生活中的传感器

生活中的传感器

大家·技术前沿

李波

华东师范大学物理与电子科学学院教授、博士生导师

当我们去购物时，很多商店的门会自动打开，欢迎顾客； 浴室的水龙头会在需要时自动排水，带来更卫生的环境； 烟雾报警器全年不知疲倦地工作。 我们可以检查周围的隐患，确保环境的安全； 当我们选好自己喜欢的商品后，扫描二维码支付，会让结账更加方便、快捷……这一切都离不开传感器的帮助。 事实上，传感器早已深深融入我们的生活。 它们在军事、农业、科学等方面都有极其重要的应用。 只要你仔细观察，几乎到处都能找到传感器。

人类感官的局限性

传感器，顾名思义，是感知和传输信息的设备。 为了更好地认识世界，我们进化出了与生俱来的感官能力，让我们看海、听风、尝香……我们通过视觉、听觉、嗅觉、味觉五种感官获取信息，并触摸。 没有了五种感官，我们就会失去与外界联系的桥梁，大脑将无法接收任何信息，我们就会陷入无尽的黑暗，不知道自己的“身体”在哪里。

随着认知的进步，人们逐渐发现五种感官并不完美。 我们无法像候鸟一样感受到磁场的信息； 我们无法像蝙蝠一样听到超出人耳听力极限的超声波……以视觉为例。 这里我们问三个问题。

第一个问题：我们看到的光是一种电磁波，那么我们能看到所有的电磁波吗？ 这显然是不可能的，反例不胜枚举。 我们看不到充满周围空间的手机信号的电磁波； 我们看不到微波炉在加热食物时发出的微波波段电磁波； 我们看不到可以晒黑皮肤并用来消毒的紫外线； 我们看不到红外光用于测温、理疗、遥控、夜视……

事实上，人眼能看到的电磁波段非常有限。 我们把这种波长在400纳米到760纳米之间的电磁波称为可见光。 它在整个电磁波中只占据一个非常非常窄的窗口。 我们可以用一个戴着有色眼镜的人来比喻。 如果一个人从出生起就戴着一副有色眼镜，比如绿色眼镜，那么他能看到的波长在492纳米到577纳米之间。 在他眼里，一切都是绿色的，从浅绿色到深绿色。 如果有一天他摘下眼镜，他一定会惊叹于眼前这个崭新而多彩的世界。 那么我们有没有办法摘掉“可见光”眼镜呢？

第二个问题：我们能看到所有可见光吗？ 你可能会觉得奇怪，可见光不就是肉眼可见的光吗？ 试想一下，夜晚的月光下，你能分辨出花瓣的细节吗？ 你能直视太阳来检测可能存在的太阳黑子吗？ 结果告诉我们，如果发光物体太暗或太亮，我们就看不到它的真实形状。 我们的眼睛对光强也有一定的反应范围。

第三个问题：如果是可见光，强度适中，我们一定能看到事物的真实面貌吗？ 我们无法计算飞行中蜂鸟翅膀上的羽毛数量。 这是因为人眼响应的光信号传输到大脑需要一定的时间，这就是人眼的时间分辨能力。 速度太快了，我们看不清楚。

看到这里，大家可能会感到有些失望。 事实证明，我们只能看到现实世界的一小部分。 其实，我们大可不必沮丧。 这是人类进化过程中遵循能量优化和效率最大化原则的结果。 我们自然会选择阳光中最丰富的波段，也就是彩虹的颜色。 这样就可以在有限的条件下，以最小的成本获得尽可能多的信息。 因此，这种对有限范围的光波长的感知实际上对我们来说是最有利的选择。

电磁频谱

好奇心是人类的天性之一，驱使我们去了解和探索未知的世界。 随着时代的发展，人类通过五种感官所能感知的信息已经跟不上人们对世界的不断探索。 科学技术的发展使我们有可能增强和扩展我们的五种感官。 用于感知不同信息的设备相继问世。 我们不仅垂直增强了五种感官，还可以“看到”越来越多的颜色，“听到”越来越多的声音，以及“感觉”越来越弱的声音。 信息，“感知”更细微的差异……同时，五种感官也横向增加到六种感官、七种感官等等。 比如，我们有感知磁场的能力，有了解别人内心想法的能力……

