传感器技术如何赋能智能制造?丨郭源生细说传感器
创始人
2026-01-02 20:00:54

编者按:传感器作为“信息时代的神经末梢”,已渗透到社会经济的每一个关键领域。2025年10月以来,《中国电子报》邀请九三中央科技委副主任、中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长郭源生开设“郭源生细说传感器”专栏,聚焦电力、重大装备、智能制造、智慧农业、智慧医疗与大健康、智能家电及消费电子、城市安防、低空经济八大领域与场景,先后刊登等文章,受到读者广泛关注,好评如潮。本次刊发的是智能制造篇,聚焦智能制造传感器,就其应用前景、产业现状、未来建议等进行展开阐述,以形成产业共识,促进产业发展。

在全球产业数字化与数字产业化背景下,智能制造已然成为推动产业升级、提升国家核心竞争力的关键力量。通过AI、信息技术、自动化技术与制造过程深度融合,实现生产过程的数字化、智能化、柔性化和高效化。而传感器作为数据获取的唯一功能器件和“电子五官与皮肤”,在其中扮演着至关重要的角色,能动态实时感知生产过程中的各种物理量、化学量和生物量等信息,并将这些信息转化为可处理的数据信号,为智能制造系统的决策和控制提供坚实的基础。

无论是产业化前端的物料配送与状态检测,中间工艺过程对生产效率、产品质量、设备运行的实时监控,还是后端仓储物流对货物存储环境、运输状态的管理,都离不开传感器的支持。随着智能制造的不断迭代,对传感器的性能、功能和集成度也将提出更高的要求。因此,如何进一步提升工业离散型传感器的产业化能力和应用水平,成为当前亟待解决的重要课题。

智能制造传感器核心技术演进与品类解析

当前,工业离散型传感器已由声、力、光、气、磁、温湿度、RFID、生物八大敏感技术构成完整的产品体系,并围绕精度与可靠性升级、多参数复合、智能化模块、互联化节点四大主线,展开技术创新与全面竞争。

八大敏感技术机理、特性、指标体系及产品形态

敏感机理是传感器的技术核心与功能载体,不同敏感机理与技术形成的性能指标、产品形态决定了其应用场景的适配性。以下从核心性能指标、产品结构与形态、典型应用场景三个维度,系统解析八大敏感机理类型的技术特征:

敏感类型

核心性能指标

产品结构与形态

典型应用场景

技术原理与发展现状

声敏器件与传感技术

灵敏度≤20Pa、响应时间<1ms、频率响应范围20Hz-1MHz、探测距离0.1-50m

压电式(锆钛酸铅PZT 材料)/ 电容式、超声波探头(直径10-50mm)、阵列式声传感器(8-32 通道)

AGV 避障、设备异响监测、焊缝检测、流体流量测量

基于压电效应或电容变化实现声信号转换,阵列式通过多通道融合提升定位精度,主流产品已实现数字化输出,部分高端产品集成噪声抑制算法

力敏器件与传感技术

线性度误差<3%、重复性±0.1%FS、过载稳定性150% FS、分辨率0.001% FS

应变片式(金属应变片)/压电式、触觉阵列传感器(最小单元0.5×0.5mm,传感密度 400点/cm²)、扭矩传感器

机器人抓取力控制、冲压工艺压力监测、装配力反馈、设备负载检测

应变片式:金属形变转化为电阻变化,压电式:基于压电晶体的电荷输出,触觉阵列:采用 MEMS工艺实现微型化,已在协作机器人中广泛应用

光敏器件与传感技术

空间分辨率 1.7cm、视场角 70°×70°、检出率>99%、响应时间<50μs

激光雷达(128×128 像素阵列,测距范围0.5-200m)、视觉传感器(CCD/CMOS 芯片,像素 100万-2000万)、光纤传感器(传输距离 0-10km)

3D成像、零件定位(激光雷达)、PCB 质检、表面缺陷检测(视觉)、远距离信号传输(光纤传感器)

