華東師范大學(xué)教授：生活中的傳感器

大家·科技前沿

李波

華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師

當(dāng)我們逛街購(gòu)物時(shí)，很多商店的大門都會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，迎接顧客的到來(lái)；盥洗室里的水龍頭會(huì)在你需要的時(shí)候自動(dòng)出水，從而帶來(lái)更加衛(wèi)生的環(huán)境；煙霧報(bào)警器不知疲倦，全年無(wú)休地排查周圍的隱患，保證環(huán)境的安全；當(dāng)我們選好了心儀的商品，掃碼支付將結(jié)賬變得更加方便快捷……這都離不開(kāi)傳感器的幫忙。其實(shí)，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(xué)等方面都有極為重要的應(yīng)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。

人類感官的局限

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(rèn)識(shí)世界，我們進(jìn)化出了與生俱來(lái)的感知能力，可以看海、聽(tīng)風(fēng)、品香……我們通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)這五感來(lái)獲取信息。離開(kāi)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(huì)陷入無(wú)盡黑暗，不知“身”在何處。

隨著認(rèn)知的進(jìn)步，人們漸漸發(fā)現(xiàn)五感并不完美。我們無(wú)法像候鳥那樣感受磁場(chǎng)的信息；我們無(wú)法像蝙蝠那樣聽(tīng)到超出人耳聽(tīng)覺(jué)極限的超聲波……就拿視覺(jué)來(lái)說(shuō)，在這里我們提出三個(gè)問(wèn)題。

第一個(gè)問(wèn)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(jī)信號(hào)電磁波；我們看不到微波爐加熱食物時(shí)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(lái)殺菌的紫外光；我們看不到用來(lái)測(cè)溫、理療、遙控、夜視的紅外光……

其實(shí)人的眼睛能夠看到的電磁波段非常有限，我們稱這段波長(zhǎng)在400 nm到760 nm之間的電磁波為可見(jiàn)光，它在整個(gè)電磁波中只占了非常非常窄的一個(gè)窗口。我們可以做一個(gè)有色眼鏡人的比喻，如果一個(gè)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(zhǎng)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(huì)驚嘆眼前這個(gè)新的、豐富多彩的世界。那么我們有沒(méi)有辦法摘掉“可見(jiàn)光”這副眼鏡呢？

第二個(gè)問(wèn)題：我們能看到所有的可見(jiàn)光么？你也許會(huì)覺(jué)得很奇怪，可見(jiàn)光不就是可以被看見(jiàn)的光么？不妨設(shè)想一下，你能否分辨夜晚月色下花瓣的細(xì)節(jié)？你能否直視太陽(yáng)來(lái)觀察其可能存在的太陽(yáng)黑子？結(jié)果告訴我們，如果發(fā)光物體太暗或者太亮，我們無(wú)法看清它真實(shí)的形狀。我們的眼睛對(duì)于光的強(qiáng)度也是有一定的響應(yīng)范圍。

第三個(gè)問(wèn)題：如果是可見(jiàn)光，強(qiáng)度也適中，那么就一定能夠看到事物的真實(shí)面貌么？我們無(wú)法細(xì)數(shù)飛行中蜂鳥的翅膀有幾根羽毛。這是因?yàn)槿搜垌憫?yīng)的光信號(hào)傳遞到大腦需要一定的時(shí)間，也就是人眼的時(shí)間分辨本領(lǐng)。太快的景象我們無(wú)法看清楚。

看到這里，大家也許會(huì)有些許的失落，原來(lái)我們只能看到真實(shí)世界的一小部分。其實(shí)我們無(wú)需沮喪，這是人類進(jìn)化過(guò)程中遵循能量最優(yōu)和效率最高原則的結(jié)果。我們自然地選擇了太陽(yáng)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(jià)來(lái)獲得盡可能多的信息。因此，這樣一種有限光波長(zhǎng)范圍的感知對(duì)我們來(lái)說(shuō)其實(shí)是最有利的選擇。

