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傳感器及儀器儀表技術
作者簡介
王春喜（1974- ），男，博士，機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經濟研究所副總工，標準與檢測中心主任，全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準化技術委員會（SAC/TC124）秘書長，教授級工程師。主要研究方向為智能制造、測量控制與自動化、預測性維護、數據字典、標準化研究等
1.1 相關定義及行業(yè)分類
傳感器（sensor）是指能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件（sensing element）和轉換元件（transducing element）組成。其中，敏感元件指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分。轉換元件指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。當輸出為規(guī)定的標準信號時，傳感器也被稱為變送器（transmitter）。
儀器儀表（instrument或instrumentation）是指用以檢出、測量、觀察、計算各種物理量、物質成分、物性參數等的器具或設備。溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、分析儀表、實驗室儀表、工控機、控制系統(tǒng)、可編程序控制器（PLC）、分散控制系統(tǒng)（DCS）、現場總線控制系統(tǒng)（FCS）、執(zhí)行系統(tǒng)、工業(yè)通信系統(tǒng)等均屬于儀器儀表。過程領域中，儀表系統(tǒng)典型地由傳感器（如壓力、流量、溫度變送器）、邏輯解算器或控制系統(tǒng)（如PLC、DCS、FCS）和終元件（如控制閥）組成。
按國民經濟行業(yè)分類，儀器儀表大類包括9個中類、20個小類，具體如下：通用儀器儀表（工業(yè)自動控制系統(tǒng)裝置、電工儀器儀表、繪圖/計算及測量儀器、實驗分析儀器、試驗機、供應用儀器儀表、其他通用儀器）、儀器儀表（環(huán)境監(jiān)測儀器儀表、運輸設備及生產用計數儀表、導航/測繪/氣象及海洋儀器、農林牧漁儀器儀表、地質勘探和地震儀器、教學儀器、核子及核輻射測量儀器、電子測量儀器、其他儀器）、鐘表與計時儀器、光學儀器、衡器、其他儀器儀表。
1.2 重要作用
隨著第四次工業(yè)革命的到來，世界開始進入數字化和智能化時代。在智能化的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的數據和信息，而傳感器及儀器儀表是獲取自然和生產領域中數據和信息的主要途徑與手段。許多科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的。因此，傳感器及儀器儀表技術是現代科技的前沿技術?？茖W家王大珩院士指出，“機器是改造世界的工具，儀器儀表是認識世界的工具”。儀器儀表是工業(yè)生產的“倍增器”，是科學研究的“先行官”，是軍事上的“戰(zhàn)斗力”，是現代社會活動的“物化法官”。不言而喻，儀器儀表在當今時代推動科學技術和國民經濟的發(fā)展具有非常重要的地位。
傳感器及儀器儀表技術是材料學、力學、電學、磁學、微電子學、光學、聲學、化學、生物學、精密機械、仿生學、測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術，乃至系統(tǒng)科學、人工智能、自動化技術等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術。其研究、制造和應用技術水平是衡量一個國家綜合國力、科技水平、創(chuàng)新能力的重要指標。
我國工業(yè)正面臨轉型升級、提質增效的關鍵階段。新一代信息技術與工業(yè)融合實現了一種全新的生產方法，實現了工廠和企業(yè)之間業(yè)務流程上的縱向網絡集成，企業(yè)上下游之間的橫向集成，以及產品全生命周期的價值鏈集成。其中智能傳感器及儀器儀表是信息產業(yè)的源頭和組成部分，對促進工業(yè)轉型升級和高質量發(fā)展、推動現代國防建設、保障和提高人民生活水平發(fā)揮著重要作用。
1.3 國家政策支持
鑒于傳感器及儀器儀表行業(yè)在國民經濟發(fā)展中的重要作用，國家近年來推出了一系列相關政策大力支持行業(yè)技術研究和產業(yè)發(fā)展。