激光雷达基于飞行时间(ToF)或三角测距原理,视觉传感器通过图像像素分析实现目标识别,光纤传感器利用光的折射 / 反射变化感知物理量,抗电磁干扰能力突出

气敏器件与传感技术

检测下限 ppm 级(部分 ppb 级)、响应时间<10s、1000 万次循环衰减<5%、工作温度 - 40℃~85℃

电化学(三电极体系)/ 红外气体、阵列式气体探测器(4-8 种气体同时检测)、柔性气体传感器

车间有害气体监测(CO、NO₂、VOCs)、锂电池生产环境控制(O₂、H₂)、化工原料泄漏检测

电化学传感器通过气体反应产生电流信号,红外传感器基于气体分子特征吸收光谱,阵列式产品可实现多气体交叉检测,降低误报率

磁敏器件与传感技术

分辨率 nT 级、线性范围 ±10mT、温度稳定性 - 40℃~125℃、响应时间<1μs

霍尔传感器(SiGe 材料)、磁阻传感器(GMR/TMR 薄膜)、磁通门传感器、磁编码器

电机转速检测、金属零件探伤、位置定位、电流测量

利用霍尔效应,磁阻传感器基于磁致电阻变化,磁通门传感器通过铁芯的非线性磁化特性将弱磁场转化为电压信号,可实现nT级弱磁场检测

温湿度敏感与传感技术

温度精度 ±0.1℃、湿度精度 ±2% RH、长期稳定性>5 年、响应时间<8s

热敏电阻(NTC/PTC 陶瓷材料)、电容式湿度传感器(聚合物薄膜)、集成式模块(I²C/SPI 接口)

仓储环境监控、设备温度监测、工艺温控、冷链物流

热敏电阻电阻值随温度变化,电容式湿度传感器通过聚合物吸湿导致电容变化,集成式模块内置校准算法,直接输出数字信号,便于系统集成

RFID 器件及技术

读写距离0-10m(无源)/0-100m(有源)、识别速度>50 张/秒、抗干扰性强(ISO 18000-6C)

无源/有源标签(尺寸 3mm×3mm~100mm×100mm)、超高频读写器(工作频率 860-960MHz)、集成模块(嵌入 MCU 芯片)

物料溯源、库存盘点、资产跟踪、人员定位

基于电磁耦合或电磁波传播实现数据读写,无源标签依赖读写器能量供给,有源标签自带电池,可主动发送信号,超高频 RFID 支持多标签同时识别

生物敏感与传感技术

特异性交叉反应率<5%、检测时间<30min、灵敏度 ng 级、样本需求量<10μL

生物芯片(DNA / 蛋白芯片,检测位点 100-1000 个)、免疫传感器(抗原-抗体特异性结合)、酶电极传感器

生物医药原料检测、食品质量溯源、微生物污染监测

利用生物分子的特异性识别能力,将生物反应转化为电信号或光信号,生物芯片实现多指标并行检测,酶电极传感器在食品新鲜度检测中应用广泛

八大敏感技术各具特色:声敏技术在动态检测中响应迅速,产业规模庞大,产品配套市场明确;力敏器件工艺技术分散,但用途广泛、市场需求庞大,未来潜力巨大;光敏器件技术难度高,核心技术难以掌控,未来主导视觉感知与3D成像技术方向,产业特色明显;气敏技术与产业分散性大,安防、医疗等应用创新迫在眉睫;磁敏技术与产业集中度较高,市场配套需求旺盛;温湿度敏感在基础环境监测、智慧农业与大健康产业前景广阔;RFID技术各行业应用增长迅猛;生物敏在生物医药、食品工业、健康监测等应用明确。

技术创新与发展的四大主线

随着智能制造对感知技术要求的不断提升,形成精度与可靠性升级、多参数复合集成、智能化深度赋能、互联化节点四大创新主线,推动离散型传感器从“单一感知”向“智能感知”及“微系统”方向跨越。

