toc传感器 工业“元宇宙”悄然来临，数字孪生产业如何推动工业革新？

工业“元宇宙”悄然来临，数字孪生产业如何推动工业革新？

记者 | 彭新

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在当下流行的“元宇宙”畅想中，人们想象虚拟平行世界的数字化生活。事实上，工业“元宇宙”或许离我们更近：互联网和云计算潮流下，随着网络互联设备与传感器大量应用，以及5G网络引入，为现实世界的基础设施创造“数字孪生”成为可能。

数字孪生，即使用数字技术，为特定对象创造一个虚拟“副本”。这一做法最早可以追溯到早期的太空项目，当时，美国国家航空航天局制造模型来监测和修正航天器。随着计算机算力的提升，模拟模型被替换为数字模型。

例如，在航天器的风洞实验中，研究人员使用传感器创建其飞行环境的数字孪生，再使用这些数据模型，优化航天器的物理布局，监控物理数据变化。而要在实体环境中获得这些数据，是非常困难的。《经济学人》预测，从工厂到汽车，万事万物都将有数字孪生体。微软首席执行官萨蒂亚•纳德拉(Satya Nadella)描述了数字孪生的好处，他认为，在强大计算能力和机器学习强化下，对现实世界日益精密的数字模拟，将会优化信息流和促进经济增长。

数字孪生的产业链较长，涉及到计算机辅助设计、工程软件管理、过程控制等，有时还涉及到人工智能和虚拟现实功能。不同的企业正在这条产业链上的不同环节发挥作用。

南洋万邦希望解决的问题，是传感器获得数据后，如何推动业务发展。南洋万邦资深业务副总经理王珏介绍，南洋万邦目前与微软合作的AIoT物联网解决方案，将设备的3D数字化模型和产品融入现实环境当中，通过传感器收集各种状态数据，再进行分析，从而预测工厂的生产故障和错误，及时报告和解决。

过去，工厂在很多人心中只是一个将原材料输入就能输出形形色色成品的制造体系。德国政府于2013年正式提出的“工业4.0”概念，预示着整个制造业从工业3.0的信息化时代向智能化迈进，工厂会出现越来越多像《变形金刚》里那样的机械化设备，而数字孪生则让工厂的数字化进程更进一步。

王珏认为，智能制造尤其是智能工厂解决方案的难点在于，它其实是一个多学科、多维度、多技术、非常复杂的系统，涉及信息化技术、运营、管理等等。

另一方面，从服务升级的角度，在四五年前由零售渠道端率先推动的C2B模式，也就是“柔性供应链”，毫不客气地加大了工厂端革命的复杂程度。

“我们擅长做的是把数据采集上来，接下来我们要做的是把这些物理世界的数据，让它在数字环境、虚拟环境中重生，并且和物理世界形成联动。”王珏说。

在南洋万邦的AIoT物联网方案中，3D数字化模型的部分由境腾科技负责。

境腾科技CEO张力告诉界面新闻，他们借助实时3D游戏引擎Unity，对工厂内部环境和机械设备进行可视化和模拟，然后在微软的AR头盔HoloLens等平台上推出。目前在MR混合现实方案上，境腾科技是微软大中华区首个金牌合作伙伴。

将数字孪生内容进行可视化呈现并不新鲜，但在工业领域仍然需要探索。张力向界面新闻记者介绍，刚开始为微软的AR头盔HoloLens开发AR应用方案时，曾考虑多个开发工具，最终选择了游戏引擎Unity作为开发工具。

Unity具有简易度高、跨平台等优势，通过Unity的开放接口和3D资产内容，境腾科技可以添加自己的插件进行二次开发，便于形成自己的网络服务。

利用Unity这样的游戏引擎开发工业领域的数字孪生产品，与游戏开发有不小的区别。王珏分析，面向工业应用不仅仅要考虑虚拟世界中的算力，更要考虑如何把物理实体中的表面参数、尺寸、状态，在虚拟世界中互动、交互。

张力则指出，toC的游戏在场景设计时，更多是要考虑到用户的游戏体验，而从toB的角度上，更多强调的是如何能够准确无误地获取信息，然后做出管理决策。

张力还介绍，在颗粒度上，可以将设备作为最小的单位拆解出来进行仿真模拟，依次还有车间、流水线、工厂级别的数字孪生，更大可拓展到产业层面。在不同的层级数字孪生将会产生不同价值，举例来说，如果工厂的操作员能够转动数字模拟器中的旋钮，测试提高运行速度的方法，工厂就能以更高效率运行，并减少浪费。

