2020 年,世界上最大的CTD 傳感器生產商——美國 Seabird 公司對我國用戶限制采購, 其產品不得用于“軍事最終用途”或“軍事最終用戶”，導致我國幾乎所有的水下移動平臺均無法采購到該公司 CTD 傳感器產品, 短期內又無法獲得相應的替代儀器, 嚴重影響了產品應用,“卡脖子”之痛油然而生。 據2020年由傳感器國家工程研究中心等四個行業核心機構，聯合發布的權威報告《中國傳感器發展藍皮書》，特別寫到中國高端傳感器的應用市場幾乎被國外壟斷，其中列舉了汽車傳感器、智能氣體傳感器、光纖傳感器等多個高端傳感器市場領域，國產傳感器品牌市場占比最高不超過10%，即90%以上高端傳感器需要靠進口。特別的，有一個傳感器領域國產占比為0%！就是說該傳感器領域100%靠進口。 藍皮書特別提到的這個國產0%市占率的傳感器領域，就是海洋傳感器，主要是CTD儀、ADCP儀用傳感器，尤其是CTD儀，溫鹽深(CTD)是海洋動力環境要素中最基礎的環境信息, 海洋調查首先是對海水的溫度、鹽度隨深度分布及變化的調查。所有的海洋觀測監測平臺都要集成和應用溫鹽深（CTD）傳感器，相關測量儀器已普遍應用于臺站, 船舶, 浮標, 潛標, 座底式、拖曳式和水下運動平臺等。 0%的國產市占率，讓我國在該項傳感器技術一直依賴于進口、受制于人。本文來自國家海洋技術中心，全面闡述了我國溫鹽深(CTD)傳感器的自主創新和產業發展的相關情況，能夠全面了解我國這個卡脖子最嚴重的傳感器領域！ 文中所提出“鮮有人或單位愿意沉下心來對海洋傳感器的高性能敏感材料、封裝材料等進行研究。”“在傳感器的測量機理等基礎研究方面主要照抄國外, 缺乏系統深入地研究。為完成科研項目驗收,片面追求見效快，很多是知其然不知其所以然。”“現階段傳感器批量制作, 不是靠工藝保證，而是靠后期篩選分檔”……等觀點，同樣適用于我國其他傳感器領域困境。 海洋動力環境要素中, 海水溫度、鹽度、深度是最基礎的海洋環境信息, 海洋調查首先是進行海水的溫度、鹽度隨深度分布及變化的水文調查，因此溫鹽深(conductivity temperature depth,CTD)是海洋調查和監測中最重要的常規觀測項目。 而在海洋技術中, 傳感器作為感知部分, 在海洋監測/探測領域居于核心和關鍵地位, 因此所有的海洋觀測監測平臺都要集成和應用 CTD傳感器, 其測量技術受到普遍重視。相關測量儀器已普遍應用于臺站, 船舶, 浮標, 潛標, 座底式、拖曳式和水下運動平臺等, 如圖 1 所示。 目前, 國外在海洋 CTD 傳感器的產業化方面已經相當成熟, 產品性能也居于世界領先地位。在眾多國家級項目的支持下,國內傳感器科研樣機主要技術指標已基本接近國際先進水平, 但存在著產品化程度不高、產品質量不穩定、環境適應性差等缺陷, 業務應用中對進口傳感器的依賴程度達到 90%以上。

1、國內外 CTD 傳感器技術發展現狀1.1 國外現狀國外對 CTD 測量技術的研究始于 20 世紀 60年代, 美國、德國和日本等國先后開展了 CTD 傳感器的研制, 研發出各具特色的產品, 并在海洋調查觀測中獲得了廣泛應用。 目前, 世界上主要海洋科技強國都擁有自己的 CTD 知名企業, 包括美國 Seabird 和 RDI, 加拿大 AML 和 RBR、德國 Sea & Sun Technology、意大利 IDRONAUT、日本 ALEC 以及英國 VALPORT 等。其中,Seabird 公司的 CTD 傳感器產品在精度、可靠性等方面尤為突出, 占據了國內外大多數市場份額。一般按照船載、水面和水下、機載 3 類搭載平臺對 CTD 傳感器進行系列化分類, 具體如圖 2所示。