1、精度与可靠性升级:突破极限工况适配能力

(1)从模拟向数字跨越式发展:传统模拟传感器存在信号易受干扰、精度有限等问题,数字传感器通过内置AD转换器(12位-24位)实现信号直接数字化,针对位移检测类传感器,检测精度从模拟式±0.1mm提升至数字式±0.01mm;

(2)环境适应性突破:工业场景的高温、高湿、强电磁干扰是传感器应用的主要挑战。当前,高温可采用陶瓷封装、耐高温材料(如AlN陶瓷、SiC半导体),可在-40℃~150℃环境下稳定工作;高湿环境通过防水透气膜技术,在 95%RH(无凝结)条件下误差率控制在3%以内;抗电磁干扰采用屏蔽封装、差分信号传输设计,在1000V/m电磁辐射下信号失真率<1%,满足汽车制造、电力设备等复杂场景需求。

2、多参数复合集成:降低部署成本与空间占用

(1)单元件多物理量检测:传统单一参数需多器件组合部署,复合传感器通过集成多种敏感单元,实现“一器多测”。例如“温度-压力”复合集成热敏电阻与压阻式敏感单元,体积缩小50%,部署成本降低30%以上,已应用于发动机缸体检测;“湿度-气体”集成探测器同时监测环境湿度与有害气体浓度,避免湿度变化对气体检测精度的影响,在锂电池车间实现H₂与湿度的同步监测;

(2)阵列化感知:通过高密度敏感单元阵列,实现多维度、大面积感知。例如,26.2万传感点(1024×256阵列)压力分布检测系统,可实时采集物体接触压力的空间分布数据,分辨率达0.1mm,应用于机器人柔性抓取、汽车座椅舒适性测试;高密度触觉感应矩阵(最小单元0.1×0.1mm)采用MEMS工艺制造,实现人体皮肤级的触觉感知,支撑人形机器人的精细操作。

3、智能化深度赋能:从数据采集到智能认知

(1)边缘计算集成:传感器内置微处理器(MCU),实现本地数据预处理、筛选与特征提取,仅将有效数据上传云端,降低云端传输压力50%。例如,工业振动传感器内置FFT(快速傅里叶变换)算法,本地分析振动频率特征,仅上传异常频率数据,减少90%的数据传输量;

(2)AI算法嵌入:将深度学习、机器学习算法集成到模块中,实现数据智能分析与决策。例如采用“工业级光电+深度学习”方案,通过视觉传感器采集图像数据,本地运行缺陷识别算法,半导体缺陷检出率提升8%,误报率降至 0.5%以下;内置自诊断功能通过AI算法分析自身工作状态,设备故障预警准确率超85%,提前30天预测传感器失效风险;

(3)微处理器集成:与MCU、DSP(数字信号处理器)深度集成,实现数据实时分析与决策反馈,响应延迟低至毫秒级。例如,集成MCU与PID控制算法,在机器人装配过程中实时调整抓取力,响应延迟<1ms,确保精密零件装配无损伤。

4、互联化突破:支撑工业物联网协同

(1)无线通信适配:针对工业物联网大规模部署需求,传感器支持LPWAN(LoRa/NB-IoT)、蓝牙5.0、Wi-Fi6等无线协议,实现低功耗远距离传输。LoRa协议通信距离达3-10km,工作电流低至10μA功(休眠电流1μA),适用于工厂车间、仓储物流等大范围部署场景;NB-IoT传感器依托运营商网络,无需自建基站,数据上传稳定,已应用于跨区域资产跟踪;

(2)工业以太网兼容:为满足实时控制需求,传感器适配PROFINET、EtherCAT、Modbus TCP等工业以太网协议,数据传输延迟≤1ms。EtherCAT 协议传感器支持分布式时钟同步,同步精度达100ns,支撑多设备协同控制,在汽车焊装生产线实现128台机器人的同步动作与数据交互;PROFINET传感器与 PLC、MES系统无缝对接,数据交互率提升至95%以上,打破“数据孤岛”。

