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传感器是如此奇怪的一个行业

发布时间:2020-12-14
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无论是飞驰的高铁,还是四五百吨的变压器,大国重器往往一直令人惊羡。首先从个头上,它给人以惊艳的感觉。而且单价往往也不低,一台100万千瓦的大锅炉,价值几个亿。


与此相比,传感器则是一个烦恼人的行业。作为一个被边缘化的元器件行业,它是大国装备的配件中的配件。尽管没有了它,大国重器很难动弹,但它天生就是一个配角之王,永远留在灯光之外。而要说到订单的特点,制造工艺大师也会一脸无奈,全球传感器有五万多个品种,一个工厂可能就需要生产几百个型号,而许多订单又往往都是以数千个计算,或者是只有数百个、数十个,甚至几个,典型的小批量、多品种。技术难度大,订单很复杂,价值很渺小,领域多繁杂,无疑传感器是一个苦差行业。


然而,中国制造总是要迎难而上,传感器公司需要选择自己的突破路径。


1/ 跷跷板上的艺术


以轴承行业为例,轴承润滑系统的作用非常重要。一个轴承润滑系统,会有很多的润滑管路。在那些歧路的路口,油阀分配器就起到了十字路口的交警作用,它负责将润滑油送往各自不同的旅途。但油阀分配器,只是随动机构,而非执行机构。它手里的指挥棒,就是一个执行机构,推动分配器开合。而要保持油压管路的畅通,就需要检测分配器是否执行到位,然后通知执行机构是否继续动作。这个“检测”的任务,就交给了传感器。从这个意义而言,传感器几乎是一切自动化的起点,更不要说智能了。态势感知,是人类迈向智能的最重要一环。

图1/机械的精细之美


在风电领域,面对大型风机的旋转必备品,轴承必不可少,风电行业的润滑系统也很重要。一家国际轴承企业目前主要使用的是德国品牌的传感器产品,它采用了一种霍尔原理的开关技术。但这种传感器在风电领域,有一个致命伤,那就是电磁兼容性问题解决不好。由于风电的电机扭矩很大,经常出现大电流现象,产生很强的电磁干扰。而霍尔原理属于磁性开关,本身就是检测外部电磁场变化,即使很小的磁场变化,都能感受到。但由于风电这种特殊性,这类霍尔原理开关就会经常出现偶发、误触发等现象,引发误判断。这对稳定度要求极高的风电行业造成困扰。


电感开关是另外一种选择。霍尔自身不发生磁场,靠着检测外部磁场,当外部产生叠加磁场的时候,就容易形成误判;而电感是自我发生磁场,检测自我磁场破坏的程度来判断位置。这样它就不会受外部电磁的影响,因此是不错的选择。


然而相对于场景应用而言,任何一种技术的优势都是相对的:一扇窗户打开,就得关闭另外一扇窗户。这次关闭窗户的是压力问题。风机润滑系统过高的油压,会使得电感容器的外部最常用的金属封装变形,不堪重任。所以,风机的润滑系统不选用电感原理,自是有其综合性考虑的原因。


更耐压的陶瓷封装式的电感容器,可以登场了。然而陶瓷制作加工难度和调试更困难,而且硬度比金属要高,宜科公司的团队开始挑战这种工艺。


其实传感器就是如此奇怪的一个行业,原理都公开,对谁都不保密,但工艺优化则是内功。传感器研发对技术的选择,本身永远是一个跷跷板原则,左边加半斤,右边加八两。


宜科重新平衡了这种跷跷板,在内部电路上进行优化,在滤波和信号处理下足了功夫,使得电磁兼容性的抗干扰达标。而重新设计了新工艺,采用了高强度陶瓷感应面,提升耐油压能力,外壳使用特殊工艺的消磁金属,这样的组合,终于实现了陶瓷封装,而且更加耐压。


如此的工艺求新,实在是传感器厂家必备的功夫之一,否则会一直落后于国外品牌。日本基恩士、日本横河川仪的传感器,电路板其实都并不先进,都是上世纪80年代的产品,但靠着精良的工艺,一直长销不衰。而如果一旦他们感觉到了工艺有被超越的可能性,就会迅速推出储备的第二代、第三代工艺,继续对靠近的追赶者实现确保市场份额的火线压制。这正是中国传感器迟迟很难突进到核心用户的核心场合的原因。鲜明的技术代差,犹如火力封锁线,压制着国产传感器前进的路线。


