傳感器：智能控制的靈魂

邱元陽

開年寄語：現(xiàn)代社會中，智能手機(jī)早已是司空見慣，而且不同的手機(jī)可能還有不同的功能。但是我們可能沒有深究過，小小的手機(jī)上為什么可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能？在軟件和系統(tǒng)因素之外，不同的硬件配置也決定了手機(jī)的功能。當(dāng)我們接聽電話時(shí)，會發(fā)現(xiàn)手機(jī)屏幕自動(dòng)關(guān)閉，聲音輸出自動(dòng)由揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)到聽筒；當(dāng)我們把手機(jī)拿到光線較強(qiáng)的場所時(shí)，屏幕亮度也會自動(dòng)增強(qiáng)；當(dāng)我們把手機(jī)側(cè)放或倒放時(shí)，正在播放的圖片或視頻也隨機(jī)旋轉(zhuǎn)過來；當(dāng)我們玩重力操控游戲時(shí)，傾斜手機(jī)就能控制方向和力度；當(dāng)我們野外迷路時(shí)，手機(jī)上的指南針還能為我們指明方向；當(dāng)我們飯后漫步時(shí)，手機(jī)又能記錄下我們的行走步數(shù)……這些智能的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，正是基于大量的傳感器。

不僅僅是手機(jī)上，還有各種現(xiàn)代化的設(shè)備和場所、自動(dòng)化控制、無人駕駛汽車、人工智能的各個(gè)領(lǐng)域，都離不開傳感器。因此，我們將分兩期來討論關(guān)于傳感器的話題。

傳感器的應(yīng)用遍及自動(dòng)化處理的各種場景，從日常的手機(jī)到電梯的自動(dòng)門，從平衡車到機(jī)器人，從防盜報(bào)警到違章抓拍，從聲控?zé)艄獾揭魳穱娙瑥耐稁烹娫挼较栏袘?yīng)，從機(jī)場安檢到自動(dòng)閘機(jī)，從指紋驗(yàn)證到面部識別，從體感游戲到虛擬現(xiàn)實(shí)，從自動(dòng)導(dǎo)航到無人駕駛……都會看到傳感器的身影，都是傳感器的用武之地。傳感器充當(dāng)著各種冷冰冰的機(jī)器的眼睛和耳朵，是設(shè)備的感覺器官?？梢哉f，傳感器既是人工智能的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是數(shù)據(jù)采集與智能控制的靈魂。

自動(dòng)檢測第一環(huán)——什么是傳感器

“傳感器”（Transducer或Sensor）的概念目前有不同的定義，IEC（國際電工委員會）的定義為：傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號。

國標(biāo)GB7665-87的定義為：能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成。

新韋式大詞典中的定義則為：從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件。

雖然定義各不相同，但還是可以看出，傳感器是接收信號或刺激并反應(yīng)的器件，能將待測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換成另一對應(yīng)輸出的裝置。這種裝置能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求（如圖1）。

由此可見，傳感器是被測量信號輸入的第一道關(guān)口，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的第一環(huán)。

作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要，已成為自動(dòng)化系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在智能產(chǎn)品、機(jī)器人、人工智能等領(lǐng)域大顯身手。

為了方便應(yīng)用，傳感器還需要向微型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的首要環(huán)節(jié)。

亂花漸入迷人眼——傳感器的分類

傳感器的應(yīng)用極其廣泛，而且種類繁多，讓人眼花繚亂，從不同的角度又可以進(jìn)行不同的分類。.

按實(shí)現(xiàn)原理分類，有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電式傳感器、光電傳感器、智能傳感器、氣體傳感器、濕敏傳感器、超聲傳感器、超導(dǎo)傳感器、仿生傳感器等。

按應(yīng)用方向分類，有壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、流量傳感器、液位傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、浸水傳感器、照度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、稱重傳感器、紫外線傳感器、圖像傳感器、電量傳感器等。

下面介紹幾種常見的傳感器。

1.圖像傳感器

這個(gè)大家應(yīng)該熟悉，常用的相機(jī)、攝像機(jī)、監(jiān)控、手機(jī)的攝像頭等，都要用到圖像傳感器。

圖像傳感器能將可視圖像轉(zhuǎn)化為電子信號，主要應(yīng)用于各種成像設(shè)備中，分為CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）兩種（如圖2）。

2.溫度傳感器

溫度傳感器用于將溫度轉(zhuǎn)化為電信號。

除了利用液體固體熱脹冷縮來測量溫度（溫度計(jì)）外，物體溫度的變化也可以通過溫變電阻或熱電效應(yīng)來測量（如主板上的熱敏電阻、CPU內(nèi)的溫控二極管），也能通過晶體振蕩頻率來測量，還能通過紅外溫度感應(yīng)來測量，如額溫槍（紅外體溫計(jì)）（如圖3）。

