生活中的传感器

李博

东中国师范大学教授兼博士主管，物理与电子科学学院

当我们购物时，许多商店的门将自动开放，欢迎客户。浴室中的水龙头在需要时会自动排放水，从而带来更卫生的环境。烟雾报警器不懈地检查，一年四季检查围绕隐藏的危险，以确保环境的安全；当我们选择自己喜欢的产品时，扫描代码以付费将使结帐更加方便和快速...这与传感器的帮助密不可分。实际上，传感器长期以来一直深入我们的生活，并且在军事，农业，科学和其他方面具有极为重要的应用。只要您仔细看，您可以在任何地方找到传感器的阴影。

人类感官的局限性

顾名思义，传感器是感受和传达信息的设备。为了更好地理解世界kaiyun全站登录网页入口，我们已经发展了天生的感知能力，可以看到大海，倾听风，品尝香水……我们通过五种视觉，听力，气味，口味和触摸的感觉获得信息。没有五种感官，我们将失去与外界的接触桥。如果我们的大脑无法收到任何信息，我们也将陷入无尽的黑暗中，不知道“身体”在哪里。

随着认知的进步，人们逐渐发现五种感觉并不完美。我们无法感受到诸如候鸟之类的磁场的信息；我们无法听到超过蝙蝠之类的人耳听力限制的超声波...以视觉为例，我们在这里提出三个问题。第一个问题：我们看到的光是电磁波，那么我们可以看到所有电磁波吗？显然是不可能的，可以给出大量的反例。我们看不到充满周围空间的手机信号的电磁波；加热食物时，我们看不到微波炉发出的微波带电磁波。我们看不到可以晒黑皮肤的紫外线，也可以用来消毒。我们看不到用于温度测量，物理疗法，遥控和夜视的红外光...实际上，人眼可以看到的电磁条带非常有限。我们称这种电磁波为400 nm至760 nm的可见光，在整个电磁波中仅占据非常非常狭窄的窗口。我们可以为戴着有色眼镜的人做一个隐喻。如果一个人自出生以来就一直戴着一双有色眼镜，那么他可以看到的波长在492 nm至577 nm之间。在他眼中，一切都是绿色的，从浅绿色到深绿色。如果有一天他脱下眼镜，他将对他面前的新丰富多彩的世界感到惊讶。那么，我们有什么办法可以摘下“可见光”眼镜？

第二个问题：我们可以看到所有可见光吗？您可能会觉得这很奇怪，但看不到可以看到的光？想象一下，您是否可以在夜间在月光下的花瓣的细节？您能直接看着太阳看看它可能的黑子吗？结果告诉我们，如果发光物体太黑或太亮，我们将看不到其真实形状。我们的眼睛还对光强度具有一定的响应范围。

第三个问题：如果它是可见的光，强度是中等的，那么您肯定能够看到事物的真实外观吗？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需要花费一定时间才能传播到大脑，即人眼的时间段落能力。我们看不到场景太快。

当您看到这一点时kaiyun全站网页版登录，您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。实际上，我们不需要感到沮丧。这是遵循人类进化中能量最佳和效率原理的结果。我们自然选择了太阳光中最“丰富”的乐队，即彩虹的颜色。这样，在有限的条件下，您可以以最低的成本获得尽可能多的信息。因此，对有限的光波长范围的这种感知实际上对我们来说是最有利的选择。

电磁波谱

好奇心是人性的一种，驱使我们理解和探索未知世界。随着时代的发展，人类可以感知的信息不再能够跟上人们对世界的不断探索。科学技术的发展为我们带来了增强和扩展五种感官的可能性。用于感知不同信息的设备接一个地启动了。我们不仅会从垂直方面增强五种感觉的能力，而且还“看到越来越多的颜色”，听到“越来越多的声音”，感觉到“弱信息”和“检测”更微妙的差异……同时，我们还水平将五个感觉提高到六种感觉，七种感觉，七种感觉。例如，我们有能力感受磁场和看到他人内心思想的能力……这些工具可以帮助我们看到，倾听和感觉到未知世界被称为“传感器”，这是一种可以感知信息和传输信息的设备。传感器是打开新门的关键，使我们感觉到一个曾经是无法触及的世界。

