算、智能化，集直播、點播、智能播放功能於一體，可支持數據節點、視頻圖像結構化實時智能分析、摘要搜索的大數據服務能力，推動了視頻物聯網的發展。
參考資料：
[1] 論文：井雲鵬，智能傳感器的應用與發展趨勢展望。
[2] Notion: Be home, even when you’re not.
網址：https://www.kickstarter.com/projects/notion/notion-be-home-even-when-youre-not
[3] Smart sensor for new industrial functionnalitiesand opportunities.
網址：https://www.qubes.com/smart-industry/industry-of-future/smart-sensor/
[4] Democratization of Innovation_RealSense andAssistive Technologies, Robert Cooksey, RealSense Design Lead, mEnabling Summit2015.
[5] 德州儀器，3D ToF 三維場景距離（景深）測量系統簡介。
[6] 書籍：《製造業傳感器》，[德] H. K. 屯肖夫，[日] I. 稻崎。
[7] 德國易福門IFM公司官網。
本文由愛就投行業研究部出品，轉載請註明出處。