無論是飛馳的高鐵，還是四五百噸的變壓器，大國重器往往一直令人驚羨。首先從個(gè)頭上，它給人以驚艷的感覺。而且單價(jià)往往也不低，一臺(tái)100萬千瓦的大鍋爐，價(jià)值幾個(gè)億。與此相比，傳感器則是一個(gè)煩惱人的行業(yè)。作為一個(gè)被邊緣化的元器件行業(yè)，它是大國裝備的配件中的配件。盡管沒有了它，大國重器很難動(dòng)彈，但它天生就是一個(gè)配角之王，永遠(yuǎn)留在燈光之外。而要說到訂單的特點(diǎn)，制造工藝大師也會(huì)一臉無奈，全球傳感器有五萬多個(gè)品種，一個(gè)工廠可能就需要生產(chǎn)幾百個(gè)型號，而許多訂單又往往都是以數(shù)千個(gè)計(jì)算，或者是只有數(shù)百個(gè)、數(shù)十個(gè)，甚至幾個(gè)，典型的小批量、多品種。技術(shù)難度大，訂單很復(fù)雜，價(jià)值很渺小，領(lǐng)域多繁雜，無疑傳感器是一個(gè)苦差行業(yè)。
然而，中國制造總是要迎難而上，傳感器公司需要選擇自己的突破路徑。
蹺蹺板上的藝術(shù)
以軸承行業(yè)為例，軸承潤滑系統(tǒng)的作用非常重要。一個(gè)軸承潤滑系統(tǒng)，會(huì)有很多的潤滑管路。在那些歧路的路口，油閥分配器就起到了十字路口的交警作用，它負(fù)責(zé)將潤滑油送往各自不同的旅途。但油閥分配器，只是隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，而非執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它手里的指揮棒，就是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，推動(dòng)分配器開合。而要保持油壓管路的暢通，就需要檢測分配器是否執(zhí)行到位，然后通知執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否繼續(xù)動(dòng)作。這個(gè)“檢測”的任務(wù)，就交給了傳感器。從這個(gè)意義而言，傳感器幾乎是一切自動(dòng)化的起點(diǎn)，更不要說智能了。態(tài)勢感知，是人類邁向智能的最重要一環(huán)。
圖1 機(jī)械的精細(xì)之美
在風(fēng)電領(lǐng)域，面對大型風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)必備品，軸承必不可少，風(fēng)電行業(yè)的潤滑系統(tǒng)也很重要。一家國際軸承企業(yè)目前主要使用的是德國品牌的傳感器產(chǎn)品，它采用了一種霍爾原理的開關(guān)技術(shù)。但這種傳感器在風(fēng)電領(lǐng)域，有一個(gè)致命傷，那就是電磁兼容性問題解決不好。由于風(fēng)電的電機(jī)扭矩很大，經(jīng)常出現(xiàn)大電流現(xiàn)象，產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。而霍爾原理屬于磁性開關(guān)，本身就是檢測外部電磁場變化，即使很小的磁場變化，都能感受到。但由于風(fēng)電這種特殊性，這類霍爾原理開關(guān)就會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)偶發(fā)、誤觸發(fā)等現(xiàn)象，引發(fā)誤判斷。這對穩(wěn)定度要求極高的風(fēng)電行業(yè)造成困擾。
電感開關(guān)是另外一種選擇。霍爾自身不發(fā)生磁場，靠著檢測外部磁場，當(dāng)外部產(chǎn)生疊加磁場的時(shí)候，就容易形成誤判；而電感是自我發(fā)生磁場，檢測自我磁場破壞的程度來判斷位置。這樣它就不會(huì)受外部電磁的影響，因此是不錯(cuò)的選擇。
