無(wú)處不在的物理傳感器

自古以來(lái)，對(duì)溫度、風(fēng)速、大氣壓力、傾斜度和力等物理參數(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)人類來(lái)說(shuō)就很重要。早用于測(cè)量這些參數(shù)的傳感器或設(shè)備非常笨重。此外，它們也不準(zhǔn)確，因?yàn)橛脩艋蛴^察者負(fù)責(zé)讀取和解釋傳感器信號(hào)。然而，用這些設(shè)備收集的數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)航和天文學(xué)很有用。

如今，我們的社會(huì)更加工業(yè)化，我們使用并在一定程度上依賴無(wú)數(shù)復(fù)雜的設(shè)備、機(jī)器和儀器。這些設(shè)備、機(jī)器和儀器的性能和功能間接地取決于安裝在它們內(nèi)部的各種高精度傳感器。因此，對(duì)越來(lái)越多的傳感器的需求越來(lái)越大。這些傳感器被用于監(jiān)測(cè)各種參數(shù)，如液位、流量、溫度、壓力、磁場(chǎng)、聲信號(hào)、距離、接近、傾斜、旋轉(zhuǎn)、觸摸、運(yùn)動(dòng)、光強(qiáng)度、加速度、顏色等。

目前，即使在惡劣或[敏感詞]挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，傳感器也被用于監(jiān)測(cè)物理參數(shù)，例如，人體內(nèi)部的力和超聲波，深海中的聲波，渦輪機(jī)和油井中的壓力，以及空間中的旋轉(zhuǎn)和加速度。

傳感器可以提供多種物理參數(shù)的數(shù)據(jù)和信息，這些數(shù)據(jù)和信息對(duì)控制各種工業(yè)過(guò)程至關(guān)重要，或者對(duì)醫(yī)療應(yīng)用、氣象學(xué)或科學(xué)研究至關(guān)重要。這就是為什么這些傳感器已經(jīng)變得無(wú)處不在的原因。

傳感器提供了它們所在環(huán)境的有用數(shù)據(jù)，這對(duì)設(shè)備和機(jī)器的性能和功能至關(guān)重要。它們還能提供有關(guān)結(jié)構(gòu)、材料或嵌入其中的設(shè)備的狀態(tài)或健康狀況的連續(xù)信息。因此，它們被放置在多個(gè)點(diǎn)上，以收集盡可能多的不同物理參數(shù)的數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方式，傳感器使材料、設(shè)備或結(jié)構(gòu)變得更智能、更高效或功能更強(qiáng)、更安全。

物理傳感器的多樣化應(yīng)用

在大多數(shù)情況下，傳感器只提供單一參數(shù)的數(shù)據(jù)，也就是它們所設(shè)想的參數(shù)，但在近的應(yīng)用中，兩個(gè)或多個(gè)傳感器一起工作。例如，無(wú)人駕駛飛機(jī)中的加速度計(jì)和陀螺儀為飛機(jī)本身提供更多的信息，如位置、高度、飛行距離等?？纱┐髟O(shè)備或運(yùn)動(dòng)設(shè)備中的加速度計(jì)和陀螺儀共同工作，可以提供人的移動(dòng)距離、撞擊次數(shù)、撞擊的力量和位置等多種信息。所有這些信息都能幫助運(yùn)動(dòng)員提高成績(jī)。

目前，如果沒(méi)有多個(gè)物理傳感器，一些關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施、車輛、儀器等都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這些傳感器的任務(wù)是提供一系列參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從溫度、加速度、聲音到人的傾斜度或心臟跳動(dòng)。由于有了傳感器，管道、道路、建筑、儀器、車輛等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施都有了 “人工神經(jīng) ”或感官。

例如，現(xiàn)代的醫(yī)療儀器和手術(shù)機(jī)器人都包含多個(gè)傳感器，不僅可以監(jiān)測(cè)與醫(yī)療相關(guān)的參數(shù)，還可以監(jiān)測(cè)力或壓力等物理參數(shù)，提供觸覺(jué)反饋。

另一個(gè)例子是自動(dòng)駕駛汽車，其中大量的參數(shù)被不斷監(jiān)測(cè)，以使其更加安全和清潔。第三個(gè)例子包括智能手機(jī)和手表中的傳感器。這類傳感器提供的數(shù)據(jù)多種多樣，如人的心率、電池的狀態(tài)、屏幕的方向、與物體的接近程度或環(huán)境光的強(qiáng)度等。

讓一切變得更智能、更安全或更簡(jiǎn)潔的大趨勢(shì)，以及為儀器、設(shè)備、小工具、智能手機(jī)、電器等增加更多功能的趨勢(shì)，增加了在不同環(huán)境下監(jiān)測(cè)更多參數(shù)的需求。這反過(guò)來(lái)又增加了傳感器的類型和用于制造傳感器的技術(shù)。

一般來(lái)說(shuō)，電子傳感器由于尺寸小、重量輕、可靠性高、性價(jià)比高，在各種應(yīng)用中都是[敏感詞]。然而，電子傳感器可能無(wú)法正常工作，或者可能不適合或不推薦用于某些應(yīng)用。在某些情況下，光學(xué)傳感器是[敏感詞]可行的解決方案，因?yàn)樗鼈儗?duì)電磁干擾不敏感。例如，現(xiàn)代內(nèi)窺鏡包括光纖力和聲傳感器，并監(jiān)測(cè)人體內(nèi)部的此類參數(shù)。光纖還用于監(jiān)測(cè)管道、電力線、周界和邊界等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變、溫度和振動(dòng)。

