傳感器與儀器儀表技術(shù)發(fā)展與標準化現(xiàn)狀

作者 | 王春熙、劉曉靜

機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所

摘要：本文梳理了傳感器與儀器儀表行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，總結(jié)了智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新形勢下傳感器與儀器儀表行業(yè)的標準化要求和進展，并提出了未來技術(shù)發(fā)展方向和行業(yè)進步。行動建議。

關(guān)鍵詞：傳感器；儀器儀表；智能傳感器；智能制造；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；人工智能

1 傳感器與儀器儀表行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 相關(guān)定義和行業(yè)分類

傳感器是指能夠感知被測量并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的裝置或裝置，通常由傳感元件和換能元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感知或響應測量的部分。轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感覺到或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適合傳輸或測量的電信號的部分。當輸出為指定的標準信號時，傳感器也稱為變送器。

Instrumentation（儀器或儀表）是指用于檢測、測量、觀察、計算各種物理量、材料成分、物理參數(shù)等的儀器或設備。溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、分析儀器、實驗室儀器、工業(yè)計算機、控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）、執(zhí)行系統(tǒng)、工業(yè)通信系統(tǒng)等都是儀表。在過程域中，儀表系統(tǒng)通常由傳感器（例如，壓力、流量、溫度變送器）、邏輯求解器或控制系統(tǒng)（例如，PLC、DCS、FCS）和最終元件（例如，控制閥）組成。

按國民經(jīng)濟行業(yè)分類，儀器儀表大類包括9個中類和20個小類，如下：一般儀器儀表（工業(yè)自控系統(tǒng)裝置、電氣儀器儀表、繪圖/計算測量儀器、實驗分析儀器、試驗機械、供應儀器、其他通用儀器）、專用儀器（環(huán)境監(jiān)測專用儀器、生產(chǎn)運輸設備和計數(shù)儀器、航海/測繪/氣象和海洋儀器、農(nóng)林牧業(yè)儀器和漁業(yè)、地質(zhì)勘探和地震儀器、教學儀器、核與核輻射測量儀器、電子測量儀器、其他特殊儀器）、鐘表和計時儀器、光學儀器、衡器等儀器。

1.2重要作用

隨著第四次工業(yè)革命的到來，世界進入了數(shù)字化、智能化時代。在智能化過程中，首先要解決的是獲取準確可靠的數(shù)據(jù)和信息，而傳感器和儀器儀表是自然和生產(chǎn)領(lǐng)域獲取數(shù)據(jù)和信息的主要方式和手段。許多科學研究的第一個障礙在于獲取物體信息的難度，而一些新機制和高靈敏度檢測傳感器的出現(xiàn)往往會導致該領(lǐng)域的突破。一些傳感器的發(fā)展往往是一些邊緣學科發(fā)展的先行者。因此，傳感器與儀表技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)。著名科學家王大恒院士，指出“機器是改造世界的工具，儀器是認識世界的工具”。儀器儀表是工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”，是科學研究的“開拓者”，是軍隊中的“戰(zhàn)斗力”，是現(xiàn)代社會活動的“物化法官”。毋庸置疑，儀器儀表在推動當今時代科技發(fā)展和國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用。

傳感器和儀器技術(shù)是材料科學、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(shù)、半導體技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)，甚至系統(tǒng)。它是一門綜合性的高科技密集型前沿技術(shù)，與科學、人工智能、自動化技術(shù)等多個學科交叉。其研究、制造和應用技術(shù)水平是衡量一個國家綜合國力、科技水平和創(chuàng)新能力的重要指標。

我國工業(yè)正面臨轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效的關(guān)鍵階段。新一代信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)融合實現(xiàn)了新的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)了工廠與企業(yè)之間業(yè)務流程的垂直網(wǎng)絡整合、上下游企業(yè)的橫向整合、產(chǎn)品全生命周期的價值鏈整合。其中，智能傳感器和儀器儀表是信息產(chǎn)業(yè)的源泉和組成部分，在推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展、推進現(xiàn)代國防建設、保障和提高人民生活水平等方面發(fā)揮著重要作用。

