【作者:林雪萍（北京联讯动力咨询公司总经理，天津大学兼职教授）；来源：知识自动化《褪色的智能，中国传感器之殇》2010.10】

 

智能少不了传感器

传感器是数据采集的源头，它无处不在。智能最前端所需要的态势感知，基本都是要从传感器开始。无论是智能制造、智慧城市、智慧医疗等，还是智能设备和大数据分析，再庞大的智能系统，都要从传感器的针尖上开始。

医疗器械界的奇兵——达芬奇手术机器人有四百多个传感器；鼎鼎有名的波士顿机器人大狗，能够自如地翻跳腾跃，则需要1300个传感器。

日本著名的马桶品牌骊住Lixil，正在推出的智能马桶，马桶盖背面安装了图像传感器，可以自动识别粪便形状，整个马桶通过70多个传感器，自动检测并与云端相连，可以实现慢病大健康管理。而博世公司推出的工厂协作机器人助手APAS，内置了上百个传感器，以便可以迅速感知人的状态。

这些令人叹为观止的智能产品，其实都是有共性的。

这个世界的数字化步伐，半步都不能离开小小的传感器。

然而在中国战略性、支撑性的产业版图上，却几乎找不到传感器的位置。当新基建如火如荼建设的时候，传感器——这一至关重要的支撑，却几乎被人忘在脑后。这个画面大概如此，当所有光鲜的客人要步入大厅的时候，脚后跟却都被夹在门外。这种尴尬的局面，迟早是要痛得大声喊出来的。

两栖物种传感器六大怪

 

广泛使用的传感器，它属于以小搏大的工业门类，是通向其他产业的基础。但传感器也是一个很独特的行业。很多传感器都具有两栖属性：一方面，传感器的核心是芯片，会追随摩尔定律，有着快速进化的大脑；另一方面，它同时也与敏感材料、机械器件在一起，受到机械定理的许多制约。这是种独具特色的产业，使得传感器必须经过细心呵护，才能发展得很好。然而在中国，传感器却成为一个令人惊讶的“六大怪”行业。

 

传感器的第一怪：

容量不小，而国内头部玩家却很小。2019年中国传感器市场规模达到1700亿元，估计有1700多家企业。除了歌尔、瑞声靠着苹果手机强大的出货量，体量达到百亿级，在声学传感器领域已经占住地盘。而其他领域，如手机、汽车、工控、可穿戴、物联网等，基本上都是国外品牌的市场。在消费电子、安防之外的领域，产值超过1个亿的企业并不多，只有郑州汉威、宝鸡麦克、南京高华等跑在前面，其他国内传感器企业，基本都属于土豆俱乐部。

 

传感器的第二怪：

种类繁多，但这个市场很隐蔽。国外成型产品及在研种类有3万多种，我国有2万多种。这些数量未必精确，但传感器无疑是一个庞大类别的产品。而这种产品，却很少为业界之外的人所知晓。其实手机、汽车、工业测量、智能装备等都是应用传感器的大户。而这几年风生水起的智能制造、工业互联网，都离不开小小的传感器。当然人工智能也不例外。可以说人工智能跑得再快，脚上穿着还是传感器的鞋。

 

传感器的第三怪：

民品最怕断供，军工不怕价高。军用传感器已经高度自主化，主要是由于军品采购可以不计成本。而如果要到民用市场来竞争，那是既要拼规模，也要有高性价比。如果功耗小一点，成本小一点，那就可赢者通吃。因此民用市场的突破还很艰难，也无法从军工市场获得支撑。两条隧道，各通一边，没有打通。而民用仪表传感器高度依赖国外。日本横河跟重庆川仪有一家合资公司，生产横河川仪的仪表。日本横河提供的谐振式压力传感器，这是最高精度的压力传感器。国内攻关一直未能攻克。这家合资厂也只能依赖日本的传感器。