然而相對于場景應(yīng)用而言，任何一種技術(shù)的優(yōu)勢都是相對的：一扇窗戶打開，就得關(guān)閉另外一扇窗戶。這次關(guān)閉窗戶的是壓力問題。風(fēng)機(jī)潤滑系統(tǒng)過高的油壓，會(huì)使得電感容器的外部最常用的金屬封裝變形，不堪重任。所以，風(fēng)機(jī)的潤滑系統(tǒng)不選用電感原理，自是有其綜合性考慮的原因。
更耐壓的陶瓷封裝式的電感容器，可以登場了。然而陶瓷制作加工難度和調(diào)試更困難，而且硬度比金屬要高，宜科公司的團(tuán)隊(duì)開始挑戰(zhàn)這種工藝。其實(shí)傳感器就是如此奇怪的一個(gè)行業(yè)，原理都公開，對誰都不保密，但工藝優(yōu)化則是內(nèi)功。傳感器研發(fā)對技術(shù)的選擇，本身永遠(yuǎn)是一個(gè)蹺蹺板原則，左邊加半斤，右邊加八兩。
宜科重新平衡了這種蹺蹺板，在內(nèi)部電路上進(jìn)行優(yōu)化，在濾波和信號處理下足了功夫，使得電磁兼容性的抗干擾達(dá)標(biāo)。而重新設(shè)計(jì)了新工藝，采用了高強(qiáng)度陶瓷感應(yīng)面，提升耐油壓能力，外殼使用特殊工藝的消磁金屬，這樣的組合，終于實(shí)現(xiàn)了陶瓷封裝，而且更加耐壓。
如此的工藝求新，實(shí)在是傳感器廠家必備的功夫之一，否則會(huì)一直落后于國外品牌。日本基恩士、日本橫河川儀的傳感器，電路板其實(shí)都并不先進(jìn)，都是上世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，但靠著精良的工藝，一直長銷不衰。而如果一旦他們感覺到了工藝有被超越的可能性，就會(huì)迅速推出儲(chǔ)備的第二代、第三代工藝，繼續(xù)對靠近的追趕者實(shí)現(xiàn)確保市場份額的火線壓制。這正是中國傳感器遲遲很難突進(jìn)到核心用戶的核心場合的原因。鮮明的技術(shù)代差，猶如火力封鎖線，壓制著國產(chǎn)傳感器前進(jìn)的路線。
這種混合的工藝技術(shù)突破，使得宜科的陶瓷電感傳感器贏得了這家軸承企業(yè)的青睞。這在風(fēng)電行業(yè)潤滑系統(tǒng)的應(yīng)用，也是一個(gè)創(chuàng)新。這就是傳感器產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)。從追趕的角度來看，國外廠商已經(jīng)占據(jù)了大部分陽光大道，只為中國廠商留下了很小的骨頭縫，讓小公司去啃食。在測試環(huán)節(jié)中，甚至連潤滑泵在加速極限測試下都被損壞，而這種電感傳感器依然沒有問題。這使得它終于可以突破德國品牌傳感器廠商的壟斷，走到前臺(tái)來。
當(dāng)然傳感器就是這樣一個(gè)精細(xì)的行業(yè)，即使工藝、電路都突破了，芯片依然很難突破，而其中的磁芯材料，依然要靠日本TDK、美國TOMITA的錳鋅鐵氧體。傳感器的世界，細(xì)節(jié)全都要深挖精研。
光電機(jī)軟，四大名捕
傳感器種類如此之多，以至于各種測量原理，都會(huì)拿來被使用。光電式的激光測距，也是一種常見的傳感器原理。這種激光一般采用可見激光，能夠看得見光點(diǎn)。由于激光能量高，光斑小，因此可以看的遠(yuǎn)，很適合高精度、遠(yuǎn)距離的測量。
光電式的激光測距，經(jīng)常使用的是三角測距法和時(shí)間飛行(TOF，所謂的“飛秒”)兩種原理。前者適合短距離高精度的需求，例如3C部件的厚度檢測、機(jī)加工部件的正反方向檢測以防止誤加工等；而后者主要適合中大距離、而且相對精度低的需求。
