流程工業(yè)是指在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要經(jīng)濟(jì)地位的石油、化工、冶金、電力、制藥、建材、輕工、造紙、環(huán)保等工業(yè)行業(yè)。在流程工業(yè)中，基本上以連續(xù)生產(chǎn)為主，一旦檢測和控制出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)停滯，甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。恢復(fù)這種非正常的生產(chǎn)中斷需要付出大量的資源和設(shè)備損耗，對(duì)企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此研制出高可靠性、高穩(wěn)定性、高安全性的傳感器和智能儀器儀表對(duì)大型流程工業(yè)安全生產(chǎn)、節(jié)能增效具有重大意義。

傳感器與儀器儀表的關(guān)系

傳感器定義：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件（sensingelement），指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件（transducingelement），指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分。

當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器。傳感器專業(yè)領(lǐng)域的分類有多種形式：按轉(zhuǎn)換原理可分為應(yīng)變式、壓電式、壓阻式、電容式、電感式、電化學(xué)式、光纖式等；按被測量可分為力、熱（或溫度）、光、磁、速度、氣體、濕度、生物等傳感器；按輸出量可分為模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器；按是利用結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化還是利用材料的物理（或化學(xué)）特性的變化進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。兩種特征兼有的為復(fù)合型傳感器。

儀器儀表定義：具有測量和控制功能的器具和裝置的總稱。儀器儀表的各類器具或裝置，其尾名通常冠以“儀、器、表、計(jì)、機(jī)、系統(tǒng)”等字樣。目前儀器儀表已發(fā)展成為“光、機(jī)、電、算”相結(jié)合的一體化產(chǎn)品。功能型器具如家電、計(jì)算機(jī)、通訊、手機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等，因不具備測量、控制功能，故不能稱為儀器儀表。儀器儀表有24個(gè)被測參數(shù)、24種測量方法、24類產(chǎn)業(yè)。傳感器是儀器儀表重要組成部分，是儀器儀表的核心和關(guān)鍵，傳感器的性能和品質(zhì)直接關(guān)系到儀器儀表的性能和品質(zhì)，特別是傳感器的可靠性、穩(wěn)定性、一致性對(duì)儀器儀表的相關(guān)性能起著舉足輕重之作用。傳感技術(shù)與儀器儀表技術(shù)相互關(guān)聯(lián)又互為依存。

流程工業(yè)用傳感器及儀器儀表

流程工業(yè)是指在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要經(jīng)濟(jì)地位的石油、化工、冶金、電力、制藥、建材、輕工、造紙、環(huán)保等工業(yè)行業(yè)。在流程工業(yè)中，基本上以連續(xù)生產(chǎn)為主，一旦檢測和控制出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)停滯，甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生?；謴?fù)這種非正常的生產(chǎn)中斷需要付出大量的資源和設(shè)備損耗，對(duì)企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此研制出高可靠性、高穩(wěn)定性、高安全性的傳感器和智能儀器儀表對(duì)大型流程工業(yè)安全生產(chǎn)、節(jié)能增效具有重大意義。在流程工業(yè)過程控制領(lǐng)域，傳感器及智能化儀器儀表所起到的關(guān)鍵作用更是無可替代。在石化、制藥、化工、冶金、電力、核工業(yè)等各種過程工業(yè)的各類設(shè)備、裝置、生產(chǎn)線上，傳感器的身影無所不在。

流程工業(yè)傳感器和儀器儀表共性關(guān)鍵技術(shù)

