許釋元

（江蘇省靖江市第一高級(jí)中學(xué)，江蘇 泰州 214500）

近年來(lái),隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是5G通信的普及，大大加快了智能化的腳步，大容量、高速率數(shù)據(jù)傳輸不僅使互聯(lián)網(wǎng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，無(wú)人駕駛，人工智能、萬(wàn)物互聯(lián)也開(kāi)始由設(shè)想逐步走向現(xiàn)實(shí)，在不久的將來(lái)，家用電器將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，智能家居等新的科技產(chǎn)品將源源不斷走入普通人的生活。作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的基礎(chǔ)和首要環(huán)節(jié)，傳感器的應(yīng)用將更加廣泛，甚至將無(wú)處不在，滿足各種狀態(tài)感知需求的新型傳感器將如雨后春筍般不斷被研發(fā)出來(lái)。傳感器的作用和地位越來(lái)越重要，隨著信息化、智能化的飛速發(fā)展，相關(guān)基礎(chǔ)領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)引起了全社會(huì)的重視，越來(lái)越多的社會(huì)資源將流向該領(lǐng)域，越來(lái)越多的企業(yè)參與，越來(lái)越多的學(xué)子將踏足這個(gè)行業(yè)。本文對(duì)傳感器的分類進(jìn)行了梳理，能夠讓大眾對(duì)傳感器的分類和應(yīng)用有基本的認(rèn)識(shí)，提高對(duì)傳感器的認(rèn)知，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究提供基本資料。

1 傳感器的原理和分類

1.1 傳感器的基本原理

傳感器就是一種負(fù)責(zé)采集、感知信息，并對(duì)信息進(jìn)行初步處理，達(dá)到使用要求的裝置，一般是將采集的各種各樣信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為電壓、電流信號(hào)，使其能夠準(zhǔn)確表達(dá)信息。測(cè)量和感知的是某個(gè)物體屬性或者環(huán)境屬性的變化，所以被測(cè)量通常是變化的、動(dòng)態(tài)的，這種變化被測(cè)量后的信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以方便被通信技術(shù)傳遞和收集。

傳感器的構(gòu)成：一般由信息敏感（感知）元件、信息轉(zhuǎn)換元件、變換電路三部分組成。

信息敏感元件負(fù)責(zé)采集、測(cè)量信息；信息轉(zhuǎn)換元件把采集的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成便于表達(dá)和分辨的信號(hào)，一般為電信號(hào)；變換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工，形成按照一定規(guī)范、可準(zhǔn)確可靠傳輸、識(shí)別判斷的穩(wěn)定信號(hào)，讓信號(hào)符合下一步處理需要的標(biāo)準(zhǔn)，完成傳感器信息采集的任務(wù)。

1.2 傳感器的多種分類方法

按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，從不同角度，不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式等，可以對(duì)傳感器進(jìn)行各種各樣的種類劃分?，F(xiàn)將常采用的分類形式簡(jiǎn)單歸納如下。

（1）按工作原理分類。大致可以分為物理類（力、光、熱、電等物理范疇）、化學(xué)類（產(chǎn)生化學(xué)變化的結(jié)果或現(xiàn)象采集）、生物學(xué)類（生長(zhǎng)、增殖、分裂、和抗體指標(biāo)等）三個(gè)類別。

（2）按傳感器的輸入信息分類。按這種分類法根據(jù)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行的分類，理解起來(lái)較為方便直觀。如力、壓力、光線、氣體、濃度、黏度等傳感器。

（3）按用途分類。比如，位置傳感器、濕度傳感器、速度傳感器、溫度傳感器，等等。此外還有按應(yīng)用范圍和應(yīng)用對(duì)象分類、按輸出信號(hào)分類、按制造工藝、按構(gòu)成分類、按作用形式分類、對(duì)應(yīng)人類的五感分類、根據(jù)感知元件功能分類等等。當(dāng)然，以上的只是常見(jiàn)的分類名稱，傳感器若細(xì)細(xì)研究起來(lái)，還是很有趣的，可根據(jù)任務(wù)需要靈活歸類。為了避免傳感器的名目過(guò)于繁多,常把多種信息結(jié)合起來(lái)命名，使得傳感器更加方便查找和理解其原理、用途等。

2 傳感器在日常生活常見(jiàn)應(yīng)用

如今，手機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代人的萬(wàn)能工具，導(dǎo)航、計(jì)步、游戲，等等，實(shí)現(xiàn)這些功能，都離不開(kāi)安裝于手機(jī)中的一系列傳感器，讓手機(jī)變得便捷和智能。

2.1 智能手機(jī)中的主要傳感器

主要有光線傳感器、距離感應(yīng)器、重力感應(yīng)器、指紋傳感器、陀螺儀、加速度傳感器等。下面我們著重分析手機(jī)指紋識(shí)別傳感器的應(yīng)用。