飛秒這種原理的設(shè)計(jì)精度，基本以米為單位。其往往用在防撞的場合上，在工廠自動(dòng)化現(xiàn)場，許多跑來跑去的自動(dòng)導(dǎo)軌小車AGV上往往有大量需要；還有一些特殊場景如港機(jī)，使用距離遠(yuǎn)（30米，甚至100米）的大型天車；而鋼廠的溫度非常高，傳感器不能太近，因此也會(huì)使用這種飛秒原理的光電傳感器。它的測距原理是采用時(shí)間飛行（TOF)法。相位法屬于時(shí)間飛行(TOF)法的其中一種，一個(gè)波長周期，算一個(gè)完整的相位，根據(jù)發(fā)射時(shí)和接收時(shí)的相位差算出時(shí)間差，再乘以光速算出距離。聽上去很炫酷，但光電激光測距開關(guān)產(chǎn)品的驗(yàn)證、測試，其實(shí)都比較復(fù)雜，國內(nèi)跟國際存在很大的差距。
如果從簡行事，那么就會(huì)購買全套模塊，再做集成。但這種集成，往往會(huì)犧牲很多效果，因?yàn)闊o法預(yù)知子部件之間的匹配關(guān)系。宜科選擇了一條艱難的道路，那就是將傳感器盡量測分成最小單元，然后自己盡量購買器件級而非模塊級產(chǎn)品，從掌握技術(shù)平臺(tái)入手，從而擺脫對集成模塊的依賴。像CMOS光學(xué)成像器件，以及光源，這是必須購買的。但激光光路，要達(dá)到精密測量的算法和光路設(shè)計(jì)，要比器件問題復(fù)雜得多。要想上臺(tái)階，企業(yè)不得不重新設(shè)計(jì)集成平臺(tái)，鏡架、軟件等自己來做，甚至透鏡，也自己開模具，提供光學(xué)參數(shù)，由透鏡廠家來定制生產(chǎn)。有了合適的鏡架，才能做出好的光學(xué)結(jié)構(gòu)，而且還要有好的電路設(shè)計(jì)跟進(jìn)。
然而，光電傳感器是一個(gè)“四大名捕”匯聚的地方：光、電、機(jī)、軟，一個(gè)也不能少。激光測距的關(guān)鍵，一個(gè)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，另外一個(gè)就是光學(xué)回路，后者跟軟件算法密切相關(guān)，如補(bǔ)償、響應(yīng)頻率等。
圖2 傳感器深藏其中
傳感器的原理并不復(fù)雜，但要達(dá)到產(chǎn)品一致性，就必須解決不同使用環(huán)境下的問題。如何讓CMOS處理信號能夠更穩(wěn)定的輸出，而不產(chǎn)生抖動(dòng)，這需要算法不斷調(diào)整。正如士兵對著靶子練槍，需要大量的時(shí)間積累。
那么算法的數(shù)據(jù)來自何處？這種數(shù)據(jù)，只能出自實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。因此傳感器工廠，需要在一個(gè)測試臺(tái)上，需要多點(diǎn)采集、不同環(huán)境、不同被測物做產(chǎn)品化驗(yàn)證。為了達(dá)到穩(wěn)定的參數(shù)優(yōu)化，往往需要一百多種不同材質(zhì)、顏色、反光度的場景調(diào)優(yōu)。例如深色橡膠，吸光度比較大；磨砂面的手機(jī)殼，散光比較大，而且顏色不一致。這些不同的場景都能適用，最后才能形成穩(wěn)定的傳感器性能表現(xiàn)。
而這一點(diǎn)，正是國內(nèi)最欠缺的地方。國內(nèi)和國際的傳感器，從樣本來看，樣本參數(shù)可以是一致的，但一到具體環(huán)境，就發(fā)現(xiàn)明顯的漂移現(xiàn)象，說到底，還是工程數(shù)據(jù)庫的積累不夠。在試驗(yàn)臺(tái)，反復(fù)做實(shí)驗(yàn)做出來的工程數(shù)據(jù)庫，才是軟件算法最需要的養(yǎng)料。否則，軟件優(yōu)化其實(shí)是不存在的。有了光機(jī)電的結(jié)合，再加上軟件的優(yōu)化，光電傳感器才能跨上一個(gè)臺(tái)階。