传感器实现信息感知

传感器的使命是感知和传达信息。当我们要获取某些信息时，我们需要找到一个与之匹配的传感器。例如，当我们想记录面前美丽的风景时，我们需要使用感受光信号的光电传感器；当我们进行健康测试时，我们将使用测量温度和重量的温度传感器和压力传感器。

那么传感器如何意识到信息感知？能量可以在光，声音，热，电磁等之间转换。如果您观察到一点，您会发现周围有许多这样的例子。当我们打开光的开关时，灯泡将发光，这正是电能转换为光能。当我们在太阳能电池上发光时，电流将流过电路，这对应于光能转化为电能。当我们驱逐寒冷时，这是因为光能被转化为热能，从而带来了温暖。当我们打开扬声器以聆听精彩的音乐时，电能就变成了角振动膜的机械能，从而发出声音。当我们拿起麦克风并大声唱歌时，声音所携带的能量就会变成电能。水壶中的沸水和烹饪米饭的锅炉是将电能转换为热能，而热电厂中的发电产生通过热能产生电能。能量之间的相互转换具有与之相对应的一定物理机制。这样可以确保无论我们要观察哪些信息，我们几乎都可以找到某种机制，以直接或间接将信号转换为电信号，从而意识到传感器的感知函数。

根据不完整的统计数据，大约有30,000个具有不同功能和用途的传感器。我们可以根据其意识到的功能对其进行分类，包括可见光传感器，红外光传感器和紫外传感器，以“看到”；动态麦克风，电容麦克风，超声传感器和插音传感器； “嗅探”的气体传感器； “产品”的分子传感器；以及“触摸”的压力传感器，温度传感器和湿度传感器。它也可以根据传感器的大小进行分类：从小到分子传感器到手机中的许多微传感器；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，具有多个功能的复合传感器以及可以自我诊断，自我补偿和自适应的智能传感器。

电话中的传感器

长期以来，各种传感器已经进入了我们的日常生活和生产。让我们以无法与生活分开的手机，并作为一个榜样，以查看哪些传感器可用。当您拿起手机解锁屏幕时，指纹传感器会读取指纹，或者相机拍摄脸部图片，然后将相关信息传递给CPU以进行比较以实现指纹或面部识别解锁。如果您在想，您可能会问，因为面部识别是通过拍摄的照片读取功能信息，您可以使用相同大小的照片而不是真实的人解锁吗？我如何在晚上在黑暗的环境中或不能拍照时通过面部识别来解锁它？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DOT矩阵投影仪等模块。光度传感器的功能是感觉到环境光的强度并告知中央处理器。如果处理器发现光线太黑，则将打开红外照明以填补光线。 DOT矩阵投影仪和接近传感器一起工作，以获得面部和相机不同位置之间的距离，并与红外传感器形成的图像结合在一起，最后获得三维面部信息。与二维面部识别技术相比，三维面部识别技术大大提高了安全性，并消除了通过照片解锁的风险。红外填充灯并拍照可帮助我们在黑暗环境中轻松解锁屏幕。可以看出，解锁屏幕的操作涉及五个传感器：指纹传感器，图像传感器（相机），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能发挥解锁屏幕的功能。例如，中央处理器将通过光度法传感器测量的环境光强度信息改变屏幕的亮度，以便根据环境的光和黑暗程度自动调整屏幕亮度，以便我们可以清楚地看到屏幕上在不同环境光强度下显示的内容。还有用于测量用于感知运动姿势的旋转角，加速度传感器和重力传感器的陀螺仪，用于反射高度的气压传感器以及用于接收卫星信号的传感器。这些传感器的组合使手机具有导航的能力。手机中还有许多其他类型的传感器。添加了新的传感器，手机的功能将在一定程度上扩展或增加，并且手机将变得比以前更聪明！当今的智能手机更像是智能终端，接听和拨打电话不再是其主要功能。

