2.1 什么是傳感器

“可惜，我沒用過(guò)傳感器。” 吳小白嘟囔地說(shuō)。

“你天天在用傳感器，怎么能說(shuō)沒用過(guò)呢？” 武先生道。

“這話我就不明白了，我在哪里用過(guò)傳感器？” 吳小白問。

“你天天用智能手機(jī)，上面有那么多傳感器，你肯定用過(guò)。” 武先生道。

“手機(jī)上有傳感器？” 吳小白問。

“手機(jī)上有大量的傳感器，怎么能說(shuō)沒用過(guò)呢，你把手機(jī)從橫放轉(zhuǎn)向豎放，顯示屏也跟著進(jìn)行橫豎切換，這里就有個(gè)重力傳感器來(lái)檢測(cè)手機(jī)的擺放方向。手機(jī)可以測(cè)量你走路過(guò)程中的步數(shù)，這就需要加速度傳感器。” 武先生道。

“我使用過(guò)微信上的搖一搖，這里用到什么樣的傳感器？” 吳小白又問道。

“手機(jī)里有一個(gè)陀螺儀，它的旋轉(zhuǎn)軸沒有受到外力影響時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸的指向是不會(huì)有任何改變的。當(dāng)有外力作用時(shí)，陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸的方向就會(huì)變化，陀螺旋轉(zhuǎn)的速度就會(huì)變化，就可以用這個(gè)原理來(lái)測(cè)定手機(jī)位置的變化和移動(dòng)軌跡。” 武先生回答道。

“手機(jī)里的傳感器不只這些吧？” 吳小白問道。

“當(dāng)然了，還有光線傳感器，用于調(diào)節(jié)屏幕自動(dòng)背光的亮度；距離傳感器用于檢測(cè)手機(jī)是否貼在耳朵上打電話，以便決定是否需要自動(dòng)熄滅屏幕來(lái)省電；在利用電子地圖進(jìn)行導(dǎo)航的時(shí)候，還會(huì)用磁場(chǎng)傳感器測(cè)方向，用GP S 進(jìn)行定位。在用手機(jī)進(jìn)行加密、解鎖、支付的時(shí)候，你還用過(guò)指紋識(shí)別傳感器。這些都成為手機(jī)的標(biāo)配了。有些手機(jī)為了支持運(yùn)動(dòng)和健康，還配置有心率傳感器、血氧傳感器、紫外線傳感器等等。” 武先生解釋道。

“看來(lái)手機(jī)早已不僅是打電話的工具了，快成為一個(gè)無(wú)所不能的個(gè)人助理了。可以想象未來(lái)的手機(jī)會(huì)集成越來(lái)越多各種用途的傳感器。” 吳小白總結(jié)道。

手機(jī)中的傳感器如圖2-1所示。

2.1.1 傳感器的定義

物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是傳感器之間的網(wǎng)絡(luò)連接，更重要的是具備一定程度的智能處理能力。沒有智能處理能力，傳感器連接起來(lái)用處就不大了。感知層主要就是傳感器和智能元件二者的結(jié)合。有些物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景比較復(fù)雜，需要各種傳感技術(shù)的聚合性應(yīng)用，通過(guò)部署多種類型傳感器來(lái)捕獲不同內(nèi)容和格式的實(shí)時(shí)信息；智能元件把這些不同內(nèi)容和格式的信息進(jìn)行分析處理，可以加工出有意義、有價(jià)值的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以由感知層的通信模塊發(fā)送出去，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳到平臺(tái)層去。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知世界的首要環(huán)節(jié)，是物聯(lián)網(wǎng)的基石。傳感器主要是用來(lái)采集或測(cè)量原始信息的。傳感器是一種檢測(cè)裝置，是將能感受到的被測(cè)量信息，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他所需形式的信號(hào)并輸出的器件。傳感器測(cè)量的信息是非電量信息或非數(shù)字信息，不便于處理和分析；但傳感器輸出的信號(hào)可以方便地進(jìn)行傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制。因此，傳感器是自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的信息來(lái)源。

從傳感器上述的定義可知，傳感器一般具有以下特性。

1） 信息檢測(cè)功能：傳感器能夠感受到諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量。

2） 信號(hào)轉(zhuǎn)換功能：傳感器可以將一種信號(hào)形式轉(zhuǎn)換成另一種信號(hào)形式。如將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓、電流、電路通斷等電學(xué)量信號(hào)，或者轉(zhuǎn)換成可以直接進(jìn)行分析和處理的數(shù)字信號(hào)。

3） 輸入和輸出符合一定的規(guī)律：被測(cè)量是按照一定的數(shù)學(xué)函數(shù)法轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的。