传感器的第四怪：

中国制造虽以成本著称，但传感器的成本优势还没有国外明显。中国目前生产大部分都是低端传感器。而我国中高端传感器进口占比达80%，传感器芯片进口更是达90%以上。中国生产成本也很高，收入才几千万，如何舍得投入几千万建生产线？现在很多传感器厂家，还都是单干，手工装配很多。因为产量上不去，有的1个月的产量也就5000只，根本谈不上规模效益。而博世、欧姆龙等早就把工厂设立在中国，成本优势同样巨大。

而且，美德日品牌企业对中国传感器市场虎视眈眈，对市场份额看得很紧。中国一有进步，就会被国外品牌降价挤压。2010年日本欧姆龙一个开关要接近400元，而现在随着中国品牌的逐渐崛起，现在只需要60元。灵活降价，坚决保卫市场份额，是国外厂商常见的营销手段。这种方法，一直将国产品牌压制在面黄肌瘦线附近，很难翻身。

 

传感器的第五怪：

市场巨大，融资最难。本来智能制造、人工智能大热，传感器终于应该迎来咸鱼翻身。但是，没有。这是一个投资人不待见的市场。由于国内对这个产业的重要性的认识不足，导致投资界一直处于冷淡期。这跟产品隐蔽，做大做强比较难，是有关系的。而国家对这个产业的“冷处理”的态度，自然也影响了投资基金的判断。

 

传感器的第六怪：

本是国之重器，奈何落地沦为小萝卜头。传感器作为感知的第一道防线，是人类社会走向智能的关键源头。然而这个行业一直得不到重视。上世纪80年代初，国家科委主持的课题研究中，在讨论信息技术包括哪些技术的过程中，“传感器技术”引起了巨大的分歧。但因为体量太小，最终还是被切掉。这一晃，四十年都过去了，情况几乎没有变化。虽然最近两三年有些鼓励发展传感器的政策陆续出台，但一无力度二无资金，基本也就是草草地走了过场。

传感器其实就是互联万物的五官，是眼睛，是耳朵，是各种触觉。尽管如此重要，却无人重视。传感器六大怪，本身就是一大怪事。这可真是一根扎心的刺。

惊人的利润

 

在国内，传感器并不容易挣钱。由于芯片不能自主，工艺研发投入巨大，再加上红海竞争激烈，中国传感器的利润一直被压得很低。根据国内40家传感器企业上市公司的财报，将近40%的企业利润率低于5%；而利润为负就有6家。

都说制造业利润低，传感器看来也是其中的一种。不过，不挣钱，并不是这个行业的真实情况。

日本基恩士传感器公司，可以说是日本最挣钱的公司。2019年营业额接近360亿人民币，而利润，则达到了惊人的180亿。利润率居然超过50%，而且常年如此。传感器这种在中国几乎无法建树的行业，被日本做成了真正的摇钱树。

这家以纯设计（Fabless）起家的传感器公司，主要是设计和销售传感器、测量系统、激光刻印机等。从产品开发策略来看，它从来不定制产品，坚持完全“以我为主”的标准化产品研发。这种策略，维持了产品研发的规律性，而定制产品则会有很大的周期不确定性，经常导致企业失去灵活性。为了不断开发新品，基恩士采用了广泛的研发信息源，促使产品的多样化。而从产品系列而言，则采用了深度嵌套的产品组合。既有传感器产品，更有在传感器基础上做好的测量系统，成为测量领域的领头羊。

国内像海康威视、大华等领头羊，都是走大型工程。虽然也挣钱不少，但其实跟传感器也没有太大关系。即使是以气体传感器起家的郑州汉威，这几年也是重点聚焦在水务、环保等总包工程。传感器事业板块，不过只是这家上市公司的高科技之名而已，从体量而言则基本就是无足轻重。

传感器主要用在电子产品、工控与测量、设备等几个板块。而传感器的发展，最早是来自工业自动化的推动。但在中国最黯淡的，也就是工控与测量这个分支了。最典型的可以算是上海威尔泰仪表公司了。这家企业以核电为入手点，进入到传感与仪表领域的，属于纯正的工业自动化产品。从上市公司财务报表来看，这家公司上市已经14年，但最近一年收入大约在六千万元。不得不说，经营惨淡。要知道，另外一家巨头公司霍尼韦尔公司，其传感与物联部门在全球的营收将近60亿元。

 

