3.2　传感器：真实物理世界的探针

无论是通用控制器、专用数据采集模块，还是智能产品和终端，都通过传感器获取大量数据。传感器是将物理信号和非电效应转换成电信号的转换器，是真实物理世界的探针。虽然设备接入的数据不仅仅是传感器数据，有些是应用系统逻辑处理后的数据，但传感器数据是其中最重要的一类。物联网的特点在于实时性和真实性，且不依赖于人的主观能动性。实时性强调数据无时无刻不停地采集，真实性强调数字世界和物理世界的一致性，这种真实性依赖于对物理世界的感知，并且无须人为干预。很多领域的重大突破和传感器技术的发展有着密切关系，例如医疗影像领域，得益于图像传感器器件的光电转换能力，得以采集更清晰的图像。

由于微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）的进步，可穿戴设备上能够轻松集成心率计、加速度计、姿态IMU传感器，随时随地监测人体健康状态，并保持设备体积小巧和轻便。

传感器种类非常多，比如温湿度传感器、速度和加速度传感器、压力传感器、位移传感器、声学传感器、流量传感器、光电探测器等。每种传感器都和特定的物理原理或物理现象相关。

诸如电流和电压传感器，传统指针式电流表根据电流磁效应原理，电流越大，产生的磁力越大，电流表指针摆幅越大。电流表内有一个磁铁和一个导线线圈，通过电流后，线圈产生磁场，线圈通电后在磁铁作用下发生偏转。电流表串联大电阻后成为电压表。

现代电压表采用数字A/D模数转换器，直接将测量电压转换成数值，而根据欧姆定律，通过测量精密电阻器上的电压，可得到流经电阻器的电流。热电偶温度传感器基于热电效应，当两个不同的金属接触时，接触点会产生一个以温度为函数的较低的空载电压，这个温差电压就是Seebeck电压。由于小范围内温度变化引起的电压变化近似认为是线性的，因此将温度传感器电压映射后可得出温度值。

加速度和压力传感器多数是基于压电效应的，压电效应指对压电材料如陶瓷或石英晶施加压力，它便会产生电位差，压电材料因机械形变导致电荷重新分配，从而产生电场。压电效应对受压的影响表现为其外表面出现电荷，而压阻效应对受压的影响表现为其阻值发生改变，例如应力测量过程中，应变计粘贴于被测材料上，被测材料受到外界作用产生的应变被传送到应变计上，使应变计电阻值发生变化，通过测量应变计电阻值的变化得知应力的大小。光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件，基于光电效应原理。光电效应指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生电子跃迁，形成电流。

传感器转换后的信号有可能太弱而难以测量，或者需要外部特定激励，此时涉及信号调理，即对信号进行放大或者滤波处理等，表3-1列举了一些常见的信号调理方法。

表3-1　信号调理举例

传感器的种类非常多，在不同垂直细分行业有着大量的传感器应用。雅各布·弗雷登（Jacob Fraden）在《现代传感器手册：原理、设计及应用》一书中汇集了近20种传感器、500余幅图片，对传感器相关的基本原理、设计及应用进行介绍，感兴趣的读者可将其作为参考。