企业竞争图谱：2024年应变式传感器 头豹词条报告系列

许哲玮·头豹分析师 版权有问题？点此投诉 2024-09-26未经平台授权，禁止转载 工业制品/工业制造 制造业/仪器仪表制造业 摘要应变式传感器作为测量物体受力变形所产生应变的传感器，是一种用金属弹性体将力转换为电信号的功能元件。应变式传感器行业产业链上游为原材料供应环节，主要原材料包括钢材、铝材、底座/板、导线、其他传感器产品组件(如螺杆、顶板、支撑板等）；产业链中游为应变式传感器的生产和制造环节；产业链下游为应变式传感器的终端应用环节，包括称重、测控、自动化等领域。伴随国内应变式传感器制造商技术愈渐优化和成熟，应变式传感器国产化进程加快，叠加在传统制造业转型升级影响下下游各细分行业对应变式传感器智能化和自动化的需求逐步增加，预计国产高端应变式传感器与国外先进技术的差距将不断缩小，国内厂商在全球市场中的竞争力将趋于提高，行业市场规模将趋于扩大。 行业定义[1] 应变式传感器作为测量物体受力变形所产生应变的传感器，是一种用金属弹性体将力转换为电信号的功能元件，一般由电阻应变计、弹性体、传输电路三部分组成。它是通过安装在弹性体敏感表面的电阻应变计组成的惠斯通电桥电路，在外加电源的激励下，实现“力—应变—电阻—电信号变化”四个转换环节转化的一种力敏传感器。应变式传感器应用范围广泛，可应用于工商业衡器及石油化工、军工、冶金、纺织、医药和医疗等领域。 行业分类[2] 按照使用特性和弹性体材料不同，应变式传感器行业可以分为如下类别： 行业特征[3] 应变式传感器行业的特征包括：1.技术壁垒和认证壁垒较高；2.国内应变式传感器高端技术尚未成熟；3.数字化和智能化是应变式传感器未来发展方向。 1技术壁垒和认证壁垒较高 应变式传感器属于多学科交叉且技术密集型产品，其设计与制造技术集力学、材料学、计量测试、机械、电子、计算机技术为一体，具备产品技术含量高、生产工艺相对复杂、产品和技术更新难度较大等特征，对于制造企业的技术实力和储备要求较高。其次，由于下游行业对应变式传感器的准确度和稳定性要求较高，应变式传感器的生产和销售还需经过一系列严格的认证制度，相应地提高了行业整体产品的性能标准。综合来看，行业新进入者面临较高的技术和认证壁垒。 2国内应变式传感器高端技术尚未成熟 目前国内大部分从事应变式传感器产品研制和生产的是规模较小且研发能力较弱的中小企业，整体生产工艺和设备较为落后，多数企业仍停留在对国内外主流产品的仿制阶段，自主创新能力不足，在高端应变式传感器设计开发和检测技术装备等方面与国外先进制造商相比存在较大差距。 3数字化和智能化是应变式传感器未来发展方向 目前模拟传感器是应变电测产品市场上的主导产品，但模拟传感器有着输出信号小、抗干扰能力差、传输距离短等缺点，不能满足物联网发展下多点测量、远距离控制、系统化集成以及智能管理的要求。随着数字技术和信息技术发展，各行业对数字化电子衡器的需求愈来愈多，美国TOLEDO、STS和CARDINAL公司、德国HBM公司等先后研制出整体型和分离型数字式智能称重传感器，推动行业向数字化和智能化发展。 发展历程[4] 中国应变式传感器行业最早可追溯至20世纪60年代，应变式传感器逐步从单一用途的质量测量元件，发展到物联网应用的具备无线型、微型化、低功耗、低成本特征的信息感知原件，其间金属箔式电阻应变计的研制及负荷传感器电路补偿与调整工艺的成熟都极大地提高了传感器产品的准确性和稳定性。中国应变式传感器头部制造商也逐步从仿制国外先进技术、与国外公司合作并开拓贴牌海外销售渠道过渡到进行自主技术创新并建立自主品牌。未来在制造业向智能化转型的背景下，预计国内应变式传感器技术将不断创新迭代，推动应变式传感器行业向高精度、智能化、应用多元化等方向发展。 