工業(yè)傳感器技術(shù)及標準體系研究

張 陽,李 挺,劉 沁,秦 欽,王欣陽,賈 帥

(沈陽儀表科學研究院有限公司,遼寧沈陽 110043)

0 引言

傳感技術(shù)作為新一代信息技術(shù)三大組成部分之一,是發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的關(guān)鍵和瓶頸。工業(yè)傳感器是指基于工業(yè)場景(如能源、石化、鋼鐵、冶金、機械制造、汽車等)應(yīng)用的傳感器,是可以感受工業(yè)制造全過程的各類力、熱、聲、光、電、磁、氣體、環(huán)境、電量等被測量,并將相關(guān)感知信號轉(zhuǎn)換成工業(yè)制造過程所需各種控制參數(shù),實現(xiàn)工業(yè)制造過程各類檢測、監(jiān)測等控制的基礎(chǔ)關(guān)鍵元器件或集成系統(tǒng)。工業(yè)傳感器的發(fā)展貫穿于人類工業(yè)文明發(fā)展的全過程,產(chǎn)品種類更是覆蓋工業(yè)制造全領(lǐng)域,在工業(yè)制造中使用的數(shù)量、種類、水平高低等都體現(xiàn)和決定著工業(yè)制造能力,已經(jīng)成為衡量一個國家科技水平及工業(yè)制造能力的重要標志。

我國高度重視工業(yè)傳感器的發(fā)展,近年來,國務(wù)院及工信部、科技部等多部委為適應(yīng)當前信息技術(shù)、工業(yè)革命快速發(fā)展的戰(zhàn)略機遇,先后編制發(fā)布“工業(yè)強基2016專項行動通知”、“傳感器產(chǎn)業(yè)三年(2017～2019)行動指南”等幾十項政策、文件,為工業(yè)傳感器產(chǎn)業(yè)在中國強國制造中的地位、發(fā)展方向做出了明確說明和指引。

1 我國工業(yè)傳感器概況

1.1 我國工業(yè)傳感器發(fā)展歷程

20世紀50年代,為適應(yīng)國家工業(yè)發(fā)展需要,特別是能源、化工、交通、航空航天等特殊領(lǐng)域針對傳感器的需求,國家先后組織一批國家級研究機構(gòu)、專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)及部分重點高校共同針對工業(yè)傳感器進行攻關(guān)和生產(chǎn)。在經(jīng)歷了幾代人、近半個多世紀的努力后,基本建成了具有中國特色的覆蓋全工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)傳感器體系。很多傳感器從無到有,相當程度滿足了國家工業(yè)發(fā)展的需求[1]。

“七·五”期間,國家將“敏感元件及傳感器”列入國家攻關(guān)計劃。“八·五”開始特別針對現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展急需的力敏、熱敏、光敏、化學、電磁電量等各類工業(yè)傳感器進行“傳感器技術(shù)研究”及“共性技術(shù)研究”國家攻關(guān)?！熬拧の濉逼陂g實施了“微電子機械系統(tǒng)”攀登計劃、“集成微光機電系統(tǒng)研究”及“十·五”863重大專項“MEMS微機電系統(tǒng)”研究攻關(guān)。形成了涵蓋傳感器芯片、材料(半導體晶圓)、封裝測試、軟件處理及算法、應(yīng)用示范生產(chǎn)線在內(nèi)的傳感器科研與產(chǎn)業(yè)鏈。建成了國家級科研院所、傳感器國家工程研究中心、傳感器國家重點實驗室等專業(yè)研發(fā)機構(gòu)和典型企業(yè)在內(nèi)的科研、中試、規(guī)?；a(chǎn)隊伍。工業(yè)傳感器產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋我國工業(yè)制造過程全產(chǎn)業(yè),一定程度上滿足了國內(nèi)快速發(fā)展的工業(yè)傳感器產(chǎn)業(yè)需求。