船載平臺的 CTD 傳感器是調查船必備的裝備, 代表著 CTD 測量技術的最高水平。其在船舶處于走航或漂泊狀態時進行投放和回收, 測定海洋表面至水下一定深度范圍內的海水溫度、電導率和壓力數據。這類 CTD 傳感器的典型特點一般表現為高精度和高采樣率, 以對海水溫鹽隨深度變化的規律進行精細刻畫。 水面和水下固定平臺 CTD 傳感器主要應用于海洋臺站、浮標、潛標和海底平臺等, 突出特點表現為長期穩定性優異, 尤其是在淺表層應用, 具備相應的抗生物附著措施, 滿足其在水中長期連續工作的需求。 水下移動平臺 CTD 傳感器主要應用于潛水器、自主遙控水下機器人(automatic remote vehicle, ARV)、遙控水下航行器(remote operated vehicle, ROV)、無人水下航行器 (unmanned undersea vehicle,UUV)、自主水下航行器(automatic undersea vehicle, AUV)、水下滑翔機和 Argo 浮標等, 需要盡可能不影響平臺的運動特性, 其突出特點為高精度、體積小、低功耗及低流阻等。1.2 國內現狀國內海洋 CTD測量技術始于 20世紀 70年代,國家海洋技術中心先后研制了千米和 3000 m 自容式 CTD 自記儀, 并成功參與了我國首次南大洋考察。 90 年代后期, 隨著國際海洋科學研究的興起, 世界環流試驗計劃(world ocean circulationexperiment, WOCE)對 CTD 測量技術與設備提出了更為先進的技術指標要求。 “九五”開始, 海洋監測技術正式列入了國家科技部“863”計劃,實現了技術跨越性的發展。國家海洋技術中心、山東省科學院海洋儀器研究所、中科院聲學所等國內科研機構先后研發了各種新型 CTD 傳感器，傳感器精度、響應時間等技術指標上, 居于國內領先并接近國際先進水平, 大大縮小了與先進國家的技術差距。1.3 國內 CTD 傳感器應用的“卡脖子”之痛 盡管國產 CTD 傳感器技術研究已經取得了長足進步, 與國際先進水平的差距正在縮小，部分指標甚至已達到國際先進水平,但其產品的批量生產幾乎空白, 業務應用方面更是嚴重依賴于進口，進口 CTD 傳感器幾乎占據了我國海洋調查的“整壁江山”。 國家通過各類專項計劃在 CTD傳感器研制方面投入數千萬的研發經費, 而真正可得到用戶信任的產品卻少之又少。據不完全統計, 截至 2019 年, 中國市場的各類型 CTD 傳感器市場規模約 1.5 億元，其中 95%由國外 CTD 傳感器占據, 指標超過 7000 m 的高端 CTD 傳感器更是 100%由國外壟斷。2020 年, 世界上最大的CTD 傳感器生產商——美國 Seabird 公司對我國用戶限制采購，其產品不得用于“軍事最終用途”或“軍事最終用戶”,深度 1 000m 以上的載人、無人潛水器和水下滑翔機等均被列為禁止使用范圍。隨后,幾乎所有的國內水下移動平臺均無法采購到該公司 CTD 產品, 短期內又無法獲得相應的替代儀器, 嚴重影響了產品應用, “卡脖子”之痛油然而生。2 CTD 傳感器“卡脖子”的原因所在 盡管 CTD 傳感器國內市場有旺盛的需求，在過去的 20 年里，國家通過各類專項計劃已取得了多種科研成果, 但其成果未能實現產業化，現有國產 CTD 產品性能落后于國際水平，絕大部分市場被國外儀器占領。 國產海洋儀器生產的模式和能力距離產業化有很大的差距，生產周期長、效率低、成本高, 產品一致性、可靠性差, 競爭力低, 無法滿足市場快速發展, 特別是海洋安全對國產儀器的迫切需求,這主要由以下幾點原因造成。 1) 長期以跟蹤仿制國外產品為主, 原始創新能力不足 習總書記指出要“持之以恒加強基礎研究”,“基礎研究是整個科學體系的源頭, 是所有技術問題的總開關”。