传感器与仪器仪表技术发展与标准化现状
作者 | 王春熙、刘晓静
机械工业仪器仪表综合技术经济研究所
摘要：本文梳理了传感器与仪器仪表行业的发展现状和存在的问题，总结了智能制造、工业互联网、人工智能等新形势下传感器与仪器仪表行业的标准化要求和进展，并提出了未来技术发展方向和行业进步。行动建议。
关键词：传感器；仪器仪表；智能传感器；智能制造；工业互联网；人工智能
1 传感器与仪器仪表行业发展现状
1.1 相关定义和行业分类
传感器是指能够感知被测量并按照一定规律将其转换成可用输出信号的装置或装置，通常由传感元件和换能元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感知或响应测量的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件感觉到或响应的被测量转换成适合传输或测量的电信号的部分。当输出为指定的标准信号时，传感器也称为变送器。
Instrumentation（仪器或仪表）是指用于检测、测量、观察、计算各种物理量、材料成分、物理参数等的仪器或设备。温度变送器、压力变送器、流量变送器、分析仪器、实验室仪器、工业计算机、控制系统、可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）、执行系统、工业通信系统等都是仪表。在过程域中，仪表系统通常由传感器（例如，压力、流量、温度变送器）、逻辑求解器或控制系统（例如，PLC、DCS、FCS）和最终元件（例如，控制阀）组成。
按国民经济行业分类，仪器仪表大类包括9个中类和20个小类，如下：一般仪器仪表（工业自控系统装置、电气仪器仪表、绘图/计算测量仪器、实验分析仪器、试验机械、供应仪器、其他通用仪器）、专用仪器（环境监测专用仪器、生产运输设备和计数仪器、航海/测绘/气象和海洋仪器、农林牧业仪器和渔业、地质勘探和地震仪器、教学仪器、核与核辐射测量仪器、电子测量仪器、其他特殊仪器）、钟表和计时仪器、光学仪器、衡器等仪器。
1.2重要作用
随着第四次工业革命的到来，世界进入了数字化、智能化时代。在智能化过程中，首先要解决的是获取准确可靠的数据和信息，而传感器和仪器仪表是自然和生产领域获取数据和信息的主要方式和手段。许多科学研究的第一个障碍在于获取物体信息的难度，而一些新机制和高灵敏度检测传感器的出现往往会导致该领域的突破。一些传感器的发展往往是一些边缘学科发展的先行者。因此，传感器与仪表技术是现代科技的前沿技术。著名科学家王大恒院士，指出“机器是改造世界的工具，仪器是认识世界的工具”。仪器仪表是工业生产的“倍增器”，是科学研究的“开拓者”，是军队中的“战斗力”，是现代社会活动的“物化法官”。毋庸置疑，仪器仪表在推动当今时代科技发展和国民经济发展中发挥着非常重要的作用。
传感器和仪器技术是材料科学、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，甚至系统。它是一门综合性的高科技密集型前沿技术，与科学、人工智能、自动化技术等多个学科交叉。其研究、制造和应用技术水平是衡量一个国家综合国力、科技水平和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。新一代信息技术与产业融合实现了新的生产方式，实现了工厂与企业之间业务流程的垂直网络整合、上下游企业的横向整合、产品全生命周期的价值链整合。其中，智能传感器和仪器仪表是信息产业的源泉和组成部分，在推动产业转型升级和高质量发展、推进现代国防建设、保障和提高人民生活水平等方面发挥着重要作用。
1.3国家政策支持
