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传感器及仪器仪表技术
点击次数:521 发布时间:2019-08-26

作者简介

王春喜(1974- ),男,博士,机械工业仪器仪表综合技术经济研究所副总工,标准与检测中心主任,全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会(SAC/TC124)秘书长,教授级工程师。主要研究方向为智能制造、测量控制与自动化、预测性维护、数据字典、标准化研究等

1.1 相关定义及行业分类

传感器(sensor)是指能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件(sensing element)和转换元件(transducing element)组成。其中,敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。转换元件指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。当输出为规定的标准信号时,传感器也被称为变送器(transmitter)。 

仪器仪表(instrument或instrumentation)是指用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。温度变送器、压力变送器、流量变送器、分析仪表、实验室仪表、工控机、控制系统、可编程序控制器(PLC)、分散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)、执行系统、工业通信系统等均属于仪器仪表。过程领域中,仪表系统典型地由传感器(如压力、流量、温度变送器)、逻辑解算器或控制系统(如PLC、DCS、FCS)和终元件(如控制阀)组成。

按国民经济行业分类,仪器仪表大类包括9个中类、20个小类,具体如下:通用仪器仪表(工业自动控制系统装置、电工仪器仪表、绘图/计算及测量仪器、实验分析仪器、试验机、供应用仪器仪表、其他通用仪器)、专用仪器仪表(环境监测专用仪器仪表、运输设备及生产用计数仪表、导航/测绘/气象及海洋专用仪器、农林牧渔专用仪器仪表、地质勘探和地震专用仪器、教学专用仪器、核子及核辐射测量仪器、电子测量仪器、其他专用仪器)、钟表与计时仪器、光学仪器、衡器、其他仪器仪表。

1.2 重要作用

随着第四次工业革命的到来,世界开始进入数字化和智能化时代。在智能化的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的数据和信息,而传感器及仪器仪表是获取自然和生产领域中数据和信息的主要途径与手段。许多科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。因此,传感器及仪器仪表技术是现代科技的前沿技术。科学家王大珩院士指出,“机器是改造世界的工具,仪器仪表是认识世界的工具”。仪器仪表是工业生产的“倍增器”,是科学研究的“先行官”,是军事上的“战斗力”,是现代社会活动的“物化法官”。不言而喻,仪器仪表在当今时代推动科学技术和国民经济的发展具有非常重要的地位。

传感器及仪器仪表技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术,乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术。其研究、制造和应用技术水平是衡量一个国家综合国力、科技水平、创新能力的重要指标。

我国工业正面临转型升级、提质增效的关键阶段。新一代信息技术与工业融合实现了一种全新的生产方法,实现了工厂和企业之间业务流程上的纵向网络集成,企业上下游之间的横向集成,以及产品全生命周期的价值链集成。其中智能传感器及仪器仪表是信息产业的源头和组成部分,对促进工业转型升级和高质量发展、推动现代国防建设、保障和提高人民生活水平发挥着重要作用。

1.3 国家政策支持

鉴于传感器及仪器仪表行业在国民经济发展中的重要作用,国家近年来推出了一系列相关政策大力支持行业技术研究和产业发展。

2013年,国务院办公厅印发了《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》,其中着重提出“加强低成本、低功耗、高精度、高可靠、智能化传感器的研发与产业化,着力突破物联网核心芯片、软件、仪器仪表等基础共性技术,加快传感器网络、智能终端、大数据处理、智能分析、服务集成等关键技术研发创新”。同年,工信部、科技部、财政部、国标委组织联合印发了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》,并先后在工业领域、文物保护装备领域开展了产业化及应用专项行动,取得很好的带动效应。此外,发改委、工信部等14个部门联合印发10个物联网发展专项行动计划,其中对传感器的发展提出了明确的目标和要求。

2015年,国务院印发了《中国制造2025》,其中提出要“突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置”。

2016年,国务院印发了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,其中把传感器及仪器仪表产业作为“推动智能制造关键技术装备迈上新台阶”、“超前布局战略性产业,培育未来发展新优势”等工作的重要内容。同年,工信部、发改委、中国工程院联合印发了《发展服务型制造专项行动指南》,促进制造业由生产型制造向服务型制造转变。其中提出,引导制造业企业实施产品全生命周期管理(PLM),重点支持企业通过设备跟踪系统和网络服务平台进行远程监测、故障诊断、远程维修、趋势预测等在线支持服务。而这些服务都需要在生产制造和产品运维的全过程部署大量智能传感器,实时提供数字化服务。

2017年,工信部印发了《智能传感器产业三年行动指南 (2017-2019年)》,指出智能传感器及仪器仪表市场应用正呈现爆发式增长态势,已成为决定未来信息技术产业发展的核心与基础之一,已成为发达国家和跨国企业布局的战略高地。产业总体目标要求:到2019年,我国智能传感器产业取得明显突破,产业生态较为完善,涌现出一批创新能力较强的国际先jin企业,技术水平稳步提升,产品结构不断优化,供给能力有效提高。