作為流程工業(yè)過程自動(dòng)化重要基礎(chǔ)技術(shù)的傳感器及智能化儀器儀表在我國要得到長遠(yuǎn)發(fā)展，需要解決以下共性技術(shù)：工業(yè)用傳感器基礎(chǔ)技術(shù)研究傳感器是信號(hào)檢測、控制的基礎(chǔ)，也是信息技術(shù)發(fā)展的重要支撐。不論是工業(yè)過程的溫度、壓力、流量、質(zhì)量、液位、成分、電流、電壓、速度、扭力、振動(dòng)等物理信號(hào)，還是伴隨信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的圖像、人機(jī)交互、聲音等感知信號(hào)，都以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，將物理信號(hào)通過感知轉(zhuǎn)化為電壓、電流、頻率等電信號(hào)。針對(duì)工業(yè)傳感器應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行的工業(yè)現(xiàn)場，還必須具有感知范圍寬、精準(zhǔn)度高、穩(wěn)定性好、壽命長等特點(diǎn)，針對(duì)特殊的場合，還必須具有抗強(qiáng)電磁干擾、防腐蝕、耐高溫、強(qiáng)放射性等要求。半導(dǎo)體技術(shù)研究新型傳感器都采用了半導(dǎo)體MEMS技術(shù)并進(jìn)行了一體化封裝，使得傳感器集成度更高、體積更小、穩(wěn)定性更好。

例如日本橫河的EJA系列壓力變送器單晶硅諧振式傳感器，該傳感器是通過MEMS技術(shù)在單晶硅芯片的中間和邊緣上制作兩個(gè)形狀大小完全一致的H形的振動(dòng)梁，當(dāng)硅片兩面受力形成形變，兩個(gè)諧振梁分別受到壓縮力和擴(kuò)張力，導(dǎo)致振動(dòng)頻率變化，通過兩個(gè)頻率之差的檢測可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測量。日本富士FCX-AIII采用的是單晶硅微電容式壓力傳感器，該傳感器是通過MEMS技術(shù)，通過三明治結(jié)構(gòu)，制造出典型的金屬電容傳感器的構(gòu)造，通過壓力差作用下形成的電容變化量來實(shí)現(xiàn)測量壓力。特種材料科學(xué)與技術(shù)研究傳感器是特種材料對(duì)物理狀態(tài)的變化而發(fā)生的感知，而且為了適應(yīng)特種環(huán)境下使用，產(chǎn)品封裝也需要特種材料，從而適應(yīng)不同環(huán)境下傳感器和儀器儀表的穩(wěn)定性。信號(hào)處理技術(shù)作為物理感知的傳感器信號(hào)具有信號(hào)弱、不穩(wěn)定、非線性等特點(diǎn)，必須研究信號(hào)特征并進(jìn)行信號(hào)處理，包括高保真放大、信號(hào)補(bǔ)償、信號(hào)濾波、非線性校正、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換等，部分干擾環(huán)境還需要信號(hào)隔離，轉(zhuǎn)化為反映物理特征的高精度的標(biāo)準(zhǔn)化電信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)傳感器和智能儀器儀表高精度、穩(wěn)定性、長期使用的技術(shù)要求。

一般傳感器的輸出信號(hào)較弱，不適合作遠(yuǎn)距離傳輸。為了減小干擾，通常采用4～20mA電流輸出的雙絞線變送器。信號(hào)模擬處理的變送器，由于電路的復(fù)雜性的限制，非線性補(bǔ)償效果不理想，很難在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，因此達(dá)不到較高的精度要求。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性和算法處理能力大幅度提升，抗干擾能力大幅度增強(qiáng)，給傳感器和智能儀器儀表的發(fā)展提供了空間。高智能化技術(shù)嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)了智能測量技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化增益、智能校正、自動(dòng)補(bǔ)償、復(fù)雜算法、多變量處理、時(shí)間序列記錄分析、智能診斷、智能配置管理等等，使得單臺(tái)智能儀器儀表就能實(shí)現(xiàn)智能控制。智能化傳感器由于采用數(shù)字化處理技術(shù)，還具有較高的精度、分辨率和穩(wěn)定性。高可靠性技術(shù)可靠性技術(shù)是傳感器和智能儀器儀表的關(guān)鍵技術(shù)，保證部件具備工業(yè)級(jí)應(yīng)用要求，設(shè)備平均無故障時(shí)間（MTBF）超過10萬小時(shí)。