在激光測距領(lǐng)域，兩大巨頭就是日本基恩士和德國Sick。中國傳感器的發(fā)展，就浸沒在這兩座大山的陰影之下。而尾隨其后的則是美國邦納（Banner）。目前國內(nèi)的一些廠家，正在形成對邦納的對標(biāo)，這是一個(gè)重要的標(biāo)桿。這個(gè)地方站住了腳，才有可能向大山發(fā)起沖擊。
沒有逆向工程
編碼器是控制部件上最常用的一種反饋傳感器，將物理量轉(zhuǎn)化成電信號。用在運(yùn)動(dòng)控制、伺服電機(jī)、電主軸等部件上，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行控制。應(yīng)用市場非常廣泛：如機(jī)床、物流、紡織、印包、機(jī)器人等。由于在機(jī)械上的深入使用，幾乎獨(dú)立成為一種產(chǎn)品門類。
以最常見的工業(yè)母機(jī)為例，機(jī)床最核心的大腦就是數(shù)控系統(tǒng)，它有三個(gè)基本單元：控制器、伺服系統(tǒng)和檢測單元。而檢測單元，正是要靠編碼器之類決定測量精度的器件，它就像哨兵的眼睛，指到哪里，執(zhí)行電機(jī)就會(huì)走到哪里。編碼器，需要和伺服系統(tǒng)、控制器，都要有很好的參數(shù)配比要求。
編碼器主要有兩條技術(shù)路線，一個(gè)是德國，一個(gè)是日本。編碼器最早在德國機(jī)床上使用，海德漢正是代表性品牌。日本也有一套技術(shù)方案，以多摩川為代表。一個(gè)高端、一個(gè)中端，二者牢牢地把控著市場。歐美其他廠家和中國廠家則采用了介于這兩者之間的技術(shù)路線和體系架構(gòu)。而海德漢、多摩川，則是中國編碼器市場上的兩座山。
宜科和中國出貨量最大的數(shù)控系統(tǒng)廠商廣州數(shù)控，有著十多年的密切合作，從而可以使得產(chǎn)品工藝不斷優(yōu)化。隨著廣州數(shù)控的不斷升級，編碼器也在升級，從增量型，走向絕對值。增量型編碼器容易有累積誤差，而且有上限精度的限制。而絕對值多圈編碼器，則可以達(dá)到精確到達(dá)位置。這就需要對客戶需求進(jìn)行解析，尋找差異化方案的驗(yàn)證。
編碼器的制作，主要體現(xiàn)在制造工藝的復(fù)雜性。如信號生成和處理的芯片，碼盤都需要進(jìn)口；而制造商則需要自己設(shè)計(jì)電路，將芯片的應(yīng)用方案，解析成產(chǎn)品，然后通過合適的工藝來完成制造。編碼器的組成部分，主要包括發(fā)光管，碼盤和接收器等。這三者的距離，都是有緊密的耦合關(guān)系。這之間的距離控制，并沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)。全靠反復(fù)的測試，對數(shù)據(jù)分析，才能找到距離的最優(yōu)值。
這是一個(gè)機(jī)電光的緊密結(jié)合，機(jī)械部分要適應(yīng)高速、高溫度的條件下，仍然保持機(jī)械精度、材質(zhì)的選擇、部件加工的加工控制。而光學(xué)設(shè)計(jì)則都需要做試驗(yàn)，這一塊必須正向做試驗(yàn)。因?yàn)閲膺M(jìn)口的光學(xué)碼盤，都是加密的，就像一個(gè)密碼，外部看不出來眉目，無法逆向研發(fā)。而電氣部分，尤其是總線式編碼器，需要各種總線協(xié)議的接口。而最后，則需要將這三個(gè)部分，裝配起來，并且保證精度。
