Датчики и Интернет вещей в глазах специалистов по приборам

Thread Content

Датчики являются основой и самым важным элементом технологий Интернета вещей. В данной статье приводится объективное и точное описание понятия датчиков, их истории развития, классификации, характеристик, производственной цепочки и перспектив рынка. Рассматриваются такие аспекты, как общая картина развития индустрии датчиков, анализ рынка датчиков, факторы, способствующие его развитию, анализ ключевых компаний и перспективы развития этой отрасли. На основе анализа текущего состояния индустрии датчиков делается вывод о современном положении этой отрасли и индустрии Интернета вещей в целом. С развитием отраслей, связанных с обработкой информации в рамках Интернета вещей и предоставлением соответствующих услуг, рыночный размер этой индустрии быстро увеличивается. Индустрия Интернета вещей быстро развивается, и у нее большие перспективы на рынке. На этом фоне рынок датчиков также продолжил расти. Данные показывают, что в 2018 году рынок датчиков в Китае составлял почти 150 миллиардов юаней. К 2022 году сфера применения датчиков в Китае расширилась, и объем рынка снова увеличился; ожидается, что объем рынка датчиков превысит 250 миллиардов юаней. Датчики: yunrun.com.cn/tech/2712.html
1. Определение датчика
Датчик – это устройство для обнаружения информации, которая подлежит измерению. Он способен преобразовывать полученную информацию в электрические сигналы или в другую необходимую форму для дальнейшей передачи, обработки, хранения, отображения, записи и контроля. Это первый этап для реализации автоматического обнаружения и автоматического управления. Существование и развитие датчиков придали объектам такие чувства, как осязание, обоняние и вкус, что постепенно сделало их более «живыми». Как правило, в зависимости от их основных функций восприятия, их делят на десять категорий: термочувствительные элементы, фоточувствительные элементы, радиационно-чувствительные элементы, магниточувствительные элементы, влагочувствительные элементы, звукочувствительные элементы, цветочувствительные элементы и вкусочувствительные элементы. 2. История развития датчиков ① Первый этап: 1950–1969 гг., структурные датчики. Структурные датчики используют изменения структурных параметров для регистрации и преобразования сигналов. ②Второй этап: 1970–1999 годы. Твердотельные датчики. Твердотельные датчики состоят из твердых компонентов, таких как полупроводники, диэлектрики, магнитные материалы. Они создаются с использованием определенных свойств этих материалов. ③ Третий этап: с 2000 года по настоящее время. Интеллектуальные датчики. Интеллектуальные датчики обладают способностью к обнаружению внешней информации, самодиагностике, обработке данных и адаптации. Это результат сочетания технологий мини-компьютеров и технологий детекции. 3. Промышленная цепочка датчиков. Промышленная цепочка датчиков включает пять основных этапов: проектирование и планирование, использование материалов, производство, упаковка и тестирование, а также использование соответствующего оборудования. Эти этапы тесно связаны между собой и взаимно влияют друг на друга. 4. Классификация датчиков. Обычно датчики делятся в зависимости от их основных способностей к восприятию на десять основных категорий: термочувствительные элементы, фоточувствительные элементы, газочувствительные элементы, силочувствительные элементы, магниточувствительные элементы, влажносточувствительные элементы, звукочувствительные элементы, излучениочувствительные элементы, цветочувствительные элементы и вкусочувствительные элементы. ①По способу применения датчики можно разделить на датчики давления и силы, датчики положения, датчики уровня жидкости, датчики расхода энергии, датчики скорости, датчики ускорения, датчики излучения, термочувствительные датчики и т. д. ②По принципу работы датчики можно разделить на датчики вибрации, датчики влажности, магнитные датчики, газовые датчики, датчики уровня вакуума, биодатчики и т. д. ③По типу выходного сигнала датчики можно разделить на аналоговые датчики, цифровые датчики, переключающиеся датчики и т. д. ④По способу изготовления датчики можно разделить на интегральные датчики, тонкопленочные датчики, толстопленочные датчики, керамические датчики и т. д. ⑤По цели измерений датчики можно разделить на физические датчики, химические датчики, биологические датчики и т. д. ⑤По составу: датчики можно разделить на базовые датчики, комбинированные датчики, прикладные датчики и т. д. ⑥По способу действия датчики можно разделить на активные и пассивные датчики. 