智能制造全流程数字化场景应用深度解析

传感器的价值最终通过场景应用实现。在智能制造全流程中,前端物料配送与仓储物流、中端制造过程与质量管控、后端设备运维与能效优化三大环节,形成了“感知-决策-执行”的闭环体系,八大敏感技术的协同应用,推动生产效率、产品质量、运维水平全面提升。

前端:物料配送与仓储物流

物料配送与仓储物流是智能制造的“供应链基石”,其效率与准确性直接影响生产节奏。传感器通过环境感知、位置定位、状态监测等功能,实现物料“精准配送、安全存储、动态溯源”,支撑柔性生产与精益管理。

1、核心传感器组合

(1)光传感(激光雷达)+声传感(超声波):激光雷达实现三维环境建模与障碍物检测,超声波传感器弥补激光雷达近距离盲区,二者协同实现 AGV(自动导引车)的精准避障与路径规划;

(2)温湿度+气体:实时监测仓储环境温湿度(精度±0.1℃/±2% RH),结合气传感器检测有害气体(如CO、VOCs)与易燃易爆气体(如H₂、甲烷),防范物料受潮、氧化、火灾风险;

(3)RFID+力敏:RFID标签记录物料型号、批次、保质期等全生命周期信息,结合物料装卸过程中的压力(量程0-500kg),避免易碎、精密物料受损。

2、典型应用案例

(1)AGV导航:特斯拉上海超级工厂AGV导航系统采用超声波传感器与像素阵列激光雷达协同感知方案。超声波传感器探测距离0.1-5m,响应时间<100μs负责近距离避障,激光雷达测距范围0.5-100m,空间分辨率1.7cm实现全局路径规划,导航误差≤±5mm,避障响应时间<100ms,AGV行驶速度达2m/s,物料配送效率提升40%,较传统人工配送成本降低60%;

(2)精准配送:某半导体工厂采用流量传感器(精度±0.5%FS)与压力传感器(量程0-1MPa,线性度误差<0.1% FS)联动控制物料输送管道。流量传感器实时监测物料输送速率,压力传感器反馈管道压力,通过PLC系统动态调整泵体转速,物料配送准确率达99.9%,避免因物料供应不足或过量导致的生产中断,配送效率提升30%,年节约生产成本1200万元;

(3)库存盘点:某汽车零部件企业采用超高频RFID 批量扫码技术,仓库货架与物料箱均粘贴无源RFID标签,读写距离0-5m,识别速度>50张/秒。配备 RFID读写器的AGV在仓库内自动巡航,单次盘点覆盖1000 货架,盘点效率提升5倍,误差率降至0.1%以下,实现库存动态可视化管理。系统可实时预警物料短缺、过期风险,物料周转率提升25%,库存积压成本降低30%;

(4)冷链物流监测:某医药企业的疫苗冷链物流车部署了温湿度传感器,工作温度-20℃~25℃,采样频率1次/分钟、GPS定位模块与NB-IoT通信模块。传感器实时采集车厢内温湿度数据,通过NB-IoT网络上传至云平台,若温度偏离2-8℃的安全范围,系统立即触发声光报警与短信通知,保障疫苗质量。该方案使冷链物流温度超标率从3.2% 降至0.2%,疫苗损耗成本降低80%。

中端:制造过程与质量管控

工艺过程数字化与质量管控是智能制造的核心,通过工艺参数监测、产品缺陷检测、安全防护等功能,实现生产过程的“实时控制、精准检测、安全高效”,推动制造从“规模化生产”向“个性化定制与精准化配置”转型。

1、核心传感器组合

(1)光敏(3D激光)+视觉:3D激光传感器实现零件三维尺寸测量与定位(精度±0.01mm),视觉传感器进行表面缺陷检测与字符识别,二者协同支撑精密装配与质量检测;

