根据国家标准,传感器的定义为能感受被测量信息并将其按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。其中,传感器定义包括以下含义:
(1)传感器是测量装置,能完成检测任务;
(2)其输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等;
(3)其输出量是某种物理量, 这种量要便于传输、转换、处理和显示等,可以是气、光、电等量,目前主要是电物理量;
(4)输出量与输入量有确定的对应关系,且应具有一定的精确度。
总体来说,传感器是获得信息的装置,能够在感受外界信息后,按一定的规律把物理量、化学量或者生物量等转变成便于利用的信号, 转换后的信息便于测量和控制。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成。敏感元件是传感器中直接感受或响应被测量的部分, 是输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件是传感器中能将敏感元件感受或相应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分,其输入就是敏感元件的输出。将上述电路参数接入基本转换电路(简称转换电路), 便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换, 电量输入测控电路, 进行放大、运算、处理等进一步转换, 以获得被测值或进行过程控制。
传感器的基本特性是指其输出与输入之间的关系。传感器的输出和输入是一一对应的,即传感器能不失真的再现输入信号,这就是传感器的理想特性。由于在设计、制造以及使用过程中存在很多影响因素,使得传感器不可能呈现理想特性。传感器的特性与被测量的性质有关,当被测量处于不变或缓变情况下,输出与输入之间的关系称为传感器的静态特性;当被测量随时间变化时,输出与输入之间的关系称为传感器的动态特性。
传感器基于不同分类、用途匹配主要指标。传感器的应用范围十分广泛, 原理、结构与类型繁多,难以用统一指标衡量传感器质量。其中多个基本参数指标和比较重要的环境参数指标会作为检验、 使用和评价传感器的依据。对于某一分类或某一用途的传感器而言,并非全部指标都是必需的。设计和制作一个各项指标优良的传感器是非常困难的,实际上是非必要的。应根据不同的使用场景匹配主要指标,其余指标或参数基本满足要求即可。更重要的是需关注传感器的稳定性和变化规律,从而在电路上或使用计算机进行补偿和修正,可令传感器降低成本并提高应用精度。
传感器发展历程
传感器的发展分为机械化时代、电气自动化时代和智能化时代。每个阶段的技术进步共同推动传感器行业的不断发展和应用领域的拓宽。机械化时代(人类出现至约 1870 年):在机械化时代,传感器的发展处于雏形阶段,该时期传感器大多基于机械原理和自然现象。如中国东汉时期的科学家张衡发明的地动仪,利用惯性原理探测地震波的方向,为世界上最早的地震仪,也是人类历史上最早的振动传感器。
此外,黄帝发明的指南车、古代的量器(如仰韶陶质量具、商代骨尺、楚墓天平)以及日晷仪等,都可以视为早期传感器的雏形,为后来的传感器技术奠定基础。电气自动化时代(1870 年后至 2009 年):随着电气技术的兴起,传感器的发展进入电气自动化时代。
1876 年,德国西门子制造出第一支铂电阻温度计,为最早输出电信号的传感器,标志着传感器进入电气测量领域。随后,传感器技术发展提速,出现结构型传感器和固体传感器等新型传感器。
结构型传感器主要利用结构参量变化来感受和转化信号,如电阻应变传感器等;而固体传感器则由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,利用材料的某些特性制成,如集成温度传感器 AD590 等。该时代的传感器出现,令传感器测量精度和稳定性提升起到重大作用,并在工业自动化、航空航天、医疗等领域得到广泛应用。
智能化时代(2009 年至今):进入 21 世纪后,随着微电子技术、计算机技术、物联网技术的快速发展,传感器技术迎来智能化时代。智能传感器将传感器、信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到芯片上,具有检测、自诊断、数据处理以及自适应能力。
同时,无线传感器网络的兴起使得传感器能够通过网络实现远程监控和数据传输,进一步拓宽了传感器的应用领域。例如,MEMS(微机电系统)传感器作为智能传感器的代表性产品之一,在消费电子、汽车电子、航空航天等领域得到了广泛应用。此外,随着物联网技术的不断发展,传感器将成为物联网感知层的核心组件之一,在智慧城市、智能家居、智能制造等领域发挥重要作用。
市场规模逐渐增长,出口为发展趋势之一
