2021赛迪顾问工业智能传感器白皮书

赛迪顾问2021CCIDCONSULTINGINDUSTRYSMARTSENSORWHITEPAPER2021年6月赛迪顾问股份有限公司 目录工业智能传感器的界定及发展背景PART ONE1.1智能传感器的定义及结构1.2工业智能传感器发展背景1.3工业智能传感器的种类1.4工业智能传感器的生态P2P3P6P5工业智能传感器发展的展望和建议PART FOUR4.1工业智能传感器发展展望4.2工业智能传感器发展建议P18P19全球工业智能传感器统计分析PART TWO2.1全球工业智能传感器发展环境2.2全球工业智能传感器市场分析2.3全球工业智能传感器企业布局P8P9P10工业智能传感器产品介绍PART THREE3.1压力传感器3.2液位传感器3.3温度传感器3.4光电传感器P12P12P13P133.5编码器3.6接近传感器3.7超声波传感器3.8加速度传感器P14P14P15P153.9流量传感器3.10视觉/图像传感器3.11磁传感器P16P16P16 工业智能传感器的界定及发展背景PART ONE智能传感器是指具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储等功能的多元件集成电路，是集传感器、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品。随着工业互联网、工业4.0和智能制造的快速发展，工业传感器也正在加速进入“工业传感器4.0”或工业智能传感器时代。 2021赛迪顾问工业智能传感器白皮书2021 CCID Consulting Industry Smart Sensor White PaperP21.1 智能传感器的定义及结构工业智能传感器定义工业智能传感器是指，在工业互联网领域应用的智能传感器。智能传感器不仅是设备、装备和系统感知外界环境信息的主要数据来源，也是智能制造、机器人、工业互联网发展的重要支撑，是车联网、无人驾驶和智慧城市的核心环节。在工业电子、消费电子、汽车电子和医疗电子方面有着广泛的应用。工业智能传感器的结构工业智能传感器基本结构如右图所示，一般包含传感单元、计算单元和接口单元信号采集由传感器单元负责，根据设定对输入信号进行处理是计算单元的主要功能，接口单元负责通过网络与其他装置进行通信。工业智能传感器有多种结构。模块式工业智能传感器将传感器、信号调理电路和带总线接口的微处理器组合成一个整体；集成式工业智能传感器基于微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，在同一块芯片上集成敏感元件、 信号调理电路、接口电路和微处理器等元器件；混合式工业智能传感器以多种组合方式将传感器各环节集成在数块芯片上并封装在一个外壳中。传感单元1传感单元2传感单元n接口单元计算单元信号调理数据处理数据存储外部网络/ 系统小型化、网络化 、数字化 、低功耗、高灵敏度和低成本是智能传感器技术发展的共性需求，传感材料、MEMS芯片、驱动程序和应用软件是智能传感器的核心技术。MEMS芯片是智能传感器的重要载体，其具备体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、能与微处理器集成等特点。图1工业智能传感器基本结构数据来源：赛迪顾问，2021年6月 P31.2 工业智能传感器发展背景发展工业互联网已成为各国面向未来的共同选择工业互联网是制造业和互联网之间的桥梁，它既通过技术创新促进了生产力的发展，又通过模式创新丰富和重塑了生产关系，发展工业互联网已经成为各国争相投入的共同选择，大力加快制造业的数字化、网络化、平台化、智能化转型则是核心所在，通过高质量、突破性的技术革命降低人工依赖，以充分发挥人的价值，减少无效劳动，推进各国工业社会的高质量、高效率和可持续发展。工业互联网围绕工业现场生产过程的优化、企业运营及产品优化、社会化生产的资源优化配置与协同三大应用场景，能为工业企业带来强化安全和降低成本、产品及服务优化、供应链优化、创造新模式和新价值四方面的成效。