华东师范大学教授：生活中的传感器

大家·科技前沿

李波

华东师范大学物理与电子科学学院教授，博士生导师

当我们逛街购物时，很多商店的大门都会自动打开，迎接顾客的到来；盥洗室里的水龙头会在你需要的时候自动出水，从而带来更加卫生的环境；烟雾报警器不知疲倦，全年无休地排查周围的隐患，保证环境的安全；当我们选好了心仪的商品，扫码支付将结账变得更加方便快捷……这都离不开传感器的帮忙。其实，传感器早已深深地融入到了我们的生活中，它在军事、农业、科学等方面都有极为重要的应用。只要你用心寻找，目光所至之处，几乎都能发现传感器的影子。

人类感官的局限

传感器，顾名思义就是感受并传递信息的器件。为了能更好地认识世界，我们进化出了与生俱来的感知能力，可以看海、听风、品香……我们通过视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉这五感来获取信息。离开了五感，我们将失去与外界联系的桥梁，大脑接收不到任何信息，我们也会陷入无尽黑暗，不知“身”在何处。

随着认知的进步，人们渐渐发现五感并不完美。我们无法像候鸟那样感受磁场的信息；我们无法像蝙蝠那样听到超出人耳听觉极限的超声波……就拿视觉来说，在这里我们提出三个问题。

第一个问题：我们看到的光是一种电磁波，那么我们能否看到所有的电磁波？很明显是不可能的，可以举出大量反例。我们看不到充满了周围空间的手机信号电磁波；我们看不到微波炉加热食物时发出的微波波段电磁波；我们看不到能够晒黑皮肤，也能用来杀菌的紫外光；我们看不到用来测温、理疗、遥控、夜视的红外光……

其实人的眼睛能够看到的电磁波段非常有限，我们称这段波长在400 nm到760 nm之间的电磁波为可见光，它在整个电磁波中只占了非常非常窄的一个窗口。我们可以做一个有色眼镜人的比喻，如果一个从出生就一直佩戴着一副有色眼镜，比如绿色，那么他能看到的波长就在492 nm到577 nm之间，在他眼里所有东西都是绿色的，从浅绿到深绿。如果有一天，他摘下了眼镜，一定会惊叹眼前这个新的、丰富多彩的世界。那么我们有没有办法摘掉“可见光”这副眼镜呢？

第二个问题：我们能看到所有的可见光么？你也许会觉得很奇怪，可见光不就是可以被看见的光么？不妨设想一下，你能否分辨夜晚月色下花瓣的细节？你能否直视太阳来观察其可能存在的太阳黑子？结果告诉我们，如果发光物体太暗或者太亮，我们无法看清它真实的形状。我们的眼睛对于光的强度也是有一定的响应范围。

第三个问题：如果是可见光，强度也适中，那么就一定能够看到事物的真实面貌么？我们无法细数飞行中蜂鸟的翅膀有几根羽毛。这是因为人眼响应的光信号传递到大脑需要一定的时间，也就是人眼的时间分辨本领。太快的景象我们无法看清楚。

看到这里，大家也许会有些许的失落，原来我们只能看到真实世界的一小部分。其实我们无需沮丧，这是人类进化过程中遵循能量最优和效率最高原则的结果。我们自然地选择了太阳光中最“富有”的波段，也就是彩虹的颜色。这样才能在有限的条件下，以最少的代价来获得尽可能多的信息。因此，这样一种有限光波长范围的感知对我们来说其实是最有利的选择。

电磁波波谱

人类天性之一的好奇心驱使着我们去了解，去探索未知的世界。随着时代的发展，人类五感所能感知的信息，已经无法跟上人们对世界不断探索的步伐。科技的发展带给了我们增强和拓展五感的可能。用来感知不同信息的器件相继问世，我们不仅在纵向上增强了五感的能力，“看”到了越来越多的色彩，“听”到了越来越多的声音，“感觉”到更微弱的信息，“察觉”出更细微的不同……同时也在横向上将五感增加为六感、七感以及更多，比如我们拥有了能感受磁场的本领，能洞悉他人内心想法的能力……

这些帮助我们去看、去听、去感受未知世界的工具被称为“传感器”，一种可以感知信息，并传递信息的器件。传感器就是那把开启新大门的钥匙，带着我们感知曾经无法触及的世界。