電磁波波譜

人類天性之一的好奇心驅(qū)使著我們?nèi)チ私?，去探索未知的世界。隨著時(shí)代的發(fā)展，人類五感所能感知的信息，已經(jīng)無(wú)法跟上人們對(duì)世界不斷探索的步伐。科技的發(fā)展帶給了我們?cè)鰪?qiáng)和拓展五感的可能。用來(lái)感知不同信息的器件相繼問(wèn)世，我們不僅在縱向上增強(qiáng)了五感的能力，“看”到了越來(lái)越多的色彩，“聽(tīng)”到了越來(lái)越多的聲音，“感覺(jué)”到更微弱的信息，“察覺(jué)”出更細(xì)微的不同……同時(shí)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(chǎng)的本領(lǐng)，能洞悉他人內(nèi)心想法的能力……

這些幫助我們?nèi)タ?、去?tīng)、去感受未知世界的工具被稱為“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(kāi)啟新大門的鑰匙，帶著我們感知曾經(jīng)無(wú)法觸及的世界。

傳感器實(shí)現(xiàn)信息感知

傳感器的使命是感知并傳遞信息。當(dāng)我們想要獲取某個(gè)信息時(shí)，需要找到與其相匹配的傳感器。比如當(dāng)我們想要記錄眼前的美景，就需要用到感受光信號(hào)的光電傳感器；當(dāng)我們進(jìn)行健康檢測(cè)時(shí)，會(huì)借助測(cè)量溫度和體重的溫度傳感器和壓力傳感器。

那么傳感器如何實(shí)現(xiàn)信息的感知？

能量可以在光、聲、熱、電磁等形式之間相互轉(zhuǎn)換。略加觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)身邊有很多這樣的實(shí)例。

當(dāng)我們打開(kāi)電燈的開(kāi)關(guān)，燈泡會(huì)發(fā)光，這正是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?；?yáng)光照射在太陽(yáng)能電池上，電路中就會(huì)有電流流過(guò)，對(duì)應(yīng)的是光能轉(zhuǎn)化為電能；陽(yáng)光能驅(qū)散寒冷，是因?yàn)楣饽苻D(zhuǎn)換成了熱能，從而帶來(lái)了溫暖；當(dāng)我們打開(kāi)音響聆聽(tīng)美妙的音樂(lè)時(shí)，電能轉(zhuǎn)變成了喇叭振動(dòng)膜的機(jī)械能，從而發(fā)出了聲音；當(dāng)我們拿起話筒放聲高歌時(shí)，聲音攜帶的能量則轉(zhuǎn)變成為電能；電水壺?zé)?、電飯鍋煮飯是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而火電廠發(fā)電則通過(guò)熱能來(lái)產(chǎn)生電能。

能量之間的相互轉(zhuǎn)換都有一定的物理機(jī)制與其相對(duì)應(yīng)。這也就保證了不管想要觀測(cè)什么信息，我們幾乎都能找到一定的機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)將待觀測(cè)信號(hào)直接或者間接地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的感知功能。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，不同功能、不同用途的傳感器大約有3萬(wàn)多種。

我們可以按其實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)分類，有用來(lái)“看”的可見(jiàn)光傳感器，紅外光傳感器，紫外光傳感器；有用來(lái)“聽(tīng)”的動(dòng)圈麥克風(fēng)，電容麥克風(fēng)，超聲波傳感器，次聲波傳感器；有用來(lái)“聞”的氣體傳感器；有用來(lái)“品”的分子傳感器；以及有用來(lái)“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(jí)別的分子傳感器，到手機(jī)里眾多的微傳感器；從相機(jī)里的光電傳感器陣列，到空間望遠(yuǎn)鏡上的光電焦平面。還有最新的可穿戴柔性傳感器，具備多種功能的復(fù)合傳感器，以及能夠自診斷、自補(bǔ)償、自適應(yīng)的智能化傳感器。

