973计划首席科学家刘铁根教授为高中生讲述“光纤传感与人工智能”

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万物互联、万物智能,传感器是基础。11月9日,2019世界传感器科技高峰论坛在郑州举行,来自多个国家的知名专家齐聚一堂、共话传感器,就传感器对当前“制造革命”的影响、传感器产业未来的发展方向等话题进行了深入探讨和交流,带来了最前沿的技术和理念。  如今,传感器产业在全球呈现出爆发性增长态势,但是随着智能制造的蓬勃发展,传感器产业发展也面临更多新的挑战。“从单单提供传感器硬件,转向提供系统整合软件及综合性解决方案,是未来的重要发展趋势。”美国工程院院士陈向力说,不论是在工业制造领域还是消费领域,都需要传感器的准确度、硬件与软件的结合能力以及识别信号的多样性不断提升。  传感器的广泛应用,催生了很多让人眼前一亮的先进技术。来自意大利米兰理工大学的阿尔夫莱德·吉阿科莫·西噶达教授认为,光纤传感、微电子机械系统等在桥梁、建筑的结构健康监测方面大有可为。“以这些先进的传感技术为基础,可以实现对结构内的密度等进行感知,检测有无损坏,以提前避免风险。”西噶达教授介绍,已经有不少成功的案例,相信这些技术的应用前景非常广阔。  日本松下全球传感器首席技术官今井寿教认为,在工厂自动化的发展过程中,传感器的技术革新至关重要。“传感器不再是一个孤立的装置,需要同控制装置、图像技术、机器人等系统进行连接,才能大大提升自动化程度。”今井寿教说,中国的自动化发展很快,松下将在传感器的小型化技术、智能视觉技术等方面不断提升,为中国市场提供从开发到销售的一体化方案。  作为传感器供应商,德国西克传感器有限公司首席科学家夏恩·麦克纳玛拉思考最多的,是如何开发出更加灵活的传感器,提高数据收集和处理能力,从而提升工厂的自动化程度。“传感器的快速发展推动了工业4.0的发展,不断提高传感器的效率和互操作性,提高数据的透明度是我们未来要努力的方向。”麦克纳玛拉表示。  爱尔兰电气和电子工程师协会理事艾尔费德·刘易斯教授的团队,将传感器技术引入健康领域,运用光纤辐射传感器监测癌症放射治疗过程中的放射量。“通过监测,一方面确保放射剂量是适当的,同时避免其他重要器官受到辐射危害,保证患者的安全,未来一定能为维护人类健康起到很大的作用。”刘易斯信心满满。

澳门新葡萄京官网注册,根据国家标准GB7665-87,传感器的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。即传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