1.3國家政策支持

鑒于傳感器與儀器儀表行業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要作用，國家近年來出臺了一系列相關(guān)政策，大力支持行業(yè)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2013年國務院辦公廳印發(fā)《國務院關(guān)于促進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導意見》 ——大功率、高精度、高可靠、智能傳感器。重點突破物聯(lián)網(wǎng)核心芯片、軟件、儀器儀表等基礎(chǔ)共性技術(shù)，加快推進物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新。傳感器網(wǎng)絡、智能終端、大數(shù)據(jù)處理、智能分析、服務集成?！?同年，工業(yè)和信息化部、科技部、財政部、與國家標準委聯(lián)合印發(fā)《加快傳感器與智能儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》，先后在工業(yè)領(lǐng)域和文物保護裝備領(lǐng)域開展產(chǎn)業(yè)化應用專項行動。獲得良好的驅(qū)動效果。此外，國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等14個部門聯(lián)合印發(fā)了10項物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項行動計劃，對傳感器發(fā)展提出了明確的目標和要求。先后在工業(yè)領(lǐng)域和文物保護裝備領(lǐng)域開展產(chǎn)業(yè)化應用專項行動。獲得良好的驅(qū)動效果。此外，國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等14個部門聯(lián)合印發(fā)了10項物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項行動計劃，對傳感器發(fā)展提出了明確的目標和要求。先后在工業(yè)領(lǐng)域和文物保護裝備領(lǐng)域開展產(chǎn)業(yè)化應用專項行動。獲得良好的驅(qū)動效果。此外，國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等14個部門聯(lián)合印發(fā)了10項物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項行動計劃，對傳感器發(fā)展提出了明確的目標和要求。

2015年，國務院印發(fā)《中國制造2025》，提出“突破新型傳感器、智能測量儀表、工控系統(tǒng)、伺服電機、驅(qū)動器、減速器等智能核心器件”。

其中，提出引導制造企業(yè)實施產(chǎn)品生命周期管理（PLM），重點支持企業(yè)通過設備跟蹤系統(tǒng)和網(wǎng)絡，開展遠程監(jiān)控、故障診斷、遠程維護、趨勢預測等在線支持服務。服務平臺。這些服務都需要在制造和產(chǎn)品運維全過程部署大量智能傳感器，實時提供數(shù)字化服務。

2017年，工信部發(fā)布《智能傳感器行業(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呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢，成為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的核心和基礎(chǔ)。一是成為發(fā)達國家和跨國企業(yè)布局的戰(zhàn)略高地。產(chǎn)業(yè)總體目標要求，到2019年，我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)重大突破，產(chǎn)業(yè)生態(tài)較為完善，涌現(xiàn)出一批具有較強創(chuàng)新能力的國際先進企業(yè)，技術(shù)水平穩(wěn)步提升，

除上述政策文件外，早在1998年，國家自然科學基金委員會就設立了科學儀器基礎(chǔ)研究專項。2011年，立項“國家重大科研儀器設備研制項目”和“國家重大科學儀器設備研制項目”，分別由國家自然科學基金委和科技部管理，一個負責原儀器研究，另一項負責工程和產(chǎn)業(yè)變革。在這些科研計劃的支持下，我國儀器技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)取得了初步成果。以科技部“重大科學儀器裝備發(fā)展重點專項”為例，“十二五”期間共安排科學儀器項目208項。目前已全面進入驗收階段，部分成果已實現(xiàn)量產(chǎn)并得到推廣應用?！笆濉逼陂g，共安排科學儀器項目142項，目前處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程樣機研制階段。已全面進入驗收階段，部分成果已實現(xiàn)量產(chǎn)并得到推廣應用?！笆濉逼陂g，共安排科學儀器項目142項自動測量設備，目前處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程樣機研制階段。已全面進入驗收階段，部分成果已實現(xiàn)量產(chǎn)并得到推廣應用?！笆濉逼陂g，共安排科學儀器項目142項，目前處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程樣機研制階段。