2013年，國務院辦公廳印發(fā)了《國務院關于推進物聯網有序健康發(fā)展的指導意見》，其中著重提出“加強低成本、低功耗、高精度、高可靠、智能化傳感器的研發(fā)與產業(yè)化，著力突破物聯網核心芯片、軟件、儀器儀表等基礎共性技術，加快傳感器網絡、智能終端、大數據處理、智能分析、服務集成等關鍵技術研發(fā)創(chuàng)新”。同年，工信部、科技部、財政部、國標委組織聯合印發(fā)了《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業(yè)發(fā)展行動計劃》，并先后在工業(yè)領域、文物保護裝備領域開展了產業(yè)化及應用專項行動，取得很好的帶動效應。此外，發(fā)改委、工信部等14個部門聯合印發(fā)10個物聯網發(fā)展專項行動計劃，其中對傳感器的發(fā)展提出了明確的目標和要求。
2015年，國務院印發(fā)了《中國制造2025》，其中提出要“突破新型傳感器、智能測量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)、伺服電機及驅動器和減速器等智能核心裝置”。
2016年，國務院印發(fā)了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，其中把傳感器及儀器儀表產業(yè)作為“推動智能制造關鍵技術裝備邁上新臺階”、“超前布局戰(zhàn)略性產業(yè)，培育未來發(fā)展新優(yōu)勢”等工作的重要內容。同年，工信部、發(fā)改委、中國工程院聯合印發(fā)了《發(fā)展服務型制造專項行動指南》，促進制造業(yè)由生產型制造向服務型制造轉變。其中提出，引導制造業(yè)企業(yè)實施產品全生命周期管理（PLM），重點支持企業(yè)通過設備跟蹤系統(tǒng)和網絡服務平臺進行遠程監(jiān)測、故障診斷、遠程維修、趨勢預測等在線支持服務。而這些服務都需要在生產制造和產品運維的全過程部署大量智能傳感器，實時提供數字化服務。
2017年，工信部印發(fā)了《智能傳感器產業(yè)三年行動指南 （2017-2019年）》，指出智能傳感器及儀器儀表市場應用正呈現爆發(fā)式增長態(tài)勢，已成為決定未來信息技術產業(yè)發(fā)展的核心與基礎之一，已成為發(fā)達國家和跨國企業(yè)布局的戰(zhàn)略高地。產業(yè)總體目標要求：到2019年，我國智能傳感器產業(yè)取得明顯突破，產業(yè)生態(tài)較為完善，涌現出一批創(chuàng)新能力較強的先jin企業(yè)，技術水平穩(wěn)步提升，產品結構不斷優(yōu)化，供給能力有效提高。
除了以上提到的政策文件以外，早在1998年，國家自然科學基金委就設立了科學儀器基礎研究專項。2011年，“國家重大科研儀器設備研制專項”和“國家重大科學儀器設備開發(fā)專項”設立，分別由國家自然科學基金委和科技部管理，一個負責原創(chuàng)性的儀器研究，一個負責工程化和產業(yè)化。在這些科研計劃的支持下，我國儀器技術研究與產品開發(fā)已初見成效。以科技部“重大科學儀器設備開發(fā)重點專項”為例，“十二五”科學儀器專項共安排項目208個，目前已全面進入驗收階段，有些成果已具備批量生產能力，得到了推廣應用。“十三五”期間，科學儀器專項共安排項目142個，目前正處于關鍵技術攻關和工程化樣機研制階段。
1.4 行業(yè)發(fā)展現狀及存在問題
傳感器將是未來萬物互聯的核心基礎。當前，信息技術發(fā)展正處于跨界融合、加速創(chuàng)新、深度調整的歷史時期，呈現萬物互聯、萬物智能的新特征。智能制造、工業(yè)互聯網、人工智能等新技術和新生態(tài)的興起，推動生產方式和消費模式的重大改變，市場應用呈現爆發(fā)式增長態(tài)勢。從第三方數據顯示2018年中國傳感器市場規(guī)模在2400億元，同比增長11.6%，2019年將持續(xù)保持增長態(tài)勢進行提升。
發(fā)達工業(yè)國家都把傳感器及儀器儀表技術列為國家發(fā)展戰(zhàn)略。美國早在80年代就聲稱世界已進入傳感器時代，日本工商界人士聲稱“支配了傳感器技術就能夠支配新時代”。發(fā)達國家對開發(fā)傳感器技術都十分重視。美、日、英、法、德和獨聯體等國都把傳感器技術列為國家重點開發(fā)關鍵技術之一。正是由于世界各國普遍重視和投入開發(fā)，世界傳感器技術和應用發(fā)展十分迅速。
