摘要：本文梳理了傳感器及儀器儀表行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，總結了在智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新形勢下，傳感器及儀器儀表行業(yè)標準化需求及進展，提出了行業(yè)未來技術發(fā)展方向和措施建議。

關鍵詞: 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

Abstract: This paper reviews the developing status and existing problems of sensor and instrumentation industry, summarizes the standardization requirements and progress of sensor and instrumentation industry under the new situation of Intelligent Manufacturing, Industrial Internet and Artificial Intelligence, and puts forward the future direction of the technical development and measures for the industry.

Key words: Sensor; Instrumentation; Intelligent sensor; Intelligent Manufacturing; Industrial Internet; Artificial Intelligence

1　傳感器及儀器儀表行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

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（sensingelement）和轉換元件（transducingelement）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）。^[1]

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(shù)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(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）和最終元件（如控制閥）組成^[2]。

按國民經(jīng)濟行業(yè)分類^[3]，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）、專用儀器儀表（環(huán)境監(jiān)測專用儀器儀表、運輸設備及生產(chǎn)用計數(shù)儀表、導航/測繪/氣象及海洋專用儀器、農(nóng)林牧漁專用儀器儀表、地質勘探和地震專用儀器、教學專用儀器、核子及核輻射測量儀器、電子測量儀器、其他專用儀器）、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(shù)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(shù)據(jù)和信息，而傳感器及儀器儀表是獲取自然和生產(chǎn)領域中數(shù)據(jù)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(xiàn)，往往會導致該領域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅。因此，傳感器及儀器儀表技術是現(xiàn)代科技的前沿技術。著名科學家王大珩院士指出，“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(chǎn)的“倍增器”，是科學研究的“先行官”，是軍事上的“戰(zhàn)斗力”，是現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)了一種全新的生產(chǎn)方法，實現(xiàn)了工廠和企業(yè)之間業(yè)務流程上的縱向網(wǎng)絡集成，企業(yè)上下游之間的橫向集成，以及產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(jīng)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(chǎn)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(lián)網(wǎng)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(chǎn)業(yè)化，著力突破物聯(lián)網(wǎng)核心芯片、軟件、儀器儀表等基礎共性技術，加快傳感器網(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(lián)合印發(fā)了《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)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(chǎn)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(lián)合印發(fā)10個物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，其中把傳感器及儀器儀表產(chǎn)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(chǎn)業(yè)，培育未來發(fā)展新優(yōu)勢”等工作的重要內(nèi)容。同年，工信部、發(fā)改委、中國工程院聯(lián)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)制造和產(chǎn)品運維的全過程部署大量智能傳感器，實時提供數(shù)字化服務。

2017年，工信部印發(fā)了《智能傳感器產(chǎn)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(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢，已成為決定未來信息技術產(chǎn)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(chǎn)業(yè)總體目標要求：到2019年，我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)取得明顯突破，產(chǎn)業(yè)生態(tài)較為完善，涌現(xiàn)出一批創(chuàng)新能力較強的國際先進企業(yè)，技術水平穩(wěn)步提升，產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化。在這些科研計劃的支持下，我國儀器技術研究與產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)狀及存在問題

傳感器將是未來萬物互聯(lián)的核心基礎。當前，全球信息技術發(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(xiàn)萬物互聯(lián)、萬物智能的新特征。智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術和新生態(tài)的興起，推動全球生產(chǎn)方式和消費模式的重大改變，市場應用呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢。從第三方數(shù)據(jù)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”。世界技術發(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(lián)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(chǎn)品門類和品種規(guī)格繁多，據(jù)不完全統(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(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)兩大趨勢：一是創(chuàng)新驅動發(fā)展，實現(xiàn)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(wǎng)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。^[4]

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(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及儀器儀表生產(chǎn)國，在國際儀器儀表市場中具有一定的地位。經(jīng)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(chǎn)生了一批創(chuàng)新成果，部分技術領域打破了國際壟斷，初步形成了比較完整的產(chǎn)業(yè)體系和技術創(chuàng)新體系。

我國傳感器及儀器儀表產(chǎn)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(xiàn)在：

（1）科技創(chuàng)新及其產(chǎn)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(chǎn)品面臨更加激烈競爭，中高端產(chǎn)品整體發(fā)展不平衡，高端產(chǎn)品被國外長期壟斷；

（4）產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)、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(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎。隨著智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、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》^[5]（“BA智能裝備”下的“識別與傳感”，如圖1所示）和《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合標準化體系建設指南》^[6]（“平臺”下的“數(shù)據(jù)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(lián)”，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。

圖1 智能制造標準體系結構圖

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構圖

圖3 人工智能標準體系結構圖

2.2　行業(yè)標準化現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(lián)網(wǎng)、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(jīng)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(chǎn)品標準三個層面進行了標準規(guī)劃，已制定物聯(lián)網(wǎng)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。

圖4 智能傳感器標準體系

表1 物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感器相關標準

3　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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)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(jīng)過微處理器后的數(shù)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優(yōu)越性，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(chǎn)制造，實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，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(shù)字電路技術、低功耗的無線射頻（RF）和無線傳感網(wǎng)技術的發(fā)展，克服了節(jié)點資源限制，并滿足了傳感器網(wǎng)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(wǎng)技術的發(fā)展，可使大量傳感器通過網(wǎng)絡構成智能化、協(xié)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(wǎng)的實現(xiàn)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(xiàn)。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(shù)字傳感器等新型傳感器加快涌現(xiàn)。

3.2　行業(yè)發(fā)展措施建議

根據(jù)《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017-2019年）》的總體目標要求，針對行業(yè)現(xiàn)存的自主核心技術薄弱、高端產(chǎn)品缺乏、產(chǎn)品可靠性差、科技創(chuàng)新及其產(chǎn)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(chǎn)業(yè)相結合。進一步完善技術研發(fā)、標準、知識產(chǎn)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(chǎn)需對接，助力產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)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(chǎn)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，專注傳感器設計集成技術、先進制造及封測工藝等技術創(chuàng)新。

（3）培育傳感器及儀器儀表龍頭企業(yè)，提升解決方案供給能力和水平。龍頭企業(yè)擁有強大的生產(chǎn)、市場和技術能力，在產(chǎn)業(yè)鏈中充當著核心企業(yè)或系統(tǒng)集成商的角色，是產(chǎn)業(yè)生態(tài)成長的關鍵力量。以龍頭企業(yè)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(jù)兩化融合的發(fā)展需求，以及技術發(fā)展趨勢和產(chǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展，整合現(xiàn)有資源，突出重點，標準引領，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，攻克基礎共性和高端核心技術，實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)的高質量發(fā)展。

★ 2017年智能制造綜合標準化與新模式應用項目《智能裝備預測性維護標準研制和驗證平臺建設》。

參考文獻：

[1] GB/T 33905.3-2017, 智能傳感器 第3部分 : 術語 [S].

[2] GB/T 21109.1-2007, 過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全 第1 部分：框架、定義、系統(tǒng)、硬件和軟件要求[S]．

[3] GB/T 4754-2017, 國民經(jīng)濟行業(yè)分類[S].

[4]機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所.傳感器與儀器儀表技術和市場研究報告[R]. 北京, 2017.

[5]工業(yè)和信息化部,國家標準化管理委員會.國家智能制造標準體系建設指南（2018年版）[R]. 北京, 2018.

[6]工業(yè)和信息化部,國家標準化管理委員會.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合標準化體系建設指南 [R]. 北京, 2019.

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(jīng)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、標準化研究等。

摘自《自動化博覽》2019年5月刊