海洋傳感器技術是海洋基礎研究的主要組成部分, 但一直以來我國對海洋傳感器測量的基礎研究不夠深入。 在 CTD傳感器技術中，傳感器研究和制造長期以國外技術、產品指標為跟蹤目標, 在傳感器的測量機理等基礎研究方面主要照抄國外, 缺乏系統深入地研究。 有些為完成科研項目驗收, 片面追求見效快,，特別是在對很多進口傳感器的測量原理、敏感探頭與電路的參數設計、數據處理方法等方面,很多是知其然不知其所以然。 CTD 傳感器面臨的很多“卡脖子”技術問題，其根源是基礎理論研究跟不上, 源頭和底層的東西沒有搞清楚, 這些都制約著國產CTD 傳感器很難達到國外 CTD 傳感器的水平。 2) 傳感器關鍵材料、器件支撐配套能力欠缺 CTD 傳感器等典型海洋傳感器相對于工業傳感器而言, 生產批量小、應用范圍窄, 而對其穩定性、可靠性要求又特別高，研制見效周期長。 由于前期科研項目支持海洋傳感器基本都是對標國外產品進行短平快研究, 小批量的科研樣機研制難以創造出上下左右協同的創新生態。鮮有人或單位愿意沉下心來對海洋傳感器的高性能敏感材料、封裝材料等進行研究。從而導致現階段我國 CTD 傳感器關鍵材料、器件的配套能力不足,關鍵部件配套產品嚴重依賴進口, 傳感器并未實現 100%的國產化。 例如在 CTD 傳感器的壓力測量方面,高精度壓力傳感器的壓電晶體、萬分之一精度石英諧振傳感器在國內仍未能實現自主生產, 一旦進口受限, 就會“卡”住我國海洋傳感器研制生產的“脖子”。 3) 對傳感器探頭制作工藝研究不夠重視 對國內科研機構和企業來說, CTD 傳感器結構和電路不難,難的是傳感器部分尤其是敏感探頭的制備工藝。目前,國內傳感器的生產工藝與專用工裝設備研制相對落后, 微機械加工技術和封裝技術不夠先進, 監測手段也尚待規范。這些工藝上的不穩定因素造成傳感器性能分散、穩定性差?，F階段傳感器批量制作, 不是靠工藝保證，而是靠后期篩選分檔，由此造成生產周期長、成品率低, 成本急劇上升, 企業不敢投資。由于批產工藝的穩定性和可靠性沒有得到根本解決, 限制了國產傳感器應用領域和產業的發展。 4) 尚未構建國際一流的海洋傳感器測試體系 我國海洋傳感器研發投入上一直存在“重研究、輕測試”的情況, 這并不符合海洋儀器海試投入大、風險高、實施困難的特點, 因此, 僅靠研發單位自主投入, 難以實現對大批量、多批次的國產傳感器進行反復測試驗證, 有效評測生產定型狀態, 產品的長期穩定性和可靠性難以準確評價和持續改善, 導致始終無法跳出一個怪圈:由于缺少支撐國產傳感器研發、產品化和產品定型的公益性試驗平臺, 致使國產傳感器缺少實戰機會，導致用戶在產品應用時對產品質量可靠性信心不足, 而應用不足又無法有效提升質量和可靠性。 在水下無人系統中, 以 CTD 傳感器為例, 我國的典型產品如可用于 Argo 浮標、AUV、UUV、潛水器、ROV、ARV 及水下滑翔機等水下無人自主移動平臺連續剖面觀測的 OST4X 系列 CTD 剖面測量儀的技術指標已達到國際先進水平, 如表 1 所示。但由于缺乏長期、嚴格的與國際接軌的檢定、測試和現場驗證體系看，其穩定性和可靠性與國外產品還有相當的差距, 用戶信任度不夠, 市場競爭長期處于劣勢。