英伟达则推出虚拟协作平台Omniverse，从3D图形设计和仿真切入数字孪生领域。英伟达中国区高级技术市场经理施澄秋告诉界面新闻，在传统的专业可视化垂直领域，比如AEC（建筑、工程和施工行业）、M&E（机械电子）或工业设计中，均有3D建模需求，英伟达长期看好这一市场。

以汽车产业为例，汽车推敲设计时需要制作油泥模型，再用油泥模型做流体力学的仿真，并根据试验结果进行修改，不仅成本高，还有可能拉长整个研发周期。在英伟达GPU系统帮助下，可以一定程度降低这方面的风险。

此外，工业软件公司达索系统、老牌楼宇自控企业江森自控等，也在为工业领域配置数字孪生。例如，江森自控在位于新加坡的OpenBlue创新中心大范围安装了传感设备，其中包括测量风量的顶置式通风装置，所有办公家具上也装有传感器，以便及时了解各设施设备的状态，再加上人工智能和大数据支持，生成建筑物理空间的数字孪生。

干货 非色散红外传感器详解

1. 非色散红外传感器

定义：Non-Dispersive Infrared (NDIR)传感器是一种由红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器，主要用于测化合物，例如：CH4、CO2、N2O、CO、CF4、NO、SO2、NH3、乙醇、苯等，并包含绝大多数有机物。NDIR传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。通过测量进入红外传感器的红外光的强度，来判断被测气体的浓度。

下面是NDIR气体检测仪表原理图

为什么要用NDIR传感器?

市场上常见的传感器，例如催化燃烧和电化学传感器并不是什么气体都能测，CO2就测不了，但是NDIR传感器能测CO2，NDIR最常见的被测气体是CH4、CO和CO2。

测有机气体，NDIR比催化燃烧好在哪里？

催化燃烧传感器虽然能测可燃气，但遇到含氟、氯、溴、硫、有机硅的气体，传感器就会中毒，灵敏度永久性的下降。但同样条件下，NDIR传感器就不会有任何影响，因为光源和探测器都被玻璃或滤波片保护了起来，和气体并不接触。

NDIR最大的优势是什么？

NDIR传感器有一个最大的优点——长期稳定性优异，维护成本低，这也是NDIR传感器销量高速增长的主要原因。目前估计，大约有3% ~ 5%的工业可燃气仪表用的就是NDIR传感器，年增长率约10%。

NDIR优缺点

优点包括：

抗中毒、不需要氧气、长期稳定性优异、温度范围宽，测量浓度到100%vol。

缺点包括：

1. 最低检测限较高，测量ppm级别的气体浓度成本较高；

2. 结构、软件、硬件比较复杂，价格也就相对较贵。同级别NDIR CH4传感器价格是催化燃烧传感器的5~10倍。分析级的多气体NDIR传感器单价可能会达到5万元。

NDIR今后的发展方向是怎样的？

NDIR的技术路线分为两条:

1. 向高分辩率、长波长、多气种方向发展，主要市场是分析仪表。

2. 向小体积，低成本方向发展，主要市场是室内空气质量IAQ检测和电力SF6泄露检测，气种包含CO2和碳氢HC类气体，全球销量约几百万只。

除了NDIR原理，还有什么原理的红外传感器?

和NDIR相对应的是DIR——分光型的红外气体传感器。DIR主要用在分析仪表中，体积大，功耗高，怕震动，不适合用在工业现场的环境中。还比较常见的是TDLAS红外气体传感器，主要也是用在分析仪表中，或开放光路检测系统中。

随着技术的进步，光声红外（Photoacoustic）气体传感器也进入了实用。它和NDIR传感器各有优势，会长期共存，哪种会最终胜出，现在还不能定论。

2. 量程（Range）

定义：从原理上来说，NDIR传感器可以测量0~100%vol的目标气体，但由于需求的差别，成本的考虑，软件算法的精度等原因，NDIR传感器的量程被分成各种各样。

最常用的量程是多少？

CO2：在工业安全应用中，测CO2最常见的量程是5%vol，即50000ppm；在室内空气质量监测应用中，常见的量程是1%vol，即10000ppm；在汽车尾气排放检测应用中，常见的量程是20%；在烟气连续监测应用中，常见量程是20%vol。在空气中TVOC和水中TOC检测中，量程范围大约是100ppm ~ 10000ppm。