这种混合的工艺技术突破,使得宜科的陶瓷电感传感器赢得了这家轴承企业的青睐。这在风电行业润滑系统的应用,也是一个创新。


这就是传感器产业的特点。从追赶的角度来看,国外厂商已经占据了大部分阳光大道,只为中国厂商留下了很小的骨头缝,让小公司去啃食。


在测试环节中,甚至连润滑泵在加速极限测试下都被损坏,而这种电感传感器依然没有问题。这使得它终于可以突破德国品牌传感器厂商的垄断,走到前台来。


当然传感器就是这样一个精细的行业,即使工艺、电路都突破了,芯片依然很难突破,而其中的磁芯材料,依然要靠日本TDK、美国TOMITA的锰锌铁氧体。传感器的世界,细节全都要深挖精研。



2/ 光电机软,四大名捕


传感器种类如此之多,以至于各种测量原理,都会拿来被使用。光电式的激光测距传感器,也是一种常见的传感器原理。这种激光一般采用可见激光,能够看得见光点。由于激光能量高,光斑小,因此可以看的远,很适合高精度、远距离的测量。


光电式的激光测距传感器,经常使用的是三角测距法和时间飞行(TOF,所谓的“飞秒”)两种原理。前者适合短距离高精度的需求,例如3C部件的厚度检测、机加工部件的正反方向检测以防止误加工等;而后者主要适合中大距离、而且相对精度低的需求。


飞秒这种原理的设计精度,基本以米为单位。其往往用在防撞的场合上,在工厂自动化现场,许多跑来跑去的自动导轨小车AGV上往往有大量需要;还有一些特殊场景如港机,使用距离远(30米,甚至100米)的大型天车;而钢厂的温度非常高,传感器不能太近,因此也会使用这种飞秒原理的光电传感器。它的测距原理是采用时间飞行(TOF)法。相位法属于时间飞行(TOF)法的其中一种,一个波长周期,算一个完整的相位,根据发射时和接收时的相位差算出时间差,再乘以光速算出距离。听上去很炫酷,但光电激光测距开关产品的验证、测试,其实都比较复杂,国内跟国际存在很大的差距。


如果从简行事,那么就会购买全套模块,再做集成。但这种集成,往往会牺牲很多效果,因为无法预知子部件之间的匹配关系。宜科选择了一条艰难的道路,那就是将传感器尽量测分成最小单元,然后自己尽量购买器件级而非模块级产品,从掌握技术平台入手,从而摆脱对集成模块的依赖。像CMOS光学成像器件,以及光源,这是必须购买的。但激光光路,要达到精密测量的算法和光路设计,要比器件问题复杂得多。要想上台阶,企业不得不重新设计集成平台,镜架、软件等自己来做,甚至透镜,也自己开模具,提供光学参数,由透镜厂家来定制生产。有了合适的镜架,才能做出好的光学结构,而且还要有好的电路设计跟进。


然而,光电传感器是一个“四大名捕”汇聚的地方:光、电、机、软,一个也不能少。激光测距的关键,一个是结构稳定性,另外一个就是光学回路,后者跟软件算法密切相关,如补偿、响应频率等。

图2/传感器深藏其中


传感器的原理并不复杂,但要达到产品一致性,就必须解决不同使用环境下的问题。如何让CMOS处理信号能够更稳定的输出,而不产生抖动,这需要算法不断调整。正如士兵对着靶子练枪,需要大量的时间积累。


那么算法的数据来自何处?这种数据,只能出自实验台上。因此传感器工厂,需要在一个测试台上,需要多点采集、不同环境、不同被测物做产品化验证。为了达到稳定的参数优化,往往需要一百多种不同材质、颜色、反光度的场景调优。例如深色橡胶,吸光度比较大;磨砂面的手机壳,散光比较大,而且颜色不一致。这些不同的场景都能适用,最后才能形成稳定的传感器性能表现。


而这一点,正是国内最欠缺的地方。国内和国际的传感器,从样本来看,样本参数可以是一致的,但一到具体环境,就发现明显的漂移现象,说到底,还是工程数据库的积累不够。在试验台,反复做实验做出来的工程数据库,才是软件算法最需要的养料。否则,软件优化其实是不存在的。有了光机电的结合,再加上软件的优化,光电传感器才能跨上一个台阶。


在激光测距领域,两大巨头就是日本基恩士和德国Sick。中国传感器的发展,就浸没在这两座大山的阴影之下。而尾随其后的则是美国邦纳(Banner)。目前国内的一些厂家,正在形成对邦纳的对标,这是一个重要的标杆。这个地方站住了脚,才有可能向大山发起冲击。



3/ 没有逆向工程


编码器是控制部件上最常用的一种反馈传感器,将物理量转化成电信号。用在运动控制、伺服电机、电主轴等部件上,实现对运动特性进行控制。应用市场非常广泛:如机床、物流、纺织、印包、机器人等。由于在机械上的深入使用,几乎独立成为一种产品门类。


以最常见的工业母机为例,机床最核心的大脑就是数控系统,它有三个基本单元:控制器、伺服系统和检测单元。而检测单元,正是要靠编码器之类决定测量精度的器件,它就像哨兵的眼睛,指到哪里,执行电机就会走到哪里。编码器,需要和伺服系统、控制器,都要有很好的参数配比要求。