手機(jī)里的傳感器

五花八門、種類繁多的傳感器早已進(jìn)入了我們的生活生產(chǎn)之中。我們就以生活工作離不開(kāi)的手機(jī)為例來(lái)看看都有哪些傳感器。當(dāng)你拿起手機(jī)解鎖屏幕時(shí)，指紋傳感器讀取了你的指紋，或者攝像頭對(duì)你的面部進(jìn)行了拍照，然后將相關(guān)信息傳遞給中央處理器進(jìn)行比對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)指紋或者面部識(shí)別解鎖。愛(ài)思考的你可能會(huì)問(wèn)，既然面部識(shí)別是通過(guò)拍攝的照片來(lái)讀取特征信息，那么用一張大小相當(dāng)?shù)恼掌瑏?lái)代替真人不也可以達(dá)到解鎖的目的么？以及在晚上黑暗的環(huán)境中，或者無(wú)法拍照的情況下，又是如何通過(guò)面部識(shí)別來(lái)解鎖呢？

為了填補(bǔ)這些漏洞，具有面部識(shí)別功能的手機(jī)同時(shí)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(diǎn)陣投影器等模塊。光度傳感器的作用是感受環(huán)境光的強(qiáng)度并告知中央處理器，如果處理器發(fā)現(xiàn)光線太暗，將自動(dòng)開(kāi)啟紅外照明來(lái)補(bǔ)光。點(diǎn)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(jié)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(shí)別技術(shù)和二維的相比大大提高了安全性，杜絕了通過(guò)照片解鎖的風(fēng)險(xiǎn)。紅外補(bǔ)光和拍照幫助我們?cè)诤诎档沫h(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(gè)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(dāng)然，這些傳感器也并不一定只服務(wù)于解鎖屏幕這一項(xiàng)功能。

比如，中央處理器會(huì)通過(guò)光度傳感器所測(cè)得的環(huán)境光強(qiáng)信息來(lái)改變屏幕的亮度，從而實(shí)現(xiàn)屏幕亮度隨著環(huán)境明暗程度不同來(lái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以方便我們?cè)诓煌沫h(huán)境光強(qiáng)下都能清晰地看到屏幕顯示的內(nèi)容。手機(jī)中還有用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度的陀螺儀，用來(lái)感知運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的加速度傳感器和重力傳感器，用來(lái)反映海拔高度的氣壓傳感器，用來(lái)接收衛(wèi)星信號(hào)的傳感器，這些傳感器的組合賦予手機(jī)導(dǎo)航的能力。手機(jī)中還有許多其他類型的傳感器，每加入一個(gè)新的傳感器，手機(jī)的功能就會(huì)得到一定的拓展或增加，手機(jī)也就變得比原來(lái)更加聰明，更加智能！如今的智能手機(jī)更像是一個(gè)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(yuǎn)鏡配備的近紅外相機(jī)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(huì)遇到能夠像鼻子一樣具有嗅覺(jué)功能的傳感器。比如用來(lái)預(yù)防火災(zāi)的煙霧探測(cè)器，空氣凈化器里專門用來(lái)聞甲醛氣味的氣體傳感器。此外，為了保證大家安全出行，交通警察手里拿的呼氣式酒精含量檢測(cè)儀是專門用來(lái)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(méi)有酒味。

拍照是當(dāng)今社會(huì)人們的一項(xiàng)基本技能，當(dāng)你按下快門的瞬間，風(fēng)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(lái)。除了相機(jī)里的攝像頭，還有用來(lái)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(kāi)里面的CCD等圖像傳感器。在眾多用來(lái)“看”世界的傳感器中，紅外傳感器絕對(duì)處于中心。小到電動(dòng)門的紅外感應(yīng)器、電子測(cè)溫儀，大到空間望遠(yuǎn)鏡上的紅外焦平面，核心都是紅外傳感器。