早期技术探索阶段1930~1969 1938年，美国的E.Simmons和A.Ruge同时研制出纸基丝绕式电阻应变计（SR-4型），是全球首只电阻应变计；1940年，美国BLH公司和Revere公司在SR-4型电阻应变计的基础上研制出圆柱结构的应变式称重传感器并于1942年开始批量生产；在20世纪40-60年代，利用拉伸、压缩、弯曲应力的正应力结构负荷传感器是应变式传感器的主要类型，在此时期，英国学者杰克逊、美国BLH和Revere等个人和企业相继研制出金属箔式电阻应变计、用热固胶粘贴电阻应变计、电路补偿与调整等创新工艺，极大地提高了传感器的精度和稳定性，但仍存在加力点位置对灵敏度变化影响大、同时进行拉、压循环加载时灵敏度偏差大、抗偏心和侧向载荷能力差、不能进行小载荷测量等缺陷，制约着应变式传感器的发展。 该阶段属于应变式传感器行业的早期技术探索阶段。在该阶段，中国应变式传感器的研制和生产起步较晚，在20世纪60年代只有少数厂家生产普通精度等级的应变式传感器，产品结构单一，仅有圆柱、圆环两种结构，且基本不进行电路补偿与调整，有的产品甚至用外部平衡箱调整零点，整体技术水平相对比较落后。 技术变革和应用推广阶段1970~2014 1973年，美国学者霍格斯特姆为克服正应力传感器的固有缺点，提出利用与弯矩无关的切应力设计传感器的理论，并设计出圆截工字形截面悬臂剪切梁型称重传感器；20世纪70年代中期，美国、日本等国的衡器制造公司开始研发商业用电子计价秤，但由于传统的正应力和新研制的切应力称重传感器均无法满足小量程范围内的力学测量，美国学者查特斯进一步设计出小量程铝合金平行梁型称重传感器，是应变式传感器结构设计上的重大突破；1974年，中国第一条电阻应变计生产线在中原宝石厂筹建并于1977年生产出国内首只应变式压力传感器；20世纪80年代，中国开始从国外引进应变式负荷传感器制造技术与工艺装备并进行学习和消化，经过仿制和试生产后，在国内市场实现了多品种小批量生产；进入21世纪以来，随着柯力传感和中航电测等国内头部厂商自主研发工艺技术愈渐成熟，应变式传感器开始逐步应用于机械、汽车、食品、建筑等行业。 该阶段属于应变式传感器行业的技术变革和应用推广阶段。在该阶段，应变式传感器结构由正应力为主发展为切应力、平行梁与正应力多种结构并存，中国应变式传感器头部制造商也逐步从仿制国外先进技术、与国外公司合作并开拓贴牌海外销售渠道过渡到进行自主技术创新并建立自主品牌，国内应变式传感器品种和规格稳步提升，产品质量和应用范围不断提高和拓展，行业进入了稳步发展阶段。 数字化和智能化发展阶段2015~至今 2015年，国务院总理李克强首次在《政府工作报告》中提出“中国制造2025”，国内应变式传感器行业开始向数字化、智能化、无线化等方向发展，如近年来国内外研究团队开发的煤焦油基柔性应变传感器、新型可拉伸的电容式应变传感器、柔性仿生应变传感器等创新技术，在智能道路、可穿戴电子设备、柔性机器人等领域都有大规模应用的潜力。 该阶段属于应变式传感器行业的数字化与智能化发展阶段。在该阶段，随着人工智能技术快速发展，应变式传感器技术将不断创新迭代，推动应变式传感器行业向高精度、智能化、应用多元化等方向发展。 产业链分析 应变式传感器行业产业链上游为原材料供应环节，主要原材料包括钢材、铝材、底座/板、导线、其他传感器产品组件(如螺杆、顶板、支撑板等）；产业链中游为应变式传感器的生产和制造环节；产业链下游为应变式 传感器的终端应用环节，包括称重、测控、自动化等领域。[7] 应变式传感器行业产业链主要有以下核心研究观点：[7] 上游：主要原材料价格下行或将缓解下游应变式传感器制造商成本压力。应变式传感器的上游涉及金属、电线电缆、电子元件等行业，主要原材料包括钢材、铝材、底座/板、导线、其他传感器产品组件（如螺杆、顶板、支撑板等）、压头、电阻应变计等，原材料在产品成本中占比超70%，其中钢材和铝材等金属材料在原材料成本中占比超25%，是影响应变式传感器产品成本的重要因素。在钢铝价格震荡下行趋势影响下，预计应变式传感器制造商的成本压力将得到一定程度缓解，或将提升其盈利空间。 