传感器：智能控制的灵魂

邱元阳

开年寄语：现代社会中，智能手机早已是司空见惯，而且不同的手机可能还有不同的功能。但是我们可能没有深究过，小小的手机上为什么可以实现各种各样的功能？在软件和系统因素之外，不同的硬件配置也决定了手机的功能。当我们接听电话时，会发现手机屏幕自动关闭，声音输出自动由扬声器转到听筒；当我们把手机拿到光线较强的场所时，屏幕亮度也会自动增强；当我们把手机侧放或倒放时，正在播放的图片或视频也随机旋转过来；当我们玩重力操控游戏时，倾斜手机就能控制方向和力度；当我们野外迷路时，手机上的指南针还能为我们指明方向；当我们饭后漫步时，手机又能记录下我们的行走步数……这些智能的自动化调节，正是基于大量的传感器。

不仅仅是手机上，还有各种现代化的设备和场所、自动化控制、无人驾驶汽车、人工智能的各个领域，都离不开传感器。因此，我们将分两期来讨论关于传感器的话题。

传感器的应用遍及自动化处理的各种场景，从日常的手机到电梯的自动门，从平衡车到机器人，从防盗报警到违章抓拍，从声控灯光到音乐喷泉，从投币电话到消防感应，从机场安检到自动闸机，从指纹验证到面部识别，从体感游戏到虚拟现实，从自动导航到无人驾驶……都会看到传感器的身影，都是传感器的用武之地。传感器充当着各种冷冰冰的机器的眼睛和耳朵，是设备的感觉器官。可以说，传感器既是人工智能的物质基础，也是数据采集与智能控制的灵魂。

自动检测第一环——什么是传感器

“传感器”（Transducer或Sensor）的概念目前有不同的定义，IEC（国际电工委员会）的定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。

国标GB7665-87的定义为：能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件构成。

新韦式大词典中的定义则为：从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。

虽然定义各不相同，但還是可以看出，传感器是接收信号或刺激并反应的器件，能将待测物理量或化学量转换成另一对应输出的装置。这种装置能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律转换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求（如图1）。

由此可见，传感器是被测量信号输入的第一道关口，是实现自动检测和自动控制的第一环。

作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要，已成为自动化系统中的关键部件，在智能产品、机器人、人工智能等领域大显身手。

为了方便应用，传感器还需要向微型化、数字化、智能化方向发展，是实现自动化的首要环节。

乱花渐入迷人眼——传感器的分类

传感器的应用极其广泛，而且种类繁多，让人眼花缭乱，从不同的角度又可以进行不同的分类。.

按实现原理分类，有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电传感器、智能传感器、气体传感器、湿敏传感器、超声传感器、超导传感器、仿生传感器等。

按应用方向分类，有压力传感器、温度传感器、湿度传感器、流量传感器、液位传感器、超声传感器、红外传感器、浸水传感器、照度传感器、加速度传感器、位移传感器、称重传感器、紫外线传感器、图像传感器、电量传感器等。

下面介绍几种常见的传感器。

1.图像传感器

这个大家应该熟悉，常用的相机、摄像机、监控、手机的摄像头等，都要用到图像传感器。

图像传感器能将可视图像转化为电子信号，主要应用于各种成像设备中，分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两种（如图2）。

2.温度传感器

温度传感器用于将温度转化为电信号。

除了利用液体固体热胀冷缩来测量温度（温度计）外，物体温度的变化也可以通过温变电阻或热电效应来测量（如主板上的热敏电阻、CPU内的温控二极管），也能通过晶体振荡频率来测量，还能通过红外温度感应来测量，如额温枪（红外体温计）（如图3）。

家用电器的温度监测、工业现场的温度测量，以及非接触式温度感应，都要用到温度传感器。

3.压力传感器

压力传感器实际上是压强传感器，用于测量液体或气体的压强，将压力转换为电信号输出。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的压力测试类型，可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器（如图4）。

压力传感器可用于监测和控制设备中，也可应用于压力开关。除了直接进行压力测量外，也可间接测量流体的流量、速度、液面高度等。数位板也会间接地使用到压力感应。

4.霍尔传感器

霍尔传感器可将变化的磁场转化为输出电压的变化，用来测量磁场或测量影响磁场的物理量，常见的有接近开关、位置测量、转速测量、电流测量设备等。霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种（如下页图5）。

一些打印机使用霍尔传感器来监测缺纸和开盖等情况。甚至汽车发动机的转速表和速度表也能实现，因为它可以测量轴和车轮的速度。还有磁盘驱动器的转速校准，因为磁场的变化反映了磁铁的位置，可以被霍尔传感器测量到。