這是一個(gè)連鎖性的突圍，高端機(jī)床會(huì)帶動(dòng)高檔數(shù)控系統(tǒng)的需求；然后到編碼器的升級，進(jìn)一步帶動(dòng)蝕刻機(jī)裝備的發(fā)展。而要真正看一個(gè)國產(chǎn)化示范的項(xiàng)目，要從國產(chǎn)設(shè)備，下沉到國產(chǎn)數(shù)控，再到國產(chǎn)編碼器，至少三層皮，才算是切到了國產(chǎn)化的全部脈動(dòng)。這是一個(gè)漫長的過程。
四處去突圍
傳感器無處不在，每個(gè)領(lǐng)域每個(gè)行業(yè)，都需要廠商去拼刺刀，硬核突破，而很難做到全面突圍。這需要每個(gè)傳感器廠家，都能找到自己的絕活。
在環(huán)衛(wèi)車上能夠抵抗瞬時(shí)大電流和腐蝕的傳感器，也都是痛點(diǎn)所在。由于市場太小，國外傳感器有時(shí)候并不愿意定制，這也給國產(chǎn)品牌商留下了巴掌大的機(jī)會(huì)。而每一個(gè)機(jī)會(huì)，都需要全力而為。
傳感器的許多使用環(huán)境都非常惡劣。例如用于機(jī)器人的防火花噴濺的傳感器，既是易損耗品，又處于環(huán)境惡劣之地。電流焊接過程中，電火花屬于強(qiáng)電強(qiáng)磁，產(chǎn)生交變磁場，在點(diǎn)焊時(shí)候能達(dá)到1.2萬安培以上，要求傳感器的抗干擾能力很強(qiáng)。而用于汽車焊接領(lǐng)域的夾緊氣缸的一家德國生產(chǎn)廠家，正在將德國傳感器品牌，切換成國產(chǎn)品牌。這是一個(gè)良好的開端。
機(jī)床加工，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，對普通的電感傳感器有很大的干擾。這種執(zhí)行限位傳感器，一般采用焊接和組件封裝的方式，前塞、金屬外殼的膨脹系數(shù)不同，往往會(huì)導(dǎo)致傳感器發(fā)生性能失效。值得一提的是機(jī)床用的潤滑油。跟水的性質(zhì)不同，潤滑油的滲透率很強(qiáng)，往往會(huì)滲入電路板，造成傳感器故障。而今，傳感器經(jīng)過一體化的設(shè)計(jì)，不再采用焊接方式就解決了高密封性和膨脹系數(shù)的問題。可以看到，這些都不是技術(shù)難度，而是工藝悟性。而最重要的就是電路優(yōu)化處理和制造工藝，保證一致性。傳感器雖小，但它卻是制造能力的一把標(biāo)尺。
小記：從集成創(chuàng)新走向器件創(chuàng)新
中國的大裝備取得了令人矚目的發(fā)展，例如振華港機(jī)、二重集團(tuán)的1000MW核承壓設(shè)備等。然而，如果缺乏對零部件的關(guān)注，許多集成商很容易淪為核心器件商的打工者。這種現(xiàn)象也發(fā)生在歐洲，德國。很多系統(tǒng)集成商的市場份額正在下滑，而零部件廠商的市場份額則在上升。
中國需要從集成創(chuàng)新，走向器件創(chuàng)新的時(shí)代。而國內(nèi)鼓勵(lì)國產(chǎn)貨的大氣候也在變好。汽車行業(yè)最為明顯，以前合資工廠的電控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方案都是國外定制，幾乎無法改動(dòng)。而現(xiàn)在中國決策的自主權(quán)變大，國內(nèi)產(chǎn)品也有了更大的余度。無論是產(chǎn)線上的改進(jìn)，還是零部件的選配，都有了新的機(jī)會(huì)。
這是一個(gè)國運(yùn)時(shí)刻，正值中國制造順著價(jià)值鏈條向上爬升的階段，正好可以從上到下、從大到小，逐一審視價(jià)值鏈的各個(gè)產(chǎn)品。而傳感器首當(dāng)其沖作為一個(gè)裝備的配角之王，它的價(jià)值被嚴(yán)重低估。此一刻，正是讓傳感器大放異彩的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
