傳感器：智能控制的靈魂

邱元陽

開年寄語：現代社會中，智能手機早已是司空見慣，而且不同的手機可能還有不同的功能。但是我們可能沒有深究過，小小的手機上為什么可以實現各種各樣的功能？在軟件和系統因素之外，不同的硬件配置也決定了手機的功能。當我們接聽電話時，會發現手機屏幕自動關閉，聲音輸出自動由揚聲器轉到聽筒；當我們把手機拿到光線較強的場所時，屏幕亮度也會自動增強；當我們把手機側放或倒放時，正在播放的圖片或視頻也隨機旋轉過來；當我們玩重力操控游戲時，傾斜手機就能控制方向和力度；當我們野外迷路時，手機上的指南針還能為我們指明方向；當我們飯后漫步時，手機又能記錄下我們的行走步數……這些智能的自動化調節，正是基于大量的傳感器。

不僅僅是手機上，還有各種現代化的設備和場所、自動化控制、無人駕駛汽車、人工智能的各個領域，都離不開傳感器。因此，我們將分兩期來討論關于傳感器的話題。

傳感器的應用遍及自動化處理的各種場景，從日常的手機到電梯的自動門，從平衡車到機器人，從防盜報警到違章抓拍，從聲控燈光到音樂噴泉，從投幣電話到消防感應，從機場安檢到自動閘機，從指紋驗證到面部識別，從體感游戲到虛擬現實，從自動導航到無人駕駛……都會看到傳感器的身影，都是傳感器的用武之地。傳感器充當著各種冷冰冰的機器的眼睛和耳朵，是設備的感覺器官?？梢哉f，傳感器既是人工智能的物質基礎，也是數據采集與智能控制的靈魂。

自動檢測第一環——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：傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號。

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

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

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的器件，能將待測物理量或化學量轉換成另一對應輸出的裝置。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律轉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口，是實現自動檢測和自動控制的第一環。

作為信息采集系統的前端單元，傳感器的作用越來越重要，已成為自動化系統中的關鍵部件，在智能產品、機器人、人工智能等領域大顯身手。

為了方便應用，傳感器還需要向微型化、數字化、智能化方向發展，是實現自動化的首要環節。

亂花漸入迷人眼——傳感器的分類

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

按實現原理分類，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、超導傳感器、仿生傳感器等。

按應用方向分類，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

這個大家應該熟悉，常用的相機、攝像機、監控、手機的攝像頭等，都要用到圖像傳感器。

圖像傳感器能將可視圖像轉化為電子信號，主要應用于各種成像設備中，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）外，物體溫度的變化也可以通過溫變電阻或熱電效應來測量（如主板上的熱敏電阻、CPU內的溫控二極管），也能通過晶體振蕩頻率來測量，還能通過紅外溫度感應來測量，如額溫槍（紅外體溫計）（如圖3）。

家用電器的溫度監測、工業現場的溫度測量，以及非接觸式溫度感應，都要用到溫度傳感器。

3.壓力傳感器

壓力傳感器實際上是壓強傳感器，用于測量液體或氣體的壓強，將壓力轉換為電信號輸出。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測和控制設備中，也可應用于壓力開關。除了直接進行壓力測量外，也可間接測量流體的流量、速度、液面高度等。數位板也會間接地使用到壓力感應。

4.霍爾傳感器

霍爾傳感器可將變化的磁場轉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、位置測量、轉速測量、電流測量設備等?；魻杺鞲衅鞣譃榫€型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種（如下頁圖5）。

一些打印機使用霍爾傳感器來監測缺紙和開蓋等情況。甚至汽車發動機的轉速表和速度表也能實現，因為它可以測量軸和車輪的速度。還有磁盤驅動器的轉速校準，因為磁場的變化反映了磁鐵的位置，可以被霍爾傳感器測量到。

5.紅外傳感器

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

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

常見的應用有紅外遙感、自動門、紅外線夜視儀、紅外成像、防盜報警、生命搜救、紅外測距、溫度測量等。

6.重力傳感器

很多智能手機和平板電腦中都內置了重力傳感器，使得手機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技術，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換（如圖7）。利用這一特點還能很容易地實現物體稱重。

重力的本質是加速度，實現加速度傳感方法很多，如電容效應、熱氣泡效應、光效應、壓電效應等，只要其內部介質具有加速度變形特性，就能讓這種變形產生電壓，計算出產生電壓和所施加的加速度之間的關系，將加速度轉化成電壓輸出。

重力傳感器還可能幫助機器人檢測和調整自己的平衡狀態，防止摔倒，或者控制自己的姿態。在汽車電子領域，也經常應用在安全氣囊、ABS防抱死系統、ESP電子穩定程序、電控懸掛系統等上面。

尋道追根要溯源——傳感器的原理

傳感器的種類非常多，涉及的學科也很多，其原理也各不相同。

以電學的基本原理為基礎的傳感器是在近代電磁學發展的基礎上產生的，隨著真空管和半導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展，因此大都具有電信號輸出的功能。