傳感器及儀器儀表產品門類和品種規(guī)格繁多，據不*統(tǒng)計有12大類，42小類，6000多品種，20000多種規(guī)格。這也導致我國產業(yè)發(fā)展呈現兩大趨勢：一是創(chuàng)新驅動發(fā)展，實現了高靈敏度、高適應性、高可靠性，并向嵌入式、微型化、模塊化、智能化、集成化、網絡化方向發(fā)展；二是企業(yè)形態(tài)呈集團化壟斷和精細化分工的有機結合，一方面大公司通過兼并重組，逐步形成壟斷地位，另一方面小企業(yè)則向“小（中）而精、精而專、專而強”方向發(fā)展。
目前，我國傳感器及儀器儀表行業(yè)已形成門類品種比較齊全、布局比較合理、具有一定技術基礎和生產規(guī)模的產業(yè)體系，是發(fā)展中國家規(guī)模大、產品品種齊全、綜合實力zui強的傳感器及儀器儀表生產國，在儀器儀表市場中具有一定的地位。經過近幾年國家政策支持，我國一批企業(yè)具備了一定的規(guī)模和技術實力。自主研發(fā)能力提升，設計、制造、封裝等環(huán)節(jié)產生了一批創(chuàng)新成果，部分技術領域打破了壟斷，初步形成了比較完整的產業(yè)體系和技術創(chuàng)新體系。
我國傳感器及儀器儀表產業(yè)雖然得到了快速發(fā)展，但與國外的差距仍然較大，主要體現在：
（1）科技創(chuàng)新及其產業(yè)化進展緩慢；
（2）關鍵核心技術匱乏，低水平重復異常突出；
（3）行業(yè)發(fā)展不平衡不充分，低端產品面臨更加激烈競爭，中產品整體發(fā)展不平衡，產品被國外長期壟斷；
（4）產品穩(wěn)定性和可靠性長期得不到根本性解決；
（5）大量進口對產業(yè)發(fā)展造成較大不利影響等。
2、行業(yè)標準化需求和進展
2.1 新時期行業(yè)標準化需求
標準化工作一直在技術與開發(fā)、科研與生產、市場與需求、供應與采辦、政府與企業(yè)之間，發(fā)揮著“橋梁”和“紐帶”的作用，是促進傳感器和儀器儀表技術進步和產業(yè)發(fā)展的重要基礎。隨著智能制造、工業(yè)互聯網、人工智能技術的不斷發(fā)展，工信部和國標委印發(fā)了《國家智能制造標準體系建設指南》（“BA智能裝備”下的“識別與傳感”，如圖1所示）和《工業(yè)互聯網綜合標準化體系建設指南》（“平臺”下的“數據采集”，如圖2所示），正在制定《國家新一代人工智能標準體系建設指南》（“B平臺/支撐”下的“智能感知與互聯”，如圖3所示），其中都將制定傳感器及儀器儀表技術標準作為其核心的基礎共性標準。
2.2 行業(yè)標準化現狀分析
目前，我國傳感器及儀器儀表行業(yè)與傳感器相關的技術標準共有約540余項。主要包括：
（1）敏感元件層面：熱(溫)敏、光敏、壓敏、濕敏、氣敏、磁敏、力敏、離子敏、生物敏、放射線敏、纖維光學敏感器等十多類80余項器件標準；
（2）產品層面：溫度、流量、壓力、物位、機械量、分析、顯示、記錄、調節(jié)、執(zhí)行、變送、電單、氣單等二十多類360余項產品通用技術條件標準；
（3）系統(tǒng)層面：系統(tǒng)評估、功能安全、通信安全、物理安全、環(huán)境測試五類40余項方法標準；
（4）集成層面：物理層規(guī)范、接口、功能塊、設備行規(guī)等十多類30余項基礎標準。
上述標準涉及的標委會主要包括： SAC/TC78（半導體器件）、SAC/TC103（光學和光學儀器）、SAC/TC104（電工儀器儀表）、SAC/TC124（工業(yè)過程測量控制和自動化）、SAC/TC159（工業(yè)自動化系統(tǒng)與集成）、SAC/TC284（光輻射安全和激光設備）、SAC/TC338（測量控制和實驗室電器設備安全）、SAC/TC419（儀表功能材料）、SAC/TC526（實驗室儀器及設備）、機械工業(yè)儀器儀表元器件標準化技術委員會等等十幾個標委會和行業(yè)歸口單位。
面向新時期智能制造、工業(yè)互聯網、人工智能等對傳感器及儀器儀表標準化工作的迫切需求，近年來，機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經濟研究所和全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準化技術委員會（TC124）組織行業(yè)專家初步構建了智能傳感器標準體系（如圖4所示）。從基礎標準、方法標準和產品標準三個層面進行了標準規(guī)劃，已制定物聯網和智能傳感器相關標準近20項（如表1所示），很好地促進了傳感器及儀器儀表領域標準化的發(fā)展。
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未來技術發(fā)展方向和建議
3.1 未來技術發(fā)展方向
目前，國外傳感器產品技術發(fā)展趨勢是應用微機械和微電子相結合的MEMS工藝、新材料、高精度補償技術和高可靠性設計技術，使傳感器產品逐步向集成化、智能化、微型化、可移動、多樣化方向發(fā)展。
