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智能傳感器未來的爆點(diǎn)在哪?

2021-11-03 17:22 物聯(lián)傳媒

導(dǎo)讀:傳感器市場的發(fā)展速度越來越快。

傳感器已經(jīng)變得無處不在。它們早在互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前就存在了,當(dāng)然也早在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)出現(xiàn)之前就存在了?,F(xiàn)代智能傳感器比以往任何時(shí)候都能實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用,市場也在不斷變化,也存在很多的驅(qū)動因素推動增長。

汽車、照相機(jī)、智能手機(jī)和支持物聯(lián)網(wǎng)工廠機(jī)器只是眾多傳感器中的幾類應(yīng)用市場。

以汽車為例。在短短的幾十年里,傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算能力已經(jīng)被深入應(yīng)用到汽車行業(yè)。汽修工會告訴你:不久前,他們還在機(jī)械地修補(bǔ)有問題的汽車。但是現(xiàn)在,汽車搭載的都是軟件和數(shù)字技術(shù)系統(tǒng),其中大部分還有傳感器來進(jìn)行數(shù)字化分析。

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)物理世界中的傳感器

隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),制造業(yè)的數(shù)字化(我們稱之為工業(yè)4.0),以及我們在經(jīng)濟(jì)和社會各個領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字化轉(zhuǎn)型所作出的不斷努力,智能傳感器在各個行業(yè)中得以應(yīng)用,傳感器市場的發(fā)展速度也越來越快。

事實(shí)上,在某種程度上,智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)“真正”的基礎(chǔ)。在物聯(lián)網(wǎng)部署的這一階段,許多人仍然以物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來定義物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)通常被視為一些連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò),這些設(shè)備中就包括智能傳感器。而這些設(shè)備也可以被稱為感知設(shè)備。

因此,它們包含傳感器和通信等其它技術(shù),這些傳感裝置能夠測量事物,并將測量的東西轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù),然后以不同的方式進(jìn)行應(yīng)用。而應(yīng)用的目的和背景(例如,使用了什么連接技術(shù))決定了該使用哪種功能的傳感器。

傳感器和智能傳感器-名稱中有什么?

傳感器和智能傳感器的定義

傳感器和其它物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)堆棧的基礎(chǔ)層。它們捕獲我們的應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)傳送給更上層的通信、平臺系統(tǒng)。正如我們在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介中所解釋的,一個物聯(lián)網(wǎng)的“項(xiàng)目”可以使用多個傳感器。傳感器使用的種類和數(shù)量都取決于項(xiàng)目需求和項(xiàng)目智能化程度。以智能石油鉆機(jī)為例:它可以有數(shù)萬個傳感器。

  • 傳感器的本質(zhì)

傳感器是變換器,就像是所謂的執(zhí)行器一樣。傳感器將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。對于智能傳感器而言,這意味著傳感器可以“感知”所連接設(shè)備及其使用的物理對象內(nèi)部或周圍(狀態(tài)和環(huán)境)的條件。

傳感器可以檢測和測量這些參數(shù)、事件或變化,并將其傳達(dá)給更高級別的系統(tǒng)和其他設(shè)備,然后這些設(shè)備可以使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作、分析等。

傳感器是一種通過將任何特定物理量(如光、熱、運(yùn)動、水分、壓力或類似實(shí)體)轉(zhuǎn)換為任何其他形式(主要是電脈沖)來檢測、測量或指示它們的裝置(來自:美國聯(lián)合市場研究機(jī)構(gòu))。

傳感器可以“感知”和交流的參數(shù)和事件包括物理量,如光、聲音、壓力、溫度、振動、濕度、特定化學(xué)成分或氣體的存在、運(yùn)動、灰塵顆粒的存在等等。

顯然,傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,需要非常準(zhǔn)確,因?yàn)閭鞲衅魇亲钕全@取數(shù)據(jù)的地方。

