智能傳感器技術應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢綜述

摘 要：隨著物聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網、人工智能等新興產業(yè)的不斷發(fā)展，對傳感器的小型化、智能化和網絡化等方面提出了更高的要求，智能傳感器技術作為實現(xiàn)萬物互聯(lián)的關鍵技術，已經成為當前的研究熱點。文中介紹了智能傳感器的基本概念和功能特點，分析了國內外智能傳感器的產業(yè)鏈構成和發(fā)展現(xiàn)狀，描述了智能傳感器在汽車電子、航空航天、國防軍事等高可靠性要求領域的應用情況，展望了智能傳感器在未來的發(fā)展趨勢，并就國內智能傳感器行業(yè)目前面臨的問題提出了相應的對策和建議。

關鍵詞：智能傳感器；汽車電子；航空航天；國防軍事；人工智能；物聯(lián)網

中圖分類號：TP212.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-05

0 引 言

傳感器是一種用于感知外部信息的測量裝置，可以將物理、化學、生物等非電信號轉換為易于精確分析的電信號。傳感器是感知和獲取外部信息的源頭，對于任何的測量和控制系統(tǒng)而言，傳感器都是第一要素，其測試精度往往決定了整個系統(tǒng)的性能。隨著科技的進步和發(fā)展，傳感器技術已被廣泛應用于汽車電子、工業(yè)控制、消費電子、國防軍事、航空航天等各個領域[1]。

傳感器技術的發(fā)展可分成3個階段，各個階段對應的典型產品類型分別為結構型傳感器、固體型傳感器和智能型傳感器。結構型和固體型的傳統(tǒng)傳感器通常只能把采集到的外部信號轉換為模擬信號輸出，后續(xù)還需借助于其他電路模塊進行信號傳輸和處理等操作。與傳統(tǒng)傳感器不同，智能傳感器可對采集到的原始信號進行分析處理、數(shù)據(jù)存儲和遠程通信，并輸出可供后續(xù)系統(tǒng)直接使用的數(shù)字信號，有效提高了檢測效率和智能化程度。智能傳感器技術是一種正處于高速發(fā)展階段的新興技術，匯集了微機電系統(tǒng)、信號處理、計算機、微電子、人工智能、現(xiàn)代控制等多種技術和理論[2]。

目前，全球智能傳感器技術發(fā)展可謂日新月異，基于新材料、新原理、新工藝的各類智能傳感器層出不窮，歐美、日韓等全球主要工業(yè)強國均已在智能傳感器領域深耕多年，發(fā)展十分迅速，并形成了較高的技術壁壘。對于我國而言，智能傳感器技術儼然已經成為實現(xiàn)“制造強國”和“網絡強國”建設目標的核心技術。基于此，本文介紹了智能傳感器的基本概念和發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了在汽車電子、航空航天、國防軍事等高可靠性要求領域中智能傳感器的應用情況，為智能傳感器當前存在問題的解決提出了對策和建議，最后展望了其未來的發(fā)展趨勢。

1 智能傳感器概念及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 基本概念和功能特點

“智能傳感器”這一概念最早由美國宇航局（NASA）在20世紀70年代末提出[3]。在宇航員生活環(huán)境監(jiān)測、科學實驗以及飛船運動參數(shù)測量等活動中，需要大量的壓力、溫濕度、氣體體積分數(shù)傳感器，而這些傳感器所產生和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量十分龐大，遠超當時大型計算機的處理能力。為提高數(shù)據(jù)處理效率、減小宇宙飛船載荷，NASA的工程師們創(chuàng)造性地將傳感器和微處理器合二為一，從而賦予了傳感器一定的信息處理能力，這就是智能傳感器的雛形。

為提高智能傳感器的兼容性，電氣與電子工程師協(xié)會推出了IEEE 1451標準協(xié)議[4]。該協(xié)議指出智能傳感器由具備信號調理功能的傳感器、內嵌其中的校準補償算法以及數(shù)字接口3部分組成，能夠進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)標準化的物理連接。已有學者按照傳感器的內部結構和功能特點，把現(xiàn)有傳感器劃分成表1所列的5個代際，從第3代開始正式邁入智能傳感器的行列[5]。

綜上可知，智能傳感器是融合了傳感器、微處理器、信號調理模塊、存儲模塊、ADC模塊、通信模塊、智能算法等軟硬件為一體的微型系統(tǒng)，具備信號感知、信號處理、數(shù)據(jù)存儲、自校準、自補償、自診斷、人工智能、雙向通信、數(shù)字信號輸出等諸多功能。