（1）集成化：一種是同類型多個傳感器的集成，即同一功能的多個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列，組成線性傳感器。另一種是多功能一體化，如幾種不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能傳感器，集成度高、體積小，容易實現補償和校正，是當前傳感器集成化發(fā)展的主要方向。
（2）智能化：智能傳感器這一概念是由國外引進的，通常定義為：帶有微處理器，具有信息處理和通信功能的傳感器。處理功能包括：自標定、自采集、自補償、自檢驗、自處理、自存貯、自決策、自優(yōu)化等功能；通信功能包括雙向通信、標準化數字輸出或符號輸出功能，即其輸出不再是單一的模擬信號，而是經過微處理器后的數字信號。
（3）微型化：隨著各應用領域發(fā)展的需要，要求傳感器本身的體積越小越好。傳感器的微型化是指敏感元件的特征尺寸為mm→μm→nm類傳感器。這類傳感器具有尺寸上的微型性和性能上的*性，要素上的集成性和用途上的多樣性，功能上的系統(tǒng)性和結構上的復合性。其制備工藝涉及等。傳感器將MEMS技術、IC技術、激光技術、精密超細加工技術引入傳感器的生產制造，實現了規(guī)?；a，并為傳感器微型化發(fā)展提供了重要的技術支撐。
（4）可移動：進入21世紀后，由于MEMS技術、低功耗的模擬和數字電路技術、低功耗的無線射頻（RF）和無線傳感網技術的發(fā)展，克服了節(jié)點資源限制，并滿足了傳感器網絡擴展性、容錯性等要求，使得開發(fā)小體積、低成本、低功耗的無線微傳感器成為可能。無線通信及組網技術的發(fā)展，可使大量傳感器通過網絡構成智能化、協同工作的信息感知系統(tǒng)，從而提高了傳感器的分布式、大面積信息探測能力，使傳感網的實現成為可能。
（5）多樣化：新材料技術的突破加快了多種新型傳感器的涌現。新型敏感材料是傳感器的技術基礎，材料技術研發(fā)是提升性能、降低成本和技術升級的重要手段。除了傳統(tǒng)的半導體材料、光導纖維等，有機敏感材料、陶瓷材料、超導、納米和生物材料等成為研發(fā)熱點，生物傳感器、光纖傳感器、氣敏傳感器、數字傳感器等新型傳感器加快涌現。
3.2 行業(yè)發(fā)展措施建議
根據《智能傳感器產業(yè)三年行動指南 （2017-2019年）》的總體目標要求，針對行業(yè)現存的自主核心技術薄弱、產品缺乏、產品可靠性差、科技創(chuàng)新及其產業(yè)化進展緩慢等問題，提出傳感器及儀器儀表行業(yè)下一步重點發(fā)展措施建議如下：
（1）完善傳感器及儀器儀表公共服務平臺建設，推動科技創(chuàng)新和產業(yè)相結合。進一步完善技術研發(fā)、標準、知識產權、檢測及公共服務能力，借鑒文物裝備、醫(yī)療儀器等專項組織模式，主配牽手、產需對接，助力產業(yè)持續(xù)發(fā)展。
（2） 建設傳感器及儀器儀表創(chuàng)新中心，助力行業(yè)高質量發(fā)展。建設創(chuàng)新中心，攻克可靠性、穩(wěn)定性、高精度、封測工藝、批量化校準等共性技術難題，形成一批具有知識產權和核心競爭力的關鍵技術成果，研發(fā)適用于消費電子、工業(yè)、農業(yè)、交通、生物醫(yī)療等行業(yè)的量大面廣智能傳感器以及面向航天航空、深海探測等特殊應用的智能傳感器產品，培養(yǎng)一批復合型創(chuàng)新人才骨干，設計與制造技術達到水平。2018年7月國家智能傳感器創(chuàng)新中心在上海啟動，專注傳感器設計集成技術、先jin制造及封測工藝等技術創(chuàng)新。
（3）培育傳感器及儀器儀表，提升解決方案供給能力和水平。擁有強大的生產、市場和技術能力，在產業(yè)鏈中充當著核心企業(yè)或系統(tǒng)集成商的角色，是產業(yè)生態(tài)成長的關鍵力量。以牽引，面向消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、健康醫(yī)療、文物保護、節(jié)能環(huán)保等重點行業(yè)領域，開展智能傳感器及儀器儀表應用示范。
4、總結
下一步傳感器及儀器儀表行業(yè)將根據兩化融合的發(fā)展需求，以及技術發(fā)展趨勢和產業(yè)存在的主要問題，統(tǒng)籌規(guī)劃傳感器及智能化儀器儀表產業(yè)發(fā)展，整合現有資源，突出重點，標準，通過政策和資金的支持，充分發(fā)揮企業(yè)的主體地位和作用，著力增強自主創(chuàng)新能力，攻克基礎共性和核心技術，實現整個產業(yè)的高質量發(fā)展。
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