行业点评报告：高精度传感器国产替代加速，关注驱动力传感器与光通信探测器发展机遇

政策持续催化，高精度传感器国产替代加速 2023年6月21日，工业和信息化部副部长辛国斌表示“要加快关键芯片、高精度传感器、操作系统等新技术新产品的研发和推广应用，进一步提升产业发展内生动力”。高精度传感器作为现代工业发展的重要基础，其在消费电子、汽车、工业等领域具有广泛应用。由于高精度传感器具有显著的技术壁垒与制造壁垒，国内高精度传感器严重依赖海外进口，海外“卡脖子”现象比较严重。我们认为，在政策催化下，高精度传感器的战略地位有望不断提升，国产替代或将加速推进。 人形机器人持续推进，力传感器与编码器迎来发展机遇 2022年9月，特斯拉推出Optimus（擎天柱）原型机，人形机器人或将拥有比汽车更广阔的空间。力传感器与编码器是人形机器人的核心部件，其中力传感器感知并度量力，在人形机器人关节上具有应用，编码器可测量旋转角度与速度，可通过伺服系统应用于人形机器人中。从竞争格局来看，高端编码器与多维力矩传感器由于技术壁垒较高，国内可量产的企业较少。 数控机床向高端化发展，绝对式光栅尺渗透率有望提升 目前我国机床产业呈现“大而不强”的局面，高端数控机床的国产化率还比较低。 智研咨询数据显示，2019年我国高端数控机床国产化率仅为6%，中端数控机床国产化率为68%，低端数控机床国产化率为85%，在国家安全自主可控政策驱动下，我国高端数控机床国产化率有望提升。光栅尺是数控机床的“眼睛”，可显著降低各类误差，在提高机床精度上具有广泛应用。从竞争格局来看，我国高端光栅尺市场一直被海德汉、雷尼绍等海外企业垄断，奥普光电等正逐步实现突破，相关标的未来有望持续受益于国产替代加速。 受益标的 综合以上分析，建议重点关注各类高精度传感器厂商。受益标的：奥普光电：（高端光栅编码器领军者）；苏州固锝：（布局imu传感器，加速度传感器国内领跑）； 昊志机电：（先后攻克“高精度编码器”、“六维力传感器”等核心功能部件技术）； 柯力传感：（国内应变式力传感器龙头）；峰岹科技：（电机控制芯片专家）。 风险提示：宏观经济复苏不及预期；国产化替代进程不及预期；市场竞争恶化风险。 1、政策持续催化，高精度传感器国产替代加速 高精度传感器下游应用广泛，在各个领域具有不可替代作用。高精度传感器是一类具有高精度、高灵敏、高稳定性和高可靠性的测量传感器，包括压力传感器、温度传感器、光学传感器、运动控制传感器、力传感器等。高精度传感器在现代工业加工、人类生活、科学研究等方面均具有广泛应用。 图1：高精度传感器在现代工业、人类生活等方面应用广泛 高端传感器严重依赖进口，国外“卡脖子”现象较严重。高端传感器在我国工业4.0中扮演着重要角色，是我国工业发展的重要底层设施之一。随着智能化、网络化、高精密产业的发展，高端传感器的应用领域逐步增多。尽管近年来我国在传感器领域发展迅猛，技术水平不断突破，但由于高端传感器技术研发投入大、制造工艺复杂，涉及到光、热、力等多个领域的融合，具备较高的技术壁垒，因此我国的高端传感器市场几乎被国外企业垄断。 图2：在设计、制造、产业化、应用等方面，中国与海外存在差距 前瞻产业研究院数据显示，2020年，爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等跨国公司占据我国传感器市场份额的60%，高端产品几乎全靠进口补给，80%的芯片依赖国外。 图3：2020年海外跨国公司占据我国传感器市场份额的60% 国内政策推动高精度传感器国产替代的发展。2023年6月21日，工业和信息化部副部长辛国斌表示“支持重点大企业牵头，大中小企业参与，开展跨行业跨领域协同创新，创新是第一生产力，要加快关键芯片、高精度传感器、操作系统等新技术新产品的研发和推广应用，进一步提升产业发展内生动力”。我们认为为解决海外“卡脖子”问题，国家高度重视高端传感器的发展，其战略地位不断得到提升。在政策推动下，相关高端传感器国产替代进程有望加速。 