目前我國傳感器和智能儀器儀表在一般功能、性能方面已經(jīng)基本滿足過程生產(chǎn)的要求，但是在重大生產(chǎn)裝備上產(chǎn)品可靠性和安全性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。隨著石化、冶金、電力等重大裝置行業(yè)工程應(yīng)用研究的推進(jìn)，工業(yè)用傳感器和智能儀器儀表必須完成可靠性研究，通過理論研究、量化分析和工程試驗(yàn)，形成國產(chǎn)傳感器和智能儀器儀表可靠性設(shè)計(jì)、制造、測試驗(yàn)證技術(shù)，保證各個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)均能達(dá)到國際先進(jìn)水平，在大型流程工業(yè)中得以推廣應(yīng)用。

數(shù)字化通訊技術(shù)數(shù)字化技術(shù)出現(xiàn)推動(dòng)了以數(shù)字化和現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的工業(yè)通訊技術(shù)進(jìn)步，支撐了工業(yè)信息化技術(shù)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，同時(shí)給傳感器和智能儀器儀表拓展了空間。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，傳感器和智能儀器儀表從最初采用二線制II/III型標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)進(jìn)行單向傳輸?shù)募惺綑z測與控制系統(tǒng)，正朝著基于數(shù)字總線（如現(xiàn)場總線、工業(yè)無線傳感網(wǎng)）技術(shù)的泛在系統(tǒng)方向發(fā)展。研究基于國際現(xiàn)場總線協(xié)議的協(xié)議集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主流現(xiàn)場總線協(xié)議（如FF、HART、EPA、Modbus、Profibus等）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)集成技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的通訊協(xié)議棧軟件平臺(tái)，將不同類型傳感器和智能儀器儀表轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的協(xié)議格式的數(shù)字化信息。低功耗技術(shù)隨著信號(hào)處理技術(shù)、基于集成電路數(shù)字化傳感技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，由功耗所引發(fā)的能源消耗、封裝成本、以及高集成度芯片散熱等問題日益突顯，低功耗技術(shù)己成為當(dāng)今傳感器和智能儀器儀表設(shè)計(jì)的一個(gè)研究重點(diǎn)。

研究低功耗技術(shù)，需要從傳感、信號(hào)處理與運(yùn)算、數(shù)字化通訊等各個(gè)方面研究低功耗技術(shù)。低功耗技術(shù)的研究主要涉及了傳感技術(shù)本身、信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)以及工藝、封裝等多個(gè)層面。低功耗技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性課題，就流程而言，包括功耗建模、評(píng)估以及優(yōu)化等；就設(shè)計(jì)抽象層次而言，包括從系統(tǒng)級(jí)到單元級(jí)的所有抽象層次。研究傳感器和智能儀器儀表低功耗技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)傳輸和HART智能信號(hào)的儀器儀表要求實(shí)現(xiàn)低至3.5mA（20~26V總線供電）的功耗，部分傳感器測控功耗要求達(dá)到uA級(jí)別，具備非接觸式供電能力。

高安全性技術(shù)隨著工業(yè)系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，工業(yè)現(xiàn)場的安全保障都是工業(yè)控制系統(tǒng)重點(diǎn)解決的問題，尤其是保證控制系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。安全儀表系統(tǒng)監(jiān)視生產(chǎn)過程的狀態(tài)，在危險(xiǎn)條件出現(xiàn)時(shí)采取相應(yīng)措施，防止危險(xiǎn)事件發(fā)生，避免并減輕潛在的危險(xiǎn)對(duì)人身、設(shè)備、環(huán)境造成傷害和損失。安全儀表系統(tǒng)與普通控制系統(tǒng)的核心區(qū)別在于系統(tǒng)本身不會(huì)失效，即使元器件的失效不可避免，也可以將失效控制在系統(tǒng)可預(yù)見的范疇內(nèi)。安全儀表系統(tǒng)不是針對(duì)原有控制系統(tǒng)某一方面的改進(jìn)，而是一種全新的設(shè)計(jì)理念，是一種從功能需求到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、從系統(tǒng)實(shí)施到運(yùn)行維護(hù)的全過程的安全保障。西方發(fā)達(dá)國家安全傳感器技術(shù)與儀器儀表產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到各種自動(dòng)化系統(tǒng)中，一些傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化產(chǎn)品供應(yīng)商，如橫河、艾默生等，紛紛推出其滿足IEC61508（功能安全的基本標(biāo)準(zhǔn)）和IEC61511（過程控制的功能安全標(biāo)準(zhǔn)）的功能安全產(chǎn)品和實(shí)現(xiàn)辦法及措施。研究流程工業(yè)安全技術(shù)與儀器儀表風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、自診斷、軟件可靠性、安全驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)，掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安全核心技術(shù)，開發(fā)智能安全儀表。國際標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)我國儀器儀表在國際標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的采用還不充分，重大工程儀器儀表往往要求通過或者符合國際標(biāo)準(zhǔn)，如信號(hào)量制、信號(hào)規(guī)約、現(xiàn)場總線、安全性、抗干擾能力、安裝結(jié)構(gòu)等等，而國內(nèi)智能儀器儀表在標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的研究和應(yīng)用方面還有較大差距。針對(duì)不同應(yīng)用，需要研究工業(yè)過程傳感器和智能儀器儀表的標(biāo)準(zhǔn)，提高傳感、檢測的標(biāo)準(zhǔn)化和開放性。