编码器主要有两条技术路线,一个是德国,一个是日本。编码器最早在德国机床上使用,海德汉正是代表性品牌。日本也有一套技术方案,以多摩川为代表。一个高端、一个中端,二者牢牢地把控着市场。欧美其他厂家和中国厂家则采用了介于这两者之间的技术路线和体系架构。而海德汉、多摩川,则是中国编码器市场上的两座山。


宜科和中国出货量最大的数控系统厂商广州数控,有着十多年的密切合作,从而可以使得产品工艺不断优化。随着广州数控的不断升级,编码器也在升级,从增量型,走向绝对值。增量型编码器容易有累积误差,而且有上限精度的限制。而绝对值多圈编码器,则可以达到精确到达位置。这就需要对客户需求进行解析,寻找差异化方案的验证。


编码器的制作,主要体现在制造工艺的复杂性。如信号生成和处理的芯片,码盘都需要进口;而制造商则需要自己设计电路,将芯片的应用方案,解析成产品,然后通过合适的工艺来完成制造。编码器的组成部分,主要包括发光管,码盘和接收器等。这三者的距离,都是有紧密的耦合关系。这之间的距离控制,并没有一个明确的标准。全靠反复的测试,对数据分析,才能找到距离的最优值。


这是一个机电光的紧密结合,机械部分要适应高速、高温度的条件下,仍然保持机械精度、材质的选择、部件加工的加工控制。而光学设计则都需要做试验,这一块必须正向做试验。因为国外进口的光学码盘,都是加密的,就像一个密码,外部看不出来眉目,无法逆向研发。而电气部分,尤其是总线式编码器,需要各种总线协议的接口。而最后,则需要将这三个部分,装配起来,并且保证精度。


这是一个连锁性的突围,高端机床会带动高档数控系统的需求;然后到编码器的升级,进一步带动蚀刻机装备的发展。而要真正看一个国产化示范的项目,要从国产设备,下沉到国产数控,再到国产编码器,至少三层皮,才算是切到了国产化的全部脉动。这是一个漫长的过程。



4/ 四处去突围


传感器无处不在,每个领域每个行业,都需要厂商去拼刺刀,硬核突破,而很难做到全面突围。这需要每个传感器厂家,都能找到自己的绝活。


在环卫车上能够抵抗瞬时大电流和腐蚀的传感器,也都是痛点所在。由于市场太小,国外传感器有时候并不愿意定制,这也给国产品牌商留下了巴掌大的机会。而每一个机会,都需要全力而为。


传感器的许多使用环境都非常恶劣。例如用于机器人的防火花喷溅的传感器,既是易损耗品,又处于环境恶劣之地。电流焊接过程中,电火花属于强电强磁,产生交变磁场,在点焊时候能达到1.2万安培以上,要求传感器的抗干扰能力很强。而用于汽车焊接领域的夹紧气缸的一家德国生产厂家,正在将德国传感器品牌,切换成国产品牌。这是一个良好的开端。


机床加工,会产生大量热量,对普通的电感传感器有很大的干扰。这种执行限位传感器,一般采用焊接和组件封装的方式,前塞、金属外壳的膨胀系数不同,往往会导致传感器发生性能失效。值得一提的是机床用的润滑油。跟水的性质不同,润滑油的渗透率很强,往往会渗入电路板,造成传感器故障。而今,传感器经过一体化的设计,不再采用焊接方式就解决了高密封性和膨胀系数的问题。可以看到,这些都不是技术难度,而是工艺悟性。而最重要的就是电路优化处理和制造工艺,保证一致性。传感器虽小,但它却是制造能力的一把标尺。



5/ 小记:从集成创新走向器件创新


中国的大装备取得了令人瞩目的发展,例如振华港机、二重集团的1000MW核承压设备等。然而,如果缺乏对零部件的关注,许多集成商很容易沦为核心器件商的打工者。这种现象也发生在欧洲,德国。很多系统集成商的市场份额正在下滑,而零部件厂商的市场份额则在上升。


中国需要从集成创新,走向器件创新的时代。而国内鼓励国产货的大气候也在变好。汽车行业最为明显,以前合资工厂的电控系统,设计方案都是国外定制,几乎无法改动。而现在中国决策的自主权变大,国内产品也有了更大的余度。无论是产线上的改进,还是零部件的选配,都有了新的机会。


这是一个国运时刻,正值中国制造顺着价值链条向上爬升的阶段,正好可以从上到下、从大到小,逐一审视价值链的各个产品。而传感器首当其冲作为一个装备的配角之王,它的价值被严重低估。此一刻,正是让传感器大放异彩的关键节点。




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