1.2 產業(yè)鏈及行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著新能源汽車、醫(yī)療健康、消費電子、智能制造等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對智能傳感器的需求與日俱增。全球越來越多的高校、研究所和高新技術企業(yè)投入到智能傳感器行業(yè)，其研究課題或業(yè)務覆蓋了產業(yè)鏈中的研發(fā)、設計、制造、封裝、測試、軟件、芯片、應用等各個環(huán)節(jié)，具體如圖1所示。

1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國、日本等主要制造業(yè)強國憑借雄厚的技術實力和完備的上下游產業(yè)鏈，在高端智能傳感器市場占據(jù)著絕對的主導地位，而我國相關企業(yè)則缺乏核心技術，競爭力明顯不足。

目前，除博世、霍尼韋爾等老牌傳感器公司外，飛思卡爾、亞德諾等模擬器件廠商也開始涉足智能傳感器行業(yè)。知名研究機構TMR對未來10年能夠占據(jù)全球智能傳感器行業(yè)主導地位的15家公司進行了預測，具體包括亞德諾、霍尼韋爾、美高森美、羅克韋爾、德州儀器、威世科技、歐姆龍、瑞薩電子、橫河電機、英飛凌、博世、ABB集團、伊頓公司、恩智浦、意法半導體，全部分布在歐美、日本等發(fā)達地區(qū)和國家。上述公司占據(jù)了我國智能傳感器市場70%以上的份額，考慮到傳感器技術需要深厚的積累，未來很長一段時間內，全球智能傳感器市場格局不會有太大變化。

1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

與美國、德國、日本等工業(yè)強國相比，我國在智能傳感器領域的研究起步較晚，發(fā)展相對滯后。國內相關企業(yè)缺乏核心競爭力，尤其是在中高端智能傳感器市場，基本上完全被博世、霍尼韋爾等老牌傳感器廠商所壟斷。考慮到智能傳感器在國民經濟建設，尤其是在高端制造業(yè)中發(fā)揮的關鍵作用，同時為了打破歐美等發(fā)達國家和地區(qū)的技術壁壘，近年來，我國陸續(xù)推出了《中國制造2025》《智能傳感器產業(yè)三年行動指南（2017—2019年）》《基礎電子元器件產業(yè)發(fā)展行動計劃（2021—2023）》等一系列的扶持性政策和措施，以期早日解決智能傳感器技術“卡脖子”問題[6]。

在國家相關政策的扶持下，智能傳感器的國產化率不斷攀升、企業(yè)實力顯著增強、專利申報數(shù)量也穩(wěn)步增加，目前已初步形成一套完整的產業(yè)鏈體系。未來，隨著國內企業(yè)技術水平和市場認可度的提高，我國智能傳感器的市場規(guī)模和國產化率還會得到進一步提升。

2 智能傳感器應用領域

近年來，隨著物聯(lián)網、智能制造、人工智能等產業(yè)的快速發(fā)展，智能傳感器行業(yè)的市場規(guī)模和應用領域不斷拓展，從最初的航空航天、軍事工業(yè)等涉及國家重大工程和國防安全的專用領域，逐漸過渡到汽車工業(yè)、消費電子、工業(yè)生產、醫(yī)療保健等消費市場和民用領域。可以預見的是，隨著智能化時代的來臨，各類智能傳感器的應用場景還會進一步地豐富，本文主要針對可靠性要求較高的汽車電子、航空航天、國防軍事等領域重點展開闡述。

2.1 汽車電子

汽車電子是智能傳感器應用最廣泛的領域。車用傳感器在全球傳感器市場的規(guī)模占比高達32%，尤其是在毫米波、超聲波和激光等雷達傳感器細分領域，汽車行業(yè)的占比更是超過了80%。隨著人工智能、物聯(lián)網、5G通信等新一代信息技術的發(fā)展，智能網聯(lián)汽車已經成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的主流方向[7]。

車用智能傳感器可對車身狀態(tài)信息和周圍環(huán)境信息進行信號采集、數(shù)據(jù)處理和通信傳輸?shù)炔僮鳎瑸槠嚨闹醒霙Q策系統(tǒng)提供有效的參考數(shù)據(jù)。目前，即便是在普通的汽車中，都集成有數(shù)百個各式各樣的傳統(tǒng)和智能傳感器，而在具備智能駕駛輔助、人臉檢測、自動泊車等功能的高級汽車中，傳感器的總體數(shù)量以及智能傳感器的占比更高。根據(jù)車用智能傳感器監(jiān)測對象的不同，可分為車身感知傳感器和環(huán)境感知傳感器2個大類，其具體類別和主要用途見表2。