表1：政府推动下，高端传感器国产替代进程有望加速 2、人形机器人持续推进，力学传感器与编码器迎来发展机遇 2.1、多维力矩传感器与编码器是人形机器人的核心部件 2022年9月，特斯拉推出Optimus（擎天柱）原型机，目标价低于2万美元，相比传统工业机器人，未来人形机器人将拥有比汽车更大的市场空间，因为人形机器人理论上可以完成所有人类进行的非标任务。 特斯拉机器人全身共使用40个关节执行器（又称为关节模组）：关节执行器是模仿人体的关节而诞生，最早由美国科尔摩根公司发明，供应给协作机器人厂商，特斯拉机器人关节模组使用的数量和目前全球领先的人形机器人基本一致，可以在机器人运动过程中实现稳态控制。 表2：Optimus根据关节活动需求分别安装线性执行器和旋转执行器（单位：个） （1）旋转关节：采用高低速双编码器+力矩传感器。输出侧和电机侧各有一个编码器。输出侧编码器用于测量输出位置的变化，电机侧编码器用于计算得到输出轴的理论位置，与输出侧编码器的数据进行对比，得到外部受力大小，从而交付驱动器进行后续控制。 图4：特斯拉旋转关节采用双编码器+力矩传感器 图5：协作机器人关节模组中采用双编码器 （2）线性关节：采用无框电机+新型滚珠丝杠+力传感器+位置传感器（编码器）。 特斯拉机器人全身使用14个线性执行器（伺服电缸），在早期阶段，位置传感器占线性关节成本的2.2%。 （3）手部关节：由空心杯电机+螺纹丝杠+精密行星齿轮箱+编码器构成。特斯拉手部关节使用14微型的线性执行器（伺服电缸），内部通过高速运转的空心杯电机（小功率段体积最小、功率密度最高的电机）提供动力。 图6：灵巧手内的执行器是一个微型伺服电缸 2.2、力矩传感器感知并度量力，多维力传感器技术难度高 力矩传感器是感知并度量力的关键部件。力矩传感器又称为扭矩传感器，可对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测，能够将扭力的物理变化转换成精确的电信号，具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。 按照测量维度，力传感器可以分为一至六维力传感器。六维力传感器是目前维度最高、力觉信息反馈最为全面、难度最大的力觉传感器，最早应用于航空航天市场，后逐步应用于打磨、铣削、焊接及装配场景的工业机器人以及对传感性能要求更高的协作机器人。一台进口的六维传感器价格接近国内一台协作机器人的价格，考虑成本管控，我们认为特斯拉机器人在量产初期基本不会使用六维传感器，使用一维传感器可能较大。 多维力矩传感器技术壁垒高。多维力矩传感器相比于单轴力矩传感器技术壁垒较高，多维力传感器不仅要解决对所测力分量敏感的单调性和统一性难题外，也要解决因结构加工和工艺偏差引起的维间（轴间）扰乱难题、动静态标定难题以及矢量运算中的解耦算法和电路实现等。 图7：六维力矩传感器产品示意图 图8：六维力矩传感器结构图 预计2025年中国力矩传感器市场空间为282亿元。力矩传感器大量应用于高性能汽车领域，作为工业自动化领域的重要支柱，扭矩传感器将会在未来的工业互联网、无人工厂和新型机器人产业中发挥极其重要的作用，预计2025年国内力矩传感器市场规模能够达到282亿元。 图9：2025年中国力矩传感器市场规模预计达282亿元 单轴力矩传感器技术门槛不高，可生产的企业众多，六维力矩传感器技术门槛较高，可生产的供应商较少，包括宇立仪器、坤维科技、昊志机电等。根据昊志机电2022年年报，其具有六维力矩传感器产品生产能力。 2.3、高端编码器具备技术壁垒与制造壁垒，国产替代逐步加速 编码器是测量位移、角度的高精度传感器。编码器是集光、机、电、算技术于一体的高精度位移传感器，可将机械运动转换为电信号输出。 编码器基于莫尔条纹与光电转换原理工作，当电动机旋转时，光栅盘与电动机以相同速度旋转，光栅盘与固定光栅发生相对位移，产生莫尔条纹，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。 