2.2 主流指紋識(shí)別傳感器

現(xiàn)在新上市的主流手機(jī)機(jī)型多采用兩種指紋采集方式，應(yīng)用不同的指紋識(shí)別傳感器，一種是屏幕光學(xué)采集，另一種是home鍵電容采集。我們就以這兩種指紋采集、識(shí)別傳感器的應(yīng)用為例來(lái)進(jìn)行分析。我們的指紋是凹凸不平的，當(dāng)能讀取到這些特征，我們就能提取出指紋，我們常用的指紋識(shí)別有光學(xué)識(shí)別、電容識(shí)別這兩種，而光學(xué)識(shí)別，常見(jiàn)于打卡機(jī)、屏下指紋；電容識(shí)別，常見(jiàn)于手機(jī)的模塊識(shí)別，就是類似部分手機(jī)home鍵，背部指紋和側(cè)邊指紋識(shí)別，優(yōu)點(diǎn)是速度快，缺點(diǎn)是必須單出占用一個(gè)模塊來(lái)放電容板，那么兩種方式是怎么識(shí)別指紋的呢？

（1）光學(xué)原理識(shí)別。就是在指紋識(shí)別模塊的下面，放一個(gè)光源和一個(gè)接收器，當(dāng)光照到我們凹凸不平的指紋上反射到接收器，接收器根據(jù)讀取數(shù)據(jù)再描繪出我們指紋的紋路。根據(jù)屏幕的光源反射到屏下的接收器，最后再提取出我們指紋的特征點(diǎn)，例如，一些分叉，紋路等，就可以作為識(shí)別的依據(jù)了。光學(xué)原理指紋識(shí)別傳感器是基于光線反射原理實(shí)現(xiàn)識(shí)別，屏幕內(nèi)部設(shè)置的光源發(fā)出的光線，照射到手指表面，根據(jù)指紋紋路產(chǎn)生反射，屏下的光線傳感器接收到光線反射信息，傳感器根據(jù)光線明暗、強(qiáng)弱，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，形成特定的信息進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)原理下的指紋辨別（如圖1～3）。

圖1 指紋紋路

圖2 光學(xué)識(shí)別原理

圖3 光學(xué)識(shí)別實(shí)例

（2）電容原理識(shí)別。在手機(jī)上配置一塊專門(mén)的電容傳感器。當(dāng)手指接觸傳感器時(shí)，獨(dú)特的指紋信息被采集成電容信號(hào)，根據(jù)指紋間距離的不同，所形成的電容量大小也會(huì)不同，傳感器負(fù)責(zé)將不易識(shí)別處理的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為易于識(shí)別處理的電學(xué)量的設(shè)備。而對(duì)于指紋傳感器，傳感器測(cè)量的其實(shí)是距離。就像圖4、圖5，傳感器在指紋上取點(diǎn)，有的點(diǎn)落在指紋的嵴上，有的落在溝里。落在嵴上的距離短，落在溝里的距離長(zhǎng)。距離不同，電容式指紋傳感器也會(huì)獲得不同的電容值，對(duì)這些電容值進(jìn)行測(cè)量就可以獲得指紋圖像。讀出這些值就可以描繪出我們指紋的數(shù)據(jù)了，電容識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)是精度高速度快，缺點(diǎn)是需要占用一塊單獨(dú)的空間進(jìn)行布置。

圖4 電容識(shí)別實(shí)例

圖5 電容識(shí)別原理

目前，大部分手機(jī)都應(yīng)用了指紋識(shí)別技術(shù)，用于機(jī)主身份認(rèn)證、安全解鎖、移動(dòng)支付密碼等重要的功能，指紋識(shí)別是現(xiàn)代手機(jī)必備的一樣功能，有著速度快、安全性高的特點(diǎn)，因?yàn)閾?jù)目前的資料來(lái)看，每個(gè)人的指紋仍是獨(dú)一無(wú)二的，還沒(méi)有一個(gè)人的指紋是相同的，所以指紋識(shí)別作為安全識(shí)別還是很可靠的。這樣讓手機(jī)使用體驗(yàn)更好，指紋識(shí)別既能夠保證安全，又能讓用戶體驗(yàn)更加方便快捷。

3 結(jié)語(yǔ)

傳感器是網(wǎng)絡(luò)信息、新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，目前已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、文化傳播等各種領(lǐng)域，深入現(xiàn)代人們生活的每個(gè)細(xì)節(jié)中，深刻影響著人們的工作和生活方式。傳感器未來(lái)將迎來(lái)更大的發(fā)展，隨著信息傳輸、人工智能技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用，開(kāi)啟一個(gè)嶄新的時(shí)代，這一行業(yè)的前景將廣闊無(wú)限。傳感器作為信息感知元件，其應(yīng)用將更加普遍，也將有越來(lái)越多基于不同需求、不同技術(shù)路線、甚至我們?cè)诮裉祀y以想象的新型傳感器被研發(fā)出來(lái)，傳感器必將在人類文明進(jìn)步的道路上發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。