传感器的分类及生活中常见的应用探析

许释元

（江苏省靖江市第一高级中学，江苏 泰州 214500）

近年来,随着信息技术的发展，特别是5G通信的普及，大大加快了智能化的脚步，大容量、高速率数据传输不仅使互联网功能越来越强大，无人驾驶，人工智能、万物互联也开始由设想逐步走向现实，在不久的将来，家用电器将实现互联互通，智能家居等新的科技产品将源源不断走入普通人的生活。作为实现自动化、智能化的基础和首要环节，传感器的应用将更加广泛，甚至将无处不在，满足各种状态感知需求的新型传感器将如雨后春笋般不断被研发出来。传感器的作用和地位越来越重要，随着信息化、智能化的飞速发展，相关基础领域的科研和生产引起了全社会的重视，越来越多的社会资源将流向该领域，越来越多的企业参与，越来越多的学子将踏足这个行业。本文对传感器的分类进行了梳理，能够让大众对传感器的分类和应用有基本的认识，提高对传感器的认知，为进一步学习研究提供基本资料。

1 传感器的原理和分类

1.1 传感器的基本原理

传感器就是一种负责采集、感知信息，并对信息进行初步处理，达到使用要求的装置，一般是将采集的各种各样信息统一转化为电压、电流信号，使其能够准确表达信息。测量和感知的是某个物体属性或者环境属性的变化，所以被测量通常是变化的、动态的，这种变化被测量后的信号需要转换为电信号以方便被通信技术传递和收集。

传感器的构成：一般由信息敏感（感知）元件、信息转换元件、变换电路三部分组成。

信息敏感元件负责采集、测量信息；信息转换元件把采集的信息进行转化，形成便于表达和分辨的信号，一般为电信号；变换电路对信号进行加工，形成按照一定规范、可准确可靠传输、识别判断的稳定信号，让信号符合下一步处理需要的标准，完成传感器信息采集的任务。

1.2 传感器的多种分类方法

按照不同的标准，从不同角度，不同的技术实现方式等，可以对传感器进行各种各样的种类划分。现将常采用的分类形式简单归纳如下。

（1）按工作原理分类。大致可以分为物理类（力、光、热、电等物理范畴）、化学类（产生化学变化的结果或现象采集）、生物学类（生长、增殖、分裂、和抗体指标等）三个类别。

（2）按传感器的输入信息分类。按这种分类法根据被测信号进行的分类，理解起来较为方便直观。如力、压力、光线、气体、浓度、黏度等传感器。

（3）按用途分类。比如，位置传感器、湿度传感器、速度传感器、温度传感器，等等。此外还有按应用范围和应用对象分类、按输出信号分类、按制造工艺、按构成分类、按作用形式分类、对应人类的五感分类、根据感知元件功能分类等等。当然，以上的只是常见的分类名称，传感器若细细研究起来，还是很有趣的，可根据任务需要灵活归类。为了避免传感器的名目过于繁多,常把多种信息结合起来命名，使得传感器更加方便查找和理解其原理、用途等。

2 传感器在日常生活常见应用

如今，手机已经成为现代人的万能工具，导航、计步、游戏，等等，实现这些功能，都离不开安装于手机中的一系列传感器，让手机变得便捷和智能。

2.1 智能手机中的主要传感器

主要有光线传感器、距离感应器、重力感应器、指纹传感器、陀螺仪、加速度传感器等。下面我们着重分析手机指纹识别传感器的应用。

2.2 主流指纹识别传感器

现在新上市的主流手机机型多采用两种指纹采集方式，应用不同的指纹识别传感器，一种是屏幕光学采集，另一种是home键电容采集。我们就以这两种指纹采集、识别传感器的应用为例来进行分析。我们的指纹是凹凸不平的，当能读取到这些特征，我们就能提取出指纹，我们常用的指纹识别有光学识别、电容识别这两种，而光学识别，常见于打卡机、屏下指纹；电容识别，常见于手机的模块识别，就是类似部分手机home键，背部指纹和侧边指纹识别，优点是速度快，缺点是必须单出占用一个模块来放电容板，那么两种方式是怎么识别指纹的呢？

（1）光学原理识别。就是在指纹识别模块的下面，放一个光源和一个接收器，当光照到我们凹凸不平的指纹上反射到接收器，接收器根据读取数据再描绘出我们指纹的纹路。根据屏幕的光源反射到屏下的接收器，最后再提取出我们指纹的特征点，例如，一些分叉，纹路等，就可以作为识别的依据了。光学原理指纹识别传感器是基于光线反射原理实现识别，屏幕内部设置的光源发出的光线，照射到手指表面，根据指纹纹路产生反射，屏下的光线传感器接收到光线反射信息，传感器根据光线明暗、强弱，将光信号转换成电信号，形成特定的信息进行传输、存储和识别，实现了光学原理下的指纹辨别（如图1～3）。

图1 指纹纹路

图2 光学识别原理

图3 光学识别实例

（2）电容原理识别。在手机上配置一块专门的电容传感器。当手指接触传感器时，独特的指纹信息被采集成电容信号，根据指纹间距离的不同，所形成的电容量大小也会不同，传感器负责将不易识别处理的非电学量转换为易于识别处理的电学量的设备。而对于指纹传感器，传感器测量的其实是距离。就像图4、图5，传感器在指纹上取点，有的点落在指纹的嵴上，有的落在沟里。落在嵴上的距离短，落在沟里的距离长。距离不同，电容式指纹传感器也会获得不同的电容值，对这些电容值进行测量就可以获得指纹图像。读出这些值就可以描绘出我们指纹的数据了，电容识别的优点是精度高速度快，缺点是需要占用一块单独的空间进行布置。

图4 电容识别实例

图5 电容识别原理

目前，大部分手机都应用了指纹识别技术，用于机主身份认证、安全解锁、移动支付密码等重要的功能，指纹识别是现代手机必备的一样功能，有着速度快、安全性高的特点，因为据目前的资料来看，每个人的指纹仍是独一无二的，还没有一个人的指纹是相同的，所以指纹识别作为安全识别还是很可靠的。这样让手机使用体验更好，指纹识别既能够保证安全，又能让用户体验更加方便快捷。

3 结语

传感器是网络信息、新兴产业的基础环节，目前已广泛应用于工农业生产、科学研究、文化传播等各种领域，深入现代人们生活的每个细节中，深刻影响着人们的工作和生活方式。传感器未来将迎来更大的发展，随着信息传输、人工智能技术的发展和运用，开启一个崭新的时代，这一行业的前景将广阔无限。传感器作为信息感知元件，其应用将更加普遍，也将有越来越多基于不同需求、不同技术路线、甚至我们在今天难以想象的新型传感器被研发出来，传感器必将在人类文明进步的道路上发挥越来越重要的作用。