设计软件没人管

 

工业软件是中国制造的软肋，传感器更是如此。而传感器的设计软件，也是非常隐蔽的匕首。这几年MEMS传感器非常火爆，每个手机中都有几个，如感知加速度的。而一般的汽车至少也有十多个。德国博世、美国博通、荷兰恩智浦等都是业界巨头。中国只在麦克风的MEMS传感器扳回一个角，做得很好。

然而MEMS传感器的设计，需要两款很专业的CAD软件。一个是IntelliSuite，这是美国1991年创立的，这也是最早的MEMS专用CAD设计画图软件。

另外一家ConventorWare也是美国公司。中国很多传感器企业几乎都在用，能占据中国80%的市场。当年在国内承担863计划MEMS研究项目的30个研究小组，全部都使用这种软件。它在MEMS传感器的位置，跟6月份哈工大被断供的Matlab软件在科学计算中的地位，基本一样。而在中国，几乎没有这种软件。不幸的是，这款软件在2017年被泛林LAM收购；而LAM是美国第二大半导体设备制造商。这都是美国政府最容易动刀子的断供之地。

工业软件，非常的细分了。如果不深入到行业中去，很多软件都是隐藏而不可见。这种处境，倒是跟传感器一模一样。传感器和工业软件，似乎都穿着隐身衣。而正是这些看不见的工业软件，其实暗地封锁着中国制造的诸多命脉。传感器设计软件，就是其中一道令人紧张的暗穴。没有软件，这些传感器很难被设计出来。

几乎全是卡脖子

 

在中国，消费类电子的传感器，由于市场的拉动，近十年已经有了很大的进步。然而在工业级的传感器，卡脖子情况比芯片还厉害。围绕着控制与测量，尤其是仪器仪表传感器，几乎100%进口。

中国仪表的变送器两大巨头，都是“国外芯”。重庆横河川仪年产归谐振变送器30万台，传感器用的是日本横河的；北京远东罗斯蒙特，每年30万台金属电容变送器，用的是美国罗斯蒙特的传感器。可以说，这两家占据中国70%以上市场的龙头企业，基本就是给日本和美国打工。其他企业情况也一样，苏州恩德斯豪斯E+H一年大约5万台，用的是德国E+H；而国内品牌的龙头企业，用的基本都是德国FirstSensor。要命的是，这家公司，在今年3月被美国传感器巨头泰克连接公司所收购。这对于中国的仪表，实际上非常的凶险。今后是否还能买到德国传感器芯片，存在着极大的不确定性。

这意味着，石化、医药等流程行业广泛使用的变送器，其中的传感器除了用日本横河和美国罗斯蒙特的芯片，原本用德国的公司的现在也要依赖美国公司了。

其他行业也基本是类似的状况。根据传感器国家工程研究中心《中国传感器发展蓝皮书》的统计，汽车传感器、高端化学类气体传感器、光纤传感器、环境检测传感器，对国外进口依赖度都是在95%以上。至于海洋传感器，用于移动观测平台的自动浮标、水下滑翔机，以及海上浮标等，则是100%进口。

国人非常关心的PM2.5值，其测量仪基本都是采用仪表巨头美国热电公司的产品。它内部所使用的微量振荡天平，通过测量滤膜上微小颗粒的质量而引起振荡管的频率变化，来测试空气颗粒物的浓度。以精密测量的传感器作为基础，热电公司的一台PM2.5测量仪，动辄几十万元，甚至上百万元。也只有国家级测量站，才用真正用得起这种仪表。而直到最近，这种技术才被天津大学精仪学院毕业博士所创立的天津同阳公司，基本攻克。这是一种很幸运的进展了。

传感器的卡脖子方式，与绝大部分其他工业产品都不一样。它就像一个漫山遍野的地雷阵，分散而隐蔽。要逐项对这一类卡脖子短板进行突破，必将是一个漫长的过程。而且要逐个突破，也基本不现实。

 

历史上的动摇

 

传感器与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱。但本来处于战略要冲的传感器，在中国的产业位置，基本一直被边缘化。