近红外摄像头传感器（0.6微米至5微米）配备了Webb太空望远镜，中间带有汞池薄膜。

在我们的日常生活中，我们还将遇到具有像鼻子一样嗅觉功能的传感器。例如，用于防止火灾的烟雾探测器，专门用于空气净化器中的气体传感器闻到甲醛的味道。此外，为了确保每个人的安全旅行，交通警察持有的呼出酒精含量探测器是专门用于感知酒精的传感器。它可以“闻到”驾驶员呼出的气体中是否有酒精的气味。

拍照是当今社会中人们的基本技能。按下快门，风景或肖像时，您将被“看到”并由镜头后面的电荷耦合设备（CCD）传感器记录。除了相机中的相机外，还有可监视的相机。这些可以像眼睛一样“看到”的系统与内部CCD等图像传感器密不可分。在用于“看到”世界的许多传感器中，红外传感器绝对位于中心。从带电动门和电子温度计的红外传感器到空间望远镜的红外焦平面，核心是红外传感器。技术最多的是詹姆斯·韦伯（James Webb）太空望远镜，该望远镜于2021年12月25日推出。它具有两个红外传感器，可检测从0.6微米到5微米的频段，从5微米到28微米的频段。借助这两只红外眼睛的祝福，韦伯太空望远镜可以研究宇宙的出生和成长，还可以探索外部行星的大气条件，从而找到人类的类似人居住的地球行星并寻找有关宇宙中其他生命的信息。

空调，冰箱，米饭，电壶，电烤箱等可以自动控制温度。他们都使用温度传感器可以模仿人类皮肤的冷热感。

健康是人们目前最关心的话题，体格检查中几乎所有项目都涉及传感器。电子重量尺度，心电图，B-拆卸，X射线，骨密度，血液检测等均涉及相应的传感器。现在，某些传感器已集成到可穿戴设备中，从而实现了对身体健康的实时监控。目前，最具代表性的可穿戴设备是智能手表。除了显示时间外，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。也许在不久的将来，我们可以将一些微型传感器芯片植入体内，以全天关注我们的健康，从而为自己获得最佳保护。

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，无线网卡和蓝牙接收器也需要具有感知电磁信号的能力。通过电信号的形式将人类五种感官感知的信息传播到大脑，并且在处理信息过程中，大脑也将伴随着脑病的活性。因此，无论是医学辅助检查还是对人脑的研究和研究kaiyun官方网站登录入口，电磁传感器都可以用于捕获人脑活跃时产生的脑波（EEG）。

与常规传感器相比，柔性传感器更靠近人体组织，并且可以通过我们的身体更好地适应彼此。在医学，生物学等领域，具有巨大的应用潜力。灵活的传感器是未来开发可穿戴设备，体育援助，健康管理，人造电子皮肤等的不可避免的趋势。将柔性传感器植入人体可以更好地检测身体的健康。我们甚至可以将灵活的传感器放在心脏和大脑旁边，以给他们特殊的护理。随着年龄的增长，灵活的传感器也有望取代我们年龄的感觉器官。基于柔性传感器的人造电子皮肤也是模拟机器人是否可以“用假货吞下真实的机器人”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密钥，例如我们的面部特征，大脑和四肢。例如，原型自动驾驶是一种智能系统，目前正在吸引很多关注。车辆的雷达动态感知周围情况。该汽车的中央处理器明智地识别了从动态感知到的信息以及这些主要身体的位置和运动轨迹等主要物体，例如车道，行人，车辆，建筑物和路标。然后使用“智慧”来预测这些主题的后续外观。同时，结合速度和方向等传感器提供的车辆驾驶参数，加速器和方向盘会自动调整以保持车道，以免与路线偏离。如果预测风险，将立即采取措施自动启动制动器的液压控制系统。这种智能系统的实现需要高度敏感的传感器才能准确感知环境。

可以看出，在人类科学技术发展的过程中，传感器变得越来越重要。聪明的时代即将到来，未来来了，它即将到来！从狭窄的意义上讲，当我们将这些传感器和处理器集中在独立个人上时，我们可以创建像机器人，智能汽车等“思考”的机器。此外，当我们为所有物品配备了相应的传感器并实现所有事物的互连时，我们将介绍智力时代，建立智能生态系统，并创建智能地球。

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本文是根据作者的报告在上海科学技术普及志愿者协会赞助的“海上流行科学论坛”上撰写的。