5.红外传感器

红外线的本质是热辐射，以波的形式在空间直线传播。红外传感器根据探测机理可分为光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）两种。

利用红外传感器（如图6），可以实现辐射和光谱测量，也常常用于搜索和跟踪红外目标，以及进行热成像、红外测距和通信等。endprint

常见的应用有红外遥感、自动门、红外线夜视仪、红外成像、防盗报警、生命搜救、红外测距、温度测量等。

6.重力传感器

很多智能手机和平板电脑中都内置了重力传感器，使得手机可以识别出横持竖持，在游戏中可以代替上下左右。

重力传感器是一种新型的感应技术，它采用弹性敏感元件制成悬臂式位移器和储能弹簧，完成从重力变化到电信号的转换（如图7）。利用这一特点还能很容易地实现物体称重。

重力的本质是加速度，实现加速度传感方法很多，如电容效应、热气泡效应、光效应、压电效应等，只要其内部介质具有加速度变形特性，就能让这种变形产生电压，计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，将加速度转化成电压输出。

重力传感器还可能帮助机器人检测和调整自己的平衡状态，防止摔倒，或者控制自己的姿态。在汽车电子领域，也经常应用在安全气囊、ABS防抱死系统、ESP电子稳定程序、电控悬挂系统等上面。

寻道追根要溯源——传感器的原理

传感器的种类非常多，涉及的学科也很多，其原理也各不相同。

以电学的基本原理为基础的传感器是在近代电磁学发展的基础上产生的，随着真空管和半导体等有源元件可靠性的提高，这种类型的传感器得到了飞速发展，因此大都具有电信号输出的功能。

电阻式传感器是依据不同电阻的应变特性来工作的，如压敏、热敏、半导体应变等，将电阻的变化反应出来，常用于各种测量仪表。电阻随温度变化的导电材料最常用的是铂。

电容式传感器的原理是电容器各个影响参数的变化会有规律地改变其电容值。比如极距的改变、极板面积的改变、介质的改变等，都会影响到电容。利用极距的改变，可将机械位移转换为电容的变化，从而制作出位移器、测厚仪、液压计等；利用介质的改变，可制作湿度计等。

电感式传感器的原理是利用电磁感应把被测物理量转换成线圈的自感系统或互感系统，进而转换为电压或电流的变化量输出，如差动式电感测厚仪、涡流式膜厚測量仪、转速测量仪等。

压电式传感器是基于特殊物质的压电效应的。这些物质的表面经受压力作用产生变形时，材料的两个表面会产生正负相反的电荷，从而实现非电量的转换和测量。大多数晶体都具有压电效应，性能较好的是石英、钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷，可制作压力传感器、压强传感器、压力开关等。

热电式传感器是利用元件电磁参数随温度而变化的特性实现被测量的转换的，也就是热电效应。一般是把温度转换为电势（热电偶）或电阻（热电阻），如利用铂电阻可测量真空度，热敏电阻和温敏二极管（三极管、集成电路）则可用来制作温度传感器、温度调节器。

光电式传感器是将光量的变化转换为电量的变化，基于光电效应。这类元件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管三极管、光电二极管。最常见的传感器实现就是图像传感器件CCD、CMOS以及PSID，光控开关等。

磁电式传感器则是基于电磁感应的原理的，通过导体的电流会产生一个随电流变化的磁场，电磁的互生常常可看作一个换能器，如常见的霍尔效应。

人间奇迹在眼前——传感器的应用

生物体从外界获得信息，必须借助于感觉器官。但是人的感觉器官功能有限，要想获得更为丰富的信息，就需要一种替代的感官工具，那就是传感器。

传感器的应用领域涉及专用设备、机械制造、过程控制、汽车电子、自动化、通信电子、智能设备、电子娱乐、人工智能、虚拟现实等各个方面（如上页图8），并还在不断延伸。

在医疗、环保、气象、航空等领域应用的专业电子设备，常常要使用各种传感器，并有小型化、低成本和高可靠性的要求。而工业领域应用的传感器，如工艺控制、工业机械以及各种测量工艺变量、电子特性、物理状态设备，则更多地向自动化处理方向发展（如图9）。

随着汽车行业智能化水平的提高，汽车的电子化控制系统功能越来越多（如图10），而这些控制系统的关键就在于采用压力传感器等各种传感器的数量和水平，一辆普通家用轿车上大约需要安装几十甚至近百只传感器，豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只，种类常达三十余种，多则达百种以上。

