瞭望·瞭望访谈 加速光纤传感技术自主可控——专访中国工程院院士姜德生

中国工程院院士姜德生

过去十年我们解决了光纤传感网络中传感器端的问题，未来十年我们要解决解调器端的问题

部署新一代智能传感网络中卡脖子关键技术研发及上下游产业链建设，形成具有我国自主知识产权的成套生产技术与装备，形成以光纤通信、光纤传感、光器件产业为主导，物联网、大数据、人工智能竞相发展的格局

文 |《瞭望》新闻周刊记者 李伟

光纤传感本质安全，可靠性高，对大国重器意义重大。中国工程院院士、武汉理工大学战略科学家姜德生是我国光纤传感新技术研究的先驱者，他带领团队打破国外技术产品垄断，构建了具有我国自主知识产权的光纤传感成套生产技术与装备，使光纤传感技术在国内实现了从无到有、从有到优的跃升。

姜德生团队成功研制出我国第一个光纤传感器，攻关了新一代大容量光纤传感网络核心技术，首次工业化生产出单纤超过十万个光栅传感器的产品，形成了大容量、高密集、高精度的光栅阵列光纤传感网络系统，使我国光纤传感技术在国际上实现了从跟跑向并跑、领跑的战略性转变。

姜德生团队开发的光纤传感产品被同行评价为“带来了监测领域里的一场革命”。近日，《瞭望》新闻周刊对话这位与共和国同龄的院士，畅谈科研创新之路，探讨老一辈科学家带领团队从解决实际问题出发做不懈追光者的启示。

光纤传感设备有了“中国芯”

《瞭望》： 当前我国光纤传感设备是否已经实现自主可控？

姜德生： 光纤传感技术的原理多样，体系庞杂，国内外有很多研究机构和企业展开相关的研究，提供各种各样的光纤传感器产品和系统解决方案。美国、日本和欧洲发达国家，都将光纤传感列为重点支持的优先发展技术，我国的相关研究一度被多方掣肘。

早期，国内做光纤传感器基本仿制国外，但部分参数达不到国内行业标准。长期以来，光纤传感很多关键器件被国外垄断，例如光栅波长信号解调的一个核心器件大约2万美元一支，一个小指头大小的东西，比黄金还贵。当我国提出以较低的价格批量进口时，遭到拒绝。这种被别人卡脖子的憋屈，让我们下定决心自己攻关。经过三年攻坚，我们研制出性能更优、成本更低的核心光器件。后来，这家外国公司主管三次到中国来，提出按照原价格的1/3卖给我们，以在中国占领更多市场，被我们婉拒。

如今，在我们研究的光栅阵列光纤传感网络及其智能化应用的领域，从制备方法、工艺到装备均具有自主知识产权，完全自主可控。

我们团队经过几百个日夜的攻关，在全国率先研制出了具有自主知识产权的光纤光栅感温火灾报警技术与系统，并投入国家油库工程使用。我们团队积极促进光纤传感技术的标准化和产业化，推动了光纤传感领域第一个国家标准的编制与颁布。我们团队开发的七大类30余种光纤传感器，形成了具有我国完全自主知识产权的光纤传感成套生产技术与装备，打破了公路隧道等领域进口产品一统天下的局面，极大降低了建设成本。

《瞭望》： 你们团队在光纤传感技术研制中突破了哪些技术难题？

姜德生： 根据光纤光栅传感技术发展的需求和存在的关键问题，我们开展了大量研究，成功突破了光纤光栅传感技术工程应用的两大瓶颈问题：研制出编码光纤光栅，解决了普通光纤光栅无法大容量多点分布式检测的难题；发明了角调谐波长解调方法，实现了光纤光栅解调技术的自主创新。这些创新技术具有自主知识产权，在国际上占有重要地位。

我们团队把服务范围扩大到经济建设的方方面面，推动更多行业转型升级。例如在2006年，陕西秦岭终南山隧道火灾报警工程进行国际招标，国外某知名光纤传感企业参与竞争时提供的方案，不仅需要大量后期维护，报警时间也需要好几分钟。而我们的火灾报警装置，解决了20公里长距离无中继的世界难题，报警反应时间只需不到20秒，每公里的建设成本只有国外产品的1/3。最后，我们以技术第一中标。此后，国外同类产品逐步退出我国市场。截至目前，光栅火灾报警系统装备了中国2万公里隧道、90%的油库火灾安全监测，为国家安全和国民生活提供保障。