“十二·五”、“十三·五”期間,多部委出臺的《物聯(lián)網(wǎng)“十二·五”發(fā)展規(guī)劃》、《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》、《關(guān)于開展工業(yè)強基2016 專項行動的通知》、《“十三·五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》等政策使我國傳感器行業(yè)得到飛躍發(fā)展。2017年工信部提出 “智能傳感器三年(2017～2019)行動指南”及“促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)三年(2018～2020)行動計劃”,從而直接催生了“國家重大科學儀器及設(shè)備開發(fā)”及計劃2018～2020連續(xù)3年執(zhí)行的“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”研究專項?！笆摹の濉逼陂g,科技部正式單獨設(shè)立“智能傳感器”專項,在一系列政策持續(xù)出臺的背景下,我國傳感器行業(yè)進入快速發(fā)展階段[1]。

1.2 我國工業(yè)傳感器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

經(jīng)過多年的發(fā)展,國內(nèi)已經(jīng)形成了東北、環(huán)渤海地區(qū)、中原、西北、長三角、閩粵珠三角等為核心的工業(yè)傳感器設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)布局或集散中心。設(shè)計、研發(fā)、應(yīng)用一條龍配套建設(shè)和水平得到普遍提升,中低檔產(chǎn)品在滿足自給自足的前提下實現(xiàn)了出口。在政府支持和行業(yè)需求的雙層推動下,我國工業(yè)傳感器已形成包括材料、器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等全方面構(gòu)成的產(chǎn)業(yè)鏈模式,產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模、質(zhì)量也不斷得到提高和完善。截至2022年,針對國內(nèi)主要工業(yè)傳感器統(tǒng)計,國內(nèi)具有一定規(guī)模的應(yīng)用于工業(yè)制造業(yè)的各類傳感器生產(chǎn)廠家3000余家,產(chǎn)品基本覆蓋工業(yè)制造各領(lǐng)域。生產(chǎn)的各類工業(yè)用傳感器品種、規(guī)格2萬多種。

我國工業(yè)傳感器快速發(fā)展的同時,也存在一定問題:工業(yè)傳感器核心敏感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化空“芯”化嚴重,部分共性關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)仍未得到解決,核心技術(shù)缺乏,頂層設(shè)計仍缺乏統(tǒng)籌設(shè)計與規(guī)范引導。產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小,盈利能力偏低,高端工業(yè)傳感器依舊存在受制于人等[1]。

隨著技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,工業(yè)傳感器將不斷完善并逐步走向高端領(lǐng)域。小型化、集成化、智能化、廣泛化、標準化將是工業(yè)傳感器未來發(fā)展趨勢。

2 我國工業(yè)傳感器標準概況

2.1 工業(yè)傳感器標準體系構(gòu)成

目前,工業(yè)傳感器標準由國家標準、國家軍用標準、行業(yè)標準、團體標準以及企業(yè)標準構(gòu)成。

國家標準、國家軍用標準、行業(yè)標準作為政府主導標準,通過國家工信部、國家市場監(jiān)督管理總局、國家標準化管理委員會以及中央軍委裝備發(fā)展部等機構(gòu)發(fā)布實施相關(guān)標準,對工業(yè)傳感器技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著引領(lǐng)作用。

團體標準及企業(yè)標準作為市場主導標準,是國家標準化發(fā)展重點方向,在2021年國務(wù)院發(fā)布的《國家標準化發(fā)展綱要》中指出,到2025年,要實現(xiàn)標準供給由政府主導向政府與市場并重轉(zhuǎn)變。在國家政策引導下,工業(yè)傳感器團體標準數(shù)量大幅度增加,標準原創(chuàng)性及質(zhì)量得到提升[2]。