鉴于传感器与仪器仪表行业在国民经济发展中的重要作用，国家近年来出台了一系列相关政策，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《国务院关于促进物联网有序健康发展的指导意见》 ——大功率、高精度、高可靠、智能传感器。重点突破物联网核心芯片、软件、仪器仪表等基础共性技术，加快推进物联网等关键技术研发和创新。传感器网络、智能终端、大数据处理、智能分析、服务集成。” 同年，工业和信息化部、科技部、财政部、与国家标准委联合印发《加快传感器与智能仪器仪表产业发展行动计划》，先后在工业领域和文物保护装备领域开展产业化应用专项行动。获得良好的驱动效果。此外，国家发展改革委、工业和信息化部等14个部门联合印发了10项物联网发展专项行动计划，对传感器发展提出了明确的目标和要求。先后在工业领域和文物保护装备领域开展产业化应用专项行动。获得良好的驱动效果。此外，国家发展改革委、工业和信息化部等14个部门联合印发了10项物联网发展专项行动计划，对传感器发展提出了明确的目标和要求。先后在工业领域和文物保护装备领域开展产业化应用专项行动。获得良好的驱动效果。此外，国家发展改革委、工业和信息化部等14个部门联合印发了10项物联网发展专项行动计划，对传感器发展提出了明确的目标和要求。
2015年，国务院印发《中国制造2025》，提出“突破新型传感器、智能测量仪表、工控系统、伺服电机、驱动器、减速器等智能核心器件”。
其中，提出引导制造企业实施产品生命周期管理（PLM），重点支持企业通过设备跟踪系统和网络，开展远程监控、故障诊断、远程维护、趋势预测等在线支持服务。服务平台。这些服务都需要在制造和产品运维全过程部署大量智能传感器，实时提供数字化服务。
2017年，工信部发布《智能传感器行业三年行动指南（2017-2019年）》，指出智能传感器及仪器仪表市场应用呈现爆发式增长趋势，成为信息技术产业未来发展的核心和基础。一是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实现重大突破，产业生态较为完善，涌现出一批具有较强创新能力的国际先进企业，技术水平稳步提升，
除上述政策文件外，早在1998年，国家自然科学基金委员会就设立了科学仪器基础研究专项。2011年，立项“国家重大科研仪器设备研制项目”和“国家重大科学仪器设备研制项目”，分别由国家自然科学基金委和科技部管理，一个负责原仪器研究，另一项负责工程和产业变革。在这些科研计划的支持下，我国仪器技术研究和产品开发取得了初步成果。以科技部“重大科学仪器装备发展重点专项”为例，“十二五”期间共安排科学仪器项目208项。目前已全面进入验收阶段，部分成果已实现量产并得到推广应用。“十三五”期间，共安排科学仪器项目142项，目前处于关键技术攻关和工程样机研制阶段。已全面进入验收阶段，部分成果已实现量产并得到推广应用。“十三五”期间，共安排科学仪器项目142项自动测量设备，目前处于关键技术攻关和工程样机研制阶段。已全面进入验收阶段，部分成果已实现量产并得到推广应用。“十三五”期间，共安排科学仪器项目142项，目前处于关键技术攻关和工程样机研制阶段。
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，全球信息技术发展处于跨界融合、加速创新、深度调整的历史时期，呈现出万物互联、万物智能的新特点。智能制造、工业互联网、人工智能等新技术新生态的兴起，带动全球生产方式和消费方式发生重大变化，市场应用呈现爆发式增长态势。第三方数据显示，2018年中国传感器市场规模为2400亿元，同比增长11.6%。2019年将继续保持增长态势并有所改善。
发达国家已将传感器和仪器仪表技术列为国家发展战略。早在1980年代，美国就宣称世界已经进入传感器时代，日本商界人士则宣称“新时代可以由对传感器技术的掌控来主导”。世界发达国家非常重视传感器技术的发展。美国、日本、英国、法国、德国和独联体已将传感器技术列为国家重点发展的关键技术之一。正是由于世界各国对发展的普遍关注和投入，世界的传感器技术和应用发展非常迅速。
