工业传感器技术及标准体系研究

张 阳,李 挺,刘 沁,秦 钦,王欣阳,贾 帅

(沈阳仪表科学研究院有限公司,辽宁沈阳 110043)

0 引言

传感技术作为新一代信息技术三大组成部分之一,是发展物联网及其应用的关键和瓶颈。工业传感器是指基于工业场景(如能源、石化、钢铁、冶金、机械制造、汽车等)应用的传感器,是可以感受工业制造全过程的各类力、热、声、光、电、磁、气体、环境、电量等被测量,并将相关感知信号转换成工业制造过程所需各种控制参数,实现工业制造过程各类检测、监测等控制的基础关键元器件或集成系统。工业传感器的发展贯穿于人类工业文明发展的全过程,产品种类更是覆盖工业制造全领域,在工业制造中使用的数量、种类、水平高低等都体现和决定着工业制造能力,已经成为衡量一个国家科技水平及工业制造能力的重要标志。

我国高度重视工业传感器的发展,近年来,国务院及工信部、科技部等多部委为适应当前信息技术、工业革命快速发展的战略机遇,先后编制发布“工业强基2016专项行动通知”、“传感器产业三年(2017～2019)行动指南”等几十项政策、文件,为工业传感器产业在中国强国制造中的地位、发展方向做出了明确说明和指引。

1 我国工业传感器概况

1.1 我国工业传感器发展历程

20世纪50年代,为适应国家工业发展需要,特别是能源、化工、交通、航空航天等特殊领域针对传感器的需求,国家先后组织一批国家级研究机构、专业生产企业及部分重点高校共同针对工业传感器进行攻关和生产。在经历了几代人、近半个多世纪的努力后,基本建成了具有中国特色的覆盖全工业领域的工业传感器体系。很多传感器从无到有,相当程度满足了国家工业发展的需求[1]。

“七·五”期间,国家将“敏感元件及传感器”列入国家攻关计划。“八·五”开始特别针对现代工业发展急需的力敏、热敏、光敏、化学、电磁电量等各类工业传感器进行“传感器技术研究”及“共性技术研究”国家攻关。“九·五”期间实施了“微电子机械系统”攀登计划、“集成微光机电系统研究”及“十·五”863重大专项“MEMS微机电系统”研究攻关。形成了涵盖传感器芯片、材料(半导体晶圆)、封装测试、软件处理及算法、应用示范生产线在内的传感器科研与产业链。建成了国家级科研院所、传感器国家工程研究中心、传感器国家重点实验室等专业研发机构和典型企业在内的科研、中试、规模化生产队伍。工业传感器产品已经覆盖我国工业制造过程全产业,一定程度上满足了国内快速发展的工业传感器产业需求。

“十二·五”、“十三·五”期间,多部委出台的《物联网“十二·五”发展规划》、《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》、《关于开展工业强基2016 专项行动的通知》、《“十三·五”国家科技创新规划》等政策使我国传感器行业得到飞跃发展。2017年工信部提出 “智能传感器三年(2017～2019)行动指南”及“促进新一代人工智能产业三年(2018～2020)行动计划”,从而直接催生了“国家重大科学仪器及设备开发”及计划2018～2020连续3年执行的“制造基础技术与关键部件”研究专项。“十四·五”期间,科技部正式单独设立“智能传感器”专项,在一系列政策持续出台的背景下,我国传感器行业进入快速发展阶段[1]。

1.2 我国工业传感器现状与发展趋势

经过多年的发展,国内已经形成了东北、环渤海地区、中原、西北、长三角、闽粤珠三角等为核心的工业传感器设计、研发、生产产业布局或集散中心。设计、研发、应用一条龙配套建设和水平得到普遍提升,中低档产品在满足自给自足的前提下实现了出口。在政府支持和行业需求的双层推动下,我国工业传感器已形成包括材料、器件、系统、网络等全方面构成的产业链模式,产业链规模、质量也不断得到提高和完善。截至2022年,针对国内主要工业传感器统计,国内具有一定规模的应用于工业制造业的各类传感器生产厂家3000余家,产品基本覆盖工业制造各领域。生产的各类工业用传感器品种、规格2万多种。

我国工业传感器快速发展的同时,也存在一定问题:工业传感器核心敏感技术产业化空“芯”化严重,部分共性关键技术与产业化技术仍未得到解决,核心技术缺乏,顶层设计仍缺乏统筹设计与规范引导。产业规模较小,盈利能力偏低,高端工业传感器依旧存在受制于人等[1]。

随着技术与产业的不断发展,工业传感器将不断完善并逐步走向高端领域。小型化、集成化、智能化、广泛化、标准化将是工业传感器未来发展趋势。

2 我国工业传感器标准概况

2.1 工业传感器标准体系构成

目前,工业传感器标准由国家标准、国家军用标准、行业标准、团体标准以及企业标准构成。

国家标准、国家军用标准、行业标准作为政府主导标准,通过国家工信部、国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会以及中央军委装备发展部等机构发布实施相关标准,对工业传感器技术、产业发展起着引领作用。

团体标准及企业标准作为市场主导标准,是国家标准化发展重点方向,在2021年国务院发布的《国家标准化发展纲要》中指出,到2025年,要实现标准供给由政府主导向政府与市场并重转变。在国家政策引导下,工业传感器团体标准数量大幅度增加,标准原创性及质量得到提升[2]。

