流程工業(yè)是指在我國國民經(jīng)濟中占有重要經(jīng)濟地位的石油、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，將導致整個生產(chǎn)停滯，甚至導致安全事故的發(fā)生?；謴瓦@種非正常的生產(chǎn)中斷需要付出大量的資源和設備損耗，對企業(yè)造成重大經(jīng)濟損失。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的被測量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，則稱為變送器。傳感器專業(yè)領域的分類有多種形式：按轉(zhuǎn)換原理可分為應變式、壓電式、壓阻式、電容式、電感式、電化學式、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）特性的變化進行信號轉(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、機、系統(tǒng)”等字樣。目前儀器儀表已發(fā)展成為“光、機、電、算”相結(jié)合的一體化產(chǎn)品。功能型器具如家電、計算機、通訊、手機、傳真機、復印機等，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鍵，傳感器的性能和品質(zhì)直接關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、一致性對儀器儀表的相關性能起著舉足輕重之作用。傳感技術與儀器儀表技術相互關聯(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)濟中占有重要經(jīng)濟地位的石油、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，將導致整個生產(chǎn)停滯，甚至導致安全事故的發(fā)生?；謴瓦@種非正常的生產(chǎn)中斷需要付出大量的資源和設備損耗，對企業(yè)造成重大經(jīng)濟損失。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)過程控制領域，傳感器及智能化儀器儀表所起到的關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鍵技術

作為流程工業(yè)過程自動化重要基礎技術的傳感器及智能化儀器儀表在我國要得到長遠發(fā)展，需要解決以下共性技術：工業(yè)用傳感器基礎技術研究傳感器是信號檢測、控制的基礎，也是信息技術發(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、振動等物理信號，還是伴隨信息技術和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的圖像、人機交互、聲音等感知信號，都以傳感器技術為基礎，將物理信號通過感知轉(zhuǎn)化為電壓、電流、頻率等電信號。針對工業(yè)傳感器應用于連續(xù)生產(chǎn)運行的工業(yè)現(xiàn)場，還必須具有感知范圍寬、精準度高、穩(wěn)定性好、壽命長等特點，針對特殊的場合，還必須具有抗強電磁干擾、防腐蝕、耐高溫、強放射性等要求。半導體技術研究新型傳感器都采用了半導體MEMS技術并進行了一體化封裝，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技術在單晶硅芯片的中間和邊緣上制作兩個形狀大小完全一致的H形的振動梁，當硅片兩面受力形成形變，兩個諧振梁分別受到壓縮力和擴張力，導致振動頻率變化，通過兩個頻率之差的檢測可實現(xiàn)對壓力的測量。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，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現(xiàn)測量壓力。特種材料科學與技術研究傳感器是特種材料對物理狀態(tài)的變化而發(fā)生的感知，而且為了適應特種環(huán)境下使用，產(chǎn)品封裝也需要特種材料，從而適應不同環(huán)境下傳感器和儀器儀表的穩(wěn)定性。信號處理技術作為物理感知的傳感器信號具有信號弱、不穩(wěn)定、非線性等特點，必須研究信號特征并進行信號處理，包括高保真放大、信號補償、信號濾波、非線性校正、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換等，部分干擾環(huán)境還需要信號隔離，轉(zhuǎn)化為反映物理特征的高精度的標準化電信號或者數(shù)字信號，實現(xiàn)傳感器和智能儀器儀表高精度、穩(wěn)定性、長期使用的技術要求。

一般傳感器的輸出信號較弱，不適合作遠距離傳輸。為了減小干擾，通常采用4～20mA電流輸出的雙絞線變送器。信號模擬處理的變送器，由于電路的復雜性的限制，非線性補償效果不理想，很難在全溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度補償，因此達不到較高的精度要求。隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，信號處理的實時性和算法處理能力大幅度提升，抗干擾能力大幅度增強，給傳感器和智能儀器儀表的發(fā)展提供了空間。高智能化技術嵌入式計算機技術發(fā)展推動了智能測量技術和信號處理技術，能實時實現(xiàn)自動化增益、智能校正、自動補償、復雜算法、多變量處理、時間序列記錄分析、智能診斷、智能配置管理等等，使得單臺智能儀器儀表就能實現(xiàn)智能控制。智能化傳感器由于采用數(shù)字化處理技術，還具有較高的精度、分辨率和穩(wěn)定性。高可靠性技術可靠性技術是傳感器和智能儀器儀表的關鍵技術，保證部件具備工業(yè)級應用要求，設備平均無故障時間（MTBF）超過10萬小時。

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計和驗證還遠遠不夠。隨著石化、冶金、電力等重大裝置行業(yè)工程應用研究的推進，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，形成國產(chǎn)傳感器和智能儀器儀表可靠性設計、制造、測試驗證技術，保證各個關鍵指標均能達到國際先進水平，在大型流程工業(yè)中得以推廣應用。