传感器和仪表产品的种类和规格很多。据不完全统计，有12个大类、42个亚类、6000多个品种、2万多个规格。这也带动了我国产业发展的两大趋势：一是创新驱动发展实现了高灵敏度、高适应性、高可靠性，向嵌入式、小型化、模块化、智能化、集成化、网络化方向发展。二是企业形式是集团垄断与精细化分工的有机结合。一方面，大公司通过兼并重组逐渐形成垄断地位，另一方面，小公司向“小（中）精、精专、
目前，我国传感器与仪器仪表行业已形成门类比较齐全、布局比较合理、有一定技术基础和生产规模的产业体系。是发展中国家规模最大、产品品种最齐全、综合实力最强的传感器和仪器仪表。仪器生产国在国际仪器仪表市场上具有一定的地位。近年来，在国家政策的支持下，我国多家企业已具备一定的规模和技术实力。自主研发能力得到提升，在设计、制造、包装等环节产生了一批创新成果。
我国传感器及仪器仪表行业虽然发展迅速，但与国外差距仍然较大，主要体现在：
（1）科技创新及其产业化进展缓慢；
（2）关键核心技术缺失，低层重复异常突出；
(3）行业发展不平衡不足，低端产品竞争更加激烈，中高端产品整体发展不平衡，高端产品被国外垄断国家很长一段时间；
（4）产品稳定性和可靠性长期没有得到根本解决；
（5）大量进口对产业发展等产生很大不利影响。
2 行业标准化需求与进展
2.1 新时代的行业标准化需求
标准化工作始终发挥着技术与开发、科研与生产、市场与需求、供需、政府与企业之间的“桥梁”和“纽带”作用，是传感器与仪器仪表技术进步和产业发展的推动者。发展。重要的基础。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、国家标准委发布了《国家智能制造标准体系建设指南》（《识别与传感》） “BA智能装备”，如图1）和“
图1 智能制造标准架构图
图 2 工业互联网参考架构
图3 AI标准架构图
2.2行业标准化现状分析
目前，我国传感器与仪器仪表行业与传感器相关的技术标准有540多项。主要包括：
（1）敏感元件：热（温）敏、光敏、压敏、湿敏、气敏、磁敏、力敏、离子敏感、生物敏感、辐射敏感、光纤传感器等。 80个设备标准；
（2）产品级别：温度、流量、压力、料位、机械量、分析、显示、记录、调整、执行、传输、电费、燃气费等20多类通用技术更多超过360个产品条件标准；
（3）系统级：系统评估、功能安全、通信安全、物理安全、环境测试五类40多种方法标准；
（4）集成级别：物理层规范、接口、功能块、设备配置文件等十多个大类30多个基础标准。
上述标准涉及的标准委员会主要有：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（工业过程测量控制与自动化）、SAC /TC159（工业自动化系统和集成）、SAC/TC284（光辐射安全和激光设备）、SAC/TC338（测量控制和实验室电气设备安全）、SAC/TC419（仪器功能材料）、SAC/TC526（实验更多机械工业仪表零部件标准化技术委员会等十几个标准委员会和行业焦点。
面对智能制造、工业互联网、人工智能等新时代传感器和仪器仪表标准化的迫切需求，近年来，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所和国家工业过程计量控制与自动化标准化技术委员会（TC124）组织行业专家初步构建智能传感器标准体系（如图4）。标准规划从基础标准、方法标准和产品标准三个层次进行，近制定了20项物联网和智能传感器相关标准（如表1所示），很好地推动了传感器和仪器仪表领域标准化的发展。
图4 智能传感器标准体系
表1 物联网和智能传感器相关标准
3 未来技术发展方向及建议
3.1 未来技术发展方向
目前国外传感器产品技术的发展趋势是应用微机械与微电子相结合的MEMS技术、新材料、高精度补偿技术和高可靠性设计技术，使传感器产品逐步集成化、智能化。 、小型化、可靠。移动化、多元化发展。
（1）集成：一种是多个同类型传感器的集成，即多个相同功能的传感元件以集成工艺排列在同一平面上，形成线性传感器。另一种是多-功能集成例如在同一硅片上制作多个不同的敏感元件，制成集成度高、体积小、易于补偿校正的集成多功能传感器，是当前传感器集成发展的主要方向。
