传感器与智能时代

飞速发展的科技列车带领我们驶入了智能时代，信息是这辆科技列车的燃料，而感知信息的传感器则是智能时代的基石。传感器是一种代替并超越人类五感的电子器件。传感器的发展，使我们感知到了更加丰富的信息，对世界的认识也变得更加清晰。本书以通俗易懂的语言介绍了传感器的工作原理、分类、应用等方方面面的知识。从日常生活入手，以我们身边的事物为例，加上科学趣事的融入和古典诗词的点缀，从而进一步提升了读者的阅读体验。本书还展望了传感器在智能时代中扮演的角色，为读者们提供了新的认识和视野，并在后记中特别寄语青少年读者，告诉他们如何培养在未来能够展翅高飞的潜能。

褚君浩 中国科学院院士，中科院上海技术物理研究所研究员，复旦大学光电研究院院长，华东师范大学教授。曾获国家自然科学奖三次，2014年被评为“十佳全国优秀科技工作者”，2017年获首届“全国创新争先奖”奖章、 “2017感动上海年度人物”称号，2022年获“第十四届上海市大众科学传播杰出人物”称号，被誉为“心系科普的院士”。

李波 复旦大学理学博士，现任华东师范大学物理与电子科学学院教授。在校内担任《大学物理》《物理光学》等主干必修课程的教学工作。科研方向为光谱学，主要从事与光学传感器和光量子传感器中核心材料相关的研究工作。

我们能欣赏“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”的动人美景；

我们能聆听“鼓钟钦钦，鼓瑟鼓琴，笙磬同音”的天籁之音；

我们能细嗅“遥知不是雪，为有暗香来”的梅之幽香；

我们能品尝“鲜鲫银丝脍，香芹碧涧羹”的人间美味；

我们能感触“沾衣欲湿杏花雨，吹面不寒杨柳风”的微风徐来；

我们能够感受到种种自然的美好，要感谢我们的眼睛、耳朵、鼻子、舌头和皮肤带给我们视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这五种感觉。我们通过五感来获取信息，通过五感来认识世界。离开了五感，我们将失去与外界联系的桥梁，我们的大脑将接收不到任何信息，我们将不知“身”在何处……

随着文明的发展，人们渐渐认识到，人类的五感并不完美，我们无法感知很微弱的信息，我们无法分辨非常相似的信息，我们甚至对很多外界的信息也无法感知：我们看不到能使皮肤变黑的紫外线，我们听不到体检时B超设备发出的超声波……人类五感所能感知的信息，已经无法跟上人们不断探索世界的步伐。

科技的发展带给我们增强和拓展五感的可能。不仅在纵向上可以增强五感的能力，使我们能感觉到更微弱的信息，能察觉出更细微的不同……还可以在横向上将五感增加为六感、七感，以及更多，让我们拥有能感受磁场的本领，能洞悉他人内心想法的能力……为此，我们要寻找能够代替我们的眼睛看，代替我们的耳朵听，代替我们的鼻子闻，代替我们的舌头尝，代替我们的皮肤感觉的“器官”。这种能够感受信息、传递信息的器件，就是我们这本书的主角——传感器。

我国古代“四大发明”之一的指南针，就是一个简单的磁场传感器。它可以通过感受地磁来指明方向。我们的大脑对指南针指示的方向信息以及要前往的目的地进行分析，最终得出前进的方向和应走的路线。可以看出，传感器负责感知和传递信息，大脑负责处理和分析信息，并给出相应的反馈。

18世纪 60年代，蒸汽机推动着人类社会的车轮驶入了第一次工业革命。机器代替手工开展劳动，以及交通运输领域的巨大革新，将人们从重体力劳动中解放出来。第一次工业革命极大地提高了生产力。率先完成第一次工业革命的英国成为了当时的世界霸主。19世纪70年代，电气化的发展将人类社会带入了第二次工业革命，进一步解放劳动力，生产力再一次得到了大发展。美、德、英、法、日等国相继完成第二次工业革命，进入帝国主义阶段。20世纪50年代，科学技术的发展带来了第三次工业革命，原子能的发现、电子计算机的发明，极大地改变了人们的生活方式。在上面这些过程中，传感器都发挥着极为重要的作用。

随着技术的发展和文明的进步，人们希望能将自身从这个处理信息并反馈的过程中解放出来，通过一定的技术方案来代替人脑工作，实现信息的自动处理和反馈。技术方案从最开始借助简单机械原理的自动运行，发展到了当下通过高性能中央处理器实现的自动控制。相应的系统变得越来越“聪明”，各式各样的智能器件出现在了我们的生活之中。放眼当下，我们已经进入智能化带来的第四次工业革命。种类丰富的传感器为我们提供了更加精准和多元的感知，高性能的中央处理器保证了对信息更加智能的分析和处理。由传感器和处理器组成的智能系统越来越多地出现在我们的周围。从狭义上来讲，当我们将这些传感器和处理器集中于独立的个体时，就能创造出机器人、智能汽车等会“思考”的机器。进一步从广义上看，当我们给所有的物品配备上相应的传感器，并实现万物互联时，将开启智能时代，构造出一个智能的生态系统，创造出一个智慧的地球。

就 在 这 本 书 编 写 的 这 几 个 月 里 ，美 国 太 空 探 索 技 术 公 司（SpaceX）“星链”计划的卫星总数突破了三千颗；有史以来最大、最强、最复杂的太空望远镜詹姆斯·韦布空间望远镜发射成功并顺利展开至工作姿态，成功拍摄了多幅极具意义的宇宙照片……接连不断的科学大事件正是科技飞速发展的有力证明。我国的科技实力也有了大幅的提升：我国的“太空快递员”天舟四号发射成功并完成自动对接，神舟十三号载着宇航员成功返回，神舟十四号顺利将宇航员送入天宫空间站，长征八号火箭完成了创纪录的“一箭 22 星”……科技是第一生产力，科技强国才是真正的强国，我们要积极迎接第四次工业革命，在智能时代中大显身手。

前言 / 001

第1章 感知自然的信息 / 005

1.1 人类感受不到的世界 / 005

1.2 生活中的传感器 / 011

1.3 光、声、热、电、磁的转换 / 016

1.4 传感器大家族 / 019

第2章 电磁波与传感器 / 025

2.1 波的世界 / 025

2.2 爱因斯坦与光电效应 / 031

2.3 无线电传感器 / 036

2.4 太赫兹透视眼 / 041

2.5 光学传感器 / 048

2.6 X光传感器 / 056

第3章 红外传感器 / 064

3.1 从牛顿到赫歇尔 / 064

3.2 黑暗中拍照 / 068

3.3 测温仪的秘密 / 071

3.4 一目了然 / 078

3.5 红外工程 / 086

3.6 太空中的红外之眼 / 094

第4章 比五官更灵敏 / 102

4.1 分子传感器 / 102

4.2 压力传感器 / 116

4.3 磁传感器 / 122

4.4 湿度传感器 / 128

第5章 超能传感器 / 133

5.1 柔性传感器 / 133

5.2 智能感知芯片 / 139

5.3 量子传感器 / 144

第6章 迎接智能时代 / 149

6.1 三大支柱 / 149

6.2 信息地基 / 154

6.3 人工智能和智能机器人 / 157

6.4 智慧地球 / 162

6.5 智能时代展望 / 168

后记 培育飞翔的潜能 / 174

图片来源 / 183