传感器产业链来看,上游常规原材料包括半导体材料、金属材料、陶瓷材料以及有机材料。
传感器种类繁多。中游为传感器各类产品,包括压力传感器、图像传感器、声学传感器等。
传感器的分类方法较多,可按照不同工作原理、被测量、输出信号类型、用途等不同方式对传感器进行分类。
按照传感器的工作机理分类
按照感知被测量(外界信息)所依据的基本效应的科学属性,可以将传感器分成物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。物理传感器是利用某些元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能,如压电效应、磁致伸缩现象、离子、热电、光电、磁电等效应,把被测物理量转化为便于处理的能量形式信号的传感器。
被测信号的微小变化被转换为电信号,其中起导电作用的是电子,相对后续开发难度较小。在物理传感器中可分为物性型传感器和结构型传感器。结构型传感器是基于物理学中场的定律构成的,包括动力场的运动定律、电磁场的电磁定律等。该类传感器特点为工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础。物性型传感器是基于物质定律构成的,如胡克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。
化学传感器主要是利用敏感材料与物质间的电化学反应原理,把无机和有机化学成分、浓度等转换为电信号的传感器,如气体传感器、湿度传感器和离子传感器。生物传感器是利用生物活性物质,如分子、细胞甚至某些生物机体组织等对某些物质特性的选择能力构成的传感器。生物传感器的研究历史较短,但发展非常迅速,随着半导体技术、微电子技术和生物技术的发展,它的性能将进一步完善,多功能、集成化和智能化的生物传感器将成为现实,前景十分广阔。
按照传感器的工作原理分类按照传感器对信号转换作用的原理可分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、波式传感器等。
按照工作原理分类,有利于理解传感器的工作原理。
按输入信息(被测量)分类
传感器按输入量(用途)分类力传感器、有位移传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、温度传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器等。
按被测量分类的方法体现传感器的功能和用途, 有利于用户有针对性地选择传感器。实际上,通常将工作原理和被测量分类结合选择传感器,如应变式压力传感器、压电式加速度传感器、光电码盘式转速传感器等。
按应用范围分类
根据传感器的应用范围的不同,通常分为工业用、民用、科研用、医用、军用传感器等。按具体使用场合,可分为汽车用、舰船用、航空航天用传感器等。如果根据使用目的的不同,可分为计测用、监测用、检查用、控制用、分析用传感器等。
国内传感器市场规模呈上升趋势,华东地区产业链等相对完善。国内根据Precedence Research,2022 年全球传感器市场规模为 2048.00 亿美元,预计 2024 年2473.40 亿美元,2030 年为 4228.60 亿美元,2024-2030 年复合增长率为 9.35%。根据思瀚咨询,全球传感器市场主要集中在北美洲、欧洲、日本等地区,占比分别为 43.30%、29.70%、19.80%。
工控产品出海为目前行业趋势之一,国内产品出海将助力国内企业业绩提升,技术发展进程提速,并加快国内产品的渗透。根据思瀚产业研究院,预计 2024年中国传感器市场规模为 3732.70 亿元,同比增长 12.27%,呈逐年增长趋势。从企业数量分布来看,受益于地区经济高水平发展、完善的产业链、丰富的人才资源等因素,我国传感器企业主要集中在华东地区,占比为 56.86%。从产品结构来看,压力传感器、图像传感器、位置传感器、流量传感器以及生物传感器销售规模排名前五。
传感器下游应用领域主要以消费电子、汽车电子、工业电子、智能家居、环境监测等为主。
政策支持行业加快发展
传感器行业作为高端装备细分领域,在智能家居、3C 消费电子、机器人等领域渗透率不断提升,国家及各地方政府出台一系列政策为行业发展助力。2021 年至 2024 年国家层面上(国务院、发改委、市场监管总局、工信部联合多个部门)和地方层面上(北京市、上海市、广东省、黑龙江省等省市)颁布多项政策,推动传感器行业加速发展。
其中重点提出加快关键技术突破,推动传感器技术升级。2021 年工信部等实务部门颁布《"十四五"机器人产业发展规划》,其中提出鼓励研制三维视觉传感器、六维力传感器和关节力矩传感器等力觉传感器、大视场单线和多线激光雷达、智能听觉传感器以及高精度编码器等产品,满足机器人智能化发展需求。