數(shù)字化通訊技術數(shù)字化技術出現(xiàn)推動了以數(shù)字化和現(xiàn)場總線為基礎的工業(yè)通訊技術進步，支撐了工業(yè)信息化技術和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展，同時給傳感器和智能儀器儀表拓展了空間。隨著通信技術的進步，傳感器和智能儀器儀表從最初采用二線制II/III型標準模擬信號進行單向傳輸?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，實現(xiàn)主流現(xiàn)場總線協(xié)議（如FF、HART、EPA、Modbus、Profibus等）的實時數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)集成技術，開發(fā)相應的通訊協(xié)議棧軟件平臺，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。低功耗技術隨著信號處理技術、基于集成電路數(shù)字化傳感技術的飛速發(fā)展和廣泛應用，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，低功耗技術己成為當今傳感器和智能儀器儀表設計的一個研究重點。

研究低功耗技術，需要從傳感、信號處理與運算、數(shù)字化通訊等各個方面研究低功耗技術。低功耗技術的研究主要涉及了傳感技術本身、信號處理電路設計以及工藝、封裝等多個層面。低功耗技術是一個復雜的綜合性課題，就流程而言，包括功耗建模、評估以及優(yōu)化等；就設計抽象層次而言，包括從系統(tǒng)級到單元級的所有抽象層次。研究傳感器和智能儀器儀表低功耗技術，針對傳統(tǒng)信號傳輸和HART智能信號的儀器儀表要求實現(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到uA級別，具備非接觸式供電能力。

高安全性技術隨著工業(yè)系統(tǒng)的日趨復雜，工業(yè)現(xiàn)場的安全保障都是工業(yè)控制系統(tǒng)重點解決的問題，尤其是保證控制系統(tǒng)安全可靠的運行。安全儀表系統(tǒng)監(jiān)視生產(chǎn)過程的狀態(tài)，在危險條件出現(xiàn)時采取相應措施，防止危險事件發(fā)生，避免并減輕潛在的危險對人身、設備、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)可預見的范疇內(nèi)。安全儀表系統(tǒng)不是針對原有控制系統(tǒng)某一方面的改進，而是一種全新的設計理念，是一種從功能需求到系統(tǒng)設計、從系統(tǒng)實施到運行維護的全過程的安全保障。西方發(fā)達國家安全傳感器技術與儀器儀表產(chǎn)品已經(jīng)應用到各種自動化系統(tǒng)中，一些傳統(tǒng)的標準自動化產(chǎn)品供應商，如橫河、艾默生等，紛紛推出其滿足IEC61508（功能安全的基本標準）和IEC61511（過程控制的功能安全標準）的功能安全產(chǎn)品和實現(xiàn)辦法及措施。研究流程工業(yè)安全技術與儀器儀表風險評估、自診斷、軟件可靠性、安全驗證等關鍵技術，掌握具有自主知識產(chǎn)權的安全核心技術，開發(fā)智能安全儀表。國際標準化設計我國儀器儀表在國際標準化技術的采用還不充分，重大工程儀器儀表往往要求通過或者符合國際標準，如信號量制、信號規(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)智能儀器儀表在標準化技術的研究和應用方面還有較大差距。針對不同應用，需要研究工業(yè)過程傳感器和智能儀器儀表的標準，提高傳感、檢測的標準化和開放性。

工業(yè)化批量制造技術工業(yè)過程的信號類型多、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、振動等物理信號，而且每個量程范圍、信號類型等種類繁多，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)與制造主要特點是小、散、弱。在國家政策和相關產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中，以院校和研究所為主體，部分領域的技術已經(jīng)得到了提升，但是這種“點”上的突破并沒有帶動行業(yè)整體的進步，因為研究機構(gòu)所取得的成果沒有和企業(yè)、用戶結(jié)合，工藝基礎和生產(chǎn)條件差，批量化制造質(zhì)量和成本控制難以實現(xiàn)，制造業(yè)本身亟待從大向強轉(zhuǎn)變，在資源有限的情況下，集中人力、財力和物力首先在傳感器及智能化儀器儀表的制造上突破，正是實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的神來之筆。要實現(xiàn)傳感器及智能化儀器儀表在制造規(guī)模上的突破，我們需要切實提高：工業(yè)化制造的批量生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)規(guī)模效應；質(zhì)量控制能力的提升，實現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)成品率；智能、高效的生產(chǎn)、檢驗、測試設備，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)裝置應用需求。傳感器及智能化儀器儀表是多門學科綜合的產(chǎn)品。它的研發(fā)、生產(chǎn)和應用是一個系統(tǒng)工程，綜合運用了半導體、微電子、材料、計算機、通訊、光學、聲學、計量、激光、控制等諸多信息電子技術,集微電子生產(chǎn)、軟件設計、硬件設計、機械加工、網(wǎng)絡集成等于一體。

從其服務對象而言，幾乎涉及國民經(jīng)濟的一、二、三產(chǎn)業(yè)，其中尤以工業(yè)應用最為廣泛，應用范疇涉及石油、化工、機械、化肥、冶金、發(fā)電、生化、建材、造紙、食品、陶瓷、環(huán)保設備等國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。針對工業(yè)應用需求和現(xiàn)代信息化發(fā)展趨勢，傳感器及智能化儀器儀表在實現(xiàn)測量、信號傳輸?shù)然疽螅仨氝_到高精度、高穩(wěn)定性、高環(huán)境適應性、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、強腐蝕、超低溫、失重、強磁、強放射性等）應用技術要求。

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