因此，顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是：未來(lái)幾年物理傳感器的宏大挑戰(zhàn)是什么？

未來(lái)物理傳感器的巨大挑戰(zhàn)

這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案，因?yàn)閭鞲衅鞯膽?yīng)用是多樣化的，存在許多不同類型的傳感器。

讓我們從科學(xué)的角度出發(fā)。

物理傳感器在靈敏度、分辨率、測(cè)量范圍、精度、準(zhǔn)確度等方面的前沿進(jìn)展幾乎每天都在擴(kuò)大。毫無(wú)疑問(wèn)，納米和量子技術(shù)將有助于推動(dòng)物理和其他傳感器的極限。通過(guò)使用單光子或糾纏光子或其他量子資源，光學(xué)和電子傳感器的靈敏度可以提高到所謂的射噪極限以上。

因此，在不久的將來(lái)，將有可能開(kāi)發(fā)出能夠檢測(cè)參數(shù)的傳感器，其精度和分辨率是今天的傳感器無(wú)法達(dá)到的。引力波探測(cè)器VIRGO中展示了光的擠壓狀態(tài)對(duì)靈敏度的增強(qiáng)。類似的概念可以用于其他高靈敏度量子傳感器的開(kāi)發(fā)。新的納米材料或在納米尺度出現(xiàn)的效應(yīng)也可以用來(lái)提高傳感器的靈敏度，或者開(kāi)發(fā)全新的超微型傳感器。

從技術(shù)角度來(lái)看，傳感器面臨的挑戰(zhàn)是如何大幅降低其成本、尺寸或能耗。

例如，光纖傳感器比電子傳感器貴得多。因此，為了降低光纖傳感器的成本，研究設(shè)計(jì)這種傳感器的新方法、它們的組件或它們的詢問(wèn)方式至關(guān)重要。

另一方面，可穿戴設(shè)備由于電池充電時(shí)間短，使用范圍有限。因此，研究為傳感器供電的新機(jī)制將是有趣的，例如，用人體的熱量或運(yùn)動(dòng)，或用要監(jiān)測(cè)的參數(shù)。在自主汽車中，傳感器必須更加笨重和便宜；此外，它們必須具有高度的可靠性和[敏感詞]性，以及必須快速響應(yīng)。具有這些屬性的傳感器將有助于開(kāi)發(fā)更清潔、更可靠、更實(shí)惠的自動(dòng)駕駛汽車。

對(duì)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信號(hào)的處理和解釋也是重要的挑戰(zhàn)，這也是傳感器技術(shù)中一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域。目前，傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)物理參數(shù)，這種情況在未來(lái)不會(huì)有太大改變。在許多工業(yè)、科學(xué)和其他應(yīng)用中，傳感器可以提供大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須被高速收集、存儲(chǔ)、處理和解釋，以實(shí)時(shí)提供信息。在這些情況下，人工智能和深度學(xué)習(xí)中使用的概念和方法以及大數(shù)據(jù)中使用的技術(shù)（正在并將越來(lái)越多地被考慮在內(nèi)。

我們現(xiàn)在生活在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代，物理(和任何其他)傳感器的[敏感詞]挑戰(zhàn)將是在字面上的每一個(gè)瞬間，提供關(guān)于它們被設(shè)想為監(jiān)測(cè)的參數(shù)的數(shù)據(jù)，以及將傳感數(shù)據(jù)傳達(dá)給其他設(shè)備并從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。因此，在未來(lái)幾年，我們將看到傳感器發(fā)揮傳感以外的作用。

近由冠狀病毒引起的全球大流行對(duì)物理傳感器提出了重大挑戰(zhàn)，以解決迫切的社會(huì)需求。

例如，體溫傳感器可以在機(jī)場(chǎng)和公共汽車/火車站快速識(shí)別發(fā)燒的人。在這種情況下，面臨的挑戰(zhàn)是在不接觸人的情況下，快速、高精度地測(cè)量體溫，[敏感詞]是同時(shí)測(cè)量幾個(gè)人的體溫。融入呼吸輔助器中的流量和壓力傳感器對(duì)于幫助感染者更輕松地呼吸也至關(guān)重要；因此，這種傳感器有助于挽救重癥監(jiān)護(hù)室的生命。另一方面，智能門和水龍頭有助于避免病毒的傳播，因?yàn)榘惭b在其中的接近傳感器可以在不觸碰的情況下打開(kāi)這種門或水龍頭。

在不久的將來(lái)，我們將看到安裝在智能手機(jī)中的幾個(gè)傳感器如何共同幫助對(duì)抗冠狀病毒的傳播。智能手機(jī)將為我們提供一個(gè)復(fù)雜的近距離檢測(cè)系統(tǒng)，提醒我們可能接觸到受感染的人。

物理傳感器和其他傳感器將繼續(xù)為各種事物提供人工感應(yīng)和更多的功能，并讓它們變得更智能、更安全、更清潔，對(duì)用戶更友好。在近的全球大流行期間，物理傳感器顯然也是重要和必要的，甚至可以幫助拯救生命。

作者：愛(ài)爾蘭都柏林城市大學(xué)Dermot Diamond

編譯：梟梟

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