2.2 工業(yè)傳感器現(xiàn)行標準情況

我國工業(yè)傳感器標準制修訂工作,取得較快發(fā)展,國家標準化管理委員會、機械行業(yè)、電子行業(yè)、煤炭行業(yè)、氣象行業(yè)、高等院校和中科院等行業(yè)及單位對工業(yè)傳感器標準的制修訂工作均十分重視。不完全統(tǒng)計,目前現(xiàn)行有效的工業(yè)傳感器標準245項,國家標準有97項(包括國軍標),行業(yè)標準133項,其中機械行業(yè)77項、煤炭行業(yè)15項、汽車行業(yè)10項、電子行業(yè)8項、其他行業(yè)38項,基本能滿足工業(yè)傳感器產(chǎn)業(yè)的需求,特別是流程工業(yè)用傳感器,包括溫度、壓力(差壓)、流量傳感器標準,其項目產(chǎn)品廣泛用于石油、化工、食品、醫(yī)藥、民生工程等各領(lǐng)域,通過制定國家標準和行業(yè)標準,規(guī)范產(chǎn)品要求、檢驗等內(nèi)容,提升了產(chǎn)品的技術(shù)水平,對產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了強大的推進作用[3]。

2.3 工業(yè)傳感器標準分布情況

我國工業(yè)傳感器標準體系尚未健全,工業(yè)傳感器標準由多個全國標委會以及機械、電子、汽車、煤炭、氣象等行業(yè)標委會歸口管理,包括:全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準化技術(shù)委員會(SAC/TC124);全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會(SAC/TC28);全國自動化系統(tǒng)與集成標準化技術(shù)委員會(SAC/TC159);全國微機電技術(shù)標準化技術(shù)委員會(SAC/TC336);全國試驗機技術(shù)標準化技術(shù)委員會(SAC/TC122);全國半導體器件標準化技術(shù)委員會(SAC/TC78);全國機械振動、沖擊與狀態(tài)監(jiān)測標準化技術(shù)委員會(SAC/TC53);全國汽車標準化技術(shù)委員會(SAC/TC114);機械工業(yè)儀器儀表元器件標準化技術(shù)委員會(CMIF/TC17)等,這對建立形成統(tǒng)一的標準體系帶來了一定困難[4-6]。同時,國內(nèi)部分類別工業(yè)傳感器標準存在一定缺失,如多年來忽略了離散制造、工廠自動化用傳感器產(chǎn)品標準的制修訂工作。智能傳感器標準也處于起步階段。

3 工業(yè)傳感器標準體系構(gòu)成

傳感器的分類目前尚無統(tǒng)一標淮,給工業(yè)傳感器標準體系構(gòu)建帶來一定困難,有些傳感器很難用一個標準進行分類,特別是隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn),有些傳感器尚未分類,如智能傳感器、MEMS傳感器等。目前常用分類方法包括按被檢測對象、被檢測參數(shù)、傳感器的工作機理、制造傳感器的材料、傳感器應(yīng)用環(huán)境等方式分類。本文結(jié)合傳感器技術(shù)、產(chǎn)業(yè)需求,按被檢測對象分類,研究提出工業(yè)傳感器標準體系框架[7-9],如圖1所示。

圖1 工業(yè)傳感器標準體系框架

傳感器標準體系:根據(jù)國家標準體系表及編制原則(GB/T 13016《標準體系表編制原則及要求》),敏感元件和傳感器隸屬于《儀器儀表元器件》標準體系框架。

傳感器框架對象:儀器儀表元器件專業(yè)領(lǐng)域標準體系框架對象包括機械元件、彈性元件、機電元件、敏感元件和傳感器、儀表電機、光學元件、顯示器件等。

傳感器框架層次:儀器儀表元器件專業(yè)領(lǐng)域標準體系框架分為3層:第1層為專業(yè)基礎(chǔ)標準和專業(yè)技術(shù)標準;第2層為基礎(chǔ)類系列標準、智能傳感器系列標準、物理量傳感器系列標準、化學量傳感器系列標準、生物量傳感器系列標準;第3層對應(yīng)系列標準。

4 工業(yè)傳感器標準體系存在的問題與建議

4.1 存在的問題

(1)標準體系還有待進一步健全。目前工業(yè)傳感器標準由國家標準化管理委員會以及多個行業(yè)標委會歸口管理,對建立形成統(tǒng)一的標準體系帶來了一定困難。同時,國內(nèi)部分類別傳感器標準存在缺失,如離散類傳感器,對技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分不利,還有待進一步健全。

