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小型化、節(jié)能化和智能化將是傳感器未來發(fā)展趨勢

2016-05-03  來源:互聯(lián)網      關鍵詞: 傳感器 
  “隨著新能源和物聯(lián)網的發(fā)展,小型化、節(jié)能化和智能化將是傳感器的未來趨勢。”中國工程院院士、現(xiàn)任中車株洲電力機車研究所有限公司董事長丁榮軍院士表示,智能傳感技術是軌道交通裝備運營安全的保障性技術,也是裝備持續(xù)升級的關鍵技術。掌握這一趨勢,對于為提升軌道交通用傳感器的智能化、集成化和數(shù)字化水平,推動我國智能傳感器產業(yè)的發(fā)展,具有深遠的意義。這是記者從4月28日在寧波舉辦的“智能傳感技術在軌道交通中的應用工程前沿技術論壇”上了解到的。

傳感器應用廣泛在國民經濟中具有重要地位

近年來,隨著物聯(lián)網等新產業(yè)的興起,傳感器作為其中的核心部件也愈來愈受到重視。
在自然界中包含了大量如電、光、力、化學等信息,因此對應采集信息的傳感器種類也極其繁多,其應用范圍從日常的家用電器、智能手機到尖端的軍工武器、航空航天。以其中采集電信號的電量傳感器為例,根據其不同的性能等級,分別應用于小家電、電源、工業(yè)自動化、軌道交通、汽車、醫(yī)療、船舶、航天、新能源、電網等不同領域。以電網為例,電量傳感器參與了從發(fā)電、輸電到用電的全過程。無論是煤電、核電或新能源風電光伏,其發(fā)電過程包含整流、逆變等環(huán)節(jié),在對其進行檢測、控制和保護的過程中,必須采用電量傳感器,以保證并網電能的可靠性。在目前特高壓等新興的輸電技術中,也使用電量傳感器來實現(xiàn)輸電過程的可測和可控。
傳感器產業(yè)大體可以分為三個階段:第一階段是20世紀50年代伊始,結構型傳感器出現(xiàn),它利用結構參量變化來感受和轉化信號。第二階段是20世紀70年代開始,固體型傳感器逐漸發(fā)展起來,這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成。如:利用熱電效應、霍爾效應,分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器等。第三階段是20世紀末開始,智能型傳感器出現(xiàn)并快速發(fā)展。智能型傳感器是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物,使傳感器具有人工智能的特性。
隨著新能源和物聯(lián)網的發(fā)展,小型化、節(jié)能化和智能化將是傳感器的未來趨勢。傳感器應用廣泛,伴隨著產業(yè)升級,其市場規(guī)模將進一步擴大,預估2015年全球傳感器市場規(guī)模為1814億美元,而我國將占據其中三分之一的份額。近年來軌道交通、新能源風電光伏、新能源汽車等行業(yè)發(fā)展迅猛,市場規(guī)模已經形成,而這其中離不開傳感器、IGBT等電力電子核心器件的支撐。因此,傳感器不僅本身具備良好的行業(yè)經濟效益,直接推動國民經濟發(fā)展,同時也是促成中國制造走向世界、中國制造向中國創(chuàng)造轉型的重要組成部分。

傳感器技術及產業(yè)戰(zhàn)略地位日益凸顯

傳感器產業(yè)具有投資密集型、技術含量高的特點,近年來,全球傳感器市場一直保持快速增長,2013年全球傳感器市場規(guī)模約1055億美元,2015年市場規(guī)模將突破1500億美元。目前全世界約有40個國家從事傳感器的研制、生產和應用開發(fā),研發(fā)機構6000余家。發(fā)達國家在傳感器領域具有技術和品牌等優(yōu)勢,其中以美、德、日等國實力較強。
近年來,國內傳感器市場高速增長,2013年市場規(guī)模超過640億元。已有2000余家從事傳感器生產和研發(fā)的企事業(yè)單位,已形成從技術研發(fā)、設計、生產到應用的完整產業(yè)體系,產業(yè)門類基本齊全,中低檔產品基本滿足市場需求,并逐漸向高端領域拓展,部分細分領域已躋身世界領先水平。隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略、“互聯(lián)網+”行動計劃的大力推進,作為信息獲取單元的傳感器技術及傳感器產業(yè)的戰(zhàn)略地位日益凸顯,傳感器市場將保持強勁增長。
與工業(yè)發(fā)達國家相比,我國傳感器產業(yè)整體發(fā)展相對滯后,高端和高新技術類產品少。產品品質、工藝水平、生產裝備、企業(yè)規(guī)模、市場占有率和綜合競爭能力等方面與國外同類企業(yè)還有差距。
目前產業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)兩大趨勢:一是創(chuàng)新驅動發(fā)展,在傳統(tǒng)類型傳感器發(fā)展的基礎上,采用新原理、新材料、新工藝、新結構、新功能的傳感器不斷出現(xiàn),實現(xiàn)了產品微型化、集成化、智能化、低功耗、高精度、高可靠性等特性,未來傳感器市場的主要增長將來自于無線傳感器、MEMS傳感器、生物傳感器等新型傳感器;二是企業(yè)形態(tài)呈集團化壟斷和精細化分工的有機結合,一方面大公司通過兼并重組,逐步形成壟斷地位,既占據高端市場又加速向中低端市場擴張,掌控技術標準和專利,引領產業(yè)發(fā)展方向;另一方面小企業(yè)則向“小(中)而精、精而專、專而強”方向發(fā)展,技術和產品專一,獨占細分市場。