1.4 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

傳感器將是未來萬物互聯(lián)的核心基礎(chǔ)。當前，全球信息技術(shù)發(fā)展處于跨界融合、加速創(chuàng)新、深度調(diào)整的歷史時期，呈現(xiàn)出萬物互聯(lián)、萬物智能的新特點。智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)新生態(tài)的興起，帶動全球生產(chǎn)方式和消費方式發(fā)生重大變化，市場應用呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢。第三方數(shù)據(jù)顯示，2018年中國傳感器市場規(guī)模為2400億元，同比增長11.6%。2019年將繼續(xù)保持增長態(tài)勢并有所改善。

發(fā)達國家已將傳感器和儀器儀表技術(shù)列為國家發(fā)展戰(zhàn)略。早在1980年代，美國就宣稱世界已經(jīng)進入傳感器時代，日本商界人士則宣稱“新時代可以由對傳感器技術(shù)的掌控來主導”。世界發(fā)達國家非常重視傳感器技術(shù)的發(fā)展。美國、日本、英國、法國、德國和獨聯(lián)體已將傳感器技術(shù)列為國家重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。正是由于世界各國對發(fā)展的普遍關(guān)注和投入，世界的傳感器技術(shù)和應用發(fā)展非常迅速。

傳感器和儀表產(chǎn)品的種類和規(guī)格很多。據(jù)不完全統(tǒng)計，有12個大類、42個亞類、6000多個品種、2萬多個規(guī)格。這也帶動了我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩大趨勢：一是創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展實現(xiàn)了高靈敏度、高適應性、高可靠性，向嵌入式、小型化、模塊化、智能化、集成化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。二是企業(yè)形式是集團壟斷與精細化分工的有機結(jié)合。一方面，大公司通過兼并重組逐漸形成壟斷地位，另一方面，小公司向“?。ㄖ校┚?、精專、

目前，我國傳感器與儀器儀表行業(yè)已形成門類比較齊全、布局比較合理、有一定技術(shù)基礎(chǔ)和生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)體系。是發(fā)展中國家規(guī)模最大、產(chǎn)品品種最齊全、綜合實力最強的傳感器和儀器儀表。儀器生產(chǎn)國在國際儀器儀表市場上具有一定的地位。近年來，在國家政策的支持下，我國多家企業(yè)已具備一定的規(guī)模和技術(shù)實力。自主研發(fā)能力得到提升，在設計、制造、包裝等環(huán)節(jié)產(chǎn)生了一批創(chuàng)新成果。

我國傳感器及儀器儀表行業(yè)雖然發(fā)展迅速，但與國外差距仍然較大，主要體現(xiàn)在：

（1）科技創(chuàng)新及其產(chǎn)業(yè)化進展緩慢；

（2）關(guān)鍵核心技術(shù)缺失，低層重復異常突出；

(3）行業(yè)發(fā)展不平衡不足，低端產(chǎn)品競爭更加激烈，中高端產(chǎn)品整體發(fā)展不平衡，高端產(chǎn)品被國外壟斷國家很長一段時間；

（4）產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性長期沒有得到根本解決；

（5）大量進口對產(chǎn)業(yè)發(fā)展等產(chǎn)生很大不利影響。

2 行業(yè)標準化需求與進展

2.1 新時代的行業(yè)標準化需求

標準化工作始終發(fā)揮著技術(shù)與開發(fā)、科研與生產(chǎn)、市場與需求、供需、政府與企業(yè)之間的“橋梁”和“紐帶”作用，是傳感器與儀器儀表技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動者。發(fā)展。重要的基礎(chǔ)。隨著智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，工信部、國家標準委發(fā)布了《國家智能制造標準體系建設指南》（《識別與傳感》） “BA智能裝備”，如圖1）和“