5. Характеристики датчика ① Статические характеристики датчика. Статические характеристики датчика – это взаимосвязь между выходным сигналом датчика и входным сигналом при условии статичного входного сигнала. Поскольку как входные, так и выходные значения не зависят от времени, их взаимосвязь, то есть статические характеристики датчика, можно описать с помощью алгебраического уравнения, не содержащего временных переменных, или с помощью кривой характеристик, на которой по оси X отложены входные значения, а по оси Y — соответствующие им выходные значения. Основными параметрами, характеризующими статические свойства датчика, являются: линейность, чувствительность, холостой ход, воспроизводимость, дрейф, разрешение и порог. ②Динамические характеристики датчика — это характеристики выходного сигнала датчика при изменении входных данных. На практике динамические характеристики датчика обычно описываются с помощью его реакции на определенные стандартные входные сигналы. Это связано с тем, что реакцию датчика на стандартный входной сигнал легко определить с помощью экспериментальных методов, и между его реакцией на стандартный входной сигнал и реакцией на любой другой входной сигнал существует определенная зависимость; часто, зная первую, можно определить вторую. Наиболее часто используемыми стандартными сигналами входа являются импульсные сигналы и синусоидальные сигналы; поэтому динамические характеристики датчиков также обычно описываются с помощью показателей импульсного и частотного отклика. ③Линейность: как правило, фактические статические характеристики датчика при отображении имеют форму кривой, а не прямой линии. На практике, чтобы показания приборов имели равномерную шкалу, используется прямая линия для приближенного описания реальной кривой характеристик; линейность (ошибка нелинейности) является показателем качества этого приближения. ④Чувствительность. Чувствительность – это отношение изменения выходного сигнала Δy к изменению входного сигнала Δx при стабильной работе датчика. ⑤Разрешение – это способность датчика улавливать наименьшие изменения измеряемой величины. Другими словами, если входные значения медленно изменяются от какого-то ненулевого уровня, то пока изменение входных значений не превысит определенный порог, выход сенсора не будет меняться; сенсор не способен распознавать такие изменения входных значений. Выход сенсора начнет меняться лишь тогда, когда изменение входных значений превысит его разрешающую способность. 6. Анализ рынка датчиков ① Ситуация на мировом рынке датчиков Быстрое развитие мировой индустрии Интернета вещей способствует дальнейшему росту рынка датчиков. Согласно статистике, в 2013 году размер рынка датчиков в мире превысил 10 миллиардов долларов. В 201 году рыночный размер мировой индустрии датчиков превысил 200 миллиардов долларов. На мировом рынке датчиков значительную долю занимают датчики расхода, датчики давления и датчики температуры. Из них датчики расхода составляют примерно 21%, датчики давления — около 19%, а доля датчиков температуры также превышает 10%. Однако доля таких других датчиков, как датчики смещения, датчики скорости, датчики уровня заряда, оптоволоконные датчики и новые типы датчиков, также составляет почти половину. ②Ситуация на рынке датчиков в нашей стране. В последние годы индустрия Интернета вещей развивается стремительно, и перспективы этого рынка очень многообещающие. На этом фоне рынок датчиков также продолжил расти. Согласно данным, в 2018 году рынок датчиков в Китае оценивался примерно в 150 миллиардов юаней. В 2019 году сфера применения датчиков расширилась, а рынок стал ещё более крупным. По прогнозам, в 2019 году размер рынка таких устройств в Китае составит около 200 миллиардов юаней. ③Распределение производителей датчиков по регионам. Рынок датчиков имеет большие перспективы, в связи с чем отечественные компании активно входят на него. В настоящее время в нашей стране насчитывается 66 компаний, производящих датчики; они в основном расположены в регионе Дельты Янцзы. Кроме того, распределение схоже в регионе Чжухай-Дунгуань, в регионах Пекин и Тяньцзинь, а также в центральной части страны. Согласно статистике, на долю компаний, производящих датчики, в регионе Дельта Янцзы приходится 38%, что соответствует 25 компаниям ； Регион Чжухай-Дунгуань составляет 17%, здесь находится 11 компаний ； В центральном регионе доля также составляет 17%, здесь насчитывается 11 предприятий ； Регион Пекин-Тяньцзинь составляет 15%, здесь находится 10 предприятий ； На северо-востоке доля составляет 3%, здесь находятся 2 предприятия. ④Распределение доходов производителей датчиков. Среди 25 китайских компаний, занимающихся производством датчиков, 12 — это компании, которые специализируются на производстве интеллектуальных датчиков. Почти половина этих компаний занимается исследованиями в области интеллектуальных датчиков. С точки зрения структуры доходов от операционной деятельности, компании с доходом свыше 10 миллиардов составляют лишь 16%, а те, у кого доход превышает 50 миллиардов, — 365. Кроме того, на долю предприятий с годовым оборотом менее 2 миллиардов приходится 40%. 