(2)力敏+磁敏:实时监测冲压、焊接、装配等工艺的压力/扭矩参数(分辨率 0.01N),磁传感技术实现电机转速检测与金属零件探伤,保障工艺稳定性与产品一致性;

(3)安全光幕(光传感)+振动传感:安全光幕形成红外防护屏障(响应时间<10ms),防范人员误入高危作业区域;振动传感器监测设备运行振动(频率范围10Hz-10kHz),实现设备状态预警与故障诊断。

2、典型应用案例

(1)汽车焊装质量控制:某新能源汽车工厂的车身焊接生产线采用3D激光传感器(128×128像素阵列,测距精度±0.1mm)检测焊缝缝隙。传感器安装在焊接末端,实时采集焊缝截面数据,与标准参数对比,若偏差超过0.05mm,系统立即调整焊接电流与速度,缺陷检出率超99%。同时,磁阻传感器监测焊接机器人电机转速(分辨率1rpm),确保焊接速度稳定,整车焊接质量合格率从 98.5% 提升至99.8%;

(2)电子元件装配:某智能手机工厂的芯片贴装生产线采用视觉传感器(2000万像素,定位精度±0.01mm)与力传感器(量程0-50N,分辨率0.01N)协同控制。视觉传感器识别PCB板上的芯片焊盘位置,引导贴装头精准定位,力传感器实时监测贴装压力,避免压力过大导致芯片损坏。该方案使电子元件装配一次合格率提升至99.5%,返工成本降低70%,生产效率提升25%;

(3)冲压车间安全与工艺优化:某家电企业冲压车间部署了安全光幕(保护高度1.2-2.5m,响应时间<5ms)与振动传感器(量程0-50g,频率响应10Hz-10kHz)。当人员靠近冲压模具时,安全光幕立即触发设备停机,事故发生率降低80%;采集冲床运行振动数据,通过AI算法分析设备磨损状态,预测性维护准确率达85%,设备停机时间减少40%,冲压件废品率从1.8%降至0.5%;

(4)缺陷检测:某电子制造企业采用视觉与光纤传感器协同检测PCB板缺陷。视觉传感器(1000万像素)拍摄PCB板表面图像,识别线路短路、断路、焊盘偏移等缺陷;光纤传感器(检测精度0.01mm)检测PCB板厚度与孔径,确保符合设计要求。该方案检测速度达300mm/s,缺陷检出率超99.2%,较人工检测效率提升10倍,误检率降至0.3%以下。

后端:设备运维与能效优化

设备运维与能效优化是智能制造的保障,传感器通过设备状态监测、能耗数据采集、故障诊断等功能,实现“预测性维护、能效提升、绿色生产”,降低运维成本与能源消耗。

1、核心传感器组合

(1)振动+声敏+温度传感:采集设备旋转部件(电机、轴承、齿轮)振动信号(频率10-1000Hz),硅麦监测噪音变化和异响(频率20Hz-20kHz),结合监测部件温度(精度±0.1℃),二者协同实现设备健康状态评估;

(2)电流+温湿度传感:电流传感器(精度±0.5%)监测生产设备的电力消耗,温湿度采集车间环境参数,通过动态调整设备运行负载与空调系统,实现能效优化;

(3)红外+声敏:红外测温范围-40℃~500℃,精度±1℃,检测设备表面温度异常,声敏捕捉设备运行异响,协同实现故障精准诊断。

2、典型应用案例

(1)旋转设备预测性维护:某钢铁企业的高炉风机系统部署了振动传感器(量程0-20g,分辨率0.001g)与温度传感器(工作温度-40℃~200℃)。每10秒采集一次数据,通过边缘计算模块分析振动频率谱与温度变化趋势,结合 AI算法预测设备故障。使故障预测准确率超85%,维护成本降低40%,避免因突发故障导致的生产中断损失;

(2)能效优化:某大型储能基地采用能耗传感器(监测精度±0.2%)与温湿度传感器(精度±0.1℃/±2%RH)优化运行效率。能耗传感器实时采集储能电池组的充放电功率、电网损耗数据,温湿度传感器监测电池舱内环境参数。系统通过动态调整充放电电流、优化空调散热功率,实现整体节电率达15%,年节约电费超800万元;