產業(yè)困境呼喚小型化、節(jié)能化和智能化發(fā)展

國內傳感器產業(yè)發(fā)展的主要問題在于:
一是企業(yè)規(guī)模較小,產品對外依存度高。我國傳感器生產企業(yè)較多,但普遍存在規(guī)模小、人才短缺、研發(fā)能力弱、規(guī)模效益較差、國際競爭力不強等問題。同時,產品大多處于中低端領域,價格競爭激烈,附加值較低,國產化需求迫切。
二是技術水平總體較低,創(chuàng)新能力弱。很多企業(yè)都是引進國外元件進行加工,擁有自主知識產權的產品少,特別是在高端傳感器方面。此外,傳感器設計技術、可靠性技術、封裝技術、裝備技術等關鍵共性技術研究缺位,創(chuàng)新能力有限。
三是產品結構不合理,品種、規(guī)格、系列不全。國內傳感器產品往往難以形成系列,在產品質量、測量精度、溫度特性、響應時間、穩(wěn)定性和可靠性等指標方面與國外產品相比還存在差距。
四是產業(yè)化水平較低,產業(yè)配套不足。我國對傳感器技術研究開發(fā)階段的資源投入比較重視,但卻相對忽略了產業(yè)化基礎性的開發(fā),對產品化、商品化的基礎技術的開發(fā)嚴重滯后,材料、制造工藝與設備、測試及儀器等相關和配套的共性基礎技術相互脫節(jié),制約了產業(yè)化進程。
五是缺乏技術開發(fā)和產業(yè)化發(fā)展專業(yè)人才。企業(yè)缺乏核心技術和自主知識產權,缺乏技術創(chuàng)新和產業(yè)化的高端人才,特別是國際化領軍人才。同時缺少龍頭企業(yè)的引領和帶動,使得產業(yè)重組和資源整合難于形成。
傳感器是軌道交通車輛的高端關鍵零部件,然而,作為國內軌道交通車輛行業(yè)的領導者,中國中車在曾經發(fā)展的較長時間內使用的傳感器一直為國外所壟斷,傳感器的國產化程度阻礙了軌道交通車輛的完全自主化進程。直到1990年,中國中車創(chuàng)建寧波時代,扛起了振興民族傳感產業(yè)的大旗,才逐步實現(xiàn)這一高端零部件的完全自主設計和生產。自寧波時代成立始,先后完成了電流、電壓、壓力、溫度、位移、速度等六大類多規(guī)格傳感器的國產化開發(fā),全方位覆蓋軌道交通車輛的各種測量需求,徹底打破了國外企業(yè)在這一領域的壟斷。
寧波時代自成立以來就以打造民族高端傳感品牌為目標,堅持不懈地建設自主研發(fā)平臺,搶占傳感技術前沿高地。先后突破了多物理場協(xié)同仿真、微弱信號處理、低磁滯磁路設計、數(shù)字化溫度補償、深盲孔無應力高溫灌封等傳感器開發(fā)關鍵技術,具備了傳感器自主設計的能力。在堅持自主設計同時,產業(yè)化方面也取得了較大的突破,針對不同的應用領域,研究產品的可靠性設計,保證產品的質量,擺脫了中國制造低端劣質的形象,寧波時代傳感器品牌受到了國內外客戶的廣泛認可。從創(chuàng)立之初的年產幾萬只的手工作坊式生產到如今的年產能100萬只的自動生產能力,遠景將達到300萬只每年的規(guī)模;從軌道交通領域擴展到風電、光伏、電動汽車等領域,為中國的清潔能源產業(yè)提供完整的測量解決方案。目前傳感器產業(yè)達到近3億的規(guī)模,在國內軌道交通領域占據60%的市場份額,是國內該領域的首選供應商。
傳感器產業(yè)廣泛應用于軌道交通與工業(yè)控制領域,軌道交通包括機車、動車、城軌地鐵、有軌電車等領域;工業(yè)控制領域包括電氣傳動、電力系統(tǒng)、變頻控制、UPS電源、電動汽車等行業(yè)。公司傳感器占據中國軌道交通市場40%市場份額,工業(yè)品電量傳感器在風力發(fā)電領域占據35%市場份額。中國鐵路跨越式發(fā)展,高鐵、動車組、大功率機車項目發(fā)展空前,同時城際鐵路、城市軌道交通建設也進入發(fā)展高潮,市場需求潛力巨大。隨著物聯(lián)網及環(huán)保意識增強,國家政策扶持電動、混動汽車等綠色交通產業(yè),傳感器的發(fā)展空間廣闊。
傳感器下一步的發(fā)展方向是智能化、微型化、網絡化,寧波時代正在進行Asic芯片、MEMS技術、集成傳感系統(tǒng)等方面的研究,在軌道交通領域,開展智能化傳感器的研發(fā)、產業(yè)化和推廣,從而實現(xiàn)未來智能列車的運營,為車輛的健康狀態(tài)監(jiān)控做出貢獻;在軌道外領域,緊跟綠色變頻、物聯(lián)網的發(fā)展,開發(fā)出領先性的產品,從而引導行業(yè)的發(fā)展。

