華東師范大學教授：生活中的傳感器
更新時間：2025-03-14 點擊次數(shù)：322次
當我們逛街購物時，很多商店的大門都會自動打開，迎接顧客的到來；盥洗室里的水龍頭會在你需要的時候自動出水，從而帶來更加衛(wèi)生的環(huán)境；煙霧報警器不知疲倦，全年無休地排查周圍的隱患，保證環(huán)境的安全；當我們選好了心儀的商品，掃碼支付將結賬變得更加方便快捷……這都離不開傳感器的幫忙。其實，傳感器早已深深地融入到了我們的生活中，它在軍事、農(nóng)業(yè)、科學等方面都有極為重要的應用。只要你用心尋找，目光所至之處，幾乎都能發(fā)現(xiàn)傳感器的影子。
傳感器，顧名思義就是感受并傳遞信息的器件。為了能更好地認識世界，我們進化出了與生俱來的感知能力，可以看海、聽風、品香……我們通過視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺這五感來獲取信息。離開了五感，我們將失去與外界聯(lián)系的橋梁，大腦接收不到任何信息，我們也會陷入無盡黑暗，不知“身"在何處。隨著認知的進步，人們漸漸發(fā)現(xiàn)五感并不。我們無法像候鳥那樣感受磁場的信息；我們無法像蝙蝠那樣聽到超出人耳聽覺極限的超聲波……就拿視覺來說，在這里我們提出三個問題。個問題：我們看到的光是一種電磁波，那么我們能否看到所有的電磁波？很明顯是不可能的，可以舉出大量反例。我們看不到充滿了周圍空間的手機信號電磁波；我們看不到微波爐加熱食物時發(fā)出的微波波段電磁波；我們看不到能夠曬黑皮膚，也能用來殺菌的紫外光；我們看不到用來測溫、理療、遙控、夜視的紅外光……
其實人的眼睛能夠看到的電磁波段非常有限，我們稱這段波長在400 nm到760 nm之間的電磁波為可見光，它在整個電磁波中只占了非常非常窄的一個窗口。我們可以做一個有色眼鏡人的比喻，如果一個從出生就一直佩戴著一副有色眼鏡，比如綠色，那么他能看到的波長就在492 nm到577 nm之間，在他眼里所有東西都是綠色的，從淺綠到深綠。如果有一天，他摘下了眼鏡，一定會驚嘆眼前這個新的、豐富多彩的世界。那么我們有沒有辦法摘掉“可見光"這副眼鏡呢？
第二個問題：我們能看到所有的可見光么？你也許會覺得很奇怪，可見光不就是可以被看見的光么？不妨設想一下，你能否分辨夜晚月色下花瓣的細節(jié)？你能否直視太陽來觀察其可能存在的太陽黑子？結果告訴我們，如果發(fā)光物體太暗或者太亮，我們無法看清它真實的形狀。我們的眼睛對于光的強度也是有一定的響應范圍。第三個問題：如果是可見光，強度也適中，那么就一定能夠看到事物的真實面貌么？我們無法細數(shù)飛行中蜂鳥的翅膀有幾根羽毛。這是因為人眼響應的光信號傳遞到大腦需要一定的時間，也就是人眼的時間分辨本領。太快的景象我們無法看清楚。看到這里，大家也許會有些許的失落，原來我們只能看到真實世界的一小部分。其實我們無需沮喪，這是人類進化過程中遵循能量和高原則的結果。我們自然地選擇了太陽光中最“富有"的波段，也就是彩虹的顏色。這樣才能在有限的條件下，以最少的代價來獲得盡可能多的信息。因此，這樣一種有限光波長范圍的感知對我們來說其實是利的選擇。
人類天性之一的好奇心驅使著我們?nèi)チ私猓ヌ剿魑粗氖澜纭ｋS著時代的發(fā)展，人類五感所能感知的信息，已經(jīng)無法跟上人們對世界不斷探索的步伐。科技的發(fā)展帶給了我們增強和拓展五感的可能。用來感知不同信息的器件相繼問世，我們不僅在縱向上增強了五感的能力，“看"到了越來越多的色彩，“聽"到了越來越多的聲音，“感覺"到更微弱的信息，“察覺"出更細微的不同……同時也在橫向上將五感增加為六感、七感以及更多，比如我們擁有了能感受磁場的本領，能洞悉他人內(nèi)心想法的能力……這些幫助我們?nèi)タ础⑷ヂ牎⑷ジ惺芪粗澜绲墓ぞ弑环Q為“傳感器"，一種可以感知信息，并傳遞信息的器件。傳感器就是那把開啟新大門的鑰匙，帶著我們感知曾經(jīng)無法觸及的世界。
傳感器的使命是感知并傳遞信息。當我們想要獲取某個信息時，需要找到與其相匹配的傳感器。比如當我們想要記錄眼前的美景，就需要用到感受光信號的光電傳感器；當我們進行健康檢測時，會借助測量溫度和體重的溫度傳感器和壓力傳感器。能量可以在光、聲、熱、電磁等形式之間相互轉換。略加觀察，就會發(fā)現(xiàn)身邊有很多這樣的實例。