圖1 智能制造標準架構(gòu)圖

圖 2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)

圖3 AI標準架構(gòu)圖

2.2行業(yè)標準化現(xiàn)狀分析

目前，我國傳感器與儀器儀表行業(yè)與傳感器相關(guān)的技術(shù)標準有540多項。主要包括：

（1）敏感元件：熱（溫）敏、光敏、壓敏、濕敏、氣敏、磁敏、力敏、離子敏感、生物敏感、輻射敏感、光纖傳感器等。 80個設備標準；

（2）產(chǎn)品級別：溫度、流量、壓力、料位、機械量、分析、顯示、記錄、調(diào)整、執(zhí)行、傳輸、電費、燃氣費等20多類通用技術(shù)更多超過360個產(chǎn)品條件標準；

（3）系統(tǒng)級：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多種方法標準；

（4）集成級別：物理層規(guī)范、接口、功能塊、設備配置文件等十多個大類30多個基礎(chǔ)標準。

上述標準涉及的標準委員會主要有：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)過程測量控制與自動化）、SAC /TC159（工業(yè)自動化系統(tǒng)和集成）、SAC/TC284（光輻射安全和激光設備）、SAC/TC338（測量控制和實驗室電氣設備安全）、SAC/TC419（儀器功能材料）、SAC/TC526（實驗更多機械工業(yè)儀表零部件標準化技術(shù)委員會等十幾個標準委員會和行業(yè)焦點。

面對智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新時代傳感器和儀器儀表標準化的迫切需求，近年來，機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所和國家工業(yè)過程計量控制與自動化標準化技術(shù)委員會（TC124）組織行業(yè)專家初步構(gòu)建智能傳感器標準體系（如圖4）。標準規(guī)劃從基礎(chǔ)標準、方法標準和產(chǎn)品標準三個層次進行，近制定了20項物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感器相關(guān)標準（如表1所示），很好地推動了傳感器和儀器儀表領(lǐng)域標準化的發(fā)展。

圖4 智能傳感器標準體系

表1 物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感器相關(guān)標準

3 未來技術(shù)發(fā)展方向及建議

3.1 未來技術(shù)發(fā)展方向

目前國外傳感器產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展趨勢是應用微機械與微電子相結(jié)合的MEMS技術(shù)、新材料、高精度補償技術(shù)和高可靠性設計技術(shù)，使傳感器產(chǎn)品逐步集成化、智能化。 、小型化、可靠。移動化、多元化發(fā)展。

（1）集成：一種是多個同類型傳感器的集成，即多個相同功能的傳感元件以集成工藝排列在同一平面上，形成線性傳感器。另一種是多-功能集成例如在同一硅片上制作多個不同的敏感元件，制成集成度高、體積小、易于補償校正的集成多功能傳感器，是當前傳感器集成發(fā)展的主要方向。

（2）智能：智能傳感器的概念是從國外引進的，通常定義為：帶有微處理器的傳感器，具有信息處理和通訊功能。處理功能包括：自校準、自采集、自補償、自檢、自處理、自存儲、自決策、自優(yōu)化等功能；通信功能包括雙向通信、標準化數(shù)字輸出或符號輸出功能，即輸出不再單一模擬信號，而是經(jīng)過微處理，經(jīng)過器件處理后的數(shù)字信號。

（3）小型化：隨著各種應用領(lǐng)域的發(fā)展，傳感器本身的體積越小越好。傳感器的小型化意味著敏感元件的特征尺寸為mm→μm→nm型傳感器. 此類傳感器 該傳感器具有尺寸和性能小型化、元件集成化和用途多樣化、功能系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)復雜等優(yōu)點，其制備過程涉及等。該傳感器結(jié)合了MEMS技術(shù)、IC技術(shù)、激光技術(shù)、精密超細加工技術(shù)引入傳感器生產(chǎn)，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，為傳感器小型化發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