(3)设备故障诊断:某汽车零部件工厂采用红外传感器(测温范围-20℃~300℃)与声传感器(灵敏度≤20Pa)诊断电机故障。红外传感器监测电机轴承温度,若温度超过80℃则触发预警;声传感器捕捉电机运行异响,通过频谱分析识别轴承磨损、转子不平衡等故障类型。该方案使故障定位时间缩短60%,维修效率提升50%,电机平均无故障运行时间(MTBF)从8000小时延长至12000小时;

(4)车间能效监测:某电子工厂部署了1200个能耗传感器(覆盖生产设备、照明、空调等),实时采集各环节电力消耗数据,通过工业互联网平台分析能耗分布。系统识别出空调系统过度制冷、设备待机功耗过高等问题,通过优化温度设定(从22℃调整至24℃)、关闭闲置设备,实现车间整体能耗降低12%,年节约能源成本600万元。

产业化问题、难点及破局方案

尽管我国传感器技术在智能制造中应用取得进展,但在高端技术突破、系统集成协同、成本控制等方面仍面临诸多挑战。针对这些问题,需通过国产化替代、标准化建设、生态化合作三大路径,推动产业高质量发展。

三大核心挑战

1、技术瓶颈:高端领域“卡脖子”

(1)敏感芯片及核心元器件依赖进口:传感器的核心是MEMS芯片、高端 ASIC电路、敏感材料等国产化率偏低。数据显示,MEMS芯片国产化率约35%,高端ASIC电路国产化率不足20%;BAW滤波器国产化率约8%,制约了工业级高端传感器产业发展;

(2)性能差距明显:与国际先进水平存在显著差距。例如,国际高精度MEMS陀螺仪的漂移率为0.01°/h,国产约为0.1°/h;国际车规级激光雷达的测距可达200m,国产主流产品为180m以内;国际工业级视觉帧率达1000fps,国产多在500fps以下。此外,国际产品长期稳定性寿命5-10年,国产为3~5年、极端环境适应性,如高温、强腐蚀等方面差距依然存在;

(3)基础研究薄弱:在敏感材料(如压电材料、磁阻材料)、MEMS工艺(如深硅刻蚀、键合技术)、检测算法(如高精度标定算法、AI缺陷识别算法)等基础研究领域投入不足,专利布局集中在应用层,基础核心技术专利占比不足10%,被欧美企业长期垄断。

2、集成难题:互联互通壁垒

(1)协议不统一:当前工业传感器市场存在多种通信协议,如PROFINET、EtherCAT、Modbus、LoRa、NB-IoT等,不同厂商产品的接口、通信协议差异大,兼容性不足。A厂的传感器支持PROFINET协议,B厂的PLC支持EtherCAT 协议,二者需通过网关转换才能实现数据交互,增加了系统复杂度与成本;

(2)异构设备协同低效:传感器与PLC、MES系统、数字孪生平台的数据有效交互率不足70%,形成“数据孤岛”。一方面,传感器数据格式不统一(如温度数据有℃、℉两种单位,压力数据有MPa、PSI两种单位),需额外进行数据转换;另一方面,不同系统的数据传输速率、存储格式差异大,导致数据同步延迟(部分场景延迟达100ms以上),制约全流程数字化协同;

(3)数据安全风险:场景数据包含生产工艺、设备参数、产品质量等核心信息,无线通信场景下易受监听、篡改、伪造等攻击。而低功耗传感器受限于算力与功耗,难以部署复杂的安全防护机制(如高强度加密算法),数据泄露风险较高。例如,某汽车工厂的无线传感器网络曾遭受恶意攻击,导致生产工艺参数泄露,造成经济损失超千万元。