图10：编码器是测量位移、角度的高精度传感器 图11：编码器基于莫尔条纹与光电转换原理工作 编码器属于高精度测量仪器，具备很强的技术壁垒和制造壁垒。 （1）技术壁垒：集光、机、电技术一体，研发难度高，需要具备电子电路、能信处理等多方面技术实力，对人才要求高、研发投入较高。 （2）制造壁垒：对基础材料和工艺制造水平要求较高。 预计2028年国内编码器市场空间为7.4亿美元。编码器主要应用于电梯产业、机床、电动机、食品和包装等领域，预计2028年全球编码器市场达67亿美元，国内编码器市场规模达7.4亿美元，2022-2028CAGR为9.9%。 图12：预计2022年-2028年国内编码器CAGR达9.9% 高精度编码器依然依赖进口，国产替代逐步推进。 国内光栅编码器厂商：包括怡信集团、广州诺信、桂林广陆、莱格光电等，上市公司中奥普光电、汇川技术、埃斯顿、昊志机电也均已实现编码器的自研。目前，奥普光电下属的禹衡光学研发的高端光栅尺已进入小批量生产阶段，有望对海外高端产品实现替代。 表3：奥普光电是国内高端光栅编码器领军者 海外光栅编码器厂商：包括海德汉、雷尼绍、发格公司等，其中海德汉是该领域龙头公司，封闭式玻璃载体绝对式光栅尺80%以上由海德汉占据。海外编码器的主要生产企业还有多摩川。 外国企业在我国编码器市场占比较高。根据MIR统计，按销售额计算，2022年我国编码器42%的市场被多摩川、海德汉两家外资厂商占据，国内厂商禹衡光学市场占比8%，位列第三。 图13：外国企业在我国编码器市场占比较高 3、数控机床向高端化发展，绝对式光栅尺渗透率有望提升 3.1、光栅尺是数控机床的“眼睛”，可显著降低误差 国内数控机床向高端化发展。目前我国机床产业呈现“大而不强”的局面，高端数控机床的国产化率还比较低，智研咨询数据显示，2019年我国高端数控机床国产化率仅为6%，中端数控机床国产化率为68%，低端数控机床国产化率为85%，在国家安全自主可控政策驱动下，我国高端数控机床国产化率有望提升，国内高精度编码器如绝对式光栅尺迎来发展机遇。 图14：高端数控机床国产化率仅为6% 图15：我国机床数控化率不断提升 光栅尺是数控机床的“眼睛”，对提升数控机床精度具有重要意义。光栅尺作为数控机床直线轴的位置检测元件，可“监视”直线轴在执行数控系统的移动命令后，该直线轴是否真正准确地运行到数控系统，若未安装光栅尺，则只能完全依靠数控系统调试的精度和机械传动精度来保障，并且需要定期对机床的精度进行检查，一旦忘记检测数控机床的精度，则很可能导致加工产品精度超差甚至报废。 图16：未采用光栅尺，机床半闭环控制 图17：采用光栅尺，机床实现全闭环控制 光栅尺、编码器在数控机床中的位置分布：包括主轴、刀架、伺服进给系统、分度盘等，以五轴数控机床为例，三个直线轴和两个旋转轴需对应配套三个光栅尺和两个角度编码器。 图18：五轴数控机床需配套三个光栅尺和两个角度编码器 3.2、绝对式光栅尺是多轴数控机床未来发展的方向 绝对式光栅尺效率高，是多轴数控机床未来发展方向。同增量式光栅尺相比，安装绝对光栅尺的机床可在重新开机后无需执行参考点回零操作，可在中断后马上开始原来加工程度，显著提升了有效加工时间，更适合于多轴数控机床。 表4：绝对式光栅尺不需要“回零”，更适合多轴数控机床 2027年中国光栅尺市场空间预计为19.7亿元，复合增速为7%。Global Info Research数据显示，预计2020年-2026年全球光栅尺收入将由6.81亿美元增长至7.16亿元，复合增速为3.7%；预计2020年-2027年中国光栅尺收入将由10.3亿元增长至19.7亿元，复合增速为7%。 根据MIR数据，光栅尺市场基本被多摩川、雷尼绍、北京发格（母公司西班牙发格）等外资厂商占据。 图19：预计2020-2027年中国光栅尺市场空间CAGR=7% 图20：我国光栅尺市场基本被外资垄断 4、受益标的 奥普光电：高端光栅编码器