2.2 工业传感器现行标准情况

我国工业传感器标准制修订工作,取得较快发展,国家标准化管理委员会、机械行业、电子行业、煤炭行业、气象行业、高等院校和中科院等行业及单位对工业传感器标准的制修订工作均十分重视。不完全统计,目前现行有效的工业传感器标准245项,国家标准有97项(包括国军标),行业标准133项,其中机械行业77项、煤炭行业15项、汽车行业10项、电子行业8项、其他行业38项,基本能满足工业传感器产业的需求,特别是流程工业用传感器,包括温度、压力(差压)、流量传感器标准,其项目产品广泛用于石油、化工、食品、医药、民生工程等各领域,通过制定国家标准和行业标准,规范产品要求、检验等内容,提升了产品的技术水平,对产业发展起到了强大的推进作用[3]。

2.3 工业传感器标准分布情况

我国工业传感器标准体系尚未健全,工业传感器标准由多个全国标委会以及机械、电子、汽车、煤炭、气象等行业标委会归口管理,包括:全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会(SAC/TC124);全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC28);全国自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC159);全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/TC336);全国试验机技术标准化技术委员会(SAC/TC122);全国半导体器件标准化技术委员会(SAC/TC78);全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会(SAC/TC53);全国汽车标准化技术委员会(SAC/TC114);机械工业仪器仪表元器件标准化技术委员会(CMIF/TC17)等,这对建立形成统一的标准体系带来了一定困难[4-6]。同时,国内部分类别工业传感器标准存在一定缺失,如多年来忽略了离散制造、工厂自动化用传感器产品标准的制修订工作。智能传感器标准也处于起步阶段。

3 工业传感器标准体系构成

传感器的分类目前尚无统一标淮,给工业传感器标准体系构建带来一定困难,有些传感器很难用一个标准进行分类,特别是随着新材料、新工艺、新技术的出现,有些传感器尚未分类,如智能传感器、MEMS传感器等。目前常用分类方法包括按被检测对象、被检测参数、传感器的工作机理、制造传感器的材料、传感器应用环境等方式分类。本文结合传感器技术、产业需求,按被检测对象分类,研究提出工业传感器标准体系框架[7-9],如图1所示。

图1 工业传感器标准体系框架

传感器标准体系:根据国家标准体系表及编制原则(GB/T 13016《标准体系表编制原则及要求》),敏感元件和传感器隶属于《仪器仪表元器件》标准体系框架。

传感器框架对象:仪器仪表元器件专业领域标准体系框架对象包括机械元件、弹性元件、机电元件、敏感元件和传感器、仪表电机、光学元件、显示器件等。

传感器框架层次:仪器仪表元器件专业领域标准体系框架分为3层:第1层为专业基础标准和专业技术标准;第2层为基础类系列标准、智能传感器系列标准、物理量传感器系列标准、化学量传感器系列标准、生物量传感器系列标准;第3层对应系列标准。

4 工业传感器标准体系存在的问题与建议

4.1 存在的问题

(1)标准体系还有待进一步健全。目前工业传感器标准由国家标准化管理委员会以及多个行业标委会归口管理,对建立形成统一的标准体系带来了一定困难。同时,国内部分类别传感器标准存在缺失,如离散类传感器,对技术进步和产业发展十分不利,还有待进一步健全。

(2)工业传感器关键技术标准基础相对薄弱,标准化水平尚待提升。在市场引导及政策推动下,传感器产业发展迅速,传统及新兴传感器已广泛应用在工业领域。但国内工业传感器部分领域标准化发展速度存在滞后于产业的发展现象,部分传感器标准已经不足以支撑传感器产品的设计、研发以及生产,急需制修订一批高水平传感器国家标准、行业标准。

(3)传感器基础共性和行业应用标准试验验证能力还需提升。新兴传感器技术领域,技术发展迅速,标准需求旺盛,随之带来的问题是如何提升和完善标准试验验证能力,提高相应传感器标准的科学性、合理性和有效性。

4.2 传感器标准体系发展路径建议

(1)加强顶层设计,促进部门间协调配合。传感器标准目前在多个部门及组织归口,需要国家相关部门组织协调,因此在传感器标准化工作中,在不断强化关键技术领域标准化研究的同时,也要保障传感器标准的适用性、规范性和协调性,有效支撑产业高质量发展。

(2)加快标准制修订,加速标准有效供给。政府主导标准方面,应制定针对智能传感器、离散传感器等基础性、框架性国家标准、行业标准。市场主导层面,应聚焦于应用层,鼓励企业、科研院所、农业从业者创新发展,在国家标准、行业标准的框架下将先进经验、技能转化为团体标准、企业标准。

(3)深入贯彻《国家标准化发展纲要》,提升工业传感器标准化国际化水平。深化标准化交流合作,加强与传感器国际标准化技术组织及技术机构开展战略合作。持续开展传感器领域标准比对分析,掌握国际先进技术和标准发展动态;积极参与国际标准化活动,发展互利共赢的标准化合作伙伴。

(4)夯实工业传感器标准化发展基础,推动传感器标准化试验验证中心建设。集中优势资源,联合传感器相关标委会、高校、科研院所、企业、检验检测机构、行业组织以及科技创新平台,建立工业智能传感器关键技术标准试验验证平台,科研与标准研制协同开展,对标准技术要求、核心指标、试验和检验方法等开展验证,提高标准科学性、合理性及适用性。

(5)积极开展标准推广示范应用。组织开展先进传感器标准的示范推广,建立科技成果转化为标准效果的评估评价机制,推动标准循环迭代。

(6)培养复合型工业传感器标准化人才。建立标准化人才队伍,培养一批既有专业技术,又懂标准化知识的专门人才。

5 结束语

“十四·五”期间,尤其是在现有的国际形势下,随着传感器技术的快速发展和国家重点工程对工业传感器技术要求的提高,对标准制修订速度、标准的科学性与先进性、标准编制与技术结合程度等方面都提出了更高的要求,需要用创新的思路不断完善标准体系,实现我国工业传感器标准的自主创新和跨跃式发展。