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一,目前傳感器市場格局及現(xiàn)狀:

南車、北車合并為中車公司,提高自主發(fā)展實力,提升國際競爭力,將軌道交通裝備業(yè)做到國際一流,提高行業(yè)影響力。中車公司內部傳感器研發(fā)、生產只有寧波中車時代一家公司,為公司在新技術的應用市場爭取更多的市場份額。
1)城軌市場
城軌市場公司抓住城市軌道交通大發(fā)展的機會。圍繞城軌牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)不斷擴大市場份額,至2015年牽引系統(tǒng)用電量傳感器、速度傳感器、溫度傳感器占據90%中國市場份額。城軌用傳感器銷售突破5000萬元。
2)機車市場
在大功率機車市場領域,牽引系統(tǒng)用電量傳感器、監(jiān)控速度傳感器、監(jiān)控壓力傳感器、制動壓力傳感器取得突破進展,實現(xiàn)全產品線覆蓋,銷售突破6000萬。
3)動、客車市場
高速動車組“十二五”在中國得到了大力發(fā)展,公司依托母公司的優(yōu)勢,完成動車軸報系統(tǒng)用傳感器及制動系統(tǒng)用傳感器的開發(fā)并實現(xiàn)小批量銷售,并在標準化動車組牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)、軸報系統(tǒng)上實現(xiàn)突破
4)工程機械市場
鐵路“十二五”的大發(fā)展時期,運營里程大幅增加,對線路線路提出了跟高要求,高速、重載、高密度。養(yǎng)路機械在鐵路局和新造市場穩(wěn)步增長。2013-2015年每年傳感器銷售達到5000萬元,占據中國90%市場份額。

二,國家對于傳感器產業(yè)的重大政策

世界主要發(fā)達國家都把傳感器列入國家發(fā)展戰(zhàn)略,我國對傳感器產業(yè)同樣高度重視,明確了一系列支持政策,傳感器產業(yè)發(fā)展的政策環(huán)境不斷優(yōu)化。
2013年2月5日,《國務院關于推進物聯(lián)網有序健康發(fā)展的指導意見》發(fā)布,其中著重提出“加強低成本、低功耗、高精度、高可靠、智能化傳感器的研發(fā)與產業(yè)化,著力突破物聯(lián)網核心芯片、軟件、儀器儀表等基礎共性技術,加快傳感器網絡、智能終端、大數(shù)據處理、智能分析、服務集成等關鍵技術研發(fā)創(chuàng)新”。
2013年2月18日,為進一步增強傳感器及智能化儀器儀表產業(yè)的創(chuàng)新能力和國際競爭力,推動傳感器及智能化儀器儀表產業(yè)創(chuàng)新、持續(xù)、協(xié)調發(fā)展,工業(yè)和信息化部、科技部、財政部、國家標準化管理委員會發(fā)布《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業(yè)發(fā)展行動計劃》。行動計劃實施期為2013-2025年。到2025年,我國傳感器及智能化儀器儀表產業(yè)整體水平要跨入世界先進行列,產業(yè)形態(tài)實現(xiàn)由“生產型制造”向“服務型制造”的轉變,涉及國防和重點產業(yè)安全、重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表實現(xiàn)自主制造和自主可控,高端產品和服務市場占有率提高到50%以上。
《中國制造 2025》圍繞經濟社會發(fā)展和國家安全重大需求,選擇十大優(yōu)勢和戰(zhàn)略產業(yè)作為突破點,力爭到2025 年達到國際領先地位或國際先進水平。這十大重點領域的發(fā)展都與傳感器技術息息相關(十大重點領域:新一代信息技術產業(yè)、高檔數(shù)控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、農業(yè)裝備、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械)。
2016年3月,十二屆全國人大四次會議通過《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》,明確提出要實施工業(yè)強基工程,同時工業(yè)強基也是《中國制造2025》提出的五大工程之一。工業(yè)強基工程提出,到2020年,40%核心基礎零部件(元器件)實現(xiàn)自主保障,受制于人的局面逐步緩解。到2025年,70%核心基礎零部件(元器件)實現(xiàn)自主保障,部分達到國際領先水平。

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