華東師范大學教授：生活中的傳感器

大家·科技前沿

李波

華東師范大學物理與電子科學學院教授，博士生導師

當我們逛街購物時，很多商店的大門都會自動打開，迎接顧客的到來；盥洗室里的水龍頭會在你需要的時候自動出水，從而帶來更加衛生的環境；煙霧報警器不知疲倦，全年無休地排查周圍的隱患，保證環境的安全；當我們選好了心儀的商品，掃碼支付將結賬變得更加方便快捷……這都離不開傳感器的幫忙。其實，傳感器早已深深地融入到了我們的生活中，它在軍事、農業、科學等方面都有極為重要的應用。只要你用心尋找，目光所至之處，幾乎都能發現傳感器的影子。

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。為了能更好地認識世界，我們進化出了與生俱來的感知能力，可以看海、聽風、品香……我們通過視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺這五感來獲取信息。離開了五感，我們將失去與外界聯系的橋梁，大腦接收不到任何信息，我們也會陷入無盡黑暗，不知“身”在何處。

隨著認知的進步，人們漸漸發現五感并不完美。我們無法像候鳥那樣感受磁場的信息；我們無法像蝙蝠那樣聽到超出人耳聽覺極限的超聲波……就拿視覺來說，在這里我們提出三個問題。

第一個問題：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信號電磁波；我們看不到微波爐加熱食物時發出的微波波段電磁波；我們看不到能夠曬黑皮膚，也能用來殺菌的紫外光；我們看不到用來測溫、理療、遙控、夜視的紅外光……

其實人的眼睛能夠看到的電磁波段非常有限，我們稱這段波長在400 nm到760 nm之間的電磁波為可見光，它在整個電磁波中只占了非常非常窄的一個窗口。我們可以做一個有色眼鏡人的比喻，如果一個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，一定會驚嘆眼前這個新的、豐富多彩的世界。那么我們有沒有辦法摘掉“可見光”這副眼鏡呢？

第二個問題：我們能看到所有的可見光么？你也許會覺得很奇怪，可見光不就是可以被看見的光么？不妨設想一下，你能否分辨夜晚月色下花瓣的細節？你能否直視太陽來觀察其可能存在的太陽黑子？結果告訴我們，如果發光物體太暗或者太亮，我們無法看清它真實的形狀。我們的眼睛對于光的強度也是有一定的響應范圍。

第三個問題：如果是可見光，強度也適中，那么就一定能夠看到事物的真實面貌么？我們無法細數飛行中蜂鳥的翅膀有幾根羽毛。這是因為人眼響應的光信號傳遞到大腦需要一定的時間，也就是人眼的時間分辨本領。太快的景象我們無法看清楚。

看到這里，大家也許會有些許的失落，原來我們只能看到真實世界的一小部分。其實我們無需沮喪，這是人類進化過程中遵循能量最優和效率最高原則的結果。我們自然地選擇了太陽光中最“富有”的波段，也就是彩虹的顏色。這樣才能在有限的條件下，以最少的代價來獲得盡可能多的信息。因此，這樣一種有限光波長范圍的感知對我們來說其實是最有利的選擇。

電磁波波譜

人類天性之一的好奇心驅使著我們去了解，去探索未知的世界。隨著時代的發展，人類五感所能感知的信息，已經無法跟上人們對世界不斷探索的步伐?？萍嫉陌l展帶給了我們增強和拓展五感的可能。用來感知不同信息的器件相繼問世，我們不僅在縱向上增強了五感的能力，“看”到了越來越多的色彩，“聽”到了越來越多的聲音，“感覺”到更微弱的信息，“察覺”出更細微的不同……同時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的本領，能洞悉他人內心想法的能力……

這些幫助我們去看、去聽、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。傳感器就是那把開啟新大門的鑰匙，帶著我們感知曾經無法觸及的世界。

傳感器實現信息感知

傳感器的使命是感知并傳遞信息。當我們想要獲取某個信息時，需要找到與其相匹配的傳感器。比如當我們想要記錄眼前的美景，就需要用到感受光信號的光電傳感器；當我們進行健康檢測時，會借助測量溫度和體重的溫度傳感器和壓力傳感器。