CH4：在工业安全应用中，测CH4最常见的量程是5%vol，即100%LEL；如果是检测天然气泄漏，量程大约是1000ppm；在汽车尾气排放检测中，测的是碳氢HC总量，量程多见为30000ppm己烷或2000ppm己烷；在煤层气瓦斯抽放或垃圾填埋场应用中，量程50%vol就够用了；如果是CH4分析仪表，量程必须到100%vol。

NDIR的量程和测量误差有关系吗？

量程和测量误差有关系。浓度越高，检测绝对误差越大。NDIR传感器，不管怎么设计，量程都可以做到100%vol，只是算法上面支持还是不支持罢了。但和测量误差相关的因素就太多了，有结构设计、光源和探测器的选择、硬件设计、软件设计、测量方法、温度漂移、湿度影响、压力影响等等。

NDIR的量程和传感器体积有关系吗？

有关系。体积比较大，光路比较长的NDIR传感器模块，其量程一般来说都比较小，大约几百到几千ppm；体积比较小，光路短的NDIR传感器模块，其量程一般都比较大，从5%vol到100%vol不等。

3. 精度（Accuracy）

定义：NDIR传感器测量被测气体时，测量值和真值之间的误差用来度量传感器的精度。

为什么其它类型的传感器没有精度，而NDIR传感器有精度呢？

电化学和催化燃烧传感器是微弱模拟信号输出的传感器，其性能参数只有线性和重现性，规格书上没有“精度”这两个字。而市面上的NDIR传感器多数都是数字化输出的，已经是一台小型的“仪器”了，所以通上电以后，读数会通过模拟输出口或数字输出口输出，因此有精度的参数。

NDIR传感器的精度如何表述？

比较科学的表述应该按温度范围来做分类，例如：-40℃ ~70℃之间误差为±x.x%；-25℃~55℃之间误差为±x.x%；0℃~40℃之间误差为±x.x%。但是当气体浓度非常小时，用百分比误差来表述就不合适了，需要用一个绝对浓度值来表示。因此，就产生了这样的表达方式：10ppm + 3%rel。当表达NDIR传感器精度的时候，温度范围是一定要放在一起表达，否则就不全面。

NDIR传感器测量高浓度和低浓度气体的时候，精度是一样的吗？

不一样。低浓度的时候，NDIR传感器的绝对误差小，相对误差大。高浓度时，绝对误差大，相对误差小。如果从设计和制造难易度上来做比较的话，低浓度时候做到高精度比较困难。测量ppm级别CH4泄漏一直都是工业界很难解决的技术难题。

响应时间是如何定义的？

定义：传感器信号从零点上升到通气平衡点一定百分比，所需的时间称为响应时间，通常用T90来描述。从零点上升到平衡信号值的50%所需要的时间称为T50，从零点上升到90%所需的时间称为T90，从零点上升到99%所需的时间称为T99。

催化燃烧传感器和NDIR传感器哪个响应快?

一般说来，催化燃烧传感器响应会更快。原因是催化燃烧传感器内部死体积更小，气体浓度达到平衡所需的时间也会更短。NDIR传感器为达到比较好的分辨率，光学腔体必须加长，这同时也加大了死体积，浓度平衡时间也就加长了。所以在扩散模式下，NDIR传感器的响应时间也就延长了。

在传感器结构一定，气体流量一定的情况下，还有什么因素影响响应时间?

软件会影响传感器响应时间。有些红外仪表厂商，因为传感器分辨率不佳，所以拉宽了滑动移动平均的时间窗口，以换得较好的分辨率，但带来的副作用就是响应时间的延长。

5. 重现性(Repeatability)

定义：在同一天之内，每小时通气一次同样浓度的标准气，获得6次通气平衡的读数，然后计算6次读数的标准差。该标准差越接近于零，说明传感器的重现性越好。

NDIR传感器和催化燃烧传感器的重现性哪个更好?