近年来，针对交通强国战略对光纤传感网络的新需求，我们积极开展新一代大容量光纤传感网络核心技术攻关，取得了世界领先的创新成果，在国际上首次工业化生产出单纤超过十万个光栅传感器的产品，形成大容量、高密集、高精度的光栅阵列光纤传感网络系统。该技术已在机场智能跑道、智慧地铁、智能高速公路等多个国家战略任务和重大工程中实现示范应用，为多个行业高质量发展提供关键智能化平台和核心数据支撑，得到行业和相关部门的高度好评。

加速光纤传感产业发展

《瞭望》： 光纤传感网络核心技术研发方面还存在哪些瓶颈？如何看待这些挑战？

姜德生： 过去十年我们解决了光纤传感网络中传感器端的问题，未来十年我们要解决解调器端的问题。光纤传感网络在各个行业的示范应用显现出了巨大的市场应用前景。然而现有光纤传感网络的信号解调仪表，由很多分立的高端光、电芯片和器件组合而成。随着传感网络覆盖面积的增加，解调器需要的空间变大，我们在光纤传感网络全时全域智慧高速示范项目中，需要专门修建一个机房放解调器。此外成本限制了大规模应用，比如我们现在光纤传感网络桥梁健康监测系统已经得到行业的高度重视和好评，但是按照现有解调器价格水平和现有桥梁规模计算，即使每座桥只使用一台解调器，总耗资也将超过1000亿元。因此迫切需要通过光纤传感的芯片化研究实现光纤传感解调仪表的高集成和低成本。

《瞭望》： 如何加速解调器端等的技术、产业发展？

姜德生： 解调器里面的高端光、电芯片和器件的关键技术仍存在诸多卡脖子问题，高端的光、电芯片及器件依赖进口，国产化率低，受到国外供应商的垄断。在越来越复杂的国际关系下，实现下一代解调仪表的研发突破形势严峻。同时，对于航空航天、深海深地等特殊应用场景的传感，虽然市场规模不大，却是国家重大战略部署领域，不仅要求传感系统的小型化、低重量、高可靠，而且对软硬件的国产化、安全性提出了较高的要求，传统采用分立器件的系统集成方法已难以满足需求。

目前国内外都缺乏适用于大规模光纤传感网络的光、电芯片和器件的完整体系、整体统筹。因此，研制面向光纤传感的光、电芯片和器件，改变分立芯片和器件构建光纤传感解调仪表的传统模式，是众多行业领域智能化升级的迫切需求，也是极有可能另辟赛道实现跨越式发展的有效途径。

在智能化物联网高速发展的当下，建议加快部署新一代智能传感网络中卡脖子关键技术研发及上下游产业链建设，形成具有我国自主知识产权的成套生产技术与装备，形成以光纤通信、光纤传感、光器件产业为主导，物联网、大数据、人工智能竞相发展的格局。

在位于湖北省武汉市的长飞光纤光缆股份有限公司光纤生产车间内，工作人员对光纤进行检测（资料照片） 肖艺九摄/本刊

完善技术标准与安全法规

《瞭望》： 在制定和完善相关的技术标准与安全法规方面，你有哪些建议？

姜德生： 近40年，我和团队积极促进光纤传感技术的标准化和产业化。如今，在各类工程及各类结构健康及安全监测领域中，对温度、应变、微振等信号的监测精度、覆盖范围、空间分辨率、智能化数据采集等指标都提出了越来越高的要求。随着光纤传感技术的不断发展与完善，进一步制定和完善相关的技术标准与安全法规是确保光纤传感系统可靠性和安全性的重要措施。

在技术标准方面，需要进一步建立完善相关应用指南，重点关注重大工程、网络安全、物理保护以及安全培训和意识提升等。定期对光纤传感系统安全法规的实施效果进行评估，根据评估结果和新的安全风险情况，对安全法规进行持续改进和完善，进一步提高光纤传感系统的可靠性和安全性，为各行各业提供更优质的服务。

《瞭望》： 推动国产光纤传感技术的持续进步，在加强产学研用合作，构建协同创新生态系统方面需要怎么做？

姜德生： 大容量光栅阵列光纤传感网络在众多行业领域中的应用不仅在中国是第一次，而且在世界上也属首次，缺乏相关标准、规范。针对这一问题，建议做三件事：

第一与不同行业领域的头部企业、顶级设计院、科研院所紧密合作、协同创新，开展示范应用，联合制定相关标准。我们和中信科、国家管网、中国商飞等企业深度合作，共同推进光纤传感网络技术在不同行业、不同领域的工程化应用，为国家战略任务与重点工程实施提供“专精特新”解决方案。