体感游戏是近几年流行起来的游戏，从最初简单的在屏幕上玩的重力游戏到后来可以打乒乓球、网球等运动的体感游戏，其发展过程一直依赖于一项重要的重力感应产品——陀螺仪（如下页图11）。游戏者可以利用手柄，通过自己的动作控制屏幕上的游戏视频。这种手柄还能做成鼠标，即空中飞鼠（飞行鼠标），通过在空中移动鼠标，即能控制屏幕上的光标上下左右灵活移动。

智能手机的大量普及，也刺激了手机上使用的各种传感器的研发和产能，不断增长的手机销量和不断开发的手机新功能，也给传感器市场带来了机遇和挑战。

手机中的传感器是手机实现人机交互及各种综合功能的基础。除了基本的通信功能和运算能力，手机还需要通过各种传感器来完成一系列智能化的动作，主要有：

光线传感器：利用光敏三极管感知环境光强度，调节屏幕亮度和拍照时的白平衡。

距离传感器：利用LED发射红外线，探测反射回来的红外线强度，来测定距离，从而检测手机是否贴近脸部，以锁屏省电和防误触操作。

重力传感器：利用压电效应，通过两个正交方向上的电压大小来计算水平方向，检测手机横竖屏状态，从而智能切换内容朝向和反馈重力感应。

加速度传感器：通过三个维度的压电效应确定加速度方向，用于计步或确定手机朝向。

磁场传感器：利用各向异性磁致电阻材料感受微弱的磁场变化引起的自身电阻变化，确定手机的方向，用来充当指南针、指示地图导航方向、实现金属探测功能等。

陀螺仪：利用角动量守恒原理来保持旋转轴的指向，从而测定自身的方向、位置、移动轨迹及加速度，用于体感游戏、摇一摇功能、控制视角、VR虚拟现实、惯性导航等。endprint

指纹传感器：有电容式和超声波式两种，可以做在手机上，也可以做在屏幕上，甚至可以做在手机内部，用途当然是身份验证、加密、解锁、支付了。

霍尔传感器：利用霍尔效应，当电流通过磁场中的导体时，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电势差，可以用来检测翻盖、合盖动作，自动开屏锁屏等。

气压传感器：利用气压变化导致薄膜电阻或电容的数值发生变化，而获得气压数据，可用于GPS修正海拔误差，辅助GPS定位立交桥或楼层位置。

心率传感器：用高亮度LED光源照射手指，当血液随着脉搏进入毛细血管时，亮度会呈现周期性变化，通过摄像头快速捕捉这一有规律变化的间隔，即可换算出心率。

血氧传感器：血液中血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比率不同，用红外光和红光两个LED同时照射手指，测量反射光的吸收光谱，就可以测量出血氧含量。

紫外线传感器：利用某些材料的光电发射效应，在紫外线照射下会释放出大量电子，检测这种放电效应就可以计算出紫外线强度。

最后，手机上都有的GPS，用来导航、测速、测距，也算是一个传感器……

可以说，小小的手机也是传感器的集大成者。这些传感器正改变并方便着我们的生活，同时也在不断地创造着奇迹。

智能控制普新篇——展望人工智能

自动控制系统之所以能够按照既定程序，在无人监管的情况下完成复杂的工作任务，其关键就在于反馈系统。外界反馈实际上就是把系统的输出或者状态，加到系统的输入端与系统的输入共同作用于系统。这就好比人体，把看到、听到、感觉到的信息结果经大脑简单处理后再送回大脑进行分析。对于设备而言，传感器就是感觉器官，是外面数据最初的输入和感应。

人工智能在社会生活中正扮演着越来越重要的角色。一方面，神經网络和深度学习取得的突破，让人工智能真正地智能起来；另一方面，传感器的发展和进步，也使人工智能可以更敏锐地感觉外部的状态和变化，从而做出准确的判断。

目前无人驾驶汽车、无人机、工业机器人、社会服务机器人等人工智能形态渐渐进入人们的视线，它们与人类和环境全方位的交互，必然离不开传感器对外界信息的采集。可以说，传感器智能控制的灵魂，没有传感器的反馈，就无法实现智能控制，人工智能就只能被动地接受数据输入，“程序+机器”就无法变成真正的机器人。

人工智能的发展前景任重道远而又一片光明，在计算机技术和传感器技术的共同进步下，强AI的梦想就会离我们越来越近。AI的步伐，无论是一大步，还是一小步，都将是改变人类社会的每一步。endprint