物联网感知——传感器

一.传感器

      传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径。在物联网中传感器的作用尤为突出，是物联网中获得信息的主要设备。作为物联网中的信息采集设备，传感器利用各种机制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动作。

二.传感器类型

      常见的传感器包括：温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光电传感器、霍尔磁性传感器等一系列。

1.温度传感器

      常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度传感器，以及温差电偶。

      热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，根据材料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等；

      半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低，线性度好等优点；

      温差电偶是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化，由不同金属材料构成的温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，例如-200℃~2000℃。

       铂电阻温度传感器是一种用途广泛的高精度温度传感器具有温度敏感性，其外观以及典型电阻-温度特性如上图。铂电阻在很宽的温度范围内，其电阻与温度具有良好的线性特性，非常适合作为温度传感器来使用。

2.压力传感器

      常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号。

3.湿度传感器

      湿度传感器主要包括电阻式和电容式两种类型。

      电阻式湿度传感器也称为湿敏电阻，利用氯化锂、碳、陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度；

      电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。

4.光传感器

      光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两类。

      光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测；

      光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。光敏二极管的反向饱和电流在光照的作用下会显著变大，而光敏三极管在光照时其集电极、发射极导通，类似于受光照控制的开关。此外，为方便使用，市场上出现了把光敏二极管和光敏三极管与后续信号处理电路制作成一个芯片的集成光传感器。光传感器的不同种类可以覆盖可见光、红外线（热辐射）、以及紫外线等波长范围的传感应用。

5.霍尔传感器

      霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应是指把一个金属或者半导体材料薄皮置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而受到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差。可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度。霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流、振动、位移、速度、加速度、转速等，具有广泛的应用价值。

6.微机电（MEMS）传感器

      微机电系统的英文名称为Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工。目前已经出现的微机电器件包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。微机电系统的出现体现了当前的器件微型化发展趋势。

      某轮胎微机电压力传感器的内部接哦古如下图。该压力传感器利用了传感器中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；测量时使用传感器内部集成的测量电路。

       微机电加速度传感器主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，如变化的电阻和电容。

7.智能传感器

      智能传感器（Smart Sensor）是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的信号通常要传输到系统中的主机进行分析处理；而由智能传感器构成的应用系统中，其包含的微处理器能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。

 三.手机传感器

      手机传感器是手机内部设置的感应器，即手机里那些可以被测量并且能按照一定的给i率转换成可用输出信号的器件或装置。一般这类传感器都是由敏感元件以及转换元件组成。手机传感器能够通过感应光照度、热量、距离等，来调节手机的工作状态，从而使人们能够更加方便地使用手机。

1.光线传感器（Ambient Light Sensor）

      光线传感器能根据手机当时所在地环境来调节屏幕亮度。一般来说，前置摄像头旁边地白点就是光线传感器，其有两个作用，一是通过智能调节达到省电地目的，较为环保；二是能给使用者带来最佳地视觉效果。

      光线传感器其实是根据光电效应地原理起作用的，所谓光电效应是指某些特殊的物质在吸收了光线后能够将光能转换为电能的现象。光电效应可以分为外光电效应和内光电效应两种。外光电效应指的是光线照射下，电子能够从物质的内部向外发射而产生电力作用，光电管、光电倍增管都是基于外光电效应制成的元件。内光电效应则是发生在物质的内部，当光线照射到物质上时，使其内部的电阻率发生变化，从而产生了电动势。光敏电阻、光电池等光电元件就是基于内光电效应制成的。

      手机中光线传感器实际上应该属于环境光传感器，主要由投光器和受光器两个部件构成。前置摄像头旁边的白点起到一个透镜的作用，能够将环境中的光线聚集，并经由投光器传送到受光器之上。受光器根据光电效应，能够把各种光信号转换为相应的电信号，再进一步处理成各种开关及控制动作，以实现手机的感光调节。在环境光线传感器的芯片上，往往还会贴上一个红外截止膜，以排除红外光线的干扰，使得我们的手机、笔记本电脑等电子设备能够准确地感知环境中地课件光线强度。在显示器耗电量过高的情况下，光线传感器也能够自动调低屏幕亮度以延长电池地工作时间。

2.距离传感器

      距离传感器一般是配合着光线传感器来使用。距离传感器的组成非常简单，由一个红外LED灯和红外辐射光线探测器组成，位置大致在手机听筒附近。红外LED灯发出的不可见红外光，射向附近的物体，然后反射后，最后被红外辐射光线探测器探测。通话中防止误操作，当耳朵接近距离传感器，距离传感器测算手机到你耳朵地距离。不同的测量值会触发相应的功能，通过显示屏，防止用户在通话过程中，误触屏幕影响通话。