3、成本压力:中小企业应用门槛高

(1)研发成本高:传感器涉及多学科融合技术,研发周期长、投入大。单个 MEMS芯片产线投资超10亿元,一条封装测试产线投资超2亿元;仅应用研发投入占比达18%,远高于普通制造业的5%-8%。中小企业资金实力有限,难以承担持续的研发投入,导致技术创新能力薄弱;

(2)采购与维护成本高:工业离散型传感器价格昂贵。例如,进口车规级激光雷达单价约1.5万元,国产工业级约5000-8000元;视觉传感器进口单价约8000元,国产约2000元。此外,传感器需定期校准、维修,维护成本占设备总成本的20% 以上,中小企业难以承受,制约了传感器的规模化应用;

(3)规模效应不足:传感器企业数量众多,但规模较小,年营收超10亿元的企业不足20家,市场集中度低(CR10<30%)。企业缺乏规模效应,导致生产成本居高不下,难以与国际巨头竞争。例如,国际MEMS芯片巨头规模化生产的单片成本可降至1美元以下,而我国中小企业单片成本约3-5美元。

三大破局方向

1、本土化发展:聚焦核心环节攻关

(1)元器件突破:集中力量攻克MEMS芯片、ASIC电路、敏感材料等核心环节,提升芯片国产化率;鼓励企业研发工业级配套的工业传感器专用芯片和ASIC电路;突破敏感材料技术,如压电材料(PZT)、磁阻材料(GMR/TMR)、气体敏感材料等,降低对进口材料的依赖。

(2)技术攻坚:建立“产学研用”协同创新机制,集中力量突破高精度检测算法、高可靠性封装技术、极端环境适应性技术等。支持企业参与国际标准制定,提升技术话语权;

(3)政策支撑:依托《产业结构调整指导目录》《关于加快推进工业领域智能化改造的指导意见》等政策,加大对研发补贴与中试平台建设投入。设立国家和地方产业专项基金,支持企业并购重组与技术升级;力争2030年,工业高端传感器国产化率突破65%,核心元器件国产化率提升至50%以上。

2、标准化建设:打通协同壁垒

(1)统一接口与协议:由工信部、国家标准委牵头,制定工业传感器数据接口、通信协议国家标准。推广PROFINET、EtherCAT等国际主流协议的国产化适配,制定统一的数据格式标准,实现跨厂商、跨系统兼容。例如,中国传感器与物联网产业联盟发布的《工业传感器通信协议统一规范》,已在汽车制造、电子信息等行业试点应用,数据交互率提升至90%以上;

(2)建立检测认证体系:组建国家级传感器检测认证中心,规范产品一致性检测。例如,制定激光雷达测距精度、响应时间、环境适应性等测试标准,通过第三方检测认证保障产品质量;建立传感器溯源体系,确保检测数据的准确性与可靠性,降低系统集成风险;

(3)数据安全防护:遵循国际标准,构建传感器数据全生命周期安全防护体系。硬件可采用安全芯片实现身份认证与数据加密;在软件层面,采用端到端加密、消息完整性验证(MAC)、访问控制等技术,防范数据泄露与篡改。

3、生态化合作:降低应用门槛

(1)产学研用协同:高校、科研院所与企业共建中试平台、联合实验室,通过场景牵引创新,加快成果转化,强化研发创新动力。

(2)场景化解决方案:针对新能源汽车、半导体、生物医药等细分领域,提供“传感器+数据平台+运维服务”一体化方案,提供含传感器部署、数据采集、分析预警、运维服务等全流程服务,降低中小企业部署成本。

(3)产业集群:通过区域、园区生态体系建设,打造优势地区,如长三角、粤港澳、京津冀等多个千亿级传感器产业集群或“传感谷”,实现芯片设计、封装测试、终端应用上下游资源共享。