传感器实现信息感知

传感器的使命是感知并传递信息。当我们想要获取某个信息时，需要找到与其相匹配的传感器。比如当我们想要记录眼前的美景，就需要用到感受光信号的光电传感器；当我们进行健康检测时，会借助测量温度和体重的温度传感器和压力传感器。

那么传感器如何实现信息的感知？

能量可以在光、声、热、电磁等形式之间相互转换。略加观察，就会发现身边有很多这样的实例。

当我们打开电灯的开关，灯泡会发光，这正是将电能转变为光能；阳光照射在太阳能电池上，电路中就会有电流流过，对应的是光能转化为电能；阳光能驱散寒冷，是因为光能转换成了热能，从而带来了温暖；当我们打开音响聆听美妙的音乐时，电能转变成了喇叭振动膜的机械能，从而发出了声音；当我们拿起话筒放声高歌时，声音携带的能量则转变成为电能；电水壶烧水、电饭锅煮饭是将电能转变为热能，而火电厂发电则通过热能来产生电能。

能量之间的相互转换都有一定的物理机制与其相对应。这也就保证了不管想要观测什么信息，我们几乎都能找到一定的机理来实现将待观测信号直接或者间接地转变为电信号，从而实现传感器的感知功能。

据不完全统计，不同功能、不同用途的传感器大约有3万多种。

我们可以按其实现的功能来分类，有用来“看”的可见光传感器，红外光传感器，紫外光传感器；有用来“听”的动圈麦克风，电容麦克风，超声波传感器，次声波传感器；有用来“闻”的气体传感器；有用来“品”的分子传感器；以及有用来“触”的压力传感器，温度传感器，湿度传感器。

也可以按照传感器尺寸的大小分类：从小到分子级别的分子传感器，到手机里众多的微传感器；从相机里的光电传感器阵列，到空间望远镜上的光电焦平面。还有最新的可穿戴柔性传感器，具备多种功能的复合传感器，以及能够自诊断、自补偿、自适应的智能化传感器。

手机里的传感器

五花八门、种类繁多的传感器早已进入了我们的生活生产之中。我们就以生活工作离不开的手机为例来看看都有哪些传感器。当你拿起手机解锁屏幕时，指纹传感器读取了你的指纹，或者摄像头对你的面部进行了拍照，然后将相关信息传递给中央处理器进行比对来实现指纹或者面部识别解锁。爱思考的你可能会问，既然面部识别是通过拍摄的照片来读取特征信息，那么用一张大小相当的照片来代替真人不也可以达到解锁的目的么？以及在晚上黑暗的环境中，或者无法拍照的情况下，又是如何通过面部识别来解锁呢？

为了填补这些漏洞，具有面部识别功能的手机同时还配备了光度传感器、近距离传感器、红外传感器、红外照明和点阵投影器等模块。光度传感器的作用是感受环境光的强度并告知中央处理器，如果处理器发现光线太暗，将自动开启红外照明来补光。点阵投影器和近距离传感器配合工作，将获得面部不同位置到摄像头的距离，结合红外传感器所成的像，最终获得三维的人脸信息。三维面部识别技术和二维的相比大大提高了安全性，杜绝了通过照片解锁的风险。红外补光和拍照帮助我们在黑暗的环境中也可以轻松解锁屏幕。

可以看到，仅仅是解锁屏幕这个操作就涉及指纹传感器、图像传感器（摄像头）、光度传感器、近距离传感器和红外传感器这五种传感器。当然，这些传感器也并不一定只服务于解锁屏幕这一项功能。

比如，中央处理器会通过光度传感器所测得的环境光强信息来改变屏幕的亮度，从而实现屏幕亮度随着环境明暗程度不同来进行自动调节，以方便我们在不同的环境光强下都能清晰地看到屏幕显示的内容。手机中还有用来测量转动角度的陀螺仪，用来感知运动姿态的加速度传感器和重力传感器，用来反映海拔高度的气压传感器，用来接收卫星信号的传感器，这些传感器的组合赋予手机导航的能力。手机中还有许多其他类型的传感器，每加入一个新的传感器，手机的功能就会得到一定的拓展或增加，手机也就变得比原来更加聪明，更加智能！如今的智能手机更像是一个智能终端，接打电话已经不再是它的主要功能。

韦布空间望远镜配备的近红外相机传感器（0.6微米到5微米），中心部分为碲化汞镉薄膜

我们日常生活中还会遇到能够像鼻子一样具有嗅觉功能的传感器。比如用来预防火灾的烟雾探测器，空气净化器里专门用来闻甲醛气味的气体传感器。此外，为了保证大家安全出行，交通警察手里拿的呼气式酒精含量检测仪是专门用来感知酒精的传感器，它可以“闻一闻”驾驶员呼出的气体中有没有酒味。

