深度報告| 傳感器應用領域分析

傳感器概述

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、調理電路組成。敏感元件是構成傳感器的核心,是指能直接感測或響應被測量的部件。轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感測或響應的被測量轉換成可用的輸出信號的部件,通常這種輸出信號以電量的形式出現。調理電路是把傳感元件輸出的電信號轉換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的有關電路。

目前,傳感器產業已被國內外公認為具有發展前途的高技術產業,它以技術含量高、經濟效益好、滲透力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。我國工業現代化進程和電子信息產業 20% 以上速度高速增長,帶動傳感器市場快速上升。2016 年我國手機產量突破 7.5 億,手機市場增長給傳感器市場帶來新機遇,該領域占的傳感器領域占市場 1/4 。我國是白電生產大國, 2015 年白電行業實現營收 3833.83 億元,用的傳感器占市場 1/5,傳感器在醫療環保專業設備當中應用高速增長,占市場份額 15% 左右。

與此同時,我國在傳感器發展方面的問題也日益突出。我國雖然傳感器企業眾多,但大都面向中低端領域,技術基礎薄弱,研究水平不高。許多企業都是引用國外的芯片加工,自主研發的產品較少,自主創新能力薄弱,在高端領域幾乎沒有市場份額。此外,科研院所在傳感器技術的研究方面已與國際接軌,但產業化瓶頸遲遲未能突破。目前我國從事傳感器技術研發的主要是高校、中科院和相關部委的研究機構,企業的技術實力較弱,很多是與國外合作,或是進行二次封裝。而在發達國家,傳感器的研發和產業化更多由企業來主導。

傳感器包括各類壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、機器視覺、RFID 等,各類感知設備是智能制造系統光、熱、力、氣體、位置信息采集器,直接影響智能制造系統的運行、控制精度與穩定性。內傳感器技術發展與創新的重點在材料、結構和性能改進3個方面:敏感材料從液態向半固態、固態方向發展;結構向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發展;性能向檢測量程寬、檢測精度高、抗干擾能力強、性能穩定、壽命長久方向發展。

傳感器應用領域分析

傳感器是一種應用非常廣泛的檢測裝置,如、環境監測、交通管理、醫療健康、農畜牧業、消防安全、生產制造、航空航天、電子產品、其他領域等,它能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

① 工業控制:工業自動化、機器人技術、檢測儀器、汽車工業、造船業等

② 電子產品:智能穿戴、通信電子產品、消費電子產品等

③ 航空軍事:航天技術、軍事工程、空間探索等

④ 家居生活:智能家居、家用電器等

⑤ 交通管理:交通運輸、城市交通、智慧物流等

⑥ 環境監測:環境監測和預報、天氣測試、水文測試、能源環保、地震測試等

⑦ 醫療健康:醫療診斷、醫療大健康、健康護理等

⑧ 消防安全:大型車間、倉庫管理,機場、車站、碼頭、大型工業園區的安全監測等

⑨ 農畜牧業:農業現代化、畜牧養殖等

⑩ 其他領域:復雜機械監控、實驗室監測等

2015-2020年中國傳感器應用領域市場占比變化圖表



資料來源:伙伴產業研究院(PAISI)整理

2017年中國傳感器各應用領域市場占比



資料來源:伙伴產業研究院(PAISI)整理


可以看出在2017年成為各應用領域市場占比的轉折點。2017年之前,工業控制、電子產品、航空航天應用占比均得到快速增,特別是工業控制、電子產品尤為突出。2018年后,隨著智能家居、人工智能、智能醫療、航空航天、交通管理等蓬勃發展,工業控制、電子產品占比逐漸減少,預計到2020年,傳感器在工業控制和電子產品領域應用占比分別為22.4%,8.8%。

