传感器：智能时代的“慧眼”

若将智能系统比拟为“人类”，那么传感器便相当于其感知周遭的感官。各式各样的传感器，能够捕捉周围环境信息，并将这些数据传输至系统进行计算处理，进而对现实状况进行实时分析、评估与应对。伴随着数字化和智能化的持续深化，各类传感器的应用范围显著扩大，它们在为人类营造美好生活中扮演着至关重要的角色。

智能手机内集成了众多传感器，包括负责拍照的CMOS图像传感器，监测环境光线的环境光传感器，以及用于定位的地磁传感器和陀螺仪等。正是依托这些传感器，手机中的各类应用软件得以顺畅运行，使得手机不仅成为集工作、生活、娱乐功能于一体的便携式智能设备，同时也极大地改变了人们的生活方式。风云卫星搭载的可见光与红外线光电探测器，能够全天候收集大气数据，对天气进行精确预报，其功能不局限于地球，在月球和火星等天体上也有传感器在运作，助力人类揭开宇宙的神秘面纱。

比人的感官更敏锐、更强大

传感器充当信息系统的“敏锐之眼”。它仿照人体之眼、耳、肤等感官，对周遭环境进行感知，助力我们领略这个色彩斑斓的世界。然而，与人类感官相比，传感器的感知能力更为精细、更为强大。客观世界中蕴含的信息丰富程度，远超我们感官所能触及的极限。人的视觉无法捕捉到红外与紫外辐射，听觉无法辨识次声与超声波，而那看似无形却持续存在的磁场，更是难以被察觉。然而，这些超出了人类感官极限的信息，传感器却能敏锐地“感知”到。

随着生产力的提升，人类对世界的感知需求日益全面。在1821年，科学家们基于材料在温差作用下产生电压的原理，成功研发出了世界上首个传感器，即温度传感器。起初，人们通过直接运用光、热、电、力、磁等物理现象来制造各类传感器，但这些传感器普遍存在体积庞大、灵敏度不足、使用不便等问题。在20世纪70年代，集成传感器问世，它们将敏感元件与信号电路融合为一体，例如热电偶传感器、霍尔传感器以及光敏传感器等。这些传感器主要由半导体、电介质和磁性材料等固体元件组成，并输出模拟信号。进入20世纪末期，数字化传感器迅速崛起，借助“模拟/数字”转换模块，实现了数字信号的输出。数字化传感器融合了智能化处理模块，具备自动收集与处理数据的能力，同时能够根据环境变化自主调节作业参数；在数码相机中，光敏元件便是这一技术的典型应用。

总体而言，传感器的运作机制在于某些材料的电学性质会随着环境条件的变化而改变。比如，铂金在温度变化时电阻率会有所不同，硅在受到可见光照射时电阻会降低，石英在受到压力作用后其表面会积累电荷，诸如此类。通过电阻与温度之间的关联，我们可以制造出温度传感器；而在敏感元件上增加隔热层后，根据敏感元件的温度变化与红外辐射能量之间的联系，我们又能制造出红外传感器。在此前提下，我们能够依据温度与红外辐射间的关联，研发出一种无需接触的测温设备。大家所熟知的额温枪便是基于这一原理运作。通过运用众多物理与化学现象，人们成功制造出了灵敏度远超狗鼻子的“电子鼻”，它能探测到气体分子；还有在黑暗中也能清晰捕捉物体影像的红外相机，这些传感器种类繁多，功能强大。

没有传感器就没有数字化、智能化

数字化过程涉及将事物的特性进行数值化处理，进而以数字形式呈现为一种抽象的成果。依托于现代信息技术开yun体育官网入口登录app，人们得以保存、加工以及广泛传播各类数字化数据。传感器具备将事物内含的多重信息转化为电脉冲的能力，并通过数模转换器将这些电脉冲转化为数字形式，从而成为实现数字化的关键设备。在您使用手机拍摄照片或录制视频之际，手机内的光敏元件会捕捉到的光线强度信息转化为电信号，随后依照既定算法以数字形式进行编码和保存，最终在手机屏幕上呈现出可视的图像。

数字化依赖于传感器来收集数据。数字化系统所需要处理的数据量极其巨大，单纯依靠人力或传统手段难以实现，而传感器却能实现实时、高效、精确和迅速的数据采集。因此，我们得以拥有城市大数据、天气大数据、医疗大数据、农业大数据等。借助各种传感器，人们能够进行远程会议、在线学习、扫码支付，乃至直播销售商品，从而催生了数字经济的新形态。数字经济领域涵盖的包括云计算、物联网、人工智能以及5G通信在内的多种技术，均与传感器有着密切的联系。