这些帮助我们看到、听到、感受未知世界的工具被称为“传感器”，是一种能够感知和传输信息的设备。 传感器是打开新大门的钥匙，让我们能够感知曾经遥不可及的世界。

传感器实现信息感知

传感器的使命是感知和传输信息。 当我们想要获取某些信息时，我们需要找到与之匹配的传感器。 例如，当我们想要记录眼前美丽的风景时，我们需要使用感知光信号的光电传感器； 当我们进行健康检查时，我们使用温度传感器和压力传感器来测量温度和重量。

那么传感器如何感知信息呢？

能量可以在光、声、热、电磁等多种形式之间进行转换。 如果你稍加观察，你就会发现你身边这样的例子还有很多。

当我们打开电灯开关时，灯泡就会发光，这是电能转化为光能； 当阳光照射到太阳能电池上时，电路中就会流过电流，相当于光能转化为电能； 阳光可以驱寒，因为光能转化为热能，从而带来温暖； 当我们打开音响聆听优美的音乐时，电能转化为扬声器振膜的机械能，从而发出声音； 当我们拿起麦克风大声唱歌时，声音所携带的能量就转化为电能； 电水壶烧水、电饭锅将电能转化为热能，而火力发电厂则通过热能发电。

能量的相互转换有一定的与之相对应的物理机制。 这也保证了无论我们想要观测什么信息，我们几乎都可以找到一定的机制将待观测的信号直接或间接地转换为电信号，从而实现传感器的传感功能。

据不完全统计，传感器约有3万种，功能和用途各异。

我们可以根据它们实现的功能对它们进行分类。 用于“看”的有可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器； 用于“听”的有动圈式麦克风、电容式麦克风、超声波传感器、次声波传感器等； “气体传感器”；“产品”的分子传感器；“触摸”的压力传感器、温度传感器、湿度传感器。

还可以根据传感器的大小来分类：从小分子传感器到手机中无数的微型传感器； 从相机中的光电传感器阵列到太空望远镜上的光电焦平面。 还有最新的可穿戴柔性传感器、多功能复合传感器以及能够自诊断、自补偿、自适应的智能传感器等。

手机中的传感器

各种各样的传感器已经进入我们的日常生活和生产。 我们以与生活、工作密不可分的手机为例，看看有哪些传感器可以使用。 当你拿起手机解锁屏幕时，指纹传感器读取你的指纹，或者摄像头对你的脸部进行拍照，然后将相关信息传递给中央处理器进行比对，从而实现指纹或面部识别解锁。 如果你喜欢思考，你可能会问，既然人脸识别是通过拍摄的照片读取特征信息，那是不是可以用类似尺寸的照片代替真人来达到解锁的目的呢？ 而在夜间较暗的环境下，或者无法拍照的情况下，如何通过人脸识别解锁呢？

为了填补这些漏洞，具有面部识别功能的手机还配备了光度传感器、接近传感器、红外传感器、红外照明和点阵投影仪等模块。 光度传感器的功能是感测环境光的强度并通知中央处理器。 如果处理器发现光线太暗，就会自动开启红外照明来补充光线。 点阵投影仪和接近传感器协同工作，获取人脸不同位置到摄像头的距离。 结合红外传感器形成的图像，最终得到三维人脸信息。 与二维人脸识别技术相比，三维人脸识别技术大大提高了安全性，消除了通过照片解锁的风险。 红外补光灯和摄影帮助我们在黑暗环境下轻松解锁屏幕。

可以看到，光是解锁屏幕的操作就涉及到五个传感器：指纹传感器、图像传感器（摄像头）、光度传感器、接近传感器和红外传感器。 当然，这些传感器不一定只起到解锁屏幕的功能。

比如中央处理器会通过光度传感器测得的环境光强信息来改变屏幕的亮度，从而使屏幕亮度能够根据环境的亮度自动调节，这样我们就可以调节屏幕亮度了不同环境光强度下。 清楚地看到屏幕上的内容。 还有手机中用于测量旋转角度的陀螺仪、用于感知运动姿势的加速度传感器和重力传感器、用于反映高度的气压传感器、用于接收卫星信号的传感器等。 这些传感器的组合赋予手机导航的能力。 。 手机中还有许多其他类型的传感器。 每增加一个新的传感器，手机的功能就会扩大或增加，手机也会变得比以前更加聪明！ 如今的智能手机更像是智能终端，拨打和接听电话不再是其主要功能。

韦伯太空望远镜配备的近红外相机传感器（0.6微米至5微米）中心有一层碲化汞镉薄膜

在我们的日常生活中，我们也会遇到具有像鼻子闻气味功能的传感器。 比如烟雾探测器是用来预防火灾的，空气净化器中的气体传感器是专门用来闻甲醛的。 另外，为了保证大家的出行安全，交警手持的呼气酒精含量检测仪就是专门用来检测酒精的传感器。 它可以“闻”出驾驶员呼吸中是否有酒精。