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传感器作为人类从外界获取信息的重要手段之一,在各行各业都发挥着无法取代的作用。伴随着物联网技术的发展,传感器与无线传感技术成为物联网发展的关键所在,给传感器产业带来广阔的未来前景。
市场,期待井喷
2015年,工信部电子元器件行业发展研究中心预估,全球各类敏感元件与传感器市场将可到1770亿美元。未来5年,世界传感器领域复合增长率将超过10%。
很多相关研究表明亚太地区将成为最有潜力的传感器市场。英泰诺咨询公司指出,在全球传感器市场,未来几年亚太地区市场份额将持续增长,预计2016年将提高至38.1%,北美和西欧市场份额将略有下降。交通、信息通信成为市场增长最快的领域。其预测,2016年全球汽车传感器规模可达419.7亿欧元,占全球市场的22.8%;信息通信行业至2016年也可达421.6亿欧元,占全球市场的22.9%,且有可能成为最大的单一应用市场。
中国正逐渐成为传感器国际竞争中的主战场。据统计,至2015年,我国物联网整体市场规模达到7500亿元。在物联网市场规模大幅增长的动力之下,2015年中国传感器市场规模达到1213亿元左右。据赛迪顾问预测,“十三五”期间,中国传感器市场年均复合增长率将达到31%以上。
这意味着,谁能成功抢占中国市场,必将在传感器市场分得那块最大的蛋糕。于是,全球跨国巨头纷纷加紧在中国传感市场的布局,本土传感器企业亦呈现爆发性增长。目前我国已有1700多家从事传感器生产和研发的企业,但行业整体素质参差不齐,企业规模以小型企业为主,占比近70%。同时,多数企业集中于低端产品的生产,以价格竞争为主,竞争较为激烈,而高端产品集中在龙头企业及外资企业之中。
可以预见的是,在市场驱动下,传感器行业整合势在必行。大公司通过兼并重组,掌控技术标准和专利,在“高、精、尖”传感器和新型传感器市场上逐步形成垄断地位。在大企业的竞争压力下,中小企业则向“小而精、小而专”的方向发展,开发专有技术,产品定位特定细分市场。
应用,潜力无限
当前,传感器越来越多地被应用到社会发展及人类生活的各个领域。在中国市场,传感器应用四大领域为工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品专用设备。
而随着技术研发的持续深入,成本的下降,性能和可靠性的提升,在物联网、移动互联网和高端装备制造快速发展的推动下,传感器的典型应用市场发展迅速。除了工业自动化系统、大型重点工程配套以及汽车电子、家电类产品的应用之外,在现代农业、环保检测与治理、医疗卫生以及食品检测类市场领域里的应用也开辟了广阔的空间,构成了传感器新的市场需求和应用增长点。
此外,形形色色的传感器早已渗透进我们生活的方方面面,采集到的海量数据构成了智能物联的基础。在物联网时代,上亿计的传感器被嵌入到诸如移动通信终端、智能穿戴设备、汽车和工业机器等各种设备中,云服务的出现为物联网产生的海量数据提供存储空间,并使实时在线处理成为可能。
2006年,惠普提出了野心勃勃的“地球中枢神经系统”项目,计划在全球安装十亿个甚至更多的传感器,并利用这些灵敏的“听诊器”监测地球的健康状况,采取更切实有效的行动,以期避免各种灾害的发生。
由中国国家话剧院、新华网融媒体未来研究院、荷兰国家数学与计算机中心联手打造的国内第一次剧场传感实验——《战马》“袭”心,于2015年11月18日在上海进行首次实验。研究组从该剧中招募30名志愿者,通过高科技的生物传感技术全程观测并记录他们观看演出时的体感反映,从而更深入了解人类的情感。
毫无疑问,搭乘物联网的东风,传感器的应用发展正在以超乎我们想象的速度飞速发展,不断刷新我们的认知。
技术,亟待突破
对于传感器技术的未来发展,很多观点都是不谋而合的。集成化、多功能化、智能化、小型化是被业界普遍认可的传感器四大未来发展趋势。
随着集成化技术的发展,各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现。集成化压力传感器有压阻式、电容式等类型,其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。
传感器的多功能化也是其发展方向之一。把多个功能不同的传感元件集成在一起,除可同时进行多种参数的测量外,还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价,可反映出被测系统的整体状态。
传感器与微处理器相结合,使之不仅具有检测功能,还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能,称之为传感器的智能化。借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上,即成为大规模集成智能传感器。可以说智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物,它的实现将取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点,可以肯定地说,是传感器重要的方向之一。
随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟,MEMS传感器将半导体加工工艺引入传感器的生产制造,实现了规模化生产,并为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。
此外,随着物联网技术的发展,对传统传感技术又提出了新的要求,产品正逐渐向无线数据传输技术、红外技术、新材料技术、纳米技术、陶瓷技术、薄膜技术、光纤技术、激光技术、复合传感器技术、多学科交叉融合的方向发展。
对传感器的创新发展,另一不可忽视的趋势是新材料技术的突破加快了多种新型传感器的涌现。新型敏感材料是传感器的技术基础,材料技术研发是提升性能、降低成本和技术升级的重要手段。如《2014-2018年中国传感器制造行业发展前景与投资预测分析报告》指出,光纤传感器具有抗电磁干扰、轻巧、灵敏度高等优势,可以将信息传感与信号传输合二为一,便于构成分布式网络,易于实现远距离监控和多点实时监测。在政策推动和规模效应的作用下,光纤传感器的市场空间越来越广阔。
随着“全面感知”、万物互联的智能时代到来,传感器的应用需求正呈现爆发式增长。然而,目前中国传感器产业也面临用户需求多样化、对器件性能要求越来越高、市场化程度不足、产业链不完善等挑战。对于传感器企业来说,了解终端应用需求,结合硬件、软件、工艺等产业链上下游进行协同创新,以技术突破抢占市场先机,缩短产品上市时间,加速产业化进程是在未来市场竞争中的致胜之道。

(通讯员郭小玮)7月17日上午,973计划首席科学家、光电信息技术教育部重点实验室主任刘铁根教授在卫津路校区会议楼第七会议室为“新工科与中国制造”2018年天津大学学习中心的营员们带来了一场主题为“光纤传感与人工智能”的科普报告。

标签: 压力传感器 增长率 传感器

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刘铁根从个人经历谈起,讲述了他在大学时期刻苦钻研科学文化知识的奋斗历程。他向营员们介绍了国内外传感器与人工智能的发展历程,指出人工智能是开启未来智能世界的密钥。他通过列举人工智能在语音识别、人脸验证、自动驾驶等领域的重要应用,分析了人工智能近年来迅猛发展的原因。

刘铁根列举了光纤传感器智能网络在智能交通、智能管网、智能电网以及“一带一路”开启的新兴基础建设市场领域的重要应用,阐述了光纤传感可通过实现海量监测信息的获取从而用于人工智能分析的重大意义。他还介绍了基于传感网的盾构智能自动拼装系统,此系统基于多传感器融合技术,利用人工智能算法提取特征信息、解算目标位姿、规划运动轨迹,最终可实现管片自动拼接的功能。

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刘铁根在报告中列举了大量生动详实的案例,形象演示了智能光纤传感技术与人工智能的密切关系,表明了其在国家战略与未来科技发展中的重要地位。最后,他希望各位营员在生活中做到按部就班,在进行科学研究时做到遵循规律、勇于创新,早日为国民经济和社会发展做出应有的贡献。营员们还就仿生学研究现状、机器学习的伦理问题、终身学习的重要性等问题,与刘铁根进行了进一步的交流与探讨。

附刘铁根教授个人简历:刘铁根,973计划首席科学家,天津大学精仪学院光学工程国家重点学科教授、博士生导师、学术带头人,享受国家政府特殊津贴。现任光电信息技术教育部重点实验室(天津大学)主任、天津大学光纤传感研究所所长,中国仪器仪表学会常务理事和光机电集成分会理事长、中国光学学会常务理事和光电技术专业委员会第一副主任、天津市光学学会理事长。刘铁根教授长期从事光纤传感理论与技术、光电检测技术等领域的研究工作,主持973计划、国家重大科学仪器专项、国家自然科学重点和面上基金、天津市重大攻关、省部级基金等三十余项科研课题。

(编辑 王涛)

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