传感器是数字化与智能化的基石，缺少了它，这两者便无法实现。作为智能化系统的首要环节，传感器的性能直接影响到整个系统及其相关设备的水准。在信息高端器件的研究领域，传感器技术已成为国际前沿，其在人工智能、智慧城市、5G通信、航空航天、生命健康等多个领域都扮演着至关重要的角色。一辆汽车配备了超过100种各类传感器，包括压力、温度、位置、声音、光和电等，这些传感器收集的数据由车载电脑进行加工处理，以辅助驾驶员做出决策。通过智能化数据分析，驾驶汽车的复杂性得以降低，从而使汽车更加安全易驾。此外，无人驾驶汽车能够实时通过传感器收集道路信息开元ky888棋牌官方版，一旦检测到障碍物，便能够借助智能分析迅速作出避让。都市里的摩天大楼、桥梁、隧道等建筑物，同样需要依赖视频、温度、压力以及烟雾等各式传感器来实时监测其安全状态；当这些数据汇聚起来，智能化的系统便会迅速进行解析，提炼出关键信息，以便使用者据此做出决策。展望未来，人类的感官能力有望通过传感器的辅助而变得更加敏锐，进而构建出更加智能化的系统。

智能传感器开拓新应用场景

目前，众多传感器正朝着性能增强、成本降低的目标迈进，同时向数字化、智能化、微型化、绿色低碳以及可穿戴等方向发展，展现出强劲的发展势头。特别是智能传感器、柔性传感器以及基于新原理的传感器的研究，具有里程碑式的意义，它们有望引领全新的工作与生活方式的变革。

智能传感器的研发成为一大发展动向。通过智能传感技术的应用，人们能够设计并制造出具备信息获取、存储和分析能力的各类传感单元与微系统开元棋官方正版下载，从而实现低成本且高精度的信息采集。这类智能传感器在机器人、无人驾驶、智能制造以及运动定量监测等领域得到了广泛的应用，并且还能用于开发无创或微创的健康监测设备。以近年来流行的动态血糖仪为例，它就是一个典型的应用案例。糖尿病患者将柔软的传感器无感地植入体内，该传感器每隔五分钟便测量一次血糖水平，并将数据传输至手机应用程序。患者得以监控血糖曲线的波动，并能够及时通过调整饮食和锻炼等方式来管理血糖。部分患者甚至因此摆脱了对药物和胰岛素的依赖。另外，研究人员正在开发可生物降解的电子设备，以进一步增强智能传感器在促进低碳环保生活方式方面的作用。

柔性传感器的研发成为了一个新的发展方向。众多应用场合需要传感器能够在柔性基材上进行制作，并且具备透明性、柔韧性、延展性，能够自由弯曲甚至折叠，便于携带，且适合穿戴。目前，用于制备柔性传感器的常见材料包括碳基材料（如炭黑、碳纳米管、石墨烯等）、金属纳米材料（如金属纳米线、金属纳米颗粒等）、高分子聚合物以及蛋白纤维等。这种具备良好延展性、耐撕裂和自修复特性的交联型超分子聚合物薄膜电极材料，适用于生产未来一代的可穿戴与植入式柔性电子设备。通过将多功能柔性传感器与柔性印刷电路板相结合，我们能够制造出“智能型腰带”，佩戴在身体各处，能够实时监测并分析生理数据，助力人们，尤其是感官功能减退的群体，更好地掌握自己的健康状况。

新型传感器接连问世。在基础科学领域，新的科学规律接连被揭示，研究者们正运用这些新的科学认识来开发传感器。与此同时，技术的不断发展也对基础研究提出了新的挑战。日常生活中，大众期望提升相机的像素质量、感应度、操作速度等关键性能指标；在快速实验领域，迫切需求能够捕捉飞秒级信息的光栅相机；在量子通信领域，亟需具备探测单个光子能力的光电传感器；在航空航天技术领域，则需要实现对于高速移动物体及低温目标的探测能力，诸如此类。这便促使科学家们深入挖掘物理领域的奥秘，揭示新的现象和规律，并不断优化传感器的性能。

科技的迅猛进步促使新材料和新工艺得以广泛应用，由此诞生了性能更卓越、种类更加繁多、智能化程度更高的传感器。这些传感器将引领我们进入更多新颖的工作和生活场景，助力我们更深刻地体验美好生活的点滴。

褚君浩，中国科学院院士，同时担任中国科学院上海技术物理研究所的研究员。