拍照是当今社会人们的一项基本技能。 当你按下快门的那一刻，无论是风景还是人像，都会被镜头后面的电荷耦合器件（CCD）传感器“看到”并记录下来。 除了摄像头中的摄像头之外，还有用于监控的摄像头。 这些能像眼睛一样“看”的系统离不开内部的CCD和其他图像传感器。 在众多用于“看”世界的传感器中，红外传感器绝对处于中心位置。 从电动门、电子温度计的红外传感器到太空望远镜上的红外焦平面，核心都是红外传感器。

科技含量最高的无疑是2021年12月25日发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，它有两个红外传感器，用于探测0.6微米到5微米的波段，以及5微米到5微米的波段。 28微米。 在这两个红外眼的支持下，韦伯太空望远镜可以研究宇宙的诞生和成长，还可以探索系外行星的大气层，从而寻找适合人类居住的类地行星，寻找其他生命的迹象。宇宙。 信息。

空调、冰箱、电饭锅、电热水壶、电烤箱等均可实现自动控温。 它们都使用温度传感器来模仿人类皮肤感知冷热的能力。

健康是当今人们最关心的话题，体检中几乎每一项都涉及到传感器。 电子秤、心电图、B超、X光、骨密度、验血等都涉及相应的传感器。 现在，一些传感器被集成到可穿戴设备中，以实现身体健康的实时监测。 目前最具代表性的可穿戴设备就是智能手表。 除了显示时间之外，它还具有测量心率、心电图、血氧含量甚至血压的功能。 这些功能涉及压力传感器、心电图 (ECG) 传感器和光电传感器。 或许在不远的将来，我们可以在自己的体内植入一些微型传感器芯片，全天候监测自己身体的健康状况，从而最好地保护自己。

手机信号、无线网络、蓝牙传输等都是电磁信号，相应的手机终端、无线网卡、蓝牙接收器都需要具备感知电磁信号的能力。 人类的五种感官感受到的信息以电信号的形式传输到大脑。 大脑在处理信息时，也会伴随着脑电活动。 因此，无论是医学辅助检查还是人脑的探索和研究，都可以利用电磁传感器来捕捉人脑活动时产生的脑电波（EEG）。

与传统传感器相比，柔性传感器更接近人体组织，能够更好地相互适应。 在医学、仿生学等领域具有巨大的应用潜力。 柔性传感器是未来可穿戴设备、运动辅助、健康管理、人造电子皮肤等发展的必然趋势，将柔性传感器植入体内可以更好地检测身体的健康状况。 我们甚至可以将灵活的传感器放置在心脏和大脑旁边，为它们提供特殊护理。 随着年龄的增长，柔性传感器还有可能取代我们的感觉器官。 基于柔性传感器的人造电子皮肤也是模拟机器人能否“以假乱真”的关键。

智能时代的传感器

传感器是智能时代的基石，智能系统是智能时代的核心。 动态感知、智能识别和自动响应是实现智能系统的三个关键，就像我们的五种感官、大脑和四肢一样。

比如初级的自动驾驶，就是当下备受关注的智能系统。 汽车的雷达动态感知周围的情况，汽车的中央处理器从动态感知的信息中智能识别车道、行人、车辆、建筑物、路标等实体，以及这些实体的位置和运动轨迹。 然后用“智慧”来预测这些对象的后续位置。 同时，结合速度、方向等传感器提供的车辆行驶参数，自动调节油门和方向盘，保持车道不偏离路线。 如果预测到危险，将立即采取措施，自动启动液压控制系统进行制动。 此类智能系统的实施需要高灵敏度的传感器来准确感知环境。

可见，在人类科技发展的过程中，传感器变得越来越重要。 智能时代正在向我们走来，未来已经来临！ 从狭义上讲，当我们将这些传感器和处理器集中到独立的个体中时，我们就可以创造出机器人、智能汽车等“会思考”的机器。 从更广阔的角度来看，当我们为所有物品配备相应的传感器，实现万物互联时，智能时代将开启，智能生态系统将被构建，智慧地球将被创建。

——本文选自《世界科学》杂志2024年第1期“大家·科技前沿”专栏； 摘自作者在上海科技普及志愿者协会主办的“海洋科普论坛”上的报告——

结尾