5) 未能形成研產用有機結合相互促進的循環機制 海洋傳感器技術研究終要走向產品化、產業化才能擺脫對國外的依賴, 真正實現關鍵核心技術自主可控。但是由于科技體制和成果轉化機制的原因, 造成了海洋傳感器研、產、用相脫節。 早期的海洋傳感器研究單位主要集中在大學和研究所,這些研究單位更關注于科研項目的完成，做到正樣機研制階段的并不多, 利用自身條件進行批量化生產和應用的更是少之又少, 無法形成批量生產能力, 即使少數進行批量生產后, 其儀器質量、可靠性、穩定性、生產周期和服務等也都無法得到保證。 而近年來新興的海洋傳感器小微企業, 因為其得到政府政策、資金、項目的支持有限, 加上前期投資大、市場容量小、收益周期長等特點, 導致其研發能力偏弱, 只能進行機械仿制, 企業生存較為困難。 再加上業務單位對國產產品缺乏全面客觀的認識，無法對其性能樹立足夠信心, 從而形成優先采購進口裝備的行業慣性。3 國產 CTD 傳感器自主創新和產業發展之路 冰凍三尺非一日之寒, 對于長期未解決的CTD 傳感器“卡脖子”的狀況, 需用猛力去破解。 3.1 面向需求, 立足自主創新 一直以來,在 CTD 傳感器研究方面我國長期以跟蹤仿制為主, 鮮有原理、技術、材料和工藝方面的創新。而實際上由于我國在工業制造、微加工、敏感材料等基礎領域方面與歐美國家存在的差距, 導致機械地仿制進口傳感器方案, 無法獲取其高水平的真正精髓之所在, 也致使國內傳感器研究的技術水平和產品的性能和可靠性長期落后于先進國家, 在競爭中處于劣勢。 未來的海洋監測需要 CTD 傳感器具備用得住、測得準、易集成的特點, 這就對傳感器的能耗、體積、長期穩定性、免維護、自校準和平臺適應性等方面提出了更高的要求。 從這個角度而言,進口傳感器也不是萬能的, 其中很多也不適用于國內的實際需求, 尤其是未來海洋監測的需求, 很多“西洋貨”在中國的海洋環境中也會“水土不服”。 特別是在當今國際復雜局勢的大背景下，更應當緊密圍繞我國在海洋經濟高質量發展、海洋生態文明建設、海洋科學研究和海洋國防建設等方面的實際需求，真正立足于自主創新, 樹立自立自強的國產傳感器品牌, 讓進口儀器“走下神壇”。 為了實現這一目標, 未來國產 CTD 的自主創新主要應集中在以下幾個方向:

1) 小型化、低成本、高一致性對于廣袤海洋的觀測而言, 現有感知能力還很不足, 其制約瓶頸主要體現在現有海洋傳感器體積大、造價高昂、難以廣泛布設, 這就使陸地上蓬勃發展的泛在感知物聯網無法實現于海洋之上。 正因為基于現有技術來連續監測廣袤海洋的成本是難以負擔的,美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)于 2017 年 12 月宣布啟動“海洋物聯網”(ocean of things)項目, 試圖將海洋感知領入物聯網時代。其目標是在一定海域布設數以萬計的傳感器, 以形成浮動傳感器網絡。 近年來, 國內青島海洋科學與技術國家實驗室的吳立新院士提出了“透明海洋”計劃, 其目的也是打造海洋物聯網。實現海洋物聯網, 首要突破的關鍵技術是如何實現多要素傳感器微型化、批量制作高一致性、低成本、微功耗, 將海量傳感器布放和節點組網變為現實。 其最可行的解決途徑是采用微機電系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)工藝，集微結構、微傳感器、微執行器以及信號處理和控制電路于一體, 對海洋傳感器進行革命性創新和應用。 目前的技術已經可以在一塊 6 inch基板上一次成型 100 余個微型溫鹽傳感器探頭，且一致性很好, 對于中等精度的傳感器不需要進行逐個標定, 批量化制作大大降低了成本。 這種技術可形成芯片級的海洋無線物聯網傳感器, 實現海洋哺乳動物、魚類等動物身體搭載, 記錄洄游規律和海水環境要素等信息, 通過海量大數據分析, 得到意想不到的科學發現。