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

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

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

壓電式傳感器是基于特殊物質的壓電效應的。這些物質的表面經受壓力作用產生變形時，材料的兩個表面會產生正負相反的電荷，從而實現非電量的轉換和測量。大多數晶體都具有壓電效應，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、壓強傳感器、壓力開關等。

熱電式傳感器是利用元件電磁參數隨溫度而變化的特性實現被測量的轉換的，也就是熱電效應。一般是把溫度轉換為電勢（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、溫度調節器。

光電式傳感器是將光量的變化轉換為電量的變化，基于光電效應。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。最常見的傳感器實現就是圖像傳感器件CCD、CMOS以及PSID，光控開關等。

磁電式傳感器則是基于電磁感應的原理的，通過導體的電流會產生一個隨電流變化的磁場，電磁的互生常常可看作一個換能器，如常見的霍爾效應。

人間奇跡在眼前——傳感器的應用

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。

傳感器的應用領域涉及專用設備、機械制造、過程控制、汽車電子、自動化、通信電子、智能設備、電子娛樂、人工智能、虛擬現實等各個方面（如上頁圖8），并還在不斷延伸。

在醫療、環保、氣象、航空等領域應用的專業電子設備，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。而工業領域應用的傳感器，如工藝控制、工業機械以及各種測量工藝變量、電子特性、物理狀態設備，則更多地向自動化處理方向發展（如圖9）。

隨著汽車行業智能化水平的提高，汽車的電子化控制系統功能越來越多（如圖10），而這些控制系統的關鍵就在于采用壓力傳感器等各種傳感器的數量和水平，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量可多達二百余只，種類常達三十余種，多則達百種以上。

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、網球等運動的體感游戲，其發展過程一直依賴于一項重要的重力感應產品——陀螺儀（如下頁圖11）。游戲者可以利用手柄，通過自己的動作控制屏幕上的游戲視頻。這種手柄還能做成鼠標，即空中飛鼠（飛行鼠標），通過在空中移動鼠標，即能控制屏幕上的光標上下左右靈活移動。

智能手機的大量普及，也刺激了手機上使用的各種傳感器的研發和產能，不斷增長的手機銷量和不斷開發的手機新功能，也給傳感器市場帶來了機遇和挑戰。

手機中的傳感器是手機實現人機交互及各種綜合功能的基礎。除了基本的通信功能和運算能力，手機還需要通過各種傳感器來完成一系列智能化的動作，主要有：

光線傳感器：利用光敏三極管感知環境光強度，調節屏幕亮度和拍照時的白平衡。

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

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

加速度傳感器：通過三個維度的壓電效應確定加速度方向，用于計步或確定手機朝向。

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，確定手機的方向，用來充當指南針、指示地圖導航方向、實現金屬探測功能等。

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

指紋傳感器：有電容式和超聲波式兩種，可以做在手機上，也可以做在屏幕上，甚至可以做在手機內部，用途當然是身份驗證、加密、解鎖、支付了。

霍爾傳感器：利用霍爾效應，當電流通過磁場中的導體時，磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的作用力，從而在導體的兩端產生電勢差，可以用來檢測翻蓋、合蓋動作，自動開屏鎖屏等。

氣壓傳感器：利用氣壓變化導致薄膜電阻或電容的數值發生變化，而獲得氣壓數據，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，當血液隨著脈搏進入毛細血管時，亮度會呈現周期性變化，通過攝像頭快速捕捉這一有規律變化的間隔，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LED同時照射手指，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射效應，在紫外線照射下會釋放出大量電子，檢測這種放電效應就可以計算出紫外線強度。

最后，手機上都有的GPS，用來導航、測速、測距，也算是一個傳感器……

可以說，小小的手機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，同時也在不斷地創造著奇跡。

智能控制普新篇——展望人工智能

自動控制系統之所以能夠按照既定程序，在無人監管的情況下完成復雜的工作任務，其關鍵就在于反饋系統。外界反饋實際上就是把系統的輸出或者狀態，加到系統的輸入端與系統的輸入共同作用于系統。這就好比人體，把看到、聽到、感覺到的信息結果經大腦簡單處理后再送回大腦進行分析。對于設備而言，傳感器就是感覺器官，是外面數據最初的輸入和感應。

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，神經網絡和深度學習取得的突破，讓人工智能真正地智能起來；另一方面，傳感器的發展和進步，也使人工智能可以更敏銳地感覺外部的狀態和變化，從而做出準確的判斷。

目前無人駕駛汽車、無人機、工業機器人、社會服務機器人等人工智能形態漸漸進入人們的視線，它們與人類和環境全方位的交互，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，就無法實現智能控制，人工智能就只能被動地接受數據輸入，“程序+機器”就無法變成真正的機器人。

人工智能的發展前景任重道遠而又一片光明，在計算機技術和傳感器技術的共同進步下，強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，都將是改變人類社會的每一步。endprint