最具科技性的當(dāng)屬2021年12月25日發(fā)射升空的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡。它擁有兩個(gè)紅外傳感器，分別用來(lái)探測(cè)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(gè)紅外之眼的加持下，韋布空間望遠(yuǎn)鏡可以研究宇宙的誕生和成長(zhǎng)，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(diào)、電冰箱、電飯鍋、電水壺、電烤箱等能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)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(dāng)下人們最為關(guān)心的話題，體檢中幾乎每一個(gè)項(xiàng)目都有傳感器的參與。電子體重計(jì)、心電圖、B超、X射線、骨密度、血液檢測(cè)等都涉及相應(yīng)的傳感器?，F(xiàn)在，一些傳感器被集成在了可穿戴設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)身體健康情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)下最具代表性的可穿戴設(shè)備非智能手表莫屬，除了顯示時(shí)間，還具有測(cè)心率，心電圖，血氧含量甚至測(cè)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(yuǎn)的將來(lái)，我們可以在體內(nèi)植入一些微型傳感器芯片來(lái)全天候關(guān)注身體的健康狀況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自身最好的保護(hù)。

手機(jī)信號(hào)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙傳輸?shù)榷紝儆陔姶判盘?hào)，相應(yīng)的手機(jī)終端、無(wú)線網(wǎng)卡、藍(lán)牙接收器也就需要具有感知電磁信號(hào)的能力。人類五感所感受到的信息都是以電信號(hào)的形式傳遞給大腦，大腦在處理信息的過(guò)程中也會(huì)伴隨著腦電的活動(dòng)，因此，不管是醫(yī)學(xué)輔助檢查，還是對(duì)人腦的探索研究，都可以借助電磁傳感器來(lái)捕捉人腦活動(dòng)時(shí)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(yīng)。在醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)等領(lǐng)域存在著巨大的應(yīng)用潛力。柔性傳感器是可穿戴設(shè)備、運(yùn)動(dòng)輔助、健康管理、人造電子皮膚等方面未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。將柔性傳感器植入體內(nèi)可以更好地檢測(cè)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(lái)給予它們特殊關(guān)照。柔性傳感器也有望用來(lái)替換我們隨著年齡老化的感覺(jué)器官?；谌嵝詡鞲衅鞯娜斯る娮悠つw也是仿真機(jī)器人是否能夠“以假亂真”的關(guān)鍵。

智能時(shí)代的傳感器

傳感器是智能時(shí)代的基石，智能化系統(tǒng)是智能時(shí)代的核心。動(dòng)態(tài)感知、智慧識(shí)別和自動(dòng)反應(yīng)則是實(shí)現(xiàn)智能化系統(tǒng)的三大關(guān)鍵，就好比我們的五官、大腦和四肢。 比如頗具雛形的自動(dòng)駕駛，就是當(dāng)下備受關(guān)注的智能化系統(tǒng)。汽車的雷達(dá)動(dòng)態(tài)感知周圍的情況，汽車的中央處理器從動(dòng)態(tài)感知到的信息中智慧識(shí)別出車道、行人、車輛、建筑和路標(biāo)等主體，以及這些主體的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。然后借助“智慧”對(duì)這些主體后續(xù)出現(xiàn)的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，結(jié)合速度、方向等傳感器提供的車輛行駛參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)油門和方向盤來(lái)保持車道，從而不偏離航線。如果預(yù)判有危險(xiǎn)發(fā)生，將立即采取措施，自動(dòng)啟動(dòng)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行剎車。這樣智能化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要高度靈敏的傳感器來(lái)對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確的感知。

可以看出，在人類科技發(fā)展的過(guò)程中，傳感器變得越來(lái)越重要。智能時(shí)代正向我們走來(lái)，未來(lái)已來(lái)，將至已至！從狹義上來(lái)講，當(dāng)我們將這些傳感器和處理器集中于獨(dú)立的個(gè)體時(shí)，就能創(chuàng)造出像機(jī)器人、智能汽車等會(huì)“思考”的機(jī)器。進(jìn)一步從廣義上看，當(dāng)我們將所有的物品配備上相應(yīng)的傳感器，并實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)，將開(kāi)啟智能時(shí)代，構(gòu)造出一個(gè)智能的生態(tài)系統(tǒng)，創(chuàng)造出一個(gè)智慧的地球。

審核編輯 黃宇