2) 智能化 傳統的海洋觀測調查采用調查船、臺站和浮標等固定平臺, 存在觀測成本過高，且無法長期連續觀測的難題。 海洋無人自主觀測手段的興起有效解決了這一難題, 將海洋觀測尺度從大洋環流級推進到中尺度和亞中尺度級, 各種類型的無人自主觀測平臺進行組網觀測, 實現了對海洋環境長期連續、高分辨率、低成本觀測, 成為未來海洋觀測技術發展的熱點。 未來該項技術的發展方向是長壽命、智能化, 其搭載的海洋觀測傳感器也必然要符合這一要求。智能化 CTD 傳感器的典型特點之一是具備自補償、自修正功能, 而目前進口傳感器尚無法實現這一功能。 在水下無人系統中, 以在海洋 0~2000 m 范圍上下往復做剖面運動的 Argo 浮標為例, 其壽命要長達 3 年, 電導率傳感器受海洋生物附著等影響, 會產生鹽度數據漂移, 如圖 3 所示。全球大洋 2 000 m 水深的海水鹽度基本為一定值, 但從該圖中明顯看出, 經過多個剖面測量后, 鹽度數據已經漂移了近 0.3, 嚴重影響觀測數據質量。

基于 CTD 傳感器的基本測量原理, 開發具備自補償、自修正功能的智能傳感器，其基本思想是以全球大洋 2000 m 深度海水鹽度為定值，如果一個剖面的鹽度值較上一個剖面該深度的鹽度值產生了較大變化，即可確定為在此間隔過程中電導率傳感器因污染等原因產生了漂移。 因為這種漂移主要是電導率傳感器探頭結構參數上的變化所導致的，可以在傳感器中內置自修正算法，以未漂移前的鹽度值作為基準，結合傳感器漂移后的原始量, 對傳感器進行重新標定, 修正傳感器定標參數。 基于這種方法可以將傳感器漂移造成的 0.3 左右的鹽度漂移誤差修正到 0.01 以內，對于大量無法回收的無人自主觀測平臺, 可以取得更優的觀測數據質量。 海洋傳感器的智能化特征還體現在故障自診斷、自修復以及在觀測過程中對被觀測對象的特征進行智能化判斷方面。以水下滑翔機為例, 如圖 4 所示, 未來智能化的觀測平臺以及傳感器,可以按照特殊的科學研究觀測需求, 進行邏輯判斷和自適應采樣率動態控制, 在溫躍層等重點關注區域進行加密測量, 其他區域則降低觀測密度,這樣既可以降低功耗, 又可以增加在位時間。智能化傳感器與平臺電源管理、運動速度和姿態協調相適應, 可以獲取更多有效的觀測數據質量,提高觀測效能。

3) 適用于極端環境 當前, 世界各國均加緊拓展深海極地等海洋戰略空間, 我國也在由近淺海向深遠海邁進。深海、海底、極地等區域的觀測網建設對極端環境傳感器創新提出了迫切需求。 近期,我國自主研制的萬米載人潛器“奮斗者”號創造了 10909 m 的深潛世界紀錄, 在深淵探測領域進入了國際領先水平。水深 11000 m的深淵具有超高壓、低溫、資源缺乏、黑暗、板塊運動活躍及化學環境獨特等特點, 開展深淵科學研究對揭示地球大陸板塊運動、生命起源、海嘯預警等科學問題具有十分重要的意義。 近年來，對深淵的探索發現備受世界矚目, 而深淵探索離不開全海深(11 000 m)探測技術與裝備的支撐,所有全海深調查技術裝備都需要通過 CTD 傳感器判斷自身所處的狀態。 深海環境受外界擾動很小,背景場穩定, 波動度和變化微小, 要測量和有效分辨這些微小的變化, 就要求傳感器必須具有高準確度、高分辨率、高穩定性和快速響應的特點。目前我國在自主全海深 CTD 傳感器方面尚處空白, 而現今應用于深淵考察的進口傳感器也存在著諸多不足。 作為世界上最主流的 CTD 傳感器制造商美國 Seabird 公司的產品, 其溫度測量分辨率為0.000 2℃, 電導率測量分辨率為 0.000 05 s/m, 如圖 5 所示, 該型傳感器在4000 m 水深情況下, 已經無法很好地分辨微小的溫度和鹽度變化。針對此, 我國全海深科學考察所必備的全海深 CTD傳感器必須立足于自主研發。