那么傳感器如何實現信息的感知？

能量可以在光、聲、熱、電磁等形式之間相互轉換。略加觀察，就會發現身邊有很多這樣的實例。

當我們打開電燈的開關，燈泡會發光，這正是將電能轉變為光能；陽光照射在太陽能電池上，電路中就會有電流流過，對應的是光能轉化為電能；陽光能驅散寒冷，是因為光能轉換成了熱能，從而帶來了溫暖；當我們打開音響聆聽美妙的音樂時，電能轉變成了喇叭振動膜的機械能，從而發出了聲音；當我們拿起話筒放聲高歌時，聲音攜帶的能量則轉變成為電能；電水壺燒水、電飯鍋煮飯是將電能轉變為熱能，而火電廠發電則通過熱能來產生電能。

能量之間的相互轉換都有一定的物理機制與其相對應。這也就保證了不管想要觀測什么信息，我們幾乎都能找到一定的機理來實現將待觀測信號直接或者間接地轉變為電信號，從而實現傳感器的感知功能。

據不完全統計，不同功能、不同用途的傳感器大約有3萬多種。

我們可以按其實現的功能來分類，有用來“看”的可見光傳感器，紅外光傳感器，紫外光傳感器；有用來“聽”的動圈麥克風，電容麥克風，超聲波傳感器，次聲波傳感器；有用來“聞”的氣體傳感器；有用來“品”的分子傳感器；以及有用來“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：從小到分子級別的分子傳感器，到手機里眾多的微傳感器；從相機里的光電傳感器陣列，到空間望遠鏡上的光電焦平面。還有最新的可穿戴柔性傳感器，具備多種功能的復合傳感器，以及能夠自診斷、自補償、自適應的智能化傳感器。

手機里的傳感器

五花八門、種類繁多的傳感器早已進入了我們的生活生產之中。我們就以生活工作離不開的手機為例來看看都有哪些傳感器。當你拿起手機解鎖屏幕時，指紋傳感器讀取了你的指紋，或者攝像頭對你的面部進行了拍照，然后將相關信息傳遞給中央處理器進行比對來實現指紋或者面部識別解鎖。愛思考的你可能會問，既然面部識別是通過拍攝的照片來讀取特征信息，那么用一張大小相當的照片來代替真人不也可以達到解鎖的目的么？以及在晚上黑暗的環境中，或者無法拍照的情況下，又是如何通過面部識別來解鎖呢？

為了填補這些漏洞，具有面部識別功能的手機同時還配備了光度傳感器、近距離傳感器、紅外傳感器、紅外照明和點陣投影器等模塊。光度傳感器的作用是感受環境光的強度并告知中央處理器，如果處理器發現光線太暗，將自動開啟紅外照明來補光。點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。三維面部識別技術和二維的相比大大提高了安全性，杜絕了通過照片解鎖的風險。紅外補光和拍照幫助我們在黑暗的環境中也可以輕松解鎖屏幕。

可以看到，僅僅是解鎖屏幕這個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。當然，這些傳感器也并不一定只服務于解鎖屏幕這一項功能。

比如，中央處理器會通過光度傳感器所測得的環境光強信息來改變屏幕的亮度，從而實現屏幕亮度隨著環境明暗程度不同來進行自動調節，以方便我們在不同的環境光強下都能清晰地看到屏幕顯示的內容。手機中還有用來測量轉動角度的陀螺儀，用來感知運動姿態的加速度傳感器和重力傳感器，用來反映海拔高度的氣壓傳感器，用來接收衛星信號的傳感器，這些傳感器的組合賦予手機導航的能力。手機中還有許多其他類型的傳感器，每加入一個新的傳感器，手機的功能就會得到一定的拓展或增加，手機也就變得比原來更加聰明，更加智能！如今的智能手機更像是一個智能終端，接打電話已經不再是它的主要功能。

韋布空間望遠鏡配備的近紅外相機傳感器（0.6微米到5微米），中心部分為碲化汞鎘薄膜

我們日常生活中還會遇到能夠像鼻子一樣具有嗅覺功能的傳感器。比如用來預防火災的煙霧探測器，空氣凈化器里專門用來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儀是專門用來感知酒精的傳感器，它可以“聞一聞”駕駛員呼出的氣體中有沒有酒味。