7. Факторы, способствующие развитию рынка датчиков: развитие Интернета вещей, благоприятная политика, прогресс в области патентных технологий, а также совместное использование датчиков и роботов — все эти факторы способствуют развитию рынка датчиков в нашей стране. ①Расцвет Интернета вещей сопровождается развитием таких «технологий восприятия», как распознавание лиц, голосовые команды, отслеживание движения глаз и управление жестами. Благодаря Интернету вещей появляются такие новые форматы деятельности, как умные города, умные автомобили, интеллектуальные транспортные системы. В качестве основы для всех этих новых форматов деятельности чрезвычайно важно развитие технологий восприятия и соответствующих устройств в рамках Интернета вещей. Благодаря быстрому развитию таких новых отраслей, как Интернет вещей и мобильные сети, индустрия датчиков также получила огромные возможности для роста. Развитие информатизации и интеллектуализации создает огромный рынок для отрасли датчиков. В таких областях, как интеллектуальное сельское хозяйство, интеллектуальные электросети, здравоохранение и умные носимые устройства, датчики находят широкое применение. На этом фоне рынок датчиков также продолжил расти. ②**Положительные меры политики ◆ Май 2015 г. – «Китайское производство 2025». Программа «Китайское производство 2025» способствует ускоренному развитию китайской промышленности по производству датчиков и в области Интернета вещей в направлении интеграции, инноваций, экологичности и формирования кластеров. ◆Май 2015 г. – В плане научно-технических инноваций на период до 2025 года предусмотрено усилить разработку новых датчиков, а также совершенствовать фундаментальные технологии производства промышленных датчиков с целью повышения уровня производственных возможностей ； В разделе, посвященном передовым технологиям производства, предлагается разработка датчиков на основе технологии MEMS (микроэлектромеханические системы) с целью повышения способности к самостоятельным исследованиям и разработкам. Также необходимо заниматься совершенствованием ключевых компонентов промышленных датчиков, умных измерительных устройств, а также технологий их интеграции. Необходимо также усилить использование технологий промышленных датчиков в создании систем интеллектуального производства, что позволит повысить технологический уровень отрасли промышленных датчиков ； В разделе, посвященном технологиям использования морских ресурсов, предлагается развивать системы датчиков и приборов для мониторинга качества окружающей среды в прибрежных районах. ◆Май 2017 г. – Руководство по действиям в области производства интеллектуальных датчиков на трехлетний период. Были определены 4 основные задачи: во-первых, устранение недостатков на ключевых этапах проектирования и производства с целью повышения качества интеллектуальных датчиков до среднего и высокого уровня ； Во-вторых, в таких ключевых отраслях, как потребительская электроника, автомобильная электроника, промышленное управление и здравоохранение, осуществляются демонстрации применения интеллектуальных датчиков ； Создание 30 инновационных центров для разработки умных датчиков с целью дальнейшего совершенствования возможностей в области технологических исследований, стандартизации, защиты интеллектуальной собственности, тестирования и предоставления общественных услуг, что способствует инновационному развитию промышленности ； В-четвертых, необходимо разумно планировать структуру, дальше совершенствовать промышленные цепочки и способствовать концентрации производственных мощностей. ◆ Декабрь 2017 г. – Трехлетний план действий по развитию нового поколения технологий искусственного интеллекта. В рамках этого плана предусматривается сосредоточение усилий на прорыве в области таких ключевых технологий, как интеллектуальные датчики. К 2020 году необходимо значительно улучшить характеристики пьезоэлектрических, магнитных, инфракрасных и газовых датчиков. Должны быть внедрены в промышленное производство акустические датчики с коэффициентом сигнал/шум 70 дБ и уровнем акустической нагрузки 135 дБ. Также должны быть введены в коммерческое использование датчики давления с абсолютной