(4)成本控制:通过规模化生产、工艺优化、供应链整合等方式降低成本。与敏感材料、芯片制造企业签订长期合作协议,降低原材料采购成本。

未来趋势与产业展望

随着工业智能化场景迭代升级和需求持续扩大,传感器技术将向微型化、低功耗、智能化、多维度感知方向演进,产业从离散型、多品种、小批量生产模式转向产业化规模生产变革。

技术趋势:四大核心方向突破

1、微型化与集成化:MEMS 技术、纳米技术的发展将推动传感器尺寸持续缩小,从毫米级向微米级、纳米级突破。例如,MEMS芯片尺寸未来将实现0.1mm×0.1mm×0.05mm的超微型化;“光-声-力”一体化感知器件成为主流,通过集成多种敏感单元与微处理器、通信模块,实现“感知-计算-通信”一体化,满足小型化设备(如微型机器人、可穿戴设备)的部署需求;

2、低功耗与长寿命:优化电路设计(如采用低功耗MCU、休眠技术)、封装技术(如真空封装、低功耗材料),降低功耗至毫瓦级以下(当前为10-100毫瓦),使用寿命延长至10年以上,适配工业物联网大规模、长周期部署场景;例如,采用微能量收集技术(如电磁感应、振动、温差等工业场景适配型微能量收集技术),可实现自供电,无需更换电池,进一步降低维护成本;

3、自校准与智能化:内置AI自校准算法,根据环境变化(如温度、湿度)自动调整参数,实现环境自适应调整,减少人工维护成本;从“数据采集”向 “智能认知”升级,传感器具备自主决策与协同工作能力。例如,多传感器协同感知系统通过AI算法实现数据融合与决策,可自主选择最优感知策略,适应复杂场景需求;

4、多维度感知:构建阵列化、网络化全域感知系统。例如,大规模传感器阵列(10万+传感点)可实现大面积、高精度感知;通过物联网技术形成“端-边-云”协同的感知体系,支撑复杂场景多参数、高精度监测;此外,新兴敏感技术(如量子传感、柔性传感)的突破,将拓展感知维度,实现对弱磁场、生物信号等特殊物理量的精准感知。

应用拓展:从传统制造到新兴领域延伸

1、传统制造业升级:传感器将深度渗透汽车、电子、机械、化工等传统制造业,实现生产过程全要素感知与闭环控制。例如,汽车、家电等制造过程的“感知-决策-执行”闭环控制,将部署海量传感器,实现全流程智能化、无人化功能;电子制造将实现芯片制造、封装测试全流程自动化检测,传感器精度提升至纳米级,推动电子产品向更高性能、更小尺寸发展;预计到2030年,传统制造业传感器应用覆盖率将达90%以上,生产效率提升20%以上;

2、新兴领域拓展,呈现新的增长点:新能源汽车、半导体、生物医药、人形机器人、智能建造等新兴领域产业工艺的数字化、智能化会催生新的应用场景。预计到2030年,制造业数字化领域传感器市场规模将突破3600亿元。

结语

传感器作为智能制造的基础核心引擎,其技术创新与产业发展直接决定制造业数字化转型的深度与成效。从前端物料配送的精准高效,到中端制造过程的精密控制,再到后端设备运维的智能优化,传感器已渗透到智能制造的每一个环节,构建了“全面感知、智能决策、高效执行”的闭环体系。

当前,尽管我国传感器产业面临高端技术瓶颈、集成壁垒与成本压力等挑战,但在政策扶持、技术攻关与生态协同的多重驱动下,国产传感器正加速突破核心技术、拓展应用场景、完善产业生态。

未来,随着微型化、低功耗、智能化、多维度感知技术的不断演进,传感器将进一步突破性能极限与应用边界,在传统制造升级与新兴领域拓展中发挥更大作用。推动制造业从“自动化”向“智能化”跨越,为产业数字化与高质量发展注入源源不断的动力,助力书写制造强国建设的崭新篇章。

(本栏目下一期将推出“智能农业传感器”篇,敬请关注!)

作者 丨九三学社中央科技委副主任、中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长 郭源生

编辑丨杨鹏岳

美编丨马利亚

监制丨赵晨

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