車用智能傳感器產業(yè)鏈可分為上游零部件和原材料供應商、中游傳感器制造商以及下游汽車生產商。目前，我國在車用智能傳感器產業(yè)鏈的發(fā)展情況和所處地位如下：

（1）產業(yè)鏈上游：對于經濟附加值較高的芯片等核心部件，大多被國外供應商壟斷，國產廠商主要聚集在電路板制作、外殼加工、原材料供應等低端領域。

（2）產業(yè)鏈中游：國外制造商憑借強大的技術優(yōu)勢，基本壟斷了車用智能傳感器市場，國內廠商在油位傳感器、尿素傳感器、激光雷達等細分領域有一定話語權。

（3）產業(yè)鏈下游：我國在傳統(tǒng)的燃油汽車方面，主要依賴進口技術，缺乏核心競爭力。但是，隨著新能源汽車的出現(xiàn)和發(fā)展，比亞迪、蔚來等一批具有自主知識產權的汽車廠商迅速崛起，有望實現(xiàn)彎道超車。

2.2 航空航天

航空航天領域是智能傳感器的發(fā)源地，在飛行器的控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、逃逸系統(tǒng)、著陸系統(tǒng)、艙內空間等關鍵部位，布滿了各類傳感器，用于對飛行器本身狀態(tài)和周圍環(huán)境的變化進行實時監(jiān)測和預警。飛行器對體積、質量和功耗有著嚴格的限制和要求，相較于傳統(tǒng)傳感器，智能傳感器具有微型化、輕量化、智能化、低功耗、便于組網等優(yōu)勢，可有效緩解飛行器的運載壓力和中央處理系統(tǒng)的計算壓力。

作為智能傳感器概念的提出者，NASA多年來一直致力于智能傳感器在航空航天領域的應用研究，并在高溫無線智能傳感器技術、宇航員的生命健康和周圍環(huán)境的智能監(jiān)測技術等方面取得了一定的成果[8-9]。NASA所屬的Glenn研究中心在2014年發(fā)布的科技報告中，介紹了其智能傳感器和電子系統(tǒng)部門在高溫碳化硅、MEMS、納米、化學、薄膜等多種類型傳感器（如圖2所示）方面的研究工作。

NASA的Glenn研究中心在2020年發(fā)布的科技報告中，介紹了一種如圖3所示的粘附型氣體體積分數(shù)智能檢測傳感器，其尺寸與一張郵票相近。該智能傳感器內部集成了3種傳感元件、微處理器、信號調理電路、無線傳輸模塊等，可對氧氣、氫氣、碳氫化合物氣體（烴類）等多種氣體的體積分數(shù)信息進行實時采集、處理和傳輸。

目前，國內航空航天領域研究與應用智能傳感器的主要單位包括北京航天試驗技術研究所、北京遙測技術研究所、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等[10]。在上述科研院所和高校的努力下，我國航空航天傳感器經歷了從仿造到自研、從單品種到多類別、從低精度到高精度、從結構型到智能型的蛻變過程，研制的傳感器產品涵蓋了加速度、壓力、溫度、濕度、氣體體積分數(shù)傳感器，基本滿足了我國航空航天各項任務的測試要求。但總體而言，目前我國航空航天領域的測試系統(tǒng)內部仍以傳統(tǒng)傳感器為主，智能化和網絡化水平明顯不足。

2.3 國防軍事

在國防軍事領域，傳感器是獲取武器裝備及其內部系統(tǒng)相關信息的主要技術途徑，被廣泛應用于導彈、戰(zhàn)斗機、軍艦等武器裝備中，并在引信、舵機、發(fā)動機、座艙等內部系統(tǒng)的實時監(jiān)測和精準控制方面發(fā)揮了巨大的作用。為滿足信息戰(zhàn)、網絡中心戰(zhàn)等全新作戰(zhàn)理念的需求，軍用傳感器已經逐漸向智能化、網絡化、微型化方向發(fā)展。

近年來，隨著智能傳感器技術的發(fā)展，世界軍事強國紛紛開展武器系統(tǒng)智能化研究工作。以美國為例，其國防部門從20世紀末開始，就十分重視軍用智能傳感器的發(fā)展。近年來，在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的牽頭下，又開展了一系列軍用智能傳感器的研究工作[11-12]，例如2015年啟動的構建無人值守戰(zhàn)場態(tài)勢感知網絡的“近零功耗射頻與傳感器”項目，以及2018年開始的用于探測全球海域和監(jiān)視潛艇、潛航器的“持久海洋生物傳感器”項目。