точностью до 100 Па и уровнем шума не более 0,6 Па. Наконец, должны быть внедрены в промышленное производство магнитные датчики с разрешением в 1 птТ. Технологии моделирования, проектирования, производства MEMS-устройств, упаковки и индивидуальных тестов достигли международного уровня передовости; имеется способность к разработке системных решений в таких ключевых областях, как портативные устройства, Интернет, автомобильная электроника и др. ③Стимулирование за счет патентованных технологий. В последние годы объем инвестиций в разработку технологий датчиков со стороны зарубежных организаций постоянно растет, что способствовало стремительному развитию этой технологии. Благодаря постоянным успехам в разработке современных датчиков, новых типов датчиков, а также датчиков с низкой стоимостью и высокими характеристиками, стоимость их применения будет продолжать снижаться, а эффективность использования — повышаться. Это, в свою очередь, способствует устойчивому развитию индустрии датчиков. Развитие таких областей, как Интернет вещей, потребительская электроника и интеллектуальное управление, способствовало быстрому росту рынка датчиков в нашей стране. В качестве средства реализации услуг Интернета вещей датчики играют чрезвычайно важную роль в этой области. Будь то умные электросети, умная медицина, умный транспорт, умные дома, системы умного мониторинга или умные здания – во всех сферах применения Интернета вещей датчики выполняют ключевую функцию. В последние годы под влиянием растущего спроса на датчики на практическом уровне быстро развиваются новые технологии и продукты. В таких областях, как датчики MEMS, магниторезистивные датчики, термочувствительные датчики, было достигнуто множество новых технологических прорывов. ④Датчики + роботы. Датчики, являющиеся одной из основ информационных технологий, сегодня нашли применение в производстве и повседневной жизни. Их можно найти как в роботах и беспилотниках, так и в смартфонах и умных домах, а также в строящихся умных городах. В частности, применение датчиков в индустрии робототехники привлекает большое внимание со стороны США и Японии, а также многих других развитых стран. Под влиянием этих стран во всем мире наблюдается бум в области разработки «интеллектуальных датчиков». Наша страна также активно участвует в этом процессе и принимает соответствующие меры. Сочетание роботов и датчиков можно назвать поистине замечательной химической реакцией. Датчики для роботов подобны различным органам чувств у человека: они обеспечивают робота пятью видами способностей к восприятию — зрением, осязанием, обонянием и вкусом. Благодаря этому робот может действовать гибко, обладать высокой чувствительностью и выполнять операции в полностью автоматическом режиме. В то же время датчики могут определять внутреннее состояние робота, обеспечивая его стабильность и чувствительность в работе. Кроме того, они позволяют изучать условия окружающей среды и состояние объектов, с которыми взаимодействует робот, тем самым способствуя безопасности взаимодействия человека и робота. 8. Перспективы развития индустрии датчиков ① Датчики развиваются в направлении экологичности, энергоэффективности и повышения производительности. По мере постоянного развития технологий и повышения уровня экономики экологически чистый образ жизни становится все более популярным среди граждан страны. Для более эффективного соответствия тенденциям экологического развития энергетики в будущем будет приложено больше усилий для повышения уровня экологичности, энергоэффективности и высокой производительности. Благодаря высокоточным методам измерения будет обеспечена взаимосвязь между различными звеньями промышленной цепочки, что в конечном итоге способствует экологическому развитию общества. ②Развитие в направлении интеллектуализации и портативности. Благодаря развитию таких технологий, как интеллектуальное производство и интеллектуальные города, а также быстрому росту Интернета вещей, будет способствовать развитию рынка датчиков. Датчики становятся все меньше по размеру, более интеллектуальными и имеют более низкую стоимость. ③Бытовая электроника способствует развитию датчиков движения. Применение бытовой электроники вносит наибольший вклад в рост рынка датчиков движения, что позволяет этому рынку расти быстрее, чем общий рынок. Датчики движения – это ещё один тип датчиков, который имеет огромные потенциальные возможности для применения в различных сферах. Основные области применения датчиков движения включают потребительскую электронику, игровые и развлекательные устройства, автомобильную промышленность, здравоохранение и промышленность.