3.2 加快構建國際一流水平的海洋傳感器測試體系 海洋傳感器定標與測試能力是傳感器技術發展的重要因素,制約海洋 CTD 測量技術發展的高精度校準檢定技術已有 20 年未在國家科技計劃中立項,可謂是一直原地踏步, 究其原因主要是標準溯源理論和實用鹽度測量理論方法研究上遇到了瓶頸, 沒有突破創新。 因此, 首先要加強海洋傳感器校準測試的基礎理論方法研究, 吸收國際海洋傳感器評價體系的先進技術及評價標準,建立高標準的國際一流海洋傳感器標定、校準實驗環境, 構建國際領先水平的海洋傳感器標定、校準和比測評價體系, 大幅度提高海洋傳感器的檢定校準和評價水平。 海洋傳感器需要在不斷使用中積累經驗, 提高技術水平。國產海洋傳感器要走出研制與應用“冰火兩重天”的局面, 并向商業化和規?；瘧眠~進, 需要形成積極使用國產海洋儀器設備的氛圍。任何一種新型傳感器, 只有在使用中才能發現問題, 并通過不斷地改進和提高, 形成高性能、高質量的產品。 現階段所缺乏的國內統一權威性試驗測試體系, 制約了傳感器自主創新和產業發展, 因此要加快海洋儀器裝備海上試驗場和定型平臺建設, 為國產深海儀器裝備提供試驗平臺、試驗背景場和測試方法標準, 對其實海況的工作可靠性、穩定性和環境適應性等性能進行評估與評價, 解決其海上試驗高風險、高成本和長周期的問題, 從而促進國產深海儀器裝備產品定型和產品化, 助力海洋傳感器產業發展。 3.3 政策扶持, 打通研產用鏈條, 加速產業鏈循環 分析國產海洋傳感器研制與應用“冰火兩重天”的原因,，除了研產用存在嚴重脫節的問題，更有政策層面上對應用國產儀器設備的漠視。要走出這種困局，實現海洋傳感器自主創新和產業蓬勃發展, 就需要有長期的資金投入以及配套的政策和措施支撐。 黨的十九屆五中全會通過的十四五規劃建議提出“提升企業技術創新能力, 促進各類創新要素向企業集聚, 推進產學研深度融合”。海洋傳感器的產業發展要按照國家戰略要求, 通過適當的專項投入和政策激勵, 引導企業、科研院所和高校建立聯合研發中心、工程技術中心和重點實驗室等創新平臺, 建立以企業為主體、大學-研究所-企業有機結合的海洋傳感器產業技術創新體系。 面向海洋傳感器產業鏈各個環節對創新資源的需求, 以解決產業鏈共性、關鍵技術為重點, 開展產業鏈上下游協同創新。通過設立一批海洋傳感器科技成果孵化器和創投基金, 激發海洋傳感器領域創新創業活力。出臺相應的政策和措施, 鼓勵科研業務單位積極采購和使用國產設備,將應用國產設備的比例設置為一項重要的考核指標，并要求根據國產海洋傳感器的功能、性能等來科學地設置項目指標, 引導并加強國產海洋傳感器的應用。 4 結束語 CTD 測量技術為展開海洋科學研究提供最基礎的海洋環境信息, 也是支持海洋強國戰略發展的重要技術途徑。面對長期未解決的國產 CTD傳感器卡脖子狀況, 需要面向需求立足自主創新，加快構建國際一流水平的海洋傳感器環境測試體系, 同時加強政策扶持, 打通研產用鏈條, 加速產業鏈循環, 不斷提升國產海洋儀器設備的性能和質量, 使國產海洋儀器設備成為真正的“國之利器”。 小編題外話 本文最初發表于《水下無人系統學報》（2021年第3期），第一作者李紅志，是國家海洋技術中心海洋裝備技術研究院院長，在其帶領團隊努力下，2021年國家重點研發計劃“海洋環境安全保障”專項“基于水下平臺的系列化溫鹽深流浪潮測量儀產品化”項目通過考核，項目組成功研制了“OST”全系列溫鹽深測量儀，系列化自主溫鹽深傳感器部件國產化率達到100%，處于國內領先、國際先進水平，是我國海洋傳感器領域零的突破，填補了我國傳感器領域的一項空白。但因海洋科學測量的復雜性，該成果仍處于大規模應用和驗證階段。 您對本文有什么看法？歡迎在傳感器專家網公眾號本內容底下留言討論，或在中國最大的傳感社區：傳感交流圈中進行交流。

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審核編輯黃宇