NDIR更好。催化燃烧传感器的催化珠是暴露在空气中的，容易受到环境中各种气体的干扰和毒害，从而造成零点和灵敏度变化。NDIR传感器内部的元件都是被光学玻璃或滤波片保护起来的，不会受到其他气体的干扰和毒害。光路是镀金的，也不会被腐蚀。所以，NDIR传感器的变化非常缓慢。在一天之内几乎没有变化。

一天之内温度变化了怎么办？

实验室都是在室内的，即使一天之内温度变化也不会超过5℃。5℃对任何气体传感器来说都不会造成大的温漂，NDIR也不例外。所以不用担心一天内的温漂。

测量重现性的时候用什么浓度的气体？

原则上是用量程的25% ~ 75%之间，浓度不要太高，也不要过于低。

6. 供电电压(PowerSupply)

定义：给NDIR传感器的红外光源、探测器和放大电路供电的直流电压。

探测器供电电压有多高？

这根据传感器厂家所选的红外探测器类型而定。探测器类型主要有热电堆和热释电两种。热电堆是一个无源器件，实质上是一个温度传感器。热释电探测器的信号比热电堆的信号大很多，价格也会比热电堆探测器高很多。

放大电路的电压是多少伏呢？

放大电路的电压取决于运放的工作电压范围。有的运放工作范围很宽，一般3.3V或5V都可以工作的。

7. 功耗(PowerConsumption)

定义：NDIR红外传感器的功耗主要消耗在红外光源上，探测器和放大电路的功耗和红外光源比起来是微乎其微的。如果是用一般的钨丝灯作为红外光源，那么整个红外传感器的功耗就只有零点几瓦。

设计红外光源供电电路的时候如何考虑功耗？

红外光源冷态和热态的时候电阻差很多倍，如果是恒压供电，那么需要选择电流比较大的供电芯片，而不仅仅是按照NDIR传感器规格书上所写的功耗来选择。

8.分辨率(Resolution)

定义：分辨率是描述传感器能够分辨的最小的气体浓度改变量的参数。分辨率和灵敏度和噪声相关，类似电子技术里面的一个参数——信噪比。计算公式是：分辨率=3*信号标准差/灵敏度

NDIR传感器的分辨率和最低检测限一样吗？

不一样。电化学和催化燃烧传感器的分辨率约等于最低检测限，因为他们的信号大小和被测气体浓度是线性的，而NDIR则不同。NDIR传感器的灵敏度在不同浓度下是不一样的，零点时最高，满量程时最低。另外，不同浓度下的噪声水平却是接近的。因此，根据分辨率的公式，NDIR传感器在零点时分辨率最好，即最小，相反，在满量程的时候最差。

相同尺寸的红外传感器，测不同的气种，分辨率一样吗？

不一样。不同气种的NDIR传感器分辨率和气体吸收红外光的能力相关。同样是1000ppm的甲烷CH4、二氧化碳CO2和六氟化硫SF6，所造成的红外光吸收排序为:CH4<CO2<SF6。但因为这三种气体的红外吸收波长不同，所以不能简单的认为SF6传感器最容易，CH4传感器最难。事实上是CO2传感器最容易，测量CH4最难。

工业安全级的NDIR传感器分辨率标准是多少？

现在市面上最常见的NDIR传感器是CH4和CO2的。CH4传感器可以接受的分辨率为500ppm，即1%LEL；CO2传感器可以接受的分辨率为100ppm。高端的需求，检测CH4泄露的传感器分辨率需要在25ppm以下，检测尾气排放CO2的传感器分辨率需要1ppm。

9. 暖机时间(Warmup Time)

暖机时间短和暖机时间长对性能有什么影响?

暖机时间短，传感器内部温度还处于上升的过程中，并未平衡，所以此时的测量数据精度稍差，等传感器温度平衡了，就能达到更好的精度。工业安全领域用的NDIR传感器暖机时间比较短，1分钟之内都能正常检测。高精度、高分辨率仪表所用的传感器，暖机时间就比较长了，基本上都要20分钟以上。

10. 温度范围(OperatingTemperature Range)

定义：NDIR传感器能够保证精度的温度范围，用℃来定义。

不同的测量标准所需要满足的温度范围各是多少？

仅针对测量甲烷CH4。中国煤安标准所规定的温度范围较窄，0℃~40℃。中国消防认证所规定的温度范围较宽，-40℃~70℃。美国加拿大的CSA标准规定的温度范围居中，-25℃~55℃。

超过传感器规格书所规定的范围，传感器会坏吗？

不会。NDIR传感器所用的电子元件一般都能覆盖-40℃~85℃。但结构件则不同，如果材料选择不当或多种材料配合不当（主要是热膨胀系数），传感器会造成永久损坏。

11. 湿度范围(OperatingHumidity Range)

定义：NDIR传感器能够保证精度的湿度范围，一般以相对湿度%RH来定义。

如果湿度高，传感器会损坏吗？

如果NDIR传感器在工作状态，高湿度不会损坏传感器，因为传感器的热量会减少冷凝水。如果传感器不在工作状态，高湿度就很可能损坏传感器。因为高湿度会造成传感器内部冷凝水，使电子元器件短路并损坏。

湿度高对传感器读数会有什么影响?