拍照是当今社会人们的一项基本技能，当你按下快门的瞬间，风景也好，人像也罢，都将被镜头后的电荷耦合器件（CCD）传感器“看”到并记录下来。除了相机里的摄像头，还有用来监控的摄像头，这些能够像眼睛一样“看”的系统，都离不开里面的CCD等图像传感器。在众多用来“看”世界的传感器中，红外传感器绝对处于中心。小到电动门的红外感应器、电子测温仪，大到空间望远镜上的红外焦平面，核心都是红外传感器。

最具科技性的当属2021年12月25日发射升空的詹姆斯·韦布空间望远镜。它拥有两个红外传感器，分别用来探测0.6微米到5微米的波段，以及5微米到28微米的波段。在这两个红外之眼的加持下，韦布空间望远镜可以研究宇宙的诞生和成长，也可以探索系外行星的大气情况，从而可以寻找人类宜居的类地行星，搜寻宇宙中其他生命的信息。

空调、电冰箱、电饭锅、电水壶、电烤箱等能够实现对温度的自动控制。它们都用到了能够模仿人类皮肤感知冷热的温度传感器。

健康是当下人们最为关心的话题，体检中几乎每一个项目都有传感器的参与。电子体重计、心电图、B超、X射线、骨密度、血液检测等都涉及相应的传感器。现在，一些传感器被集成在了可穿戴设备上，从而实现了对身体健康情况的实时监测。当下最具代表性的可穿戴设备非智能手表莫属，除了显示时间，还具有测心率，心电图，血氧含量甚至测量血压的功能。这些功能涉及压力传感器、心电图（ECG）传感器和光电传感器。也许在不远的将来，我们可以在体内植入一些微型传感器芯片来全天候关注身体的健康状况，从而实现对自身最好的保护。

手机信号、无线网络、蓝牙传输等都属于电磁信号，相应的手机终端、无线网卡、蓝牙接收器也就需要具有感知电磁信号的能力。人类五感所感受到的信息都是以电信号的形式传递给大脑，大脑在处理信息的过程中也会伴随着脑电的活动，因此，不管是医学辅助检查，还是对人脑的探索研究，都可以借助电磁传感器来捕捉人脑活动时产生的脑电波（EEG）。

相比于常规传感器，柔性传感器更接近人体组织，和我们的身体可以更好相互适应。在医学、仿生学等领域存在着巨大的应用潜力。柔性传感器是可穿戴设备、运动辅助、健康管理、人造电子皮肤等方面未来发展的必然趋势。将柔性传感器植入体内可以更好地检测身体的健康情况。我们甚至可以将柔性传感器安放在心脏、大脑的旁边来给予它们特殊关照。柔性传感器也有望用来替换我们随着年龄老化的感觉器官。基于柔性传感器的人工电子皮肤也是仿真机器人是否能够“以假乱真”的关键。

智能时代的传感器

传感器是智能时代的基石，智能化系统是智能时代的核心。动态感知、智慧识别和自动反应则是实现智能化系统的三大关键，就好比我们的五官、大脑和四肢。 比如颇具雏形的自动驾驶，就是当下备受关注的智能化系统。汽车的雷达动态感知周围的情况，汽车的中央处理器从动态感知到的信息中智慧识别出车道、行人、车辆、建筑和路标等主体，以及这些主体的位置和运动轨迹。然后借助“智慧”对这些主体后续出现的位置进行预测。同时，结合速度、方向等传感器提供的车辆行驶参数，自动调节油门和方向盘来保持车道，从而不偏离航线。如果预判有危险发生，将立即采取措施，自动启动液压控制系统进行刹车。这样智能化系统的实现需要高度灵敏的传感器来对环境进行精确的感知。

可以看出，在人类科技发展的过程中，传感器变得越来越重要。智能时代正向我们走来，未来已来，将至已至！从狭义上来讲，当我们将这些传感器和处理器集中于独立的个体时，就能创造出像机器人、智能汽车等会“思考”的机器。进一步从广义上看，当我们将所有的物品配备上相应的传感器，并实现万物互联时，将开启智能时代，构造出一个智能的生态系统，创造出一个智慧的地球。

审核编辑 黄宇