當我們打開電燈的開關，燈泡會發(fā)光，這正是將電能轉變?yōu)楣饽埽魂柟庹丈湓谔柲茈姵厣希娐分芯蜁须娏髁鬟^，對應的是光能轉化為電能；陽光能驅散寒冷，是因為光能轉換成了熱能，從而帶來了溫暖；當我們打開音響聆聽美妙的音樂時，電能轉變成了喇叭振動膜的機械能，從而發(fā)出了聲音；當我們拿起話筒放聲高歌時，聲音攜帶的能量則轉變成為電能；電水壺燒水、電飯鍋煮飯是將電能轉變?yōu)闊崮埽痣姀S發(fā)電則通過熱能來產(chǎn)生電能。
能量之間的相互轉換都有一定的物理機制與其相對應。這也就保證了不管想要觀測什么信息，我們幾乎都能找到一定的機理來實現(xiàn)將待觀測信號直接或者間接地轉變?yōu)殡娦盘枺瑥亩鴮崿F(xiàn)傳感器的感知功能。據(jù)不統(tǒng)計，不同功能、不同用途的傳感器大約有3萬多種。我們可以按其實現(xiàn)的功能來分類，有用來“看"的可見光傳感器，紅外光傳感器，紫外光傳感器；有用來“聽"的動圈麥克風，電容麥克風，超聲波傳感器，次聲波傳感器；有用來“聞"的氣體傳感器；有用來“品"的分子傳感器；以及有用來“觸"的壓力傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器。
也可以按照傳感器尺寸的大小分類：從小到分子級別的分子傳感器，到手機里眾多的微傳感器；從相機里的光電傳感器陣列，到空間望遠鏡上的光電焦平面。還有的可穿戴柔性傳感器，具備多種功能的復合傳感器，以及能夠自診斷、自補償、自適應的智能化傳感器。
五花八門、種類繁多的傳感器早已進入了我們的生活生產(chǎn)之中。我們就以生活工作離不開的手機為例來看看都有哪些傳感器。當你拿起手機解鎖屏幕時，指紋傳感器讀取了你的指紋，或者攝像頭對你的面部進行了拍照，然后將相關信息傳遞給處理器進行比對來實現(xiàn)指紋或者面部識別解鎖。愛思考的你可能會問，既然面部識別是通過拍攝的照片來讀取特征信息，那么用一張大小相當?shù)恼掌瑏泶嬲嫒瞬灰部梢赃_到解鎖的目的么？以及在晚上黑暗的環(huán)境中，或者無法拍照的情況下，又是如何通過面部識別來解鎖呢？為了這些漏洞，具有面部識別功能的手機同時還配備了光度傳感器、近距離傳感器、紅外傳感器、紅外照明和點陣投影器等模塊。光度傳感器的作用是感受環(huán)境光的強度并告知處理器，如果處理器發(fā)現(xiàn)光線太暗，將自動開啟紅外照明來補光。點陣投影器和近距離傳感器配合工作，將獲得面部不同位置到攝像頭的距離，結合紅外傳感器所成的像，最終獲得三維的人臉信息。三維面部識別技術和二維的相比大大提高了安全性，杜絕了通過照片解鎖的風險。紅外補光和拍照幫助我們在黑暗的環(huán)境中也可以輕松解鎖屏幕。
可以看到，僅僅是解鎖屏幕這個操作就涉及指紋傳感器、圖像傳感器（攝像頭）、光度傳感器、近距離傳感器和紅外傳感器這五種傳感器。當然，這些傳感器也并不一定只服務于解鎖屏幕這一項功能。
比如，處理器會通過光度傳感器所測得的環(huán)境光強信息來改變屏幕的亮度，從而實現(xiàn)屏幕亮度隨著環(huán)境明暗程度不同來進行自動調節(jié)，以方便我們在不同的環(huán)境光強下都能清晰地看到屏幕顯示的內(nèi)容。手機中還有用來測量轉動角度的陀螺儀，用來感知運動姿態(tài)的加速度傳感器和重力傳感器，用來反映海拔高度的氣壓傳感器，用來接收衛(wèi)星信號的傳感器，這些傳感器的組合賦予手機導航的能力。手機中還有許多其他類型的傳感器，每加入一個新的傳感器，手機的功能就會得到一定的拓展或增加，手機也就變得比原來更加聰明，更加智能！如今的智能手機更像是一個智能終端，接打電話已經(jīng)不再是它的主要功能。
韋布空間望遠鏡配備的近紅外相機傳感器（0.6微米到5微米），中心部分為碲化汞鎘薄膜