第二搭建产业发展与技术创新的交流平台，比如发起成立光纤传感技术和产业创新联盟、主办学术会议和产业论坛等。

第三要积极推动并实施专利转让与成果转化，加快技术转移扩散，助力高质量发展。

此外，学科交叉是创新的重中之重，需要在涉及光纤传感技术的各个学科之间做好融合贯通，用多学科交叉的创新思维解决行业痛点堵点。■

传感器发展简史

编者按：

自传感器诞生以来，不断在各式各样的产品和技术上进行内嵌与应用，已经成为了终端设备当中不可缺少的组成部分。随着时间的推移，互联网时代的发展，尽管传感器开始与物联网结合，形成智能化协同部分。但大众突然发现，传感器市场仍处于小规模，无大品牌，很大程度上依赖进口等等窘境。在刚刚结束的 2019 重庆智博会中国智能博览会传感器与物联网高峰论坛上，多位专家群起献策，商讨传感器产业的变局。本文将从技术和产业两个角度，来回顾一下传感器发展的历程和现状，并通过与专家的采访和商讨，分析这个领域未来的行业趋势，希望能帮助更多人了解传感领域，并且对工业传感器有更多的认知。

科技，让人类的能力圈不断扩大。如果说，机械延伸了人类的体力，计算机延伸了人类的智力，那么，无处不在的传感器，大大延伸了人类的感知力。

传感器，不是 KOC 那种的新造词，而是一个非常传统的常用词汇，大家在新华词典中就可以轻松找到。英文称 Sensor 或是 Transducer。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。

简单来说，传感器就是一种检测装置，通常由敏感元件和转换元件组成，可以测量信息，也可以让用户感知到信息。通过变换方式，让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

图｜传感器（来源：Gierad 官方）

其实，传感器一直存在于你的生活中，小到遥控器、台灯、手机按钮，大到电视、锅炉检测、电网传输、医疗器械诊断等，覆盖大大小小不同的场景，也可以这样说，传感技术和传感器是产品当中必不可少的一部分。

从技术和应用类型来看，传感器分为温度、压力、超声波、流量、电阻、图像传感器等；从学科来看，包含声光电等，传感器还分为化学、物理、生物传感器等；从产业布局上来看，分为消费级、汽车电子、工业级、医疗传感器四种。自 1883 年全球第一台恒温器上市以来，传感器就以各种形式存在了相当长的一段时间。并且随着时间的发展，IoT 和 AI 技术不断进步情况下，智能传感器被推向了市场，在物联网技术项目中得到广泛的应用。

作为科技产业风向标榜单，在去年和今年的《麻省理工科技评论》 TR10（全球十大突破性技术）中，相关的传感技术被多次提及，“传感城市” 就是其中最为代表性的突破性技术之一。DeepTech 曾提到，将大量的智能传感器融入整个城市场景当中，就如同给其装上全新的数字肢体和感官，万物实现互联、可感、可控，城市的运行将由一个无比强大的 AI 接管。从目前的情况来看，传感技术仍在广泛用于相关产品落地和城市规划用途。

图｜“传感城市”新技术（来源：DeepTech）

当然，传感器仍有其他的严峻挑战，由于投资较高，相比欧美的传感器和传感技术应用，中国的部分传感器和传感技术仍处于相对落后状态。

工业和信息化部原副部长、中国传感器与物联网产业联盟名誉理事长杨学山曾在演讲中表示，虽然传感技术在不断进步，但由于中国传感器产业起步较晚，缺乏相关优秀人才，导致中国的传感器与传感技术仍依赖进口，中国自主科技创新以及高端领域的传感器产品都处于空白状态。

本文将从技术和产业两个角度，来回顾一下传感器发展的历程和现状，并分析一些未来趋势。

传感器和传感技术历程

1883 年，全球首台恒温器正式上市，一个名为 Warren S. Johnson 的发明者创造了它。这款恒温器能够将温度保持在一定程度的精确度，就是利用了传感器和传感技术，在当时看来，是非常厉害的一项技术。

图｜全球首台恒温器（来源：what-is-a-sensor 网站）

到了 20 世纪 40 年代末，第一款红外传感器问世。随后，许许多多的传感器不断被催生出来，直到现在，全球大概有 35000 种以上的传感器，数量和用途上非常繁杂，可以说，现在是传感器和传感技术最为火热的一个时期。

1987 年，ADI（亚德诺半导体）开始投入全新的传感器研发，这种传感器与其他不太一样，名叫 MEMS 传感器，是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。而 ADI 是业界最早做 MEMS 研发的公司。

1991 年，ADI 发布了业界第一颗 High-g MEMS 器件，主要用于汽车安全气囊碰撞监测。而后众多 MEMS 传感器被广泛研发，用在手机、电灯、水温检测等精密仪器上，截止到 2010 年，全世界有大约 600 余家单位从事 MEMS 的研制和生产工作。