(2)工業(yè)傳感器關(guān)鍵技術(shù)標準基礎(chǔ)相對薄弱,標準化水平尚待提升。在市場引導及政策推動下,傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,傳統(tǒng)及新興傳感器已廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。但國內(nèi)工業(yè)傳感器部分領(lǐng)域標準化發(fā)展速度存在滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)象,部分傳感器標準已經(jīng)不足以支撐傳感器產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)以及生產(chǎn),急需制修訂一批高水平傳感器國家標準、行業(yè)標準。

(3)傳感器基礎(chǔ)共性和行業(yè)應(yīng)用標準試驗驗證能力還需提升。新興傳感器技術(shù)領(lǐng)域,技術(shù)發(fā)展迅速,標準需求旺盛,隨之帶來的問題是如何提升和完善標準試驗驗證能力,提高相應(yīng)傳感器標準的科學性、合理性和有效性。

4.2 傳感器標準體系發(fā)展路徑建議

(1)加強頂層設(shè)計,促進部門間協(xié)調(diào)配合。傳感器標準目前在多個部門及組織歸口,需要國家相關(guān)部門組織協(xié)調(diào),因此在傳感器標準化工作中,在不斷強化關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域標準化研究的同時,也要保障傳感器標準的適用性、規(guī)范性和協(xié)調(diào)性,有效支撐產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

(2)加快標準制修訂,加速標準有效供給。政府主導標準方面,應(yīng)制定針對智能傳感器、離散傳感器等基礎(chǔ)性、框架性國家標準、行業(yè)標準。市場主導層面,應(yīng)聚焦于應(yīng)用層,鼓勵企業(yè)、科研院所、農(nóng)業(yè)從業(yè)者創(chuàng)新發(fā)展,在國家標準、行業(yè)標準的框架下將先進經(jīng)驗、技能轉(zhuǎn)化為團體標準、企業(yè)標準。

(3)深入貫徹《國家標準化發(fā)展綱要》,提升工業(yè)傳感器標準化國際化水平。深化標準化交流合作,加強與傳感器國際標準化技術(shù)組織及技術(shù)機構(gòu)開展戰(zhàn)略合作。持續(xù)開展傳感器領(lǐng)域標準比對分析,掌握國際先進技術(shù)和標準發(fā)展動態(tài);積極參與國際標準化活動,發(fā)展互利共贏的標準化合作伙伴。

(4)夯實工業(yè)傳感器標準化發(fā)展基礎(chǔ),推動傳感器標準化試驗驗證中心建設(shè)。集中優(yōu)勢資源,聯(lián)合傳感器相關(guān)標委會、高校、科研院所、企業(yè)、檢驗檢測機構(gòu)、行業(yè)組織以及科技創(chuàng)新平臺,建立工業(yè)智能傳感器關(guān)鍵技術(shù)標準試驗驗證平臺,科研與標準研制協(xié)同開展,對標準技術(shù)要求、核心指標、試驗和檢驗方法等開展驗證,提高標準科學性、合理性及適用性。

(5)積極開展標準推廣示范應(yīng)用。組織開展先進傳感器標準的示范推廣,建立科技成果轉(zhuǎn)化為標準效果的評估評價機制,推動標準循環(huán)迭代。

(6)培養(yǎng)復合型工業(yè)傳感器標準化人才。建立標準化人才隊伍,培養(yǎng)一批既有專業(yè)技術(shù),又懂標準化知識的專門人才。

5 結(jié)束語

“十四·五”期間,尤其是在現(xiàn)有的國際形勢下,隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和國家重點工程對工業(yè)傳感器技術(shù)要求的提高,對標準制修訂速度、標準的科學性與先進性、標準編制與技術(shù)結(jié)合程度等方面都提出了更高的要求,需要用創(chuàng)新的思路不斷完善標準體系,實現(xiàn)我國工業(yè)傳感器標準的自主創(chuàng)新和跨躍式發(fā)展。