我們?nèi)粘Ｉ钪羞€會遇到能夠像鼻子一樣具有嗅覺功能的傳感器。比如用來預防火災的煙霧探測器，空氣凈化器里專門用來聞甲醛氣味的氣體傳感器。此外，為了保證大家安全出行，交通手里拿的呼氣式酒精含量檢測儀是專門用來感知酒精的傳感器，它可以“聞一聞"駕駛員呼出的氣體中有沒有酒味。拍照是當今社會人們的一項基本技能，當你按下快門的瞬間，風景也好，人像也罷，都將被鏡頭后的電荷耦合器件（CCD）傳感器“看"到并記錄下來。除了相機里的攝像頭，還有用來監(jiān)控的攝像頭，這些能夠像眼睛一樣“看"的系統(tǒng)，都離不開里面的CCD等圖像傳感器。在眾多用來“看"世界的傳感器中，紅外傳感器處于中心。小到電動門的紅外感應器、電子測溫儀，大到空間望遠鏡上的紅外焦平面，核心都是紅外傳感器。科技性的當屬2021年12月25日發(fā)射升空的詹姆斯·韋布空間望遠鏡。它擁有兩個紅外傳感器，分別用來探測0.6微米到5微米的波段，以及5微米到28微米的波段。在這兩個紅外之眼的加持下，韋布空間望遠鏡可以研究宇宙的誕生和成長，也可以探索系外行星的大氣情況，從而可以尋找人類宜居的類地行星，搜尋宇宙中其他生命的信息。
空調、電冰箱、電飯鍋、電水壺、電烤箱等能夠實現(xiàn)對溫度的自動控制。它們都用到了能夠模仿人類皮膚感知冷熱的溫度傳感器。健康是當下人們關心的話題，體檢中幾乎每一個項目都有傳感器的參與。電子體重計、心電圖、B超、X射線、骨密度、血液檢測等都涉及相應的傳感器。現(xiàn)在，一些傳感器被集成在了可穿戴設備上，從而實現(xiàn)了對身體健康情況的實時監(jiān)測。當下代表性的可穿戴設備非智能手表莫屬，除了顯示時間，還具有測心率，心電圖，血氧含量甚至測量血壓的功能。這些功能涉及壓力傳感器、心電圖（ECG）傳感器和光電傳感器。也許在不遠的將來，我們可以在體內(nèi)植入一些微型傳感器芯片來全天候關注身體的健康狀況，從而實現(xiàn)對自身保護。
手機信號、無線網(wǎng)絡、藍牙傳輸?shù)榷紝儆陔姶判盘枺鄳氖謾C終端、無線網(wǎng)卡、藍牙接收器也就需要具有感知電磁信號的能力。人類五感所感受到的信息都是以電信號的形式傳遞給大腦，大腦在處理信息的過程中也會伴隨著腦電的活動，因此，不管是醫(yī)學輔助檢查，還是對人腦的探索研究，都可以借助電磁傳感器來捕捉人腦活動時產(chǎn)生的腦電波（EEG）。
相比于常規(guī)傳感器，柔性傳感器更接近人體組織，和我們的身體可以更好相互適應。在醫(yī)學、仿生學等領域存在著巨大的應用潛力。柔性傳感器是可穿戴設備、運動輔助、健康管理、人造電子皮膚等方面未來發(fā)展的必然趨勢。將柔性傳感器植入體內(nèi)可以更好地檢測身體的健康情況。我們甚至可以將柔性傳感器安放在心臟、大腦的旁邊來給予它們特殊關照。柔性傳感器也有望用來替換我們隨著年齡老化的感覺器官。基于柔性傳感器的人工電子皮膚也是仿真機器人是否能夠“以假亂真"的關鍵。
傳感器是智能時代的基石，智能化系統(tǒng)是智能時代的核心。動態(tài)感知、智慧識別和自動反應則是實現(xiàn)智能化系統(tǒng)的三大關鍵，就好比我們的五官、大腦和四肢。比如頗具雛形的自動駕駛，就是當下備受關注的智能化系統(tǒng)。汽車的雷達動態(tài)感知周圍的情況，汽車的處理器從動態(tài)感知到的信息中智慧識別出車道、行人、車輛、建筑和路標等主體，以及這些主體的位置和運動軌跡。然后借助“智慧"對這些主體后續(xù)出現(xiàn)的位置進行預測。同時，結合速度、方向等傳感器提供的車輛行駛參數(shù)，自動調節(jié)油門和方向盤來保持車道，從而不偏離航線。如果預判有危險發(fā)生，將立即采取措施，自動啟動液壓控制系統(tǒng)進行剎車。這樣智能化系統(tǒng)的實現(xiàn)需要高度靈敏的傳感器來對環(huán)境進行精確的感知。可以看出，在人類科技發(fā)展的過程中，傳感器變得越來越重要。智能時代正向我們走來，未來已來，將至已至！從狹義上來講，當我們將這些傳感器和處理器集中于獨立的個體時，就能創(chuàng)造出像機器人、智能汽車等會“思考"的機器。進一步從廣義上看，當我們將所有的物品配備上相應的傳感器，并實現(xiàn)萬物互聯(lián)時，將開啟智能時代，構造出一個智能的生態(tài)系統(tǒng)，創(chuàng)造出一個智慧的地球。
