傳感器的分類及生活中常見的應用探析

許釋元

（江蘇省靖江市第一高級中學，江蘇 泰州 214500）

近年來,隨著信息技術的發展，特別是5G通信的普及，大大加快了智能化的腳步，大容量、高速率數據傳輸不僅使互聯網功能越來越強大，無人駕駛，人工智能、萬物互聯也開始由設想逐步走向現實，在不久的將來，家用電器將實現互聯互通，智能家居等新的科技產品將源源不斷走入普通人的生活。作為實現自動化、智能化的基礎和首要環節，傳感器的應用將更加廣泛，甚至將無處不在，滿足各種狀態感知需求的新型傳感器將如雨后春筍般不斷被研發出來。傳感器的作用和地位越來越重要，隨著信息化、智能化的飛速發展，相關基礎領域的科研和生產引起了全社會的重視，越來越多的社會資源將流向該領域，越來越多的企業參與，越來越多的學子將踏足這個行業。本文對傳感器的分類進行了梳理，能夠讓大眾對傳感器的分類和應用有基本的認識，提高對傳感器的認知，為進一步學習研究提供基本資料。

1 傳感器的原理和分類

1.1 傳感器的基本原理

傳感器就是一種負責采集、感知信息，并對信息進行初步處理，達到使用要求的裝置，一般是將采集的各種各樣信息統一轉化為電壓、電流信號，使其能夠準確表達信息。測量和感知的是某個物體屬性或者環境屬性的變化，所以被測量通常是變化的、動態的，這種變化被測量后的信號需要轉換為電信號以方便被通信技術傳遞和收集。

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

信息敏感元件負責采集、測量信息；信息轉換元件把采集的信息進行轉化，形成便于表達和分辨的信號，一般為電信號；變換電路對信號進行加工，形成按照一定規范、可準確可靠傳輸、識別判斷的穩定信號，讓信號符合下一步處理需要的標準，完成傳感器信息采集的任務。

1.2 傳感器的多種分類方法

按照不同的標準，從不同角度，不同的技術實現方式等，可以對傳感器進行各種各樣的種類劃分。現將常采用的分類形式簡單歸納如下。

（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）、化學類（產生化學變化的結果或現象采集）、生物學類（生長、增殖、分裂、和抗體指標等）三個類別。

（2）按傳感器的輸入信息分類。按這種分類法根據被測信號進行的分類，理解起來較為方便直觀。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。此外還有按應用范圍和應用對象分類、按輸出信號分類、按制造工藝、按構成分類、按作用形式分類、對應人類的五感分類、根據感知元件功能分類等等。當然，以上的只是常見的分類名稱，傳感器若細細研究起來，還是很有趣的，可根據任務需要靈活歸類。為了避免傳感器的名目過于繁多,常把多種信息結合起來命名，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應用

如今，手機已經成為現代人的萬能工具，導航、計步、游戲，等等，實現這些功能，都離不開安裝于手機中的一系列傳感器，讓手機變得便捷和智能。

2.1 智能手機中的主要傳感器

主要有光線傳感器、距離感應器、重力感應器、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指紋識別傳感器的應用。

2.2 主流指紋識別傳感器

現在新上市的主流手機機型多采用兩種指紋采集方式，應用不同的指紋識別傳感器，一種是屏幕光學采集，另一種是home鍵電容采集。我們就以這兩種指紋采集、識別傳感器的應用為例來進行分析。我們的指紋是凹凸不平的，當能讀取到這些特征，我們就能提取出指紋，我們常用的指紋識別有光學識別、電容識別這兩種，而光學識別，常見于打卡機、屏下指紋；電容識別，常見于手機的模塊識別，就是類似部分手機home鍵，背部指紋和側邊指紋識別，優點是速度快，缺點是必須單出占用一個模塊來放電容板，那么兩種方式是怎么識別指紋的呢？

（1）光學原理識別。就是在指紋識別模塊的下面，放一個光源和一個接收器，當光照到我們凹凸不平的指紋上反射到接收器，接收器根據讀取數據再描繪出我們指紋的紋路。根據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，例如，一些分叉，紋路等，就可以作為識別的依據了。光學原理指紋識別傳感器是基于光線反射原理實現識別，屏幕內部設置的光源發出的光線，照射到手指表面，根據指紋紋路產生反射，屏下的光線傳感器接收到光線反射信息，傳感器根據光線明暗、強弱，將光信號轉換成電信號，形成特定的信息進行傳輸、存儲和識別，實現了光學原理下的指紋辨別（如圖1～3）。

圖1 指紋紋路

圖2 光學識別原理

圖3 光學識別實例

（2）電容原理識別。在手機上配置一塊專門的電容傳感器。當手指接觸傳感器時，獨特的指紋信息被采集成電容信號，根據指紋間距離的不同，所形成的電容量大小也會不同，傳感器負責將不易識別處理的非電學量轉換為易于識別處理的電學量的設備。而對于指紋傳感器，傳感器測量的其實是距離。就像圖4、圖5，傳感器在指紋上取點，有的點落在指紋的嵴上，有的落在溝里。落在嵴上的距離短，落在溝里的距離長。距離不同，電容式指紋傳感器也會獲得不同的電容值，對這些電容值進行測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據了，電容識別的優點是精度高速度快，缺點是需要占用一塊單獨的空間進行布置。

圖4 電容識別實例

圖5 電容識別原理

目前，大部分手機都應用了指紋識別技術，用于機主身份認證、安全解鎖、移動支付密碼等重要的功能，指紋識別是現代手機必備的一樣功能，有著速度快、安全性高的特點，因為據目前的資料來看，每個人的指紋仍是獨一無二的，還沒有一個人的指紋是相同的，所以指紋識別作為安全識別還是很可靠的。這樣讓手機使用體驗更好，指紋識別既能夠保證安全，又能讓用戶體驗更加方便快捷。

3 結語

傳感器是網絡信息、新興產業的基礎環節，目前已廣泛應用于工農業生產、科學研究、文化傳播等各種領域，深入現代人們生活的每個細節中，深刻影響著人們的工作和生活方式。傳感器未來將迎來更大的發展，隨著信息傳輸、人工智能技術的發展和運用，開啟一個嶄新的時代，這一行業的前景將廣闊無限。傳感器作為信息感知元件，其應用將更加普遍，也將有越來越多基于不同需求、不同技術路線、甚至我們在今天難以想象的新型傳感器被研發出來，傳感器必將在人類文明進步的道路上發揮越來越重要的作用。