（4）手機：進入21世紀后，由于MEMS技術(shù)、低功耗模擬和數(shù)字電路技術(shù)、低功耗無線射頻（RF）和無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點資源已經(jīng)克服了。它滿足了傳感器網(wǎng)絡可擴展性和容錯性的要求，使開發(fā)體積小、成本低、功耗低的無線微型傳感器成為可能。無線通信和組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使大量傳感器形成通過網(wǎng)絡實現(xiàn)智能傳感器，提高傳感器的分布式、大面積信息檢測能力，使傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)成為可能。

（5）多元化：新材料技術(shù)的突破加速了多種新型傳感器的出現(xiàn)。新型敏感材料是傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)，材料技術(shù)研發(fā)是提高性能、降低除了傳統(tǒng)的半導體材料、光纖等，有機敏感材料、陶瓷材料、超導、納米和生物材料成為研究熱點，生物傳感器、光纖傳感器、氣體傳感器、和數(shù)字傳感器正在加速。

3.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展措施建議

根據(jù)《智能傳感器行業(yè)三年行動綱要（2017-2019年）》的總體目標和要求，針對行業(yè)現(xiàn)有自主核心技術(shù)薄弱、高端產(chǎn)品缺乏、產(chǎn)品可靠性差、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化進展緩慢，提出傳感器與儀器儀表行業(yè)下一步重點發(fā)展措施如下：

（1）完善傳感器與儀器儀表公共服務平臺建設，促進科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)融合。進一步提升技術(shù)研發(fā)、標準、知識產(chǎn)權(quán)、檢測和公共服務能力，學習借鑒文物、醫(yī)療器械等特殊組織模式，主要合作伙伴牽手，產(chǎn)需對接，助力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

（2）建設傳感器與儀器儀表創(chuàng)新中心，助力行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。建設創(chuàng)新中心攻克可靠性、穩(wěn)定性、高精度、封測技術(shù)、批量校準等共性技術(shù)難題，并形成一批具有知識產(chǎn)權(quán)和核心競爭力的關(guān)鍵技術(shù)成果，研發(fā)適用于消費電子、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、生物醫(yī)藥等行業(yè)的大型、廣泛的智能傳感器，以及面向航空航天、深海探測等特殊應用的智能傳感器產(chǎn)品，一批復合型創(chuàng)新人才，設計制造技術(shù)達到國際水平。2018年7月，國家智能傳感器創(chuàng)新中心在上海啟動，專注于傳感器設計集成技術(shù)、先進制造和封測工藝等技術(shù)創(chuàng)新。

（3）培育傳感器、儀器儀表龍頭企業(yè)，提高解決方案供應能力和水平。龍頭企業(yè)具有較強的生產(chǎn)、市場和技術(shù)能力，在產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮核心企業(yè)或系統(tǒng)集成商的作用。產(chǎn)業(yè)生態(tài)成長的關(guān)鍵力量，以龍頭企業(yè)為牽頭自動測量設備，針對消費電子、汽車電子、工控、醫(yī)療、文物保護、能源等重點行業(yè)開展智能傳感器及儀器儀表應用示范保護和環(huán)境保護。

4 總結(jié)

下一步，傳感器與儀器儀表行業(yè)將根據(jù)一體化發(fā)展需要，統(tǒng)籌傳感器與智能儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展，整合現(xiàn)有資源，突出重點，以標準引領(lǐng)潮流。二、以及技術(shù)發(fā)展趨勢和行業(yè)存在的主要問題。在政策和資金支持下，充分發(fā)揮企業(yè)主體地位和作用，著力提升自主創(chuàng)新能力，攻克基礎(chǔ)共性和高端核心技術(shù)，實現(xiàn)全行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)于作者

王春喜（1974-），男，博士，機械工業(yè)儀表技術(shù)與經(jīng)濟研究所副總工程師，標準與檢測中心主任，全國工業(yè)過程測量控制與自動化標準化技術(shù)委員會秘書（ SAC/TC124） 教授級高級工程師，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(shù)據(jù)字典、標準化研究。