拍照是當今社會人們的一項基本技能，當你按下快門的瞬間，風景也好，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。除了相機里的攝像頭，還有用來監控的攝像頭，這些能夠像眼睛一樣“看”的系統，都離不開里面的CCD等圖像傳感器。在眾多用來“看”世界的傳感器中，紅外傳感器絕對處于中心。小到電動門的紅外感應器、電子測溫儀，大到空間望遠鏡上的紅外焦平面，核心都是紅外傳感器。

最具科技性的當屬2021年12月25日發射升空的詹姆斯·韋布空間望遠鏡。它擁有兩個紅外傳感器，分別用來探測0.6微米到5微米的波段，以及5微米到28微米的波段。在這兩個紅外之眼的加持下，韋布空間望遠鏡可以研究宇宙的誕生和成長，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、電冰箱、電飯鍋、電水壺、電烤箱等能夠實現對溫度的自動控制。它們都用到了能夠模仿人類皮膚感知冷熱的溫度傳感器。

健康是當下人們最為關心的話題，體檢中幾乎每一個項目都有傳感器的參與。電子體重計、心電圖、B超、X射線、骨密度、血液檢測等都涉及相應的傳感器?，F在，一些傳感器被集成在了可穿戴設備上，從而實現了對身體健康情況的實時監測。當下最具代表性的可穿戴設備非智能手表莫屬，除了顯示時間，還具有測心率，心電圖，血氧含量甚至測量血壓的功能。這些功能涉及壓力傳感器、心電圖（ECG）傳感器和光電傳感器。也許在不遠的將來，我們可以在體內植入一些微型傳感器芯片來全天候關注身體的健康狀況，從而實現對自身最好的保護。

手機信號、無線網絡、藍牙傳輸等都屬于電磁信號，相應的手機終端、無線網卡、藍牙接收器也就需要具有感知電磁信號的能力。人類五感所感受到的信息都是以電信號的形式傳遞給大腦，大腦在處理信息的過程中也會伴隨著腦電的活動，因此，不管是醫學輔助檢查，還是對人腦的探索研究，都可以借助電磁傳感器來捕捉人腦活動時產生的腦電波（EEG）。

相比于常規傳感器，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。在醫學、仿生學等領域存在著巨大的應用潛力。柔性傳感器是可穿戴設備、運動輔助、健康管理、人造電子皮膚等方面未來發展的必然趨勢。將柔性傳感器植入體內可以更好地檢測身體的健康情況。我們甚至可以將柔性傳感器安放在心臟、大腦的旁邊來給予它們特殊關照。柔性傳感器也有望用來替換我們隨著年齡老化的感覺器官?；谌嵝詡鞲衅鞯娜斯る娮悠つw也是仿真機器人是否能夠“以假亂真”的關鍵。

智能時代的傳感器

傳感器是智能時代的基石，智能化系統是智能時代的核心。動態感知、智慧識別和自動反應則是實現智能化系統的三大關鍵，就好比我們的五官、大腦和四肢。 比如頗具雛形的自動駕駛，就是當下備受關注的智能化系統。汽車的雷達動態感知周圍的情況，汽車的中央處理器從動態感知到的信息中智慧識別出車道、行人、車輛、建筑和路標等主體，以及這些主體的位置和運動軌跡。然后借助“智慧”對這些主體后續出現的位置進行預測。同時，結合速度、方向等傳感器提供的車輛行駛參數，自動調節油門和方向盤來保持車道，從而不偏離航線。如果預判有危險發生，將立即采取措施，自動啟動液壓控制系統進行剎車。這樣智能化系統的實現需要高度靈敏的傳感器來對環境進行精確的感知。

可以看出，在人類科技發展的過程中，傳感器變得越來越重要。智能時代正向我們走來，未來已來，將至已至！從狹義上來講，當我們將這些傳感器和處理器集中于獨立的個體時，就能創造出像機器人、智能汽車等會“思考”的機器。進一步從廣義上看，當我們將所有的物品配備上相應的傳感器，并實現萬物互聯時，將開啟智能時代，構造出一個智能的生態系統，創造出一個智慧的地球。

審核編輯 黃宇