當(dāng)傳感器感知并發(fā)送信息時(shí),執(zhí)行器被激活并開始運(yùn)作。執(zhí)行器接收信號并設(shè)置其所需的運(yùn)動,以便能在環(huán)境中采取行動。下圖使其更加有形,并展示了一些我們可以“感知”的東西。物聯(lián)網(wǎng)傳感器相對不同,它其實(shí)更多地以傳感器模組或者開發(fā)板的形式出現(xiàn)(通常為特定用例和應(yīng)用而設(shè)計(jì))等等。

  • 智能傳感器定義

在我們了解傳感器市場的一些主要演變之前,先簡單介紹一下智能傳感器。首先,什么是智能傳感器?

“智能”一詞與物聯(lián)網(wǎng)連用之前就已經(jīng)與眾多其他術(shù)語連用過了。智能建筑、智能廢物管理、智能家居、智能燈泡、智能城市、智能街道照明、智能辦公室、智能工廠等等。當(dāng)然,還有智能傳感器。

以前的術(shù)語(城市、建筑物、辦公室等)通??梢詮钠浼夹g(shù)特征或目標(biāo)的角度(例如,將公民、居民、人放在首位)來看待,而有關(guān)智能或智能傳感器的大部分文獻(xiàn)則涵蓋了技術(shù)和功能方面。這與傳感器的發(fā)展和歷史有關(guān),如前所述,傳感器絕不是一個新鮮事物。

智能傳感器與傳感器的不同之處在于,智能傳感器是具有板載技術(shù)的高級平臺,如微處理器、存儲、診斷和連接工具,可將傳統(tǒng)反饋信號轉(zhuǎn)換為真正的數(shù)字洞察(德勤)

2009年,國際頻率傳感器協(xié)會(IFSA)對來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的幾位人士進(jìn)行了調(diào)查,以確定智能傳感器的定義。在20世紀(jì)80年代轉(zhuǎn)向數(shù)字信號和90年代大量新技術(shù)的加入之后,大多數(shù)傳感器都可以稱為智能傳感器。

20世紀(jì)90年代還出現(xiàn)了“普適計(jì)算”的概念,這被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要因素,尤其是隨著嵌入式計(jì)算的進(jìn)步。大約在20世紀(jì)90年代中期,傳感器模塊中數(shù)字電子和無線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不斷增長,在傳感等基礎(chǔ)上,發(fā)送數(shù)據(jù)變得越來越重要。今天,這在物聯(lián)網(wǎng)中是顯而易見的。事實(shí)上,在物聯(lián)網(wǎng)這一術(shù)語出現(xiàn)之前,有些人就提到了傳感器網(wǎng)絡(luò)。所以,你可以看到,在2009年,智能傳感器領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了很多事情。

不過,“智能傳感器”一詞的術(shù)語解釋還是會令人困惑。IFSA調(diào)查的大多數(shù)參與者(61%)認(rèn)為“智能傳感器”就是傳感器具有“智能功能”,如自我識別、自我驗(yàn)證、自我測試或自適應(yīng)。其他人(18%)認(rèn)為它就是“傳感元件、模擬接口電路、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和總線接口的組合”。

少數(shù)人更傾向于它就是“只有自檢(自校準(zhǔn)、自驗(yàn)證)功能的傳感器”(6%),極少數(shù)人(1%)認(rèn)為它就是一種與IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)兼容的傳感器。7%的受訪者認(rèn)為每個答案都有一定的道理,剩下7%的受訪者則持有不同的意見。

自此之后,情況發(fā)生了很大變化,我們生活在一個數(shù)字世界中,現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)除了包含調(diào)查中所涉及到的功能,還使用了越來越多的智能功能,并且還基于現(xiàn)代微電子技術(shù)和MEMS技術(shù)(稍后將詳細(xì)介紹)。

以基礎(chǔ)傳感器和智能傳感器作為平臺實(shí)現(xiàn)洞察

智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)傳感器的重要一點(diǎn)是,它們是實(shí)際具有硬件(傳感器元件或主要/基本傳感器本身、微處理器等)、上述通信能力和實(shí)現(xiàn)各種功能的軟件的平臺。所有這些領(lǐng)域都能進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展。