家用電器的溫度監(jiān)測、工業(yè)現(xiàn)場的溫度測量，以及非接觸式溫度感應(yīng)，都要用到溫度傳感器。

3.壓力傳感器

壓力傳感器實(shí)際上是壓強(qiáng)傳感器，用于測量液體或氣體的壓強(qiáng)，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出。壓力傳感器通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成。按不同的壓力測試類型，可分為表壓傳感器、差壓傳感器和絕壓傳感器（如圖4）。

壓力傳感器可用于監(jiān)測和控制設(shè)備中，也可應(yīng)用于壓力開關(guān)。除了直接進(jìn)行壓力測量外，也可間接測量流體的流量、速度、液面高度等。數(shù)位板也會間接地使用到壓力感應(yīng)。

4.霍爾傳感器

霍爾傳感器可將變化的磁場轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化，用來測量磁場或測量影響磁場的物理量，常見的有接近開關(guān)、位置測量、轉(zhuǎn)速測量、電流測量設(shè)備等?；魻杺鞲衅鞣譃榫€型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種（如下頁圖5）。

一些打印機(jī)使用霍爾傳感器來監(jiān)測缺紙和開蓋等情況。甚至汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表和速度表也能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗梢詼y量軸和車輪的速度。還有磁盤驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)，因?yàn)榇艌龅淖兓从沉舜盆F的位置，可以被霍爾傳感器測量到。

5.紅外傳感器

紅外線的本質(zhì)是熱輻射，以波的形式在空間直線傳播。紅外傳感器根據(jù)探測機(jī)理可分為光子探測器（基于光電效應(yīng)）和熱探測器（基于熱效應(yīng)）兩種。

利用紅外傳感器（如圖6），可以實(shí)現(xiàn)輻射和光譜測量，也常常用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，以及進(jìn)行熱成像、紅外測距和通信等。endprint

常見的應(yīng)用有紅外遙感、自動(dòng)門、紅外線夜視儀、紅外成像、防盜報(bào)警、生命搜救、紅外測距、溫度測量等。

6.重力傳感器

很多智能手機(jī)和平板電腦中都內(nèi)置了重力傳感器，使得手機(jī)可以識別出橫持豎持，在游戲中可以代替上下左右。

重力傳感器是一種新型的感應(yīng)技術(shù)，它采用彈性敏感元件制成懸臂式位移器和儲能彈簧，完成從重力變化到電信號的轉(zhuǎn)換（如圖7）。利用這一特點(diǎn)還能很容易地實(shí)現(xiàn)物體稱重。

重力的本質(zhì)是加速度，實(shí)現(xiàn)加速度傳感方法很多，如電容效應(yīng)、熱氣泡效應(yīng)、光效應(yīng)、壓電效應(yīng)等，只要其內(nèi)部介質(zhì)具有加速度變形特性，就能讓這種變形產(chǎn)生電壓，計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

重力傳感器還可能幫助機(jī)器人檢測和調(diào)整自己的平衡狀態(tài)，防止摔倒，或者控制自己的姿態(tài)。在汽車電子領(lǐng)域，也經(jīng)常應(yīng)用在安全氣囊、ABS防抱死系統(tǒng)、ESP電子穩(wěn)定程序、電控懸掛系統(tǒng)等上面。

尋道追根要溯源——傳感器的原理

傳感器的種類非常多，涉及的學(xué)科也很多，其原理也各不相同。

以電學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)的傳感器是在近代電磁學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，隨著真空管和半導(dǎo)體等有源元件可靠性的提高，這種類型的傳感器得到了飛速發(fā)展，因此大都具有電信號輸出的功能。

電阻式傳感器是依據(jù)不同電阻的應(yīng)變特性來工作的，如壓敏、熱敏、半導(dǎo)體應(yīng)變等，將電阻的變化反應(yīng)出來，常用于各種測量儀表。電阻隨溫度變化的導(dǎo)電材料最常用的是鉑。

電容式傳感器的原理是電容器各個(gè)影響參數(shù)的變化會有規(guī)律地改變其電容值。比如極距的改變、極板面積的改變、介質(zhì)的改變等，都會影響到電容。利用極距的改變，可將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電容的變化，從而制作出位移器、測厚儀、液壓計(jì)等；利用介質(zhì)的改變，可制作濕度計(jì)等。