图2三大应用场景工业现场生产过程的优化状态监测与报警预测与维护故障诊断远程运维工艺及制造优化社会化生产的资源优化配置与协同按需定制协同研发设计协同制造分享制造产融合作企业运营及产品优化质量管理能源管理研发设计优化客户服务优化安全管理人员管理产品溯源供应链优化资源调度优化......基于工业互联网的设备状态监测与报警、故障诊断 、预测性维护、远程运维、能源管理、安全管理等应用，已经能有效帮助工业企业降低人员成本、运维成本、资源及能源成本等生产成本，并能减少因设备故障、计划外停机、 安全事故等导致的意外损失。其中 ，降低人员成本的价值最为显著。强化安全和降低成本工业互联网基于机器视觉、机器学习、物联网感知等技术，通过质量管理、工艺优化、产品全生命周期管理等深度应用，能够帮助工业企业提升产品合格率、降低产品故障率、推动产品持续优化、实现产品可追溯、提升售后响应速度、不断延伸客户服务等。产品及服务优化工业互联网通过数字孪生、人工智能、虚拟现实等新技术的深入应用，能够有效支撑制造企业实现基于数据驱动、智能决策的生产效率提升，具体表现在缩短研发周期、缩短交付周期、提升资源利用效率、提升员工工作效率、提升供应链运作效率等方面。供应链优化基于工业互联网的产品智能化、数据即服务、新商业模式等创新应用，能够加速企业在新产品、新服务、新市场、新模式等方面的创新，为工业企业创造新价值、塑造新竞争优势。创造新模式和新价值数据来源：赛迪顾问，2021年6月数据来源：赛迪顾问，2021年6月图3四大应用成效 2021赛迪顾问工业智能传感器白皮书2021 CCID Consulting Industry Smart Sensor White PaperP4随着工业互联网的快速发展，工业智能传感器时代加速到来工业互联网完成的关键在于数据信息，因此前端用于采集数据的传感器对于所有生态系统的智能系统尤为重要。 工业的发展离不开传感器的进步和迭代，随着工业互联网、工业4.0和智能制造的快速发展，应用需求越来越细分垂直化、碎片化，快速升级迭代的智能传感器正驱动着工业互联网终端的变革，工业传感器也正在加速进入“工业传感器4.0”或工业智能传感器时代。图4工业智能传感器的发展演进数据来源：赛迪顾问，2021年6月t复杂度第四次工业革命第三次工业革命第二次工业革命第一次工业革命18世纪60年代19世纪70年代20世纪40年代21世纪【一代传感器】机械式传感器（机械式仪表）如：1884年，无液气压计即Vidie罐【二代传感器】电子传感器如：1938年，经典应变仪Simmons/Ruge研发【三代传感器】先进电子传感器如：电子补偿压力传感器；电子接口【四代传感器】智能传感器如：具有温度、老化补偿及通讯功能的在线式油质传感器 P51.3 工业智能传感器的种类工业智能传感器的分类① 按常见可检测的自然现象可分为生物、化学、电、 电磁、热量/温度、磁性、机械运动(位移、速度、加速度等)、放射性元素等类型。② 按常见的转换原理、规律和效应作为分类依据，可分为物理型工业传感器（热电、热磁、 光电、 光磁、 电磁等）、化学型工业传感器（电化学等）和生物型工业传感器（生物转化等）。③ 按常见测量可分为声学[波、 频谱等]、生化[流量质量（气体或液体）]、电学[电荷、 电压、 电流、电场（ 幅值、相位、偏振）、电导率 、介电常数]、磁学[磁场(振幅、相位、极化)、通量、 磁导率]、光学[折射率，反射率，吸收]、热学[温度， 通量，比热， 导热系数]、力学[位置， 速度，加速度，力，应变，应力，压力、扭矩]等类型。④ 按作用形式可分为主动型工业传感器、被动型工业传感器。⑤ 按输出信号的形式可分为数字工业传感器和模拟工业传感器。