这在中国，是有过历史上的动摇。据国内信息化老前辈介绍，上世纪80年代初，一些专家参与了国家科委主持的“信息技术发展政策”课题的研究与起草相关政策。当时第一个要解决的问题是：信息技术包括哪些技术？计算机、集成电路、通信技术和软件四大技术得到专家们一致的同意。问题出在“传感器技术”，大家意见不一致。

图2中国信息技术的构成

从理论上说，大家都同意，传感器技术是信息技术的一个重要组成部分。如果缺少传感器，信息技术就不完整了，体系上无法自洽。但是，从行业营业额来看，当时的传感器产业太小了，不要说与通信产业这样的大产业比，就是和当时的软件这样的“小产业”比，也不在一个量级上。如果并列在文件中，非常难以落笔。讨论了很长一段时间，最后还是“忍痛割爱”了。

可以说，信息技术刚刚起步，作为支点之一的传感器，从一开始就被边缘化。这种偏差，意味着中国的信息化，一直就是瘸腿的信息化。而进入数字化时代，工业互联网成为国家战略，这种瘸腿就更加明显。然而，这种历史上的动摇所形成的隐形偏差，历经四十年，越发畸形，而且直到至今，也未能得到纠正。

现在，应该是回到原点，重塑根基的时候了。

 

小记

芯片卡脖子，举国上下群情激愤，到处都是大投资。但中国的卡脖子，其实是一个系统性工程，不是只出现在某一个节点上。要说卡脖子，中国制造几乎就是长颈鹿的脖子，到处都是卡点。许多不同的卡脖子技术，底层有着更为隐蔽的交错关系。传感器的芯片，并不需要太高的纳米制程，像当前最热的传感器的微机电系统MEMS，它需要的制程甚至可以用微米级完成。以举国之力，狂热的投资，都要去解决华为手机芯片，或者中芯国际的先进制程问题，既不科学，也不理性，更忽视了其他同样重要的产业市场。

跟芯片卡脖子是卡在明处完全不同，传感器在中国的产业地位，基本就是一个黑户口，无人关注。这才是传感器产业最令人担心的地方。

中国数字经济已经是庞然大物，目前占GDP的比重约为35%，总量超过30万亿元。传感器正是数字经济的最基本的支点。然而在这座庞大宫殿的入口处，守门的哨兵，却依然在昏睡中。

这是智能大门的缺失。传感器就像无处不在的小伤口，随时都可能作痛。

 

——相关阅读——

智能传感器，一切智能从感知开始

【作者：张鑫；转自：知识自动化《智能传感器，一切智能从感知开始》2017.11】

 

智能传感器是具备自动状态感知、信息分析处理和实时通信交换的一种新型传感器，是实现智能制造和物联网的基础。

 

传感器是一种检测装置，能够感知被测物的信息和状态，可以将自然界中的各种物理量、化学量、生物量转化为可测量的电信号的装置与元件。

二十世纪80年代以来，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感技术，获得了飞速发展，普通传感器只有感知——输出的单一功能，以及失效后无法及时判定等问题，已经越来越制约信息技术和自动化技术的发展，已经不能满足客户的差异化需求。

智能传感器是具有信息处理功能的传感器，集感知、信息处理与通信于一体；能提供以数字量方式传播具有一定知识级别的信息；具有自诊断、自校正、自补偿等功能，目前传感技术向智能化、网络化、微型化、集成化发展。

智能传感器作为网络化、智能化、系统化的自主感知器件，是实现智能制造和物联网的基础。

 

第一数据才是根基

 

1978年，美国宇航局（NASA）最早提出智能传感器（SmartSensor）的概念，航天器上大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息，用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据，要不丢失数据，并降低成本，必须有能实现传感器与计算机一体化的智能传感器。

1983年，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司开发出世界第一个智能传感器，ST3000系列智能压力传感器。

1993年，IEEE（电气与电子工程师协会）和NIST（美国国家技术标准局）提出了“智能传感器接口标准（SmartSensorInterfaceStandard）”。

2000年开始，随着微电子机械系统MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem，）技术的大规模使用，进一步推动传感器向智能化、微型化、集成化发展。