除了以上提到的政策文件以外,早在1998年,国家自然科学基金委就设立了科学仪器基础研究专项。2011年,“国家重大科研仪器设备研制专项”和“国家重大科学仪器设备开发专项”设立,分别由国家自然科学基金委和科技部管理,一个负责原创性的仪器研究,一个负责工程化和产业化。在这些科研计划的支持下,我国仪器技术研究与产品开发已初见成效。以科技部“重大科学仪器设备开发重点专项”为例,“十二五”科学仪器专项共安排项目208个,目前已全面进入验收阶段,有些成果已具备批量生产能力,得到了推广应用。“十三五”期间,科学仪器专项共安排项目142个,目前正处于关键技术攻关和工程化样机研制阶段。

1.4 行业发展现状及存在问题

传感器将是未来万物互联的核心基础。当前,全球信息技术发展正处于跨界融合、加速创新、深度调整的历史时期,呈现万物互联、万物智能的新特征。智能制造、工业互联网、人工智能等新技术和新生态的兴起,推动全球生产方式和消费模式的重大改变,市场应用呈现爆发式增长态势。从第三方数据显示2018年中国传感器市场规模在2400亿元,同比增长11.6%,2019年将持续保持增长态势进行提升。

发达工业国家都把传感器及仪器仪表技术列为国家发展战略。美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代,日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。世界技术发达国家对开发传感器技术都十分重视。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。正是由于世界各国普遍重视和投入开发,世界传感器技术和应用发展十分迅速。

传感器及仪器仪表产品门类和品种规格繁多,据不完全统计有12大类,42小类,6000多品种,20000多种规格。这也导致我国产业发展呈现两大趋势:一是创新驱动发展,实现了高灵敏度、高适应性、高可靠性,并向嵌入式、微型化、模块化、智能化、集成化、网络化方向发展;二是企业形态呈集团化垄断和精细化分工的有机结合,一方面大公司通过兼并重组,逐步形成垄断地位,另一方面小企业则向“小(中)而精、精而专、专而强”方向发展。

目前,我国传感器及仪器仪表行业已形成门类品种比较齐全、布局比较合理、具有一定技术基础和生产规模的产业体系,是发展中国家规模大、产品品种齐全、综合实力zui强的传感器及仪器仪表生产国,在国际仪器仪表市场中具有一定的地位。经过近几年国家政策支持,我国一批企业具备了一定的规模和技术实力。自主研发能力提升,设计、制造、封装等环节产生了一批创新成果,部分技术领域打破了国际垄断,初步形成了比较完整的产业体系和技术创新体系。

我国传感器及仪器仪表产业虽然得到了快速发展,但与国外的差距仍然较大,主要体现在:

(1)科技创新及其产业化进展缓慢;

(2)关键核心技术匮乏,低水平重复异常突出;

(3)行业发展不平衡不充分,低端产品面临更加激烈竞争,中产品整体发展不平衡,产品被国外长期垄断;

(4)产品稳定性和可靠性长期得不到根本性解决;

(5)大量进口对产业发展造成较大不利影响等。

2、行业标准化需求和进展

2.1 新时期行业标准化需求

标准化工作一直在技术与开发、科研与生产、市场与需求、供应与采办、政府与企业之间,发挥着“桥梁”和“纽带”的作用,是促进传感器和仪器仪表技术进步和产业发展的重要基础。随着智能制造、工业互联网、人工智能技术的不断发展,工信部和国标委印发了《国家智能制造标准体系建设指南》(“BA智能装备”下的“识别与传感”,如图1所示)和《工业互联网综合标准化体系建设指南》(“平台”下的“数据采集”,如图2所示),正在制定《国家新一代人工智能标准体系建设指南》(“B平台/支撑”下的“智能感知与互联”,如图3所示),其中都将制定传感器及仪器仪表技术标准作为其核心的基础共性标准。

2.2 行业标准化现状分析

目前,我国传感器及仪器仪表行业与传感器相关的技术标准共有约540余项。主要包括:

(1)敏感元件层面:热(温)敏、光敏、压敏、湿敏、气敏、磁敏、力敏、离子敏、生物敏、放射线敏、纤维光学敏感器等十多类80余项器件标准;

(2)产品层面:温度、流量、压力、物位、机械量、分析、显示、记录、调节、执行、变送、电单、气单等二十多类360余项产品通用技术条件标准;

(3)系统层面:系统评估、功能安全、通信安全、物理安全、环境测试五类40余项方法标准;

(4)集成层面:物理层规范、接口、功能块、设备行规等十多类30余项基础标准。

上述标准涉及的标委会主要包括: SAC/TC78(半导体器件)、SAC/TC103(光学和光学仪器)、SAC/TC104(电工仪器仪表)、SAC/TC124(工业过程测量控制和自动化)、SAC/TC159(工业自动化系统与集成)、SAC/TC284(光辐射安全和激光设备)、SAC/TC338(测量控制和实验室电器设备安全)、SAC/TC419(仪表功能材料)、SAC/TC526(实验室仪器及设备)、机械工业仪器仪表元器件标准化技术委员会等等十几个标委会和行业归口单位。

