六维力传感器的性能高度依赖上游应变片和弹性体的质量。东北证券研究报告指出,应变片和弹性体是传感器信息转换的核心环节。全球应变片市场由美国Vishay、德国HBM、日本NMB主导,国内中航电测是综合实力最强的厂商,但在精度上仍有差距。弹性体一般由传感器厂商自行加工,箔材等关键材料仍依赖进口。
应变片——六维力传感器的“感知细胞”
应变片的工作原理基于机械应变引起的电阻变化。当机械应变施加到应变片上时,线或箔发生变形导致长度和横截面积变化,电阻相应改变。应变片通常由细线或箔组成,由铜等高导电材料制成,附着在柔性背衬材料上。每个应变片由柔性基板绝缘的金属箔组成,两根引线使电流通过压力表。电阻的变化与被测物体表面的长度变化成正比,通过惠斯通电桥将电阻变化转换为电压变化,从而实现力的测量。
惠斯通电桥——将电阻变化转为电压信号
惠斯通电桥由四个电阻器(R1、R2、R3、R4)以菱形连接。当应变片因形变导致电阻变化时,电桥不平衡产生小电输出信号,信号与施加的应变成正比。按应变片在电桥中的数量分为四分之一桥(单应变片+三固定电阻,用于单轴测量)、半桥(2个应变片,用于温度补偿)、全桥(4个应变片,灵敏度高、温度误差小)。全桥电路提供最高灵敏度和最小的温度变化误差,是六维力传感器的常见配置。
全球应变片竞争格局——Vishay/HBM/NMB三足鼎立
Vishay成立于1962年,总部位于美国,是世界最大的无源半导体器件和应变片制造商之一,其Micro-Measurements事业部专门开发高精度应变测量产品。HBM成立于1950年,总部位于德国,是霍丁格先生创立的应变测量先驱,拥有超过6000种应变片产品,种类齐全。NMB(美蓓亚三美)成立于日本,1994年进入中国,2022财年中国区营业额2259亿日元。三大厂商在高端应变片领域占据主导地位,产品覆盖不同阻值、标距、基底材料和适用温度范围。
中航电测——国内应变片领军者的追赶之路
中航电测在国内起步早、起点高,从事电测产品已有三十多年历史,具备国际水平的设计能力和接近国际水平的工艺装备。公司拥有自主研发的箔材热处理技术,通过对热处理炉结构改造提高温度场均匀性和箔材性能一致性;不锈钢传感器制造技术及负滞后应变计制作技术,是国内本土唯一可批量生产高性能不锈钢传感器的企业(除Vishay和HBM外)。此外,公司还掌握ZTC(温度零点)和STC(温度灵敏度)补偿技术,贴片技术已具备OIML C3级能力,小批量可达C4级。但在产品精度等性能方面与国际水平仍有差距,需持续追赶。
弹性体与产业链上游——箔材依赖进口
弹性体是传感器的核心弹性元件,一般由传感器厂商采购上游钢材或铝材,按设计进行机械加工。弹性体供应商一般是传感器厂商自身。传感器产业链上游包括钢材、铝材、箔材、电线电缆等。其中钢材、铝材及电线电缆基本实现国内采购,但箔材基于材料的特殊性仍以进口为主。弹性体的结构设计(横梁式、平行式等)直接影响传感器的灵敏度、刚度和耦合特性,是传感器厂商的核心技术壁垒之一。
制造工艺——人工贴片与自动化差距
应变片式传感器的生产流程包括箔材热处理、弹性体加工、应变片粘贴、固化、组桥、补偿、标定等环节。其中贴片工序目前仍以纯手工粘贴为主,不可避免会产生误差,影响传感器精度。MEMS工艺的发展(如鑫精诚的硅应变方案)有望实现全自动化生产,摆脱对人工的依赖,提高一致性和稳定性。国内厂商在自动化产线方面加速布局,未来有望缩小与国际龙头的差距。
| 厂商 | 总部 | 产品种类 | 核心优势 | 中国市场布局 |
|---|---|---|---|---|
| Vishay(MM) | 美国 | 高精度应变测量系列 | 全球无源器件龙头,技术积累深厚 | 通过分销商销售 |
| HBM | 德国 | 超6000种应变片 | 应变测量先驱,产品线最全 | 直销+代理 |
| NMB(美蓓亚三美) | 日本 | 多规格应变片 | 精密制造能力强,中国工厂多 | 16家工厂,2个技术中心 |
| 中航电测 | 中国 | 多系列应变计 | 国内综合实力最强,拥有多项自主技术 | 本土优势 |
产业链投资机会
上游应变片环节高度集中,国产替代空间大,中航电测等国内厂商有望在部分细分领域实现进口替代。弹性体环节涉及传感器厂商的核心设计能力,具备自主弹性体设计和加工能力的企业更具竞争力。箔材等关键原材料的国产化将是产业链安全的重要保障。建议关注在应变片技术和弹性体设计上具备核心竞争力的企业。
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