2.1 什么是传感器

“可惜，我没用过传感器。” 吴小白嘟囔地说。

“你天天在用传感器，怎么能说没用过呢？” 武先生道。

“这话我就不明白了，我在哪里用过传感器？” 吴小白问。

“你天天用智能手机，上面有那么多传感器，你肯定用过。” 武先生道。

“手机上有传感器？” 吴小白问。

“手机上有大量的传感器，怎么能说没用过呢，你把手机从横放转向竖放，显示屏也跟着进行横竖切换，这里就有个重力传感器来检测手机的摆放方向。手机可以测量你走路过程中的步数，这就需要加速度传感器。” 武先生道。

“我使用过微信上的摇一摇，这里用到什么样的传感器？” 吴小白又问道。

“手机里有一个陀螺仪，它的旋转轴没有受到外力影响时，旋转轴的指向是不会有任何改变的。当有外力作用时，陀螺仪的旋转轴的方向就会变化，陀螺旋转的速度就会变化，就可以用这个原理来测定手机位置的变化和移动轨迹。” 武先生回答道。

“手机里的传感器不只这些吧？” 吴小白问道。

“当然了，还有光线传感器，用于调节屏幕自动背光的亮度；距离传感器用于检测手机是否贴在耳朵上打电话，以便决定是否需要自动熄灭屏幕来省电；在利用电子地图进行导航的时候，还会用磁场传感器测方向，用GP S 进行定位。在用手机进行加密、解锁、支付的时候，你还用过指纹识别传感器。这些都成为手机的标配了。有些手机为了支持运动和健康，还配置有心率传感器、血氧传感器、紫外线传感器等等。” 武先生解释道。

“看来手机早已不仅是打电话的工具了，快成为一个无所不能的个人助理了。可以想象未来的手机会集成越来越多各种用途的传感器。” 吴小白总结道。

手机中的传感器如图2-1所示。

2.1.1 传感器的定义

物联网不仅仅是传感器之间的网络连接，更重要的是具备一定程度的智能处理能力。没有智能处理能力，传感器连接起来用处就不大了。感知层主要就是传感器和智能元件二者的结合。有些物联网的场景比较复杂，需要各种传感技术的聚合性应用，通过部署多种类型传感器来捕获不同内容和格式的实时信息；智能元件把这些不同内容和格式的信息进行分析处理，可以加工出有意义、有价值的数据。这些数据可以由感知层的通信模块发送出去，通过网络层传到平台层去。

传感器是物联网感知世界的首要环节，是物联网的基石。传感器主要是用来采集或测量原始信息的。传感器是一种检测装置，是将能感受到的被测量信息，按照一定的规律转换成电信号或其他所需形式的信号并输出的器件。传感器测量的信息是非电量信息或非数字信息，不便于处理和分析；但传感器输出的信号可以方便地进行传输、处理、存储、显示、记录和控制。因此，传感器是自动检测和自动控制的首要环节，是物联网应用中的信息来源。

从传感器上述的定义可知，传感器一般具有以下特性。

1） 信息检测功能：传感器能够感受到诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量。

2） 信号转换功能：传感器可以将一种信号形式转换成另一种信号形式。如将非电量信号转换成电压、电流、电路通断等电学量信号，或者转换成可以直接进行分析和处理的数字信号。

3） 输入和输出符合一定的规律：被测量是按照一定的数学函数法转换成可用信号的。

传感器的主要特性总结如图2-2所示。

2.1.2 传感器的组成

传感器是物理世界的 “感觉器官”，由敏感元件和转换元件组成 （见图2-3），分别完成检测信号和转换信号的功能，也就是主要负责 “传” 和“感” 两件事。

敏感元件是传感器的重要组成部分，能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息，在电子检测设备的输入部分中可以起到检测信号作用。如图2-4所示，在日常生活中，有些人是过敏体质，比如说对花粉过敏，对某种气味过敏，对某种食物过敏。“过敏” 就是 “过于敏感”。

过敏体质有时给人带来不便，但传感器里敏感元件的 “过敏” 则可以起到测量作用。敏感元件是利用材料的某种敏感效应制成的。敏感元件可以按敏感的物理量来命名，比如对热敏感，叫热敏元件；对光敏感，叫光敏元件；对磁敏感叫磁敏元件；对压力敏感叫力敏元件；对某种气体敏感，叫气敏元件。在电子设备中，就是采用敏感元件来感知外界信息的。

转换元件是传感器中能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号的部件。数字传感器还需要将电学量转换数字量的模-数转换器。有些简单的传感器把敏感元件与转换元件合并在一起，如湿度传感器、体温计等。但是现在的传感器向多功能、智能化、数字化的方向发展，这两部分分离是普遍趋势。

2.1.3 传感器的分类

在生产和生活的实际过程中，有各种各样的传感器，如图2-5所示。

从不同的角度出发，传感器可以分为不同的类别，如图2-6所示。

按照被测量的不同，可以分为温度传感器、湿度传感器、位移传感器、压力传感器、加速度传感器、气体传感器等。

按照工作机理分类，可以分为电学式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、电化学传感器、压电式传感器、气敏传感器、激光传感器等。

按照敏感材料的不同，可以分为半导体传感器、陶瓷传感器等。半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻，且便于实现集成化，在今后的一定时期，仍占有主要地位。陶瓷传感器是由一定化学成分组成，经过烧结成形的有特殊功能的陶瓷材料，其最大的特点就是具有耐热性，在很多高温的特殊场景中具有很大的应用潜力。

按感受信息的学科特点不同，可以分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等。物理传感器用于完成视觉、听觉、触觉功能，接收的是光、声波、压力等的物理信息。化学传感器或生物传感器可以代替嗅觉、味觉功能，在医学领域有特殊的应用。

按传感器能量来源不同可以分为有源传感器和无源传感器。按传感器输出信号的性质可以分为模拟传感器和数字传感器。

2.1.4 几个概念的区别

英文中常见的用来表示传感器的词有Sensor、Transducer、Transmitter。这三个词虽然在很多场景中都表示传感器，但其含义有联系也有区别。

Sensor主要指传感器中的敏感元件，俗称探头。利用Sensor可以直接反映出被测物理量的变化，比如温敏电阻、热电偶。探头输出的信号如温度、热量、压力、流量、液位等转交下级电路处理。

Transducer主要指传感器中的转换元件，俗称变送器。Transducer 的作用是把测量值变换成系统所能接收的信号。Transducer从一个系统接受功率，以另一种形式将功率送到第二个系统中。从这个意义上说，也可称之为换能器。很多人把Transducer直接翻译成传感器，概念的外延给扩展了。

Transmitter也是变送器，其概念和Transducer接近，可以包含探头，也可以外接探头，可以直接将信号转换为仪表盘的读数。

举个例子，在某食品加工厂现场，有一个需求：把温度信号转换为4～20 mA的标准电流信号。可以使用热电偶 （Sensor） 和一个变送器 （Transducer） 来完成这个任务，如图2-7所示。这样热电偶 （Sensor） 可感知到温度变化，Trans-ducer可把实际的温度大小转换成电流信号，然后就可以送到下一级的模拟信号转换模块进行处理了。