MEMS在工业领域的应用种类应用压力燃油压力、轮胎压力、管道压力、工业暖通空调、工业控制等加速度计地震检波器、天线稳定、振动监测、倾角仪、海上定向钻井+测量、农业/定位导航等陀螺仪稳定系统、定位导航等磁电流、电感、霍尔等光MEMS显微镜、无掩模光刻、条形码阅读器、头盔显示器、激光打印机、数字电影等红外焦平面探测器消防、海事、监视、热成像、手持式视觉、预测性维护、建筑、过程控制等热电堆&热释电预测维护、建筑、过程控制、工业测量、气体和火灾探测等微流控基因分析、水质检测、仿生研究等射频ATE和RF仪器用RF开关等振荡器频率控制等流量计气体流量、液体流量等环境湿度、气体、组合（气体、温湿度、压力）等数据来源：赛迪顾问，2021年6月表1MEMS在工业领域的应用 2021赛迪顾问工业智能传感器白皮书2021 CCID Consulting Industry Smart Sensor White PaperP61.4 工业智能传感器的生态系统工业智能传感器的生态系统垂直应用领域机器人机械加工汽车制造石油&天然气能源农业系统集成网络服务应用程序接口、网关管理、IOT数据存储、人工智能数据流IOT网关感知系统IOT传感器节点各类表计、各类测量仪器等仪器仪表设备模组软件MCU无线连接（WIFI、蓝牙、SIGFOX、3G/LTE、LoRa、ZigBee、RFID等）传感器I/O接口芯片其他硬件/电子元件/芯片传感器/MEMS应用层平台层感知层流量、气体、位置、压力、电力、温湿度、光线、运动等工业智能传感器在现代工厂中起着各种各样的作用。除了为过程控制提供数据外，它们还有助于质量评估、资产跟踪，甚至工人安全。基于云计算的分析软件和人工智能的出现也允许使用传感器数据，通过流程优化和预测性维护来降低生产成本。工业智能传感器采集的数据经过联网应用后，就可以用于从供应管理到全球生产资源协调等各种用途。各种类型的工业传感器正在不断改进和优化，以满足以上使用目的。最常见的工业智能传感器类型有：照明、温度、 运动、位置、存在、视觉、力、流、化学成分等。几乎每一种工艺或环境条件都有与其适配的工业传感器类型。工业智能传感器集成了信号调理、MEMS技术和固件，从而能够满足工业设计工程师易使用、低成本、多样化的感知需求，大大减轻了设计工程师的开发负担，对于优化和降低工业运营成本具有巨大的潜力。数据来源：赛迪顾问，2021年6月图5工业智能传感器产业链全景图 P7全球工业智能传感器统计分析PART TWO工业互联网的蓬勃发展，为智能传感器带来了巨大的发展机遇， 赛迪顾问通过选取30多家来自不同国家和地区涉及工业领域的传感器企业，梳理600余种产品品种，对全球产品和应用市场情况进行分析。 2021赛迪顾问工业智能传感器白皮书2021 CCID Consulting Industry Smart Sensor White PaperP82.1 全球工业智能传感器发展环境智能传感器市场增速较快，为工业智能传感器的发展奠定了产品基础受汽车、工业自动化、医疗、 环保、消费等领域的智能化、数字化市场需求的持续带动，2020年全球传感器市场规模保持稳步增长，为工业智能传感器的发展奠定了产品基础。2020年， 智能传感器市场规模达到358.1亿美元，占总体规模的22.3%。美国智能传感器产值占比最高，达到43.3%，欧洲次之，占比29.7%，欧美成为全球智能传感器主要生产基地，占比超过70%，而亚太地区（如中国、印度等）仍将保持较快的增速。1393.2 1521.1 1606.3 1709.1 1844.1 2032.2 283.3 320.1 358.1 391.2 431.6 487.2 2018201920202021E2022E2023E传感器智能传感器图62018-2023年全球传感器及智能传感器市场规模单位：亿美元图72020年全球智能传感器产业结构43.3%北美6.2%亚太（除日本）29.7%欧洲19.8%日本其他国家/地区1%工业互联网加速发展，为工业智能传感器的发展提供了应用场景疫情防控时期，各国企业数字化转型脚步普遍加速。相较而言，发达国家工业经济基础坚实、技术基础雄厚、创新能力强劲。美国、欧洲、 亚太地区是工业互联网发展的重点区域，其中美国企业优势显著，GE、微软、罗克韦