電感式傳感器的原理是利用電磁感應(yīng)把被測物理量轉(zhuǎn)換成線圈的自感系統(tǒng)或互感系統(tǒng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，如差動(dòng)式電感測厚儀、渦流式膜厚測量儀、轉(zhuǎn)速測量儀等。

壓電式傳感器是基于特殊物質(zhì)的壓電效應(yīng)的。這些物質(zhì)的表面經(jīng)受壓力作用產(chǎn)生變形時(shí)，材料的兩個(gè)表面會產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換和測量。大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，性能較好的是石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等人造壓電陶瓷，可制作壓力傳感器、壓強(qiáng)傳感器、壓力開關(guān)等。

熱電式傳感器是利用元件電磁參數(shù)隨溫度而變化的特性實(shí)現(xiàn)被測量的轉(zhuǎn)換的，也就是熱電效應(yīng)。一般是把溫度轉(zhuǎn)換為電勢（熱電偶）或電阻（熱電阻），如利用鉑電阻可測量真空度，熱敏電阻和溫敏二極管（三極管、集成電路）則可用來制作溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)器。

光電式傳感器是將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，基于光電效應(yīng)。這類元件有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電池、光敏二極管三極管、光電二極管。最常見的傳感器實(shí)現(xiàn)就是圖像傳感器件CCD、CMOS以及PSID，光控開關(guān)等。

磁電式傳感器則是基于電磁感應(yīng)的原理的，通過導(dǎo)體的電流會產(chǎn)生一個(gè)隨電流變化的磁場，電磁的互生常?？煽醋饕粋€(gè)換能器，如常見的霍爾效應(yīng)。

人間奇跡在眼前——傳感器的應(yīng)用

生物體從外界獲得信息，必須借助于感覺器官。但是人的感覺器官功能有限，要想獲得更為豐富的信息，就需要一種替代的感官工具，那就是傳感器。

傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域涉及專用設(shè)備、機(jī)械制造、過程控制、汽車電子、自動(dòng)化、通信電子、智能設(shè)備、電子娛樂、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等各個(gè)方面（如上頁圖8），并還在不斷延伸。

在醫(yī)療、環(huán)保、氣象、航空等領(lǐng)域應(yīng)用的專業(yè)電子設(shè)備，常常要使用各種傳感器，并有小型化、低成本和高可靠性的要求。而工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器，如工藝控制、工業(yè)機(jī)械以及各種測量工藝變量、電子特性、物理狀態(tài)設(shè)備，則更多地向自動(dòng)化處理方向發(fā)展（如圖9）。

隨著汽車行業(yè)智能化水平的提高，汽車的電子化控制系統(tǒng)功能越來越多（如圖10），而這些控制系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于采用壓力傳感器等各種傳感器的數(shù)量和水平，一輛普通家用轎車上大約需要安裝幾十甚至近百只傳感器，豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只，種類常達(dá)三十余種，多則達(dá)百種以上。

體感游戲是近幾年流行起來的游戲，從最初簡單的在屏幕上玩的重力游戲到后來可以打乒乓球、網(wǎng)球等運(yùn)動(dòng)的體感游戲，其發(fā)展過程一直依賴于一項(xiàng)重要的重力感應(yīng)產(chǎn)品——陀螺儀（如下頁圖11）。游戲者可以利用手柄，通過自己的動(dòng)作控制屏幕上的游戲視頻。這種手柄還能做成鼠標(biāo)，即空中飛鼠（飛行鼠標(biāo)），通過在空中移動(dòng)鼠標(biāo)，即能控制屏幕上的光標(biāo)上下左右靈活移動(dòng)。

智能手機(jī)的大量普及，也刺激了手機(jī)上使用的各種傳感器的研發(fā)和產(chǎn)能，不斷增長的手機(jī)銷量和不斷開發(fā)的手機(jī)新功能，也給傳感器市場帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

手機(jī)中的傳感器是手機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及各種綜合功能的基礎(chǔ)。除了基本的通信功能和運(yùn)算能力，手機(jī)還需要通過各種傳感器來完成一系列智能化的動(dòng)作，主要有：

光線傳感器：利用光敏三極管感知環(huán)境光強(qiáng)度，調(diào)節(jié)屏幕亮度和拍照時(shí)的白平衡。

距離傳感器：利用LED發(fā)射紅外線，探測反射回來的紅外線強(qiáng)度，來測定距離，從而檢測手機(jī)是否貼近臉部，以鎖屏省電和防誤觸操作。

重力傳感器：利用壓電效應(yīng)，通過兩個(gè)正交方向上的電壓大小來計(jì)算水平方向，檢測手機(jī)橫豎屏狀態(tài)，從而智能切換內(nèi)容朝向和反饋重力感應(yīng)。