隨著技術研發的持續深入,成本的下降,性能和可靠性的提升,在物聯網、移動互聯網和高端裝備制造快速發展的推動下,傳感器的典型應用市場發展迅速。

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在工業控制中的應用

《工業互聯網:突破智慧與機器的界限》報告中提出,通過智能傳感器將人機連接,并結合軟件和大數據分析,可以突破物理和材料科學的限制,并將改變世界的運行方式。報告同時指出,美國通過部署工業互聯網,各行業可實現 1% 的效率提升,15 年內能源行業將節省 1% 的燃料(約 660 億美元)。GE 在紐約一家電池生產企業共安裝了 1 萬多個傳感器,用于監測生產時的溫度、能源消耗和氣壓等數據,而工廠的管理人員可以通過 iPad 獲取這些數據,從而對生產進行監督。超聲波氣象站集合了 7 個傳感器,為工業生產提供了一流的天氣監測信息,為預防一些災害事件提供可靠信息,從而提高效率,降低總的成本。

工業控制應用的傳感器較為廣泛,如使用于汽車制造、產品工藝控制、工業機械、專用設備以及自動化生產設備等等的各種測量工藝變量(如溫度、液位、壓力、流量等)、測量電子特性(電流、電壓等)和物理量(運動、速度、負載以及強度)的以及傳統的接近/定位傳感器發展迅速。

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在電子產品中的應用

傳感器在電子產品中應用多見于智能穿戴、3C 電子,手機在應用領域占比最大。手機產量的大幅增長及手機新功能的不斷增加給傳感器市場帶來機遇與挑戰,彩屏手機和攝像手機市場份額不斷上升增加了傳感器在該領域的應用比例。此外,應用于集團電話和無繩電話的超聲波傳感器、用于磁存儲介質的磁場傳感器等都將出現強勢增長。

在可穿戴式應用領域方面,據美國 ABI 調查公司預測,2017 年可穿戴式傳感器的數量將會達到 1.6 億。以谷歌眼鏡為代表的可穿戴設備是最受關注的硬件創新。谷歌眼鏡內置多達 10 余種的傳感器,包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器、磁力傳感器、線性加速傳感器等,實現了一些傳統終端無法實現的功能,如使用者僅需眨一眨眼睛就可完成拍照。當前,可穿戴設備的應用領域正從外置的手表、眼鏡、鞋子等向更廣闊的領域擴展,如電子肌膚等。日前,東京大學已開發出一種可以貼在肌膚上的柔性可穿戴式傳感器。該傳感器為薄膜狀,單位面積重量只有 3g/m2,是普通紙張的 1/27 左右,厚度也只有 2 微米。

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在環境監測的應用

在環境監測和預報方面,無線傳感器網絡可用于監視農作物灌溉情況、土壤空氣情況、家畜和家禽的環境和遷移狀況、無線土壤生態學、大面積的地表監測等,可用于行星探測、氣象和地理研究、洪水監測等。基于無線傳感器網絡,可以通過數種傳感器來監測降雨量、河水水位和土壤水分,并依此預測山洪爆發描述生態多樣性,從而進行動物棲息地生態監測。還可以通過跟蹤鳥類、小型動物和昆蟲進行種群復雜度的研究等。

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在交通管理中的應用

在交通管理中利用安裝在道路兩側的無線傳感網絡系統,可以實時監測路面狀況、積水狀況以及公路的噪音、粉塵、氣體等參數,達到道路保護、環境保護和行人健康保護的目的。

在舊金山,200 個聯網微塵已被部署在金門大橋,這些微塵用于確定大橋從一邊到另一邊的擺動距離——可以精確到在強風中為幾英尺。當微塵檢測出移動距離時,它將把該信息通過微型計算機網絡傳遞出去,信息最后到達一臺更強大的計算機進行數據分析,任何與當前天氣情況不吻合的異常讀數都可能預示著大橋存在安全隱患,系統將根據這一信息通知工程師對其進行修繕,以確保橋梁在遭受地震或其他自然災害時仍保持完好無損。

智能交通系統( ITS )是在傳統的交通體系的基礎上發展起來的新型交通系統,它將信息、通信、控制和計算機技術以及其他現代通信技術綜合應用于交通領域,并將“人-車-路-環境”有機地結合在一起。在現有的交通設施中增加一種無線傳感器網絡技術,將能夠從根本上緩解困擾現代交通的安全、通暢、節能和環保等問題,同時還可以提高交通工作效率。