如下所示,德勤在供應(yīng)鏈創(chuàng)新的背景下對現(xiàn)代智能傳感器生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了說明。而且,正如您在相應(yīng)的文章中所讀到的,德勤還對智能傳感器進(jìn)行了定義,強(qiáng)調(diào)了平臺方面的各種技術(shù)以及它們提供的數(shù)字洞察的基本特征。

德勤將傳感器定義為“以可預(yù)測、一致和可測量的方式對物理過程或物質(zhì)提供反饋的裝置”。另一方面,智能傳感器被定義為“具有板載技術(shù)的高級平臺,如微處理器、存儲、診斷和連接工具,可將傳統(tǒng)反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字洞察?!?/strong>

換句話說,智能傳感器不僅包括基本傳感器,還包括國際頻率傳感器協(xié)會調(diào)查中所稱的德勤的“傳感元件”,以及各自提到的特征和技術(shù)。

此外,隨著邊緣計(jì)算等新技術(shù)變得越來越重要,特定傳感器的功能和能力不斷增加,使所有這些技術(shù)成為可能。

傳感器類型

列出不同類型傳感器的一種方法是查看它們檢測和測量的屬性。下表來自橫河電機(jī)公司,它將每種檢測信號的常見特征進(jìn)行了很好的分類。

舉例來說:機(jī)械傳感器包括壓力、振動和速度傳感器,而生物傳感器或生物傳感器具有各種屬性的傳感器,例如用于檢測葡萄糖水平的傳感器,而熱傳感器包括溫度傳感器、熱導(dǎo)率傳感器等。

正如你所看到的,這是一個列表,但肯定不是一個詳盡無遺的列表。

檢測信號

屬性示例

機(jī)械量

壓力、流速、振動、距離、速度、加速度、力等。

熱力學(xué)量

溫度、熱量、熱流、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。

物理量

電壓、電流、電場、電荷、電阻、電容等。

磁場

磁通量、磁場、磁矩等。

輻射

紅外線、x射線、可見光、超聲波、聲波、無線電波等。

化學(xué)量

pH值、離子、濃度、水分、氣體、氧氣等。

生物量

味道、氣味、蛋白質(zhì)、葡萄糖、激素、酶、微生物等。

從市場角度來看,一些主要類型的傳感器有觸摸傳感器、圖像傳感器、溫度傳感器、運(yùn)動傳感器、位置傳感器、氣體傳感器、光線傳感器和壓力傳感器。根據(jù)研究(見下文),圖像傳感器引領(lǐng)市場,光傳感器是2020-2027年預(yù)測期內(nèi)增長最快的細(xì)分市場。

以下基于Harbor Researc的調(diào)查并由PostScapes提供的插圖(我們在關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的文章中也使用了這一點(diǎn))以更直觀、非全面的方式展示了示例和類別。

其他分類也是可能的。例如,對于物聯(lián)網(wǎng)傳感器,您可以查看支持的通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器的用途(如洪水傳感器)等。

從目的的角度來看,傳感器有時(shí)可以使用不同的參數(shù)。例如,諸如接近傳感器之類的特定類型的傳感器可以基于各種特征。

此外,可以進(jìn)一步詳細(xì)說明上表中帶有示例的一般分類。例如,有許多種氣體。請注意,更先進(jìn)的智能傳感器通??梢愿兄鄠€屬性。

除此之外,不同類型的傳感器通常也按行業(yè)或細(xì)分市場的功能進(jìn)行分類。

很明顯,工業(yè)4.0或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和傳感技術(shù)市場與智能手機(jī)和平板電腦、生物醫(yī)學(xué)傳感器或我們在汽車中使用的所有傳感器(包括主動和被動傳感器、“簡單”(基本)傳感器以及更先進(jìn)的智能傳感器平臺)等消費(fèi)品市場大不相同。

