2.1 什么是傳感器

“可惜，我沒用過傳感器。” 吳小白嘟囔地說。

“你天天在用傳感器，怎么能說沒用過呢？” 武先生道。

“這話我就不明白了，我在哪里用過傳感器？” 吳小白問。

“你天天用智能手機，上面有那么多傳感器，你肯定用過。” 武先生道。

“手機上有傳感器？” 吳小白問。

“手機上有大量的傳感器，怎么能說沒用過呢，你把手機從橫放轉向豎放，顯示屏也跟著進行橫豎切換，這里就有個重力傳感器來檢測手機的擺放方向。手機可以測量你走路過程中的步數，這就需要加速度傳感器。” 武先生道。

“我使用過微信上的搖一搖，這里用到什么樣的傳感器？” 吳小白又問道。

“手機里有一個陀螺儀，它的旋轉軸沒有受到外力影響時，旋轉軸的指向是不會有任何改變的。當有外力作用時，陀螺儀的旋轉軸的方向就會變化，陀螺旋轉的速度就會變化，就可以用這個原理來測定手機位置的變化和移動軌跡。” 武先生回答道。

“手機里的傳感器不只這些吧？” 吳小白問道。

“當然了，還有光線傳感器，用于調節屏幕自動背光的亮度；距離傳感器用于檢測手機是否貼在耳朵上打電話，以便決定是否需要自動熄滅屏幕來省電；在利用電子地圖進行導航的時候，還會用磁場傳感器測方向，用GP S 進行定位。在用手機進行加密、解鎖、支付的時候，你還用過指紋識別傳感器。這些都成為手機的標配了。有些手機為了支持運動和健康，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。

“看來手機早已不僅是打電話的工具了，快成為一個無所不能的個人助理了。可以想象未來的手機會集成越來越多各種用途的傳感器。” 吳小白總結道。

手機中的傳感器如圖2-1所示。

2.1.1 傳感器的定義

物聯網不僅僅是傳感器之間的網絡連接，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合。有些物聯網的場景比較復雜，需要各種傳感技術的聚合性應用，通過部署多種類型傳感器來捕獲不同內容和格式的實時信息；智能元件把這些不同內容和格式的信息進行分析處理，可以加工出有意義、有價值的數據。這些數據可以由感知層的通信模塊發送出去，通過網絡層傳到平臺層去。

傳感器是物聯網感知世界的首要環節，是物聯網的基石。傳感器主要是用來采集或測量原始信息的。傳感器是一種檢測裝置，是將能感受到的被測量信息，按照一定的規律轉換成電信號或其他所需形式的信號并輸出的器件。傳感器測量的信息是非電量信息或非數字信息，不便于處理和分析；但傳感器輸出的信號可以方便地進行傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制。因此，傳感器是自動檢測和自動控制的首要環節，是物聯網應用中的信息來源。

從傳感器上述的定義可知，傳感器一般具有以下特性。

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

2） 信號轉換功能：傳感器可以將一種信號形式轉換成另一種信號形式。如將非電量信號轉換成電壓、電流、電路通斷等電學量信號，或者轉換成可以直接進行分析和處理的數字信號。

3） 輸入和輸出符合一定的規律：被測量是按照一定的數學函數法轉換成可用信號的。

傳感器的主要特性總結如圖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”，由敏感元件和轉換元件組成 （見圖2-3），分別完成檢測信號和轉換信號的功能，也就是主要負責 “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、生物的信息，在電子檢測設備的輸入部分中可以起到檢測信號作用。如圖2-4所示，在日常生活中，有些人是過敏體質，比如說對花粉過敏，對某種氣味過敏，對某種食物過敏。“過敏” 就是 “過于敏感”。

過敏體質有時給人帶來不便，但傳感器里敏感元件的 “過敏” 則可以起到測量作用。敏感元件是利用材料的某種敏感效應制成的。敏感元件可以按敏感的物理量來命名，比如對熱敏感，叫熱敏元件；對光敏感，叫光敏元件；對磁敏感叫磁敏元件；對壓力敏感叫力敏元件；對某種氣體敏感，叫氣敏元件。在電子設備中，就是采用敏感元件來感知外界信息的。

轉換元件是傳感器中能將敏感元件的輸出轉換為適于傳輸和測量的電信號的部件。數字傳感器還需要將電學量轉換數字量的模-數轉換器。有些簡單的傳感器把敏感元件與轉換元件合并在一起，如濕度傳感器、體溫計等。但是現在的傳感器向多功能、智能化、數字化的方向發展，這兩部分分離是普遍趨勢。

2.1.3 傳感器的分類

在生產和生活的實際過程中，有各種各樣的傳感器，如圖2-5所示。

從不同的角度出發，傳感器可以分為不同的類別，如圖2-6所示。

按照被測量的不同，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。

按照工作機理分類，可以分為電學式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、電化學傳感器、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，可以分為半導體傳感器、陶瓷傳感器等。半導體傳感器不僅靈敏度高、響應速度快、體積小、質量輕，且便于實現集成化，在今后的一定時期，仍占有主要地位。陶瓷傳感器是由一定化學成分組成，經過燒結成形的有特殊功能的陶瓷材料，其最大的特點就是具有耐熱性，在很多高溫的特殊場景中具有很大的應用潛力。

按感受信息的學科特點不同，可以分為物理傳感器、化學傳感器、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。化學傳感器或生物傳感器可以代替嗅覺、味覺功能，在醫學領域有特殊的應用。

按傳感器能量來源不同可以分為有源傳感器和無源傳感器。按傳感器輸出信號的性質可以分為模擬傳感器和數字傳感器。

2.1.4 幾個概念的區別

英文中常見的用來表示傳感器的詞有Sensor、Transducer、Transmitter。這三個詞雖然在很多場景中都表示傳感器，但其含義有聯系也有區別。

Sensor主要指傳感器中的敏感元件，俗稱探頭。利用Sensor可以直接反映出被測物理量的變化，比如溫敏電阻、熱電偶。探頭輸出的信號如溫度、熱量、壓力、流量、液位等轉交下級電路處理。

Transducer主要指傳感器中的轉換元件，俗稱變送器。Transducer 的作用是把測量值變換成系統所能接收的信號。Transducer從一個系統接受功率，以另一種形式將功率送到第二個系統中。從這個意義上說，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，可以直接將信號轉換為儀表盤的讀數。

舉個例子，在某食品加工廠現場，有一個需求：把溫度信號轉換為4～20 mA的標準電流信號。可以使用熱電偶 （Sensor） 和一個變送器 （Transducer） 來完成這個任務，如圖2-7所示。這樣熱電偶 （Sensor） 可感知到溫度變化，Trans-ducer可把實際的溫度大小轉換成電流信號，然后就可以送到下一級的模擬信號轉換模塊進行處理了。