傳感器的主要特性總結(jié)如圖2-2所示。

2.1.2 傳感器的組成

傳感器是物理世界的 “感覺器官”，由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 （見圖2-3），分別完成檢測(cè)信號(hào)和轉(zhuǎn)換信號(hào)的功能，也就是主要負(fù)責(zé) “傳” 和“感” 兩件事。

敏感元件是傳感器的重要組成部分，能敏銳地感受某種物理、化學(xué)、生物的信息，在電子檢測(cè)設(shè)備的輸入部分中可以起到檢測(cè)信號(hào)作用。如圖2-4所示，在日常生活中，有些人是過(guò)敏體質(zhì)，比如說(shuō)對(duì)花粉過(guò)敏，對(duì)某種氣味過(guò)敏，對(duì)某種食物過(guò)敏。“過(guò)敏” 就是 “過(guò)于敏感”。

過(guò)敏體質(zhì)有時(shí)給人帶來(lái)不便，但傳感器里敏感元件的 “過(guò)敏” 則可以起到測(cè)量作用。敏感元件是利用材料的某種敏感效應(yīng)制成的。敏感元件可以按敏感的物理量來(lái)命名，比如對(duì)熱敏感，叫熱敏元件；對(duì)光敏感，叫光敏元件；對(duì)磁敏感叫磁敏元件；對(duì)壓力敏感叫力敏元件；對(duì)某種氣體敏感，叫氣敏元件。在電子設(shè)備中，就是采用敏感元件來(lái)感知外界信息的。

轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)的部件。數(shù)字傳感器還需要將電學(xué)量轉(zhuǎn)換數(shù)字量的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。有些簡(jiǎn)單的傳感器把敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合并在一起，如濕度傳感器、體溫計(jì)等。但是現(xiàn)在的傳感器向多功能、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展，這兩部分分離是普遍趨勢(shì)。

2.1.3 傳感器的分類

在生產(chǎn)和生活的實(shí)際過(guò)程中，有各種各樣的傳感器，如圖2-5所示。

從不同的角度出發(fā)，傳感器可以分為不同的類別，如圖2-6所示。

按照被測(cè)量的不同，可以分為溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、氣體傳感器等。

按照工作機(jī)理分類，可以分為電學(xué)式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、電化學(xué)傳感器、壓電式傳感器、氣敏傳感器、激光傳感器等。

按照敏感材料的不同，可以分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。半導(dǎo)體傳感器不僅靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕，且便于實(shí)現(xiàn)集成化，在今后的一定時(shí)期，仍占有主要地位。陶瓷傳感器是由一定化學(xué)成分組成，經(jīng)過(guò)燒結(jié)成形的有特殊功能的陶瓷材料，其最大的特點(diǎn)就是具有耐熱性，在很多高溫的特殊場(chǎng)景中具有很大的應(yīng)用潛力。

按感受信息的學(xué)科特點(diǎn)不同，可以分為物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器等。物理傳感器用于完成視覺、聽覺、觸覺功能，接收的是光、聲波、壓力等的物理信息。化學(xué)傳感器或生物傳感器可以代替嗅覺、味覺功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有特殊的應(yīng)用。

按傳感器能量來(lái)源不同可以分為有源傳感器和無(wú)源傳感器。按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)可以分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。

2.1.4 幾個(gè)概念的區(qū)別

英文中常見的用來(lái)表示傳感器的詞有Sensor、Transducer、Transmitter。這三個(gè)詞雖然在很多場(chǎng)景中都表示傳感器，但其含義有聯(lián)系也有區(qū)別。

Sensor主要指?jìng)鞲衅髦械拿舾性追Q探頭。利用Sensor可以直接反映出被測(cè)物理量的變化，比如溫敏電阻、熱電偶。探頭輸出的信號(hào)如溫度、熱量、壓力、流量、液位等轉(zhuǎn)交下級(jí)電路處理。

Transducer主要指?jìng)鞲衅髦械霓D(zhuǎn)換元件，俗稱變送器。Transducer 的作用是把測(cè)量值變換成系統(tǒng)所能接收的信號(hào)。Transducer從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中。從這個(gè)意義上說(shuō)，也可稱之為換能器。很多人把Transducer直接翻譯成傳感器，概念的外延給擴(kuò)展了。

Transmitter也是變送器，其概念和Transducer接近，可以包含探頭，也可以外接探頭，可以直接將信號(hào)轉(zhuǎn)換為儀表盤的讀數(shù)。

舉個(gè)例子，在某食品加工廠現(xiàn)場(chǎng)，有一個(gè)需求：把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。可以使用熱電偶 （Sensor） 和一個(gè)變送器 （Transducer） 來(lái)完成這個(gè)任務(wù)，如圖2-7所示。這樣熱電偶 （Sensor） 可感知到溫度變化，Trans-ducer可把實(shí)際的溫度大小轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后就可以送到下一級(jí)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理了。