經過30多年的持續(xù)投入和不斷發(fā)展，國外的軍用智能傳感器技術已經日臻完善，并在戰(zhàn)斗機故障診斷、導彈制導和起爆控制、軍用無人裝備感知、戰(zhàn)場態(tài)勢實時監(jiān)測等軍事場景得到了實際應用，如圖4所示。

目前，我國在智能傳感器的應用方面，還局限于物聯(lián)網、工業(yè)生產、消費電子等民用領域。根據(jù)相關報道，國內國防科學技術大學、解放軍理工大學、中國電子科學研究院等單位已開始關注智能傳感器在軍事領域的應用，并將智能傳感器用于導彈遙測系統(tǒng)、智能引信、慣性導航等軍事場景[13]。總體而言，智能傳感器在我國國防軍事領域雖有一定的應用，但多停留于理論研究或原理樣機階段，其成熟度和可靠性還無法滿足實際戰(zhàn)場環(huán)境的應用需求。

3 智能傳感器發(fā)展趨勢

智能傳感器是傳感器技術發(fā)展過程中的一次重大突破，未來將會朝著智能化、微型化、網絡化、低功耗、多信息融合等方向發(fā)展[14-15]。

（1）智能化

智能化是智能傳感器的本質特征之一，也是其與傳統(tǒng)傳感器相比的優(yōu)勢所在。未來，通過在智能傳感器內嵌入數(shù)據(jù)融合、模式識別、神經網絡等理論和算法，可以為敏感元件、微處理器、信號調理電路等模塊賦予思想和靈魂，從而推動傳感器從“智能感知”過渡到“自主認知”階段。

（2）微型化

隨著微電子制造工藝、先進集成技術和材料科學的不斷進步，智能傳感器中的敏感元件、微處理器和其他各類電路模塊的尺寸已經步入了納米級，由此帶來了產品應用、功能性能、生產制造等多方面的優(yōu)勢。因此，微型化是智能傳感器未來發(fā)展的必由之路。

（3）網絡化

智能傳感器網絡化是指多個具有無線通信和數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點通過自組織的方式組建而成的分布式智能化測控系統(tǒng)，具有功耗低、成本低、覆蓋范圍廣、即時性好等優(yōu)點。

（4）低功耗

為準確捕捉周邊環(huán)境的變化情況，智能傳感器需要時刻保持工作狀態(tài)，因此，絕大部分電能最終都消耗在無用信息的監(jiān)測和處理上。在供電難以保證的野外環(huán)境下，智能傳感器的監(jiān)測范圍、工作時長和功能性能都受到了極大的限制。因此，低功耗也是未來智能傳感器發(fā)展的一個重要方向，無人值守戰(zhàn)場、無人機等應用場景對其有著很高的需求。

（5）多信息融合

多信息融合指的是通過某種算法對多個傳感器測得的信息進行整合處理，從而更為準確全面地反映周圍環(huán)境或者被測目標的特征。以自動駕駛技術為例，僅憑單一傳感器的測試數(shù)據(jù)難以對周圍駕駛環(huán)境進行準確判斷，因此，需要對攝像頭、激光雷達、慣性單元等多個傳感器的測試信息進行交叉融合，從而更好地輔助駕駛。就目前的發(fā)展趨勢來看，多個傳感器交叉使用的場景將會越來越多。因此，多信息融合將會成為未來智能傳感器的發(fā)展方向之一。

4 結 語

智能傳感器不僅是工業(yè)機器人、智能網聯(lián)汽車、智慧醫(yī)療設備、消費電子產品等智能系統(tǒng)中的核心部件，更是未來智能時代的重要技術基礎。但是由于我國智能傳感器行業(yè)起步較晚、發(fā)展滯后、缺乏自主研發(fā)和技術創(chuàng)新能力，國內智能傳感器仍然存在產業(yè)規(guī)模偏小、缺乏標桿企業(yè)、制造工藝落后、產品性能不足、國產化程度低、嚴重依賴進口、研發(fā)人員短缺、成果轉化率低等諸多問題，這嚴重阻礙了我國社會生產的智能化進程。針對上述問題，需從國家層面、技術層面、國產化層面和人才層面等角度入手，通過統(tǒng)籌全國科技力量、建設共性技術平臺、提升自主可控能力、培養(yǎng)創(chuàng)新型研究人才等方法予以解決。

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