工業(yè)化批量制造技術(shù)工業(yè)過程的信號(hào)類型多、安裝結(jié)構(gòu)多變，因此儀器儀表的品種多，需要傳感和檢測溫度、壓力、流量、質(zhì)量、液位、成分、電流、電壓、速度、扭力、振動(dòng)等物理信號(hào)，而且每個(gè)量程范圍、信號(hào)類型等種類繁多，在煉油、化工、冶金、電力等重大工程中需要各種門類的高質(zhì)量、高精度、高穩(wěn)定傳感器和智能儀器儀表。規(guī)模工業(yè)化制造需要加以突破。我國目前傳感器和儀器儀表生產(chǎn)與制造主要特點(diǎn)是小、散、弱。在國家政策和相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中，以院校和研究所為主體，部分領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)得到了提升，但是這種“點(diǎn)”上的突破并沒有帶動(dòng)行業(yè)整體的進(jìn)步，因?yàn)檠芯繖C(jī)構(gòu)所取得的成果沒有和企業(yè)、用戶結(jié)合，工藝基礎(chǔ)和生產(chǎn)條件差，批量化制造質(zhì)量和成本控制難以實(shí)現(xiàn)，制造業(yè)本身亟待從大向強(qiáng)轉(zhuǎn)變，在資源有限的情況下，集中人力、財(cái)力和物力首先在傳感器及智能化儀器儀表的制造上突破，正是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的神來之筆。要實(shí)現(xiàn)傳感器及智能化儀器儀表在制造規(guī)模上的突破，我們需要切實(shí)提高：工業(yè)化制造的批量生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)；質(zhì)量控制能力的提升，實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)成品率；智能、高效的生產(chǎn)、檢驗(yàn)、測試設(shè)備，提高生產(chǎn)效率；智能儀器儀表的齊套率，滿足流程工業(yè)生產(chǎn)裝置應(yīng)用需求。傳感器及智能化儀器儀表是多門學(xué)科綜合的產(chǎn)品。它的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，綜合運(yùn)用了半導(dǎo)體、微電子、材料、計(jì)算機(jī)、通訊、光學(xué)、聲學(xué)、計(jì)量、激光、控制等諸多信息電子技術(shù),集微電子生產(chǎn)、軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、網(wǎng)絡(luò)集成等于一體。

從其服務(wù)對(duì)象而言，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的一、二、三產(chǎn)業(yè)，其中尤以工業(yè)應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用范疇涉及石油、化工、機(jī)械、化肥、冶金、發(fā)電、生化、建材、造紙、食品、陶瓷、環(huán)保設(shè)備等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。針對(duì)工業(yè)應(yīng)用需求和現(xiàn)代信息化發(fā)展趨勢，傳感器及智能化儀器儀表在實(shí)現(xiàn)測量、信號(hào)傳輸?shù)然疽?，必須達(dá)到高精度、高穩(wěn)定性、高環(huán)境適應(yīng)性、長壽命、智能化等要求，部分傳感器還需要具有極端環(huán)境下（如高溫、強(qiáng)腐蝕、超低溫、失重、強(qiáng)磁、強(qiáng)放射性等）應(yīng)用技術(shù)要求。

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