前言

現(xiàn)實(shí)世界就是一個(gè)模擬信號(hào)的世界，人通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)等方式來(lái)感知世界。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，傳感器肩負(fù)起了“五官”的使命感知萬(wàn)物，萬(wàn)物互聯(lián)賦予人類(lèi)生活無(wú)邊的想象。

可以說(shuō)，當(dāng)前傳感器發(fā)展處于多領(lǐng)域全面開(kāi)花狀態(tài)。其細(xì)分產(chǎn)品之多，之繁雜，就連全部羅列出來(lái)都不是件容易的事。今天就來(lái)說(shuō)說(shuō)，在消費(fèi)領(lǐng)域常用的6款傳感器。

1.溫度傳感器

溫度傳感器使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段，分別是傳統(tǒng)的分立式、模擬集成及新型的智能溫度傳感器。新型溫度傳感器正向智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

溫度傳感器按傳感器與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是接觸式溫度傳感器，一類(lèi)是非接觸式溫度傳感器。

傳統(tǒng)溫度計(jì)原理

接觸式溫度傳感器的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象要有良好的熱接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡，這時(shí)的示值即為被測(cè)對(duì)象的溫度。這種測(cè)溫方法精度比較高，并可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的及對(duì)感溫元件有腐蝕作用的對(duì)象，這種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

非接觸測(cè)溫的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。 此種測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)是可測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對(duì)象，也可測(cè)溫度場(chǎng)的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。

舊蘋(píng)果加裝溫度傳感器

凡是需要對(duì)溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控、達(dá)到一定要求的地方都需要溫度傳感器。在消費(fèi)領(lǐng)域，溫度傳感器常用于探測(cè)室內(nèi)溫度變化。它能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)。當(dāng)溫度高時(shí)，空調(diào)開(kāi)端制冷，當(dāng)溫度低時(shí)，空調(diào)開(kāi)端制熱。

好基友：實(shí)際使用過(guò)程中，使用到溫度傳感器的地方也經(jīng)常會(huì)使用到濕度傳感器，同時(shí)裝2個(gè)很不方便也很占地方，所以?xún)烧呓?jīng)常集成在一起，形成溫濕度傳感器。

2.脈搏傳感器

脈搏傳感器，指的是用來(lái)檢測(cè)類(lèi)似心率的機(jī)器，一般常見(jiàn)的類(lèi)型主要是以光電為主，有分立式和一體式兩種，發(fā)射部份有采用可見(jiàn)光和紅外光。

常用的脈搏傳感器主要利用特定波長(zhǎng)的紅外線對(duì)血液變化的敏感性原理。由于心臟的周期性跳動(dòng)，引起被測(cè)血管中的血液在流速和容積上的規(guī)律性變化，經(jīng)過(guò)信號(hào)的降噪和放大處理，計(jì)算出當(dāng)前的心跳次數(shù)。

值得一提的是，根據(jù)不同人的膚色深淺不同，同一款心律傳感器發(fā)出的紅外線穿透皮膚和經(jīng)皮膚反射的強(qiáng)弱也不同，這造成了測(cè)量結(jié)果方面一定的誤差。通常情況下一個(gè)人的膚色越深，則紅外線就越難從血管反射回來(lái)，從而對(duì)測(cè)量誤差的影響就越大。

所以大多數(shù)手環(huán)和手表測(cè)出的心率基本都不是完全準(zhǔn)確的，但基本能正確地反映出心率變化趨勢(shì)，對(duì)于普通人的運(yùn)動(dòng)心率監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)已經(jīng)夠用。

脈搏傳感器主要應(yīng)用在各種可穿戴設(shè)備和智能醫(yī)療器械上。典型應(yīng)用是iWatch。

3.煙霧傳感器

煙霧傳感器就是通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被成熟運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中。

煙霧傳感器根據(jù)探測(cè)原理的不同，常用的有化學(xué)探測(cè)和光學(xué)探測(cè)兩種。前者利用了放射性镅241元素，在電離狀態(tài)下產(chǎn)生的正、負(fù)離子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓和電流。一旦有煙霧進(jìn)入傳感器，影響了正、負(fù)離子的正常運(yùn)動(dòng)，使電壓和電流產(chǎn)生了相應(yīng)變化，通過(guò)計(jì)算就能判斷煙霧的強(qiáng)弱。

后者通過(guò)光敏材料，正常情況下光線能完全照射在光敏材料上，產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓和電流。而一旦有煙霧進(jìn)入傳感器，則會(huì)影響光線的正常照射，從而產(chǎn)生波動(dòng)的電壓和電流，通過(guò)計(jì)算也能判斷出煙霧的強(qiáng)弱。

光電煙霧傳感器原理

煙霧傳感器廣泛應(yīng)用在火情報(bào)警和安全探測(cè)等領(lǐng)域。主要與弱電控制系統(tǒng)配合使用，也是智能家居和安防主機(jī)的最佳配備產(chǎn)品。比如小米推出的煙霧傳感器就是一個(gè)單品。

4.角速度傳感器

對(duì)于角速度傳感器，很多人可能會(huì)比較陌生，不過(guò)，如果提到它的另一個(gè)名字——陀螺儀，相信有不少人知道。

陀螺儀，是一種用來(lái)感測(cè)與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量不滅的理論設(shè)計(jì)出來(lái)的。陀螺儀一旦開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。

角速度傳感器的原理通俗地說(shuō)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。大家如果玩過(guò)陀螺就會(huì)知道，旋轉(zhuǎn)的陀螺遇到外力時(shí)，它的軸的方向是不會(huì)隨著外力的方向發(fā)生改變的。我們騎自行車(chē)其實(shí)也是利用了這個(gè)原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因?yàn)檐?chē)軸有一股保持水平的力量。