                                              

3.重力传感器

      重力传感器通过压电效应来实现，重力传感器内部有一块重物与压电片整合在一起，透过正交两个方向产生地电压大小，来计算水平方向。重力传感器利用内部由于加速度造成地晶体变形这个特性。变形产生电压，计算产生电压和所施加加速度之间关系，就可将加速度转化成电压输出。测量重力正交两个方向分力大小，来判定水平方向。通过对力敏感地传感器，感受手机在变换姿态时，重心地变化，使手机光标变化位置从而实现选择等功能。

       切换横屏与直屏方向，在一些游戏中也可以通过重力传感器来实现更丰富的交互控制，比如平衡球、赛车游戏等。

4.加速度传感器

      加速度传感器的概念和重力传感器略微有些重叠，但事实上却又不一样。加速度传感器是多的维度测算的，主要测算一些瞬时加速或减速的动作。比如测量手机的运动速度，在游戏里能通过加速度传感器触发特殊指令。日常应用中的一些甩动切歌、反转静音等也都用到了这枚传感器。

5.指纹传感器

      从2013 年开始，指纹传感器开始在智能手机中爆发式增长。它可以自动采集用户指纹，以此实现保护隐私的目的。不过现在具有指纹传感器的手机并不仅仅是解锁设备，而是和移动支付相互结合，包括Apple Pay、 Sumsang Pay在内都是指纹传感器为前提来交互。

6.磁场传感器

      磁场传感器是利用磁阻来测量平面磁场，从而检测出磁场强度以及方向位置。一般用在常见的指南针或是地图导航中，帮助手机用户实现准确定位。如果你不分东南西北，用地图中的电子罗盘可以轻松实现定位。

7.GPS位置传感器

      GPS 模块主要作用是通过天线来接收到卫星的坐标信息帮用户定位。随着4G 网络普及，GPS 被应用在更多场景，比如与智能硬件配合实现远程定位监控，或是设备丢失后定位查找。这里需要分清一个概念，手机一般标配的是A-GPS ，所谓A-GPS 是在接收导航卫星信号的基础上通过移动网络更快速的定位，比普通的GPS 更先进一些。

8.气压传感器

      气压传感器之前一直被用在军工手机当中，分为变容式气压传感器以及变阻式气压传感器。气压变化会导致电阻或电容测算数值发生改变。一般GPS 能计算出你的位置，但对于一些高度上的变化是需要气压传感器来测算。安装了这种传感器的手机能测算你一天上了多少个楼层，或是用于室内定位等，而内部的气压传感器主要是测试设备封闭程度。

9.温度传感器

      温度传感器是用来检测手机本身温度变化的，可以看出手机的发热程度。扩展功能方面，温度传感器也能检测外界空气中的温度变化，甚至是用户当前的体温。

10.霍尔传感器

      和磁场传感器类似，霍尔传感器可以将变化的磁场转化为输出电压，从而在导体两端产生电势差。有些手机会随机标配一些保护套，当合上保护套时手机会自动锁屏，打开保护套之后设备又会自动解锁。

11.紫外线传感器

      紫外线传感器利用光电效应测算，通过摄像头拍光源换算成放电效应测出紫外线强度。在紫外线传感器的阴极和阳极之间加电压，紫外线透过石英玻璃管照射在光电面阴极时，阴极涂敷的电子放射物质会发射光电子。在强电场的作用下，光电子被高速吸向阳极，与管内气体分子相碰撞而使气体分子电离，气体电离产生的电子再与气体分子相碰撞，最终阴极和阳极间被大量的光电子和离子所充斥，引起辉光放电现象，电路中生成大的电流。没有紫外线照射时，阴极和阳极间无电子和离子流动，呈现出高阻抗。

12.心率传感器

      通过高亮度的LED光源照射手指的方式转换为对应数据来测算心率，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号在转换成数字信号，再根据血液的吸光率就能测算出心率。随着成本的不断降低，心率传感器在穿戴设备中比较常见，在手机上的应用一般是设置在手机背部的位置，测试的时候需要手指保持平稳，否则测试出的结果会有较大偏差。

13.血氧传感器

      和心率传感器一样，血液中的血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比例不同，用这种红外光与红光的两个LED灯光同时照射手指，血氧传感器微处理器计算所吸收的这两种光谱的比率，并将结果与存在存储器里的饱和度数值表进行比较，从而得出氧饱和度。