2010年，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所作为IEC／TC65的国内归口单位，在充分调研国内外智能传感器技术发展现状的基础上，初步建立智能传感器系统标准体系构架，以规范国内智能传感器市场，服务于各相关应用领域，奠定我国物联网体系建设的基础。

2010年以后，随着物联网和智能制造的兴起，智能传感器得到广泛的关注和迅猛的发展。

智能传感器发展的三个主要方向是虚拟化、网络化和信息融合技术。

☆虚拟化是利用通用的硬件平台充分利用软件实现智能传感器的特定硬件功能，虚拟化传感器可缩短产品开发周期、降低成本、提高可靠性。

☆网络化智能传感器是利用各种总线的多个传感器组成系统并配备带有网络接口的微处理器。通过系统和网络处理器可实现传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间数据交换和共享。

☆多传感器信息融合是智能处理的多传感器信息经元素级、特征级和决策级组合，形成更为精确的被测对象特性和参数。

应用发展

 

智能传感器属于物联网的神经末梢，成为人类全面感知自然的最核心元件，各类智能传感器的大规模部署和应用是构成物联网不可或缺的基本条件。对应不同的应用范围会使用不同的传感器，其覆盖范围包括智能制造、智慧城市、智能安保、智能家居、智能运输、智能医疗等。

相较于普通传感器的感知——输出的单一功能，以及失效后无法及时判定等问题，智能传感器本身具备的各类自主功能是“智能”的主要表现，包括针对安装使用过程中的自主校零、自主标定、自校正功能，使用过程中应对各类环境干扰及变化的自动补偿功能，工作状态下的数据采集及自主分析、数据处理及执行干预等本地逻辑功能，数据采集后的上传及系统指令的决策处理功能等，特别是面向更多无人值守应用环境，以及大数据分析数据采集产品中的自学习功能等，这些都是传感器智能化的表现，这其中多数都属于典型的物联网特征应用。

对于物联网理念下的智能传感器，其本身就是一个典型的物联网智能终端，或者说目前的典型物联网智能终端也是一种智能传感器。

自身具备数据采集、数据处理、数据上传、指令执行等功能，同时通过电池及太阳能等辅助供电方式，能够真正做到无人值守应用，全天候完成赋予的监控使命，所以说传感器智能化是物联网理念下的必然趋势，同时物联网技术的推演将衍生出更多的智能传感器发展成熟。

在工业生产过程中，需要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态。可以说智能传感器是实现智能制造的核心设备，它直接影响到智能制造的发展进程。

智能制造一个必备要素就是数据的自动化流动，而现场的数据获取是第一个开始流动的地方。不管是数据的采集、存贮、显示、监控还是其他信息的集成，在前端感知领域，智能传感器就是实现智能化的关键。缺了它，智能制造将无从谈起。

在智能制造的发展进程中，智能传感器作为智能装备感知外部环境信息的自主输入装置，要兼顾监控、测量、分析评估等一系列的工作，对智能装备的应用起着技术牵引和场景升级的作用。

 

推动产业升级

 

智能传感器作为广泛地系统前端感知器件，既可以助推传统产业的升级，例如，传统工业的升级、传统家电的智能化升级；又可以对创新应用进行推动，比如机器人、VR/AR（虚拟现实/增强现实）、无人机、智慧家庭、智慧医疗和养老等领域。

在工业领域，传统企业面临人力成本提高、市场需求下降等问题，传统企业开始从劳动密集型转向自动化、智能化。在整个转型中，智能传感器发挥着至关重要的作用，推动传统工业的转型升级。

2015年我国传感器市场规模达1100亿元，预计到2020年将达到2115亿元，年复合增长率达到14%。但是由于国内传感器企业技术水平、生产工艺、规模和盈利能力等方面的差距导致国内传感器市场高度依赖进口。特别是高端传感器方面，由于种类多、跨学科研发技术水平高、开发成本大，企业不愿承担开发风险，造成我国高端传感器基本依靠进口。2015年，我国中高端传感器进口比例达到80%。

智能传感技术是智能制造和物联网的先行技术，作为前端感知工具，具有非常重要的意义。

（图片源自网络）