随着经济环境向好和人工智能、物联网、5G等前沿科技不断发展，应变式传感器行业呈现出集成化、高性能化、低成本化、微型化发展特征：（1）集成化：应变式传感器可集成多种功能，如测量多种参数、处理数据、存储信息、通信交互等。（2）高性能化：应变式传感器可提高测量的精度、灵敏度、稳定性和可靠性，降低测量的误差和干扰，满足更高的测量要求。（3）低成本化：应变式传感器可采用新型材料和新型工艺制造，降低生产成本和维护成本，实现大规模生产和应用。（4）微型化：应变式传感器可以更小的体积实现同水平的性能，满足更多应用场景的体积需求。一般而言，体积越小也意味着量产后成本越低、实际使用中功耗越低。 下游：下游设备智能化需求驱动应变式传感器技术更新迭代。 应变式传感器下游应用场景丰富，可应用于工商业衡器及石油化工、航空航天、冶金等领域。例如，在工商业衡器领域，应变式传感器可应用于电子汽车衡、轨道衡等工业衡器和商用电子计价秤、条码秤等商业衡器；在航空航天领域，应变式传感器可满足航空材料塑性成形中的全场位移与应变测量、大型飞行器结构件装配变形、热力变形、承载变形测量等需求。随着国内工业自动化不断推进，下游各行业对于高端高性能的应变式传感器的需求也愈渐增加，驱动应变式传感器技术持续创新迭代。[7] 产业链上游 生产制造端 原材料供应 上游厂商 产业链上游说明 钢材和铝材是生产应变式传感器的主要原材料。 应变式传感器的上游涉及金属、电线电缆、电子元件等行业，主要原材料包括钢材、铝材、底座/板、导线、其他传感器产品组件（如螺杆、顶板、支撑板等）、压头、电阻应变计等，原材料在产品成本中占比超70%，其中钢材和铝材等金属材料在原材料成本中占比超25%，是影响应变式传感器产 品成本的重要因素。就钢材和铝材在国内的供给情况而言，中国是全球最大的铝工业生产国，但生产所用的铝土矿资源进口依存度较高，2023年1-11月中国进口铝土矿约1.3亿吨，预估2023年全年中国进口铝土矿或突破1.4亿吨，按照2023年中国氧化铝产量8247万吨，消耗铝土矿1.6亿吨计算，铝土矿对外依存度高达80%；而国内钢材的对外依存度相对较低，2023年中国钢材产销量分别为13.63亿吨8.99亿吨，进口钢材765万吨，同比下降27.6%，钢材国内供应量充足。 钢材和铝材价格下行或将缓解下游应变式传感器制造商成本压力。 作为应变式传感器的主要原材料，钢材和铝材占应变式传感器制造商的生产成本比例相对较高，钢材和铝材的价格波动将对应变式传感器制造商的产品成本产生影响。2020年4月-2022年年初，叠加电解铝国内供给接近饱和、钢铁产能受限、全球流动性宽松刺激等多因素导致的市场供不应求使得铝价和钢价呈现持续上升趋势。以国产铝锭和热轧板卷为例，国产铝锭价格从20年4月1.18万元/吨上涨至22年2月2.27万元/吨，热轧板卷价格从20年4月3,459.27元/吨上涨至22年2月5,111.81元/吨；而后在全球经济表现趋弱、新能源需求快速增长、钢铝供需失衡等因素的共同影响下，钢铝价格趋于震荡下行，在一定程度上缓解了应变式传感器制造商的成本压力，或将提升其盈利空间。 产业链中游中 品牌端 应变式传感器的生产和制造 中游厂商 产业链中游说明 应变式传感器头部制造商凭借规模化优势而具备较高毛利率。 目前国内规模化生产应变式传感器的厂商较少，柯力传感和中航电测是应变式传感器市场占有率较高的国产头部品牌，凭借产能的规模化优势，头部厂商具备较强的成本控制优势和销售网络优势，进而可获取相对较高的毛利率。以柯力传感为例，其在宁波、安徽、郑州、深圳四地产业园具备超过70万方的实体制造基地和产业园区，拥有遍布全球的销售网络及上游原材料集中采购优势，2023年力学传感器产销量分别为286.3万台和284.7万台，营收和成本分别同比提高和降低1.2%和6.73%，毛利率较上年增加4.99%达41.39%。 应变式传感器技术呈现向集成