三軸陀螺儀動(dòng)態(tài)展示圖

人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來(lái)保持方向，制造出來(lái)的東西就叫做陀螺儀，然后再用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。

單軸的角速度傳感器只能測(cè)量單一方向的改變，因此一般的系統(tǒng)要測(cè)量 X、Y、Z 軸三個(gè)方向的改變，就需要三個(gè)單軸的角速度傳感器。目前通用的一個(gè) 3 軸角速度傳感器就能替代三個(gè)單軸的，而且還有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此各種形態(tài)的 3 軸角速度傳感器是目前主要的發(fā)展趨勢(shì)。

最常見(jiàn)的角速度傳感器使用場(chǎng)景就是手機(jī)，如賽車(chē)類(lèi)手游就是通過(guò)角速度傳感器的作用產(chǎn)生汽車(chē)左右搖擺的交互模式。除了手機(jī)，角速度傳感器還被廣泛應(yīng)用在 AR／VR 以及無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。

如果說(shuō)溫濕度是一對(duì)好基友，那么角速度跟加速度就是同胞兄弟。加速度傳感器有兩種：一種是角加速度傳感器，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進(jìn)的。另一種是線加速度傳感器。在要求相對(duì)不高的場(chǎng)合，一個(gè)基于陀螺儀的傳感器，可以做到既能測(cè)量?jī)A角，也可以測(cè)量加速度。

5.距離傳感器

距離傳感器有多種結(jié)構(gòu)原理，即使用途相同的距離傳感器也有多種不同的構(gòu)造和原理。常用的測(cè)量方法叫做飛行時(shí)間法。

飛行時(shí)間（flying time）原理

通過(guò)發(fā)射并測(cè)量特定的能量波束從發(fā)射到被物體反射回來(lái)的時(shí)間，并由這個(gè)時(shí)間間隔來(lái)推算與物體之間的距離。這個(gè)特定的能量波束可以是超聲波，激光，紅外光、雷達(dá)等。這種傳感器的測(cè)量精度很高，可以精確測(cè)量距離。

距離傳感器自投放使用以來(lái)，在社會(huì)各個(gè)應(yīng)用方面都得到普及，從防盜安防產(chǎn)品到工業(yè)物位料位檢測(cè)，汽車(chē)防追尾預(yù)警、霧天防撞，機(jī)場(chǎng)空中飛鳥(niǎo)探測(cè)驅(qū)趕、智能化控制等。

將紅外距離傳感器技術(shù)應(yīng)用在監(jiān)控?cái)z像機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)功能，如入侵檢測(cè)，通過(guò)視頻分析還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)的其他應(yīng)用程序，如違規(guī)停車(chē)，機(jī)動(dòng)巡邏對(duì)象，圍欄攀爬，交行，走錯(cuò)了方向等。

6.氣壓傳感器

氣壓傳感器是一種能夠測(cè)量絕對(duì)大氣壓強(qiáng)的元件，主要是通過(guò)將敏感元件大氣壓轉(zhuǎn)換可被電路處理的電量值。大氣層就如同裹在地球表面上的“被子”，大氣壓是由空氣的重力產(chǎn)生的，在不同的海拔高度時(shí)，大氣壓強(qiáng)也會(huì)隨之發(fā)生變化。氣壓傳感器除了直接測(cè)量氣壓的大小外，另外一個(gè)作用就是間接地對(duì)海拔高度進(jìn)行測(cè)量。

空氣壓縮機(jī)的氣壓傳感器主要的傳感元件是一個(gè)對(duì)氣壓傳感器內(nèi)的強(qiáng)弱敏感的薄膜和一個(gè)頂針開(kāi)控制，電路方面它連接了一個(gè)柔性電阻器。當(dāng)被測(cè)氣體的壓力降低或升高時(shí)，這個(gè)薄膜變形帶動(dòng)頂針，同時(shí)該電阻器的阻值將會(huì)改變。電阻器的阻值發(fā)生變化。從傳感元件取得0-5V的信號(hào)電壓，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)采集器接受，然后數(shù)據(jù)采集器以適當(dāng)?shù)男问桨呀Y(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)。

擴(kuò)散硅式壓力傳感器

很多空氣的氣壓傳感器的主要部件為變?nèi)菔焦枘ず小．?dāng)該變?nèi)莨枘ず型饨绱髿鈮毫Πl(fā)生變化時(shí)頂針動(dòng)作，單晶硅膜盒隨著發(fā)生彈性變形，從而引起硅膜盒平行板電容器電容量的變化來(lái)控制氣壓傳感器。

在應(yīng)用方面，氣壓傳感器不論是在室內(nèi)還是室外環(huán)境中能夠使無(wú)人機(jī)、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備以及其他移動(dòng)設(shè)備精準(zhǔn)地識(shí)別高度變化。

另外，氣壓傳感器內(nèi)部集成了一些高度算法可以做高度計(jì)算。最典型的應(yīng)用是在三維GPS導(dǎo)航里面。現(xiàn)在很多城市都有高架，那你在高架上還是高架下，氣壓傳感器精度在30cm內(nèi)很容易解決這個(gè)問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

正如開(kāi)頭所說(shuō)，除了上述提到的傳感器還有很多。它們的工作原理雖然各有不同，但最基本的原理都是上述提到的，即通過(guò)光、聲、化學(xué)等原理將待測(cè)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，只不過(guò)大多都根據(jù)特定的領(lǐng)域在一般原理的基礎(chǔ)上做了升級(jí)和擴(kuò)展。

自從工業(yè)時(shí)代被發(fā)明以來(lái)，傳感器就在生產(chǎn)控制和探測(cè)計(jì)量等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在物聯(lián)網(wǎng)的帶動(dòng)下，傳感器正迎來(lái)它的第三個(gè)春天。