在高湿度的情况下，读数一般都会偏高一点。

什么应用场合会有高湿度？

在地下煤矿和下水道中常年都有较高湿度。NDIR传感器用在这样的环境读数都需要考虑除湿。

12. 压力范围(OperatingPressure Range)

定义：NDIR传感器能够工作的压力范围。一般以大气压来定义。

NDIR传感器能够承受的压力范围有多大？

只要传感器内的红外光源和探测器不损坏，NDIR传感器就能用。按照经验，0.5个大气压到1.5个大气压都能够使用。

如果传感器工作在较高或较低的压力范围，传感器精度能够保证吗？

不能保证。当气压改变时，虽然相对浓度不会变，但气体的绝对浓度会改变，因此传感器的读数会上升。如果软件的算法不变的话，压力高时，读数会高，压力低时，读数会低。但读数和压力并不会呈线性。

13. 零点漂移(ZeroDrift)

定义: 传感器零点随时间的变化量。一般以ppm/mon，或%vol/year的单位来计量。

零点漂移多少是能够接受的呢？

在工业安全领域，NDIR CH4传感器零点的漂移至少需要控制在1000ppm/mom以内。按照消防认证标准，零点和测量点的月漂移必须小于0.15%vol/mon。但这个漂移值在实际应用中是远远不够的，因为工业现场能够接受的漂移值是0.25%vol/6mon。

和催化燃烧传感器相比，零点漂移谁会好一些?

如果是原理和原理相比，一定是NDIR传感器会好一些。因为市面上绝大部分NDIR传感器都能做到5年漂移小于10%读数。而催化燃烧传感器能够达到这个水平的是凤毛麟角。

NDIR传感器的零点误差和测量误差有关系吗？

有密切的关系。如果零点误差为E，测量点误差会大很多，甚至达到3E以上。

14. 平均故障间隔时间(MTBF)

定义: 英文全称是“Mean Time Between Failure”是衡量一个产品（尤其是电器产品）的可靠性指标。它反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体来说，是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。

NDIR传感器的正常工作时间是几年?

到目前为止，没有确切的统计数据。根据经验，5年的寿命是一定能达到的。红外光源的寿命是整个传感器中寿命最短的，但也能达到几万个小时。如果设计的好，一个红外传感器使用10年也不是没有可能。

NDIR传感器最容易出现什么故障?

该类传感器最常出现的故障是读数负漂。但只要标定零点就可以了。零点标定准确了，测量点是一定准确的。

为了延长NDIR传感器使用寿命，需要对气体做些什么预处理?

最好对气体进行除尘、除湿、去油，这样才能保持传感器内部光路清洁。

15. 交叉灵敏度(CrossSensitivity)

定义: 检测某特定气体的NDIR传感器对其它气体也有响应，这种现象叫做交叉干扰。传感器对其他气体的响应值和气体真值之间的比值，叫做交叉干扰系数，简写“X$”，下图为甲烷中C-H的变形振动图和伸缩振动图

H-C键变形振动图

H-C键的伸缩振动图

NDIR传感器的交叉干扰和电化学传感器相比如何？

NDIR传感器的交叉干扰会小很多，也就是选择性很好。拿CO传感器来举例，CO传感器对H2S、SO2、NO2都会有较大响应，但NDIR CO传感器对以上这些气体几乎没有响应。这个优点是由不同气体的红外吸收光谱所决定的。

可以用NDIR甲烷传感器来测量丙烷或异丁烷吗？

可以。在碳氢类物质之中，几乎都有HC单键或双键，而这两种化学键的红外吸收波段都在3.3微米附近。NDIR CH4传感器的红外吸收波段在3.3微米，而且丙烷和异丁烷在3.3微米附近也有吸收，所以，用NDIR CH4传感器可以用来测量丙烷或异丁烷。

如果用测CH4的NDIR传感器测丙烷或异丁烷，会是线性的吗？

在低浓度的时候是线性的，例如1000ppm以下。在不同的浓度点上交叉灵敏度会有一些差别，但对应关系曲线画出来是单调的。

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