（2）智能：智能传感器的概念是从国外引进的，通常定义为：带有微处理器的传感器，具有信息处理和通讯功能。处理功能包括：自校准、自采集、自补偿、自检、自处理、自存储、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，即输出不再单一模拟信号，而是经过微处理，经过器件处理后的数字信号。
（3）小型化：随着各种应用领域的发展，传感器本身的体积越小越好。传感器的小型化意味着敏感元件的特征尺寸为mm→μm→nm型传感器. 此类传感器 该传感器具有尺寸和性能小型化、元件集成化和用途多样化、功能系统化、结构复杂等优点，其制备过程涉及等。该传感器结合了MEMS技术、IC技术、激光技术、精密超细加工技术引入传感器生产，实现规模化生产，为传感器小型化发展提供重要技术支撑。
（4）手机：进入21世纪后，由于MEMS技术、低功耗模拟和数字电路技术、低功耗无线射频（RF）和无线传感器网络技术的发展，节点资源已经克服了。它满足了传感器网络可扩展性和容错性的要求，使开发体积小、成本低、功耗低的无线微型传感器成为可能。无线通信和组网技术的发展使大量传感器形成通过网络实现智能传感器，提高传感器的分布式、大面积信息检测能力，使传感器网络的实现成为可能。
（5）多元化：新材料技术的突破加速了多种新型传感器的出现。新型敏感材料是传感器的技术基础，材料技术研发是提高性能、降低除了传统的半导体材料、光纤等，有机敏感材料、陶瓷材料、超导、纳米和生物材料成为研究热点，生物传感器、光纤传感器、气体传感器、和数字传感器正在加速。
3.2 产业发展措施建议
根据《智能传感器行业三年行动纲要（2017-2019年）》的总体目标和要求，针对行业现有自主核心技术薄弱、高端产品缺乏、产品可靠性差、技术创新和产业化进展缓慢，提出传感器与仪器仪表行业下一步重点发展措施如下：
（1）完善传感器与仪器仪表公共服务平台建设，促进科技创新与产业融合。进一步提升技术研发、标准、知识产权、检测和公共服务能力，学习借鉴文物、医疗器械等特殊组织模式，主要合作伙伴牵手，产需对接，助力行业可持续发展。
（2）建设传感器与仪器仪表创新中心，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、封测技术、批量校准等共性技术难题，并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、生物医药等行业的大型、广泛的智能传感器，以及面向航空航天、深海探测等特殊应用的智能传感器产品，一批复合型创新人才，设计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，专注于传感器设计集成技术、先进制造和封测工艺等技术创新。
（3）培育传感器、仪器仪表龙头企业，提高解决方案供应能力和水平。龙头企业具有较强的生产、市场和技术能力，在产业链中发挥核心企业或系统集成商的作用。产业生态成长的关键力量，以龙头企业为牵头自动测量设备，针对消费电子、汽车电子、工控、医疗、文物保护、能源等重点行业开展智能传感器及仪器仪表应用示范保护和环境保护。
4 总结
下一步，传感器与仪器仪表行业将根据一体化发展需要，统筹传感器与智能仪器仪表产业发展，整合现有资源，突出重点，以标准引领潮流。二、以及技术发展趋势和行业存在的主要问题。在政策和资金支持下，充分发挥企业主体地位和作用，着力提升自主创新能力，攻克基础共性和高端核心技术，实现全行业高质量发展。
关于作者
王春喜（1974-），男，博士，机械工业仪表技术与经济研究所副总工程师，标准与检测中心主任，全国工业过程测量控制与自动化标准化技术委员会秘书（ SAC/TC124） 教授级高级工程师，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。