随着云计算、5G、大数据、AI 技术以及物联网技术的爆发，智能传感器和智能传感技术逐渐被提及起来，大量的可穿戴式设备中含有多种生物以及环境智能感应器，用以采集人体及环境参数，实现对穿戴者运动健康的管理，其传感器更高的精度使得设备更加可靠。

传感器的现状与未来趋势

目前，消费级的感应器产品已大量流入市场，消费者现在都可以看得到，摸得着。甚至可以这么说，C 端的传感器已经家喻户晓，所有人、所有地方都可以感受到传感器的存在。在即将发布的 Google Pixel 4 手机中，会搭载全新的雷达检测，手势操控，这些都需要消费级传感器，配合专业的传感技术才可以达到，还有 iPhone X 上的 Face ID 功能，也是通过多个传感器感应并将信息传输到芯片或系统中而实现的。

8 月 24 日，在重庆举办的 2019 年中国智能博览会传感器与物联网高峰论坛上，中国信息通信研究院副总工程师史德年在主旨演讲中提到，全球 MEMS 传感器市场结构当中，消费电子占据了 45% 以上的份额，而未来，传感器也会通过手机设备，在 3D 地图、虚拟现实等新型场景中用于更重要的位置。

在汽车电子领域，全球平均每辆汽车包含 10 只传感器，高档汽车中，大约采用 25 至 40 只 MEMS 传感器。中国传感器与物联网产业联盟副秘书长谷荣祥在接受 DeepTech 采访时表示，汽车的传感器在工业应用里面算是比较大的，这一块中国和国外相比，确实差距比较大。比如说规模、汽车历史发展、价格、品牌等，但是中国的创新动力很强，在技术上差距并不大，未来随着汽车智能化的进一步发展，传感器的应用将会更加广泛。

除了消费级别的传感器，最值得关注的就是工业智能传感器产业发展状况。与消费电子相比，工业传感器在稳定性、精度、运行安全等多方面要求都要更高。

图｜MEMS 传感器（来源：Electronicproducts）

根据前瞻经济学人的统计数字表明，截止 2017 年，我国 MEMS 传感器制造行业企业大约有 135 家。从产业能力来看，大多属于初创类中小型企业，供给能力不强，除此以外，企业存在着管理问题、资金不足、科研能力弱和吸引高科技人才的能力较弱、技术能力不强等问题。

目前，在全球感应器制造供应链中，包括研发、设计、制造、封装、测试、软件、系统应用等流程，但是由于多种原因，在工业传感器中，高度依赖进口，从研发到设计仍需要大量的投入与人才供给，而很多传感器制造企业都是从制造开始，做着类似代工的工作。

不管从资本来说，还是整个产业人才来看，这个领域依然是小的，传感器的技术壁高，开发周期长，社会资本把传感器芯片项目评为高风险，导致核心技术缺乏长期投入，产业发展慢，最终导致依赖进口来源制造或加工传感器产品，再流入中国市场。

但随着中美关系加剧，以及贯彻落实《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，传感器产业逐渐开始被重视起来。

2013 年，工业和信息化部、科技部等四部委制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》，提到目前是中国传感器及智能化仪器仪表产业快速发展的关键时期，对于未来企业发展，国家将鼓励、支持并培育产值超 10 亿元的行业龙头企业和产值 5000 万元以上的“小（中）而精、精而专、专而强”的创新型企业。

中电科技集团重庆声光电有限公司传感器中心副主任杨靖在专访中也提到，目前中国的传感器产业仍跟随政策影响，他认为国家应该去定向地去扶持一些高端的新材料、新工艺、新技术等这类传感器，包括国内传感器产业的空白区域，仍是有很大的市场。

传感器产业是有希望的

从技术进展和产业发展来看，传感器领域虽然处在高度依赖进口，高科技人才短缺等问题中，但是中国已经在不断鼓励传感器企业做大做强，希望从消费品到工业领域，有更多创新的可能。

随着互联网行业的发展，在首届重庆智博会上，阿里巴巴集团董事会主席马云曾提到，未来 90% 的制造业将在互联网上进行，如今中国的互联网产业已经遥遥领先其他国家，在物联网+5G+AI 全面加持下，传感器制造业仍有很大的市场。

图｜传感器（来源：Gierad 官方）

众所周知，技术和产业之间是需要形成比较好的正向迭代效应，落地场景越多，产品的制造就会越来越多，产业就会变得越来越大，传感器产业发展亦是如此。

随着物联网技术的不断发展，传感器产业未来如何发展，政府如何吸引传感器产业园区的落地等议题，仍是需要不断探讨的。中国四联仪器仪表集团有限公司吴朋在接受采访时提到，希望国家有一些比较好的规划跟一些支持的政策，把整个产业链拉动起来，针对未来发展，大家加把劲，发挥主要优势，助力物联网，传感器产业就会变好了。

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