智能傳感器的重要垂直市場和細(xì)分市場包括汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施(包括建筑和AEC整體)和醫(yī)療保健。

不斷變化的智能傳感器市場

是時(shí)候來看看傳感器市場的演變了。顯然,傳感器和智能傳感器的能力在各個層面上不斷發(fā)展,包括使用過的材料。當(dāng)然,歸根結(jié)底,最重要的是你能用物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感器做些什么。

再來看看物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì):重點(diǎn)在于在正確的時(shí)間收集正確的數(shù)據(jù),以最佳和最簡單的方式為正確的目的獲得正確的見解。DIKW模型確實(shí)也在傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中發(fā)揮了作用。

根據(jù)德勤的數(shù)據(jù),全球智能傳感器市場正以每年19%的速度增長。

為了在需求不斷變化、競爭激烈的更復(fù)雜技術(shù)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)智能傳感器的目標(biāo),市場上的研發(fā)力度仍然很高。傳感器繼續(xù)變得更小、更智能、更強(qiáng)大和更便宜(見下文)。

沒有智能傳感器,就不會有所謂的第四次工業(yè)革命。也就不會有智能建筑,不會有智能城市應(yīng)用,不會有智能醫(yī)療設(shè)備。這個清單是無窮無盡的。

汽車行業(yè)仍然是傳感器的一個重要市場。其實(shí),大部分現(xiàn)代汽車技術(shù)很多都是基于傳感器技術(shù)。消費(fèi)品也是必不可少的。智能手機(jī)攝像頭傳感器的發(fā)展只是其快速發(fā)展的一個例子。

當(dāng)然,在一些工業(yè)市場,被用于良好的網(wǎng)絡(luò)物理融合工業(yè)轉(zhuǎn)型項(xiàng)目的傳感器數(shù)量也是巨大的。

受新冠疫情嚴(yán)重影響的地區(qū)我們也能期望其出現(xiàn)增長。例如智能辦公室的發(fā)展,工作和醫(yī)療應(yīng)用以及我們重新思考環(huán)境構(gòu)建各領(lǐng)域的未來。

智能傳感器市場的真正增長尚未開始。5G即將到來,人們所希望的智能家居應(yīng)用,物聯(lián)網(wǎng)的部署仍然有限,工業(yè)4.0正在緩慢發(fā)展,而且由于疫情,在需要尖端傳感器技術(shù)的領(lǐng)域有更多的投資,更不用說一些其它因素了。

更重要的是,傳感器的價(jià)格下降了,而它們的質(zhì)量卻一直在變得更好。這與芯片價(jià)格的下跌密切相關(guān)。在這方面,汽車行業(yè)也發(fā)揮了重要作用。

由于各種原因,現(xiàn)在芯片短缺,但我們看到越來越多的公司開始自己生產(chǎn)芯片。這一趨勢在疫情之前就開始了,并因?yàn)橐咔榈玫搅思訌?qiáng)。這一趨勢很有趣,因?yàn)槲覀兛吹礁嗟碾娮赢a(chǎn)品和傳感器用于特定的應(yīng)用。

較低的價(jià)格也對傳感器的性能產(chǎn)生了影響。傳感器制造商想盡可能獲得最大利潤。因此,它們不僅從價(jià)格上入手,更多的是在傳感器平臺上整合更多功能上進(jìn)行競爭。而這反過來又導(dǎo)致應(yīng)用可能性增加,部分公司也會基于此展開一些項(xiàng)目應(yīng)用。

最后,該行業(yè)的研發(fā)投資仍然很高,而且由于我們重復(fù)的次數(shù)不夠多,我們一直在努力突破傳感器技術(shù)的界限。德勤的文章提供了智能傳感器市場的其他發(fā)展。

2021-2027年全球傳感器和智能傳感器市場

根據(jù)最近的Allied Market Research報(bào)告,到2027年(從2020年起),全球智能傳感器市場將以18.6%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長,即1436.5億美元。