面向新时期智能制造、工业互联网、人工智能等对传感器及仪器仪表标准化工作的迫切需求,近年来,机械工业仪器仪表综合技术经济研究所和全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会(TC124)组织行业专家初步构建了智能传感器标准体系(如图4所示)。从基础标准、方法标准和产品标准三个层面进行了标准规划,已制定物联网和智能传感器相关标准近20项(如表1所示),很好地促进了传感器及仪器仪表领域标准化的发展。

3

未来技术发展方向和建议

3.1 未来技术发展方向

目前,国外传感器产品技术发展趋势是应用微机械和微电子相结合的MEMS工艺、新材料、高精度补偿技术和高可靠性设计技术,使传感器产品逐步向集成化、智能化、微型化、可移动、多样化方向发展。

(1)集成化:一种是同类型多个传感器的集成,即同一功能的多个传感元件用集成工艺在同一平面上排列,组成线性传感器。另一种是多功能一体化,如几种不同的敏感元器件制作在同一硅片上,制成集成化多功能传感器,集成度高、体积小,容易实现补偿和校正,是当前传感器集成化发展的主要方向。

(2)智能化:智能传感器这一概念是由国外引进的,通常定义为:带有微处理器,具有信息处理和通信功能的传感器。处理功能包括:自标定、自采集、自补偿、自检验、自处理、自存贮、自决策、自优化等功能;通信功能包括双向通信、标准化数字输出或符号输出功能,即其输出不再是单一的模拟信号,而是经过微处理器后的数字信号。

(3)微型化:随着各应用领域发展的需要,要求传感器本身的体积越小越好。传感器的微型化是指敏感元件的特征尺寸为mm→μm→nm类传感器。这类传感器具有尺寸上的微型性和性能上的优越性,要素上的集成性和用途上的多样性,功能上的系统性和结构上的复合性。其制备工艺涉及等。传感器将MEMS技术、IC技术、激光技术、精密超细加工技术引入传感器的生产制造,实现了规模化生产,并为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。

(4)可移动:进入21世纪后,由于MEMS技术、低功耗的模拟和数字电路技术、低功耗的无线射频(RF)和无线传感网技术的发展,克服了节点资源限制,并满足了传感器网络扩展性、容错性等要求,使得开发小体积、低成本、低功耗的无线微传感器成为可能。无线通信及组网技术的发展,可使大量传感器通过网络构成智能化、协同工作的信息感知系统,从而提高了传感器的分布式、大面积信息探测能力,使传感网的实现成为可能。

(5)多样化:新材料技术的突破加快了多种新型传感器的涌现。新型敏感材料是传感器的技术基础,材料技术研发是提升性能、降低成本和技术升级的重要手段。除了传统的半导体材料、光导纤维等,有机敏感材料、陶瓷材料、超导、纳米和生物材料等成为研发热点,生物传感器、光纤传感器、气敏传感器、数字传感器等新型传感器加快涌现。

3.2 行业发展措施建议

根据《智能传感器产业三年行动指南 (2017-2019年)》的总体目标要求,针对行业现存的自主核心技术薄弱、产品缺乏、产品可靠性差、科技创新及其产业化进展缓慢等问题,提出传感器及仪器仪表行业下一步重点发展措施建议如下:

(1)完善传感器及仪器仪表公共服务平台建设,推动科技创新和产业相结合。进一步完善技术研发、标准、知识产权、检测及公共服务能力,借鉴文物装备、医疗仪器等专项组织模式,主配牵手、产需对接,助力产业持续发展。

(2) 建设传感器及仪器仪表创新中心,助力行业高质量发展。建设创新中心,攻克可靠性、稳定性、高精度、封测工艺、批量化校准等共性技术难题,形成一批具有知识产权和核心竞争力的关键技术成果,研发适用于消费电子、工业、农业、交通、生物医疗等行业的量大面广智能传感器以及面向航天航空、深海探测等特殊应用的智能传感器产品,培养一批复合型创新人才骨干,设计与制造技术达到国际水平。2018年7月国家智能传感器创新中心在上海启动,专注传感器设计集成技术、先jin制造及封测工艺等技术创新。

(3)培育传感器及仪器仪表龙头企业,提升解决方案供给能力和水平。龙头企业拥有强大的生产、市场和技术能力,在产业链中充当着核心企业或系统集成商的角色,是产业生态成长的关键力量。以龙头企业牵引,面向消费电子、汽车电子、工业控制、健康医疗、文物保护、节能环保等重点行业领域,开展智能传感器及仪器仪表应用示范。

4、总结

下一步传感器及仪器仪表行业将根据两化融合的发展需求,以及技术发展趋势和产业存在的主要问题,统筹规划传感器及智能化仪器仪表产业发展,整合现有资源,突出重点,标准,通过政策和资金的支持,充分发挥企业的主体地位和作用,着力增强自主创新能力,攻克基础共性和核心技术,实现整个产业的高质量发展。

 

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