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在醫療健康中的應用

國內外眾多醫療研究機構,包括國際著名的醫療行業巨頭在傳感器技術應用于醫療領域方面已取得重要進展。如羅姆公司目前正在開發一種使用近紅外光( NIR )的圖像傳感器,其原理是照射近紅外光 LED 后,使用專用攝像元件拍攝反射光,通過改變近紅外光的波長獲取圖像,然后通過圖像處理使血管等更加鮮明地呈現出來。一些研究機構在能夠嵌入或吞入體內的材料制造傳感器方面已取得進展。如美國佐治亞理工學院正在開發具備壓力傳感器和無線通信電路等的體內嵌入式傳感器,該器件由導電金屬和絕緣薄膜構成,能夠根據構成的共振電路的頻率變化檢測出壓力的變化,發揮完作用之后就會溶解于體液中。

近年來,無線傳感器網絡在醫療系統和健康護理方面已有很多應用,例如,監測人體的各種生理數據,跟蹤和監控醫院中醫生和患者的行動,以及醫院的藥物管理等。

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在家居生活中的應用

無線傳感器網絡的逐漸普及,促進了信息家電、網絡技術的快速發展,家庭網絡的主要設備已由單一機向多種家電設備擴展,基于無線傳感器網絡的智能家居網絡控制節點為家庭內、外部網絡的連接及內部網絡之間信息家電和設備的連接提供了一個基礎平臺。

在家電中嵌入傳感器結點,通過無線網絡與互聯網連接在一起,將為人們提供更加舒適、方便和更人性化的智能家居環境。利用遠程監控系統可實現對家電的遠程遙控,也可以通過圖像傳感設備隨時監控家庭安全情況。利用傳感器網絡可以建立智能幼兒園,監測兒童的早期教育環境,以及跟蹤兒童的活動軌跡。

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在農畜牧業中的應用

農業是無線傳感器網路使用的另一個重要領域。“西北優勢農作物生產精準管理系統”實施以來,主要針對西部地區優勢農產品蘋果、獼猴桃、丹參和甜瓜、番茄等主要農作物,以及西部干旱少雨的生態環境特點開展專項技術研究、系統集成與典型應用示范,成功將無線傳感器網絡技術成功應用于精細農業生產中。這個實時采集作物生長環境的傳感網先進技術應用農業生產,為發展現代農業提供了新的技術支撐。在項目實施中,承擔單位之一的西北工業大學利用在傳感器網絡技術,開發出可實時采集大氣溫濕度、CO2濃度、土壤溫濕度的傳感器網絡節點。

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在消防安全中的應用

由于建筑物不斷進行修補,可能會存在一些安全隱患。雖然地殼偶爾的小震動可能不會帶來看得見的損壞,但是也許會在支柱上產生潛在的裂縫,這個裂縫可能會在下一次地震中導致建筑物倒塌。用傳統方法檢查往往需要將大樓關閉數月,而安裝傳感器網絡的智能建筑可以告訴管理部門它們的狀態信息,并自動按照優先級進行一系列自我修復工作。

未來的各種摩天大樓可能都會裝備這類裝置,從而建筑物可自動告訴人們當前是否安全、穩固程度如何等信息。隨著社會的不斷進步,安全生產的概念已經深入人心,人們對安全生產的要求也越來越高。在事故多發的建筑行業,如何保證施工人員的人身安全,以及工地的建筑材料、設備等財產的保全是施工單位關心的頭等大事。任何一個建筑工地都有大量的腳手架,電纜等設施和建筑材料,這些東西由于價值不菲,運輸方便,成了被偷盜的對象。

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在其他領域/特殊領域中的應用

無線傳感器網絡是當前信息領域中研究的熱點之一,可用于特殊環境實現信號的采集、處理和發送;無線溫濕度傳感器網絡以PIC單片機為核心,利用集成濕度傳感器和數字溫度傳感器設計出溫濕度傳感器網絡節點的硬件電路,并通過無線收發模塊與控制中心通信,使之系統傳感器節點的功耗低,數據通信可靠,穩定性好,通信效率高,可廣泛應用于環境檢測。


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