在報(bào)告的公告中?(2021年2月23日),該研究公司表示,為了建設(shè)智能城市,在物聯(lián)網(wǎng)的背景下,汽車行業(yè)需求的增長推動了市場增長。

在整個預(yù)測期內(nèi),可穿戴設(shè)備和創(chuàng)新應(yīng)用在生物醫(yī)藥行業(yè)中的日益普及將帶來短期機(jī)遇。

阻礙市場增長的因素之一是,在設(shè)備中的集成智能傳感器會縮短這些設(shè)備的使用壽命。

2019年,汽車行業(yè)是全球智能傳感器最大的應(yīng)用市場,約占整個市場的四分之一。在2020-2027年的預(yù)測期內(nèi),汽車智能傳感器市場預(yù)計(jì)將以21.7%的復(fù)合年增長率增長。

在疫情最嚴(yán)重的時(shí)期,一些行業(yè)不得不停止運(yùn)營,這導(dǎo)致了汽車、消費(fèi)電子和工業(yè)市場對智能傳感器的需求大幅下降。

此外,正如世界各地的情況和前面提到的那樣,智能傳感器行業(yè)的生產(chǎn)和供應(yīng)鏈?zhǔn)艿搅似茐摹?/p>

其他一些調(diào)查結(jié)果:

2019年已經(jīng)占據(jù)最大份額的圖像傳感器市場(約占全球智能傳感器市場的五分之一)在工業(yè)領(lǐng)域的高度采用率將在2026年占據(jù)主導(dǎo)地位。

然而,根據(jù)聯(lián)合市場研究,預(yù)測期內(nèi)增長最大的是光傳感器細(xì)分市場。主要原因是對智能燈和智能開關(guān)的需求不斷增加。

從垂直行業(yè)的角度來看,汽車行業(yè)不僅繼續(xù)保持市場份額的領(lǐng)先地位;在整個預(yù)測期內(nèi),其復(fù)合年增長率也將達(dá)到最高水平(21.7%)。電動汽車的日益普及是一個因素,而自動駕駛汽車的出現(xiàn)則是另一個重要市場。

讓我們再看看傳感器市場的整體情況,以及聯(lián)合市場研究(在疫情開始之前)的一些舊發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)這項(xiàng)研究,到2022年,全球傳感器市場的復(fù)合年增長率(CAGR)將達(dá)到11.3%。一個很關(guān)鍵驅(qū)動因素還是物聯(lián)網(wǎng)。

為了能夠在傳感器領(lǐng)域與其他市場研究進(jìn)行比較,首先需要定義。Allied Market Research將傳感器定義為“檢測、測量或指示任何特定物理量(如光、熱、運(yùn)動、水分、壓力或類似實(shí)體)的設(shè)備,通過將其轉(zhuǎn)換為任何其他形式,主要是電脈沖?!?/p>

傳感器市場增長的市場驅(qū)動因素

從現(xiàn)在到2022年,傳感器需求的增長主要是由于(無具體順序):

毋庸置疑,物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的日益普及。

消費(fèi)電子產(chǎn)品的進(jìn)步。

傳感器和傳感器技術(shù)本身的進(jìn)步。

智能手機(jī)中各種傳感器的使用越來越多。

自動化行業(yè)的強(qiáng)勁需求(工業(yè)4.0)。

汽車工業(yè)的增長。

可穿戴設(shè)備需求增加

如果我們看看傳感器的類型,就會發(fā)現(xiàn)圖像傳感器將見證最高的市場增長。從技術(shù)角度看,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)在2015年占據(jù)了45%的市場份額。在預(yù)測期內(nèi),納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)有望成為增長最快的產(chǎn)品,但是MEMS技術(shù)仍將保持領(lǐng)先地位。

Allied Market Research預(yù)計(jì),隨著數(shù)字健康變得越來越重要,醫(yī)療保健行業(yè)將在2022年之前保持快速增長,復(fù)合年增長率為12.6%。在疫情影響之下,情況可能更是如此。