加速度傳感器：通過三個(gè)維度的壓電效應(yīng)確定加速度方向，用于計(jì)步或確定手機(jī)朝向。

磁場傳感器：利用各向異性磁致電阻材料感受微弱的磁場變化引起的自身電阻變化，確定手機(jī)的方向，用來充當(dāng)指南針、指示地圖導(dǎo)航方向、實(shí)現(xiàn)金屬探測功能等。

陀螺儀：利用角動(dòng)量守恒原理來保持旋轉(zhuǎn)軸的指向，從而測定自身的方向、位置、移動(dòng)軌跡及加速度，用于體感游戲、搖一搖功能、控制視角、VR虛擬現(xiàn)實(shí)、慣性導(dǎo)航等。endprint

指紋傳感器：有電容式和超聲波式兩種，可以做在手機(jī)上，也可以做在屏幕上，甚至可以做在手機(jī)內(nèi)部，用途當(dāng)然是身份驗(yàn)證、加密、解鎖、支付了。

霍爾傳感器：利用霍爾效應(yīng)，當(dāng)電流通過磁場中的導(dǎo)體時(shí)，磁場會對導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，可以用來檢測翻蓋、合蓋動(dòng)作，自動(dòng)開屏鎖屏等。

氣壓傳感器：利用氣壓變化導(dǎo)致薄膜電阻或電容的數(shù)值發(fā)生變化，而獲得氣壓數(shù)據(jù)，可用于GPS修正海拔誤差，輔助GPS定位立交橋或樓層位置。

心率傳感器：用高亮度LED光源照射手指，當(dāng)血液隨著脈搏進(jìn)入毛細(xì)血管時(shí)，亮度會呈現(xiàn)周期性變化，通過攝像頭快速捕捉這一有規(guī)律變化的間隔，即可換算出心率。

血氧傳感器：血液中血紅蛋白和氧合血紅蛋白對紅外光和紅光的吸收比率不同，用紅外光和紅光兩個(gè)LED同時(shí)照射手指，測量反射光的吸收光譜，就可以測量出血氧含量。

紫外線傳感器：利用某些材料的光電發(fā)射效應(yīng)，在紫外線照射下會釋放出大量電子，檢測這種放電效應(yīng)就可以計(jì)算出紫外線強(qiáng)度。

最后，手機(jī)上都有的GPS，用來導(dǎo)航、測速、測距，也算是一個(gè)傳感器……

可以說，小小的手機(jī)也是傳感器的集大成者。這些傳感器正改變并方便著我們的生活，同時(shí)也在不斷地創(chuàng)造著奇跡。

智能控制普新篇——展望人工智能

自動(dòng)控制系統(tǒng)之所以能夠按照既定程序，在無人監(jiān)管的情況下完成復(fù)雜的工作任務(wù)，其關(guān)鍵就在于反饋系統(tǒng)。外界反饋實(shí)際上就是把系統(tǒng)的輸出或者狀態(tài)，加到系統(tǒng)的輸入端與系統(tǒng)的輸入共同作用于系統(tǒng)。這就好比人體，把看到、聽到、感覺到的信息結(jié)果經(jīng)大腦簡單處理后再送回大腦進(jìn)行分析。對于設(shè)備而言，傳感器就是感覺器官，是外面數(shù)據(jù)最初的輸入和感應(yīng)。

人工智能在社會生活中正扮演著越來越重要的角色。一方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)取得的突破，讓人工智能真正地智能起來；另一方面，傳感器的發(fā)展和進(jìn)步，也使人工智能可以更敏銳地感覺外部的狀態(tài)和變化，從而做出準(zhǔn)確的判斷。

目前無人駕駛汽車、無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、社會服務(wù)機(jī)器人等人工智能形態(tài)漸漸進(jìn)入人們的視線，它們與人類和環(huán)境全方位的交互，必然離不開傳感器對外界信息的采集?？梢哉f，傳感器智能控制的靈魂，沒有傳感器的反饋，就無法實(shí)現(xiàn)智能控制，人工智能就只能被動(dòng)地接受數(shù)據(jù)輸入，“程序+機(jī)器”就無法變成真正的機(jī)器人。

人工智能的發(fā)展前景任重道遠(yuǎn)而又一片光明，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的共同進(jìn)步下，強(qiáng)AI的夢想就會離我們越來越近。AI的步伐，無論是一大步，還是一小步，都將是改變?nèi)祟惿鐣拿恳徊?。endprint