[教师也创客]创客教育材料漫谈——传感器

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教师也创客

传感器，是指用于侦测环境中的事件或变化，并将消息传送至其他电子设备的设备。传感器由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源4个部分组成。

敏感元件的作用是对环境进行直接侦测，并输出为物理信号（如位移、状态、电阻、电容的变化等）；转换元件是将敏感元件的物理信号转换为电信号的元件，可以是模拟信号，也可以是数字信号；变换电路将电信号进行放大和调制；而传感器各个部分的工作需要通过辅助电源提供工作所需的能量。

传感器是智能设备的基础，我们每天使用的智能手机就集成数十个传感器，而现代化的生产、科研、交通等领域，应用到的传感器类型更是数不胜数。即使是面向中小学的创客教育，我们常用的传感器也有十几个大类，每个大类又可细分为多种类型传感器，共100多种。这里我们通过3种类型的传感器以及创客案例，认识不同传感器的原理和使用方法。

三轴加速度传感器

三轴加速度传感器是一类运动传感器，它的经典应用场景包括手机、游戏机、遥控飞机、汽车、数码相机等。游戏机的体感控制功能、汽车的撞击保护功能、遥控飞机的姿态控制、数码相机的智能防抖功能都是用三轴加速度传感器实现的。

三轴加速度传感器的核心是1个质量块，根据力学的基本原理，当速度发生变化时，质量块在惯性的作用下发生位移，质量块的位移会导致周围电极的电容（或电阻、电感等物理量）发生改变，再通过转换元件和变换电路将加速度变化转变为电信号传递给主控板。当加速度为0时，质量块能够通过某种方式（如弹性元件）恢复至起始的位置。

计步器——三轴加速度传感器

不同类型的三轴加速度传感器在设计上各有差别，但感受加速度变化的原理都是相似的。以常用于Arduino制作的MMA7361三轴加速度传感器为例，传感器中间的芯片封装了它的敏感元件和转换元件，MMA7361传感器定义芯片裸露的方向为z轴，以长的一边为x轴、宽的一边为y轴建立坐标系，记录每一个方向上的加速度变化（你可以在传感器的印刷上了解三轴的方向）。传感器有9个引脚接口，分别为3个轴上的电极提供辅助电源的输入和输出，以及3个轴的信号的输出，该传感器输出的信号为模拟信号。此外，传感器还可以提供不同的量程选择，你可以根据实际需要选择量程和灵敏度。

我们越来越注意健康生活，为了记录运动，我们会用手机或智能手环记录我们每一天的行走步数，还会跟好友比一比谁每天的运动量多，这些功能是通过三轴加速度传感器实现的，我们也可以用它制作一个计步器原型。科技学堂创客作品“计步器”的设计思路就是将安装在身上的三轴加速度传感器连续获得走路时各轴加速度的变化数值，寻找走路的变化规律，并根据规律设定传感器的阈值和参数，设计出真正可以使用的计步器。

数字触摸传感器

触摸传感器是一种我们现代生活每天都会接触到的传感器。例如，有的台灯用触摸传感器控制开关和调节亮度，它代替开关或按钮，避免机械带来的磨损，也让设计更加简洁美观。而以触摸传感器为基础的触屏设备则给我们的智能设备操作带来新的体验，我们每天使用的触屏手机的屏幕就是一个巨大的触摸传感器，它改变了手机的操控方式，更多应用也应运而生。

根据工作原理的不同，触摸传感器分为电容式和电阻式2种。电容式触摸传感器的敏感元件是电容器，辅助电源为电容器提供均匀分布的静电场，当触摸到传感器时，电荷分布就会受影响，电容就会发生变化，当这种变化超过一定的阈值时，传感器就会识别为1次触摸，并将电信号传输给控制器。如果是触摸屏，它还会将触碰的坐标信息传输给控制器，并根据坐标信息和移动方式判断出使用者的动作。

楼道感应灯——触摸传感器

数字触摸传感器是一种简易的电容式传感器，它由1个触摸板和3个引脚组成。其中2个引脚为传感器提供辅助电源，第3个引脚为数字信号输出。数字触摸传感器只能输出0（没有触碰）和1（发生触碰）2种信号，因此，我们可以将数字触摸传感器作为开关使用。

科技学堂创客作品“楼道触碰感应灯”便是运用数字触摸传感器的例子，这个案例由1枚LED灯和触摸传感器组成，当使用者触碰传感器时，LED灯便会自动亮起，保持一段时间后熄灭，模拟楼道灯的效果。

红外测距传感器

许多智能设备都安装了各种测距传感器，实现距离测量的功能。但同样是测量距离，不同设备的应用场景不同，需求也不一样。航天器需要测量几千千米的轨道高度，而自动驾驶的汽车雷达只需要识别和测量几百米内的障碍物；隧道工程测量的距离不长，但精度要求很高，而手机只需要在接听电话时锁定显示屏，避免使用者的误触屏幕。所以我们需要不同的传感器实现不同的测距功能。

测量距离的传感器通常有3种工作方式：红外测距、激光测距和超声波测距。以红外测距传感器为例，传感器的发射单元向被测物体发出红外线，同时启动计时器。红外线触碰到反射物时便会发生反射，当接收单元收到反射信号时，计时器停止，通过反应时间与光速的关系计算出反射物与传感器之间的距离。

倒车检测装置——红外测距传感器

激光测距与超声波测距和红外测距的方法类似，它们发射的分别是红外激光和超声波，距离的具体计算方法也各有不同。红外测距精度高、测量速度快，但在阳光强烈的户外容易受干扰；激光测距精度高、距离远、干扰较小，但价格昂贵；超声波测距距离较短、容易受外界影响，但价格低廉，适合用于精度较低的场合，创客教育中我们要根据实际需要选择合适的传感器。

红外测距传感器常被用于扫地机器人、倒车雷达、带有避障功能的机器人等场景。科技学堂的Arduino作品“倒车雷达”便是利用红外测距传感器制作的模型。我们将显示屏安装在小车的车窗上，将红外传感器安装在车后，倒车时，蜂鸣器发出声音，红外传感器将车与墙壁的距离发送到显示屏上，这样我们就能安全倒车了。这个制作采用的是测量距离为430厘米的红外传感器，量程对于小型制作来说完全足够。

创客教育中应用的传感器如此众多，我们怎样才能选择到合适的呢？作为创客教师，我们首先应该了解创客教育中应用的传感器的种类和特点；其次，我们需要多与同行交流，了解不同传感器在创客作品中的应用；第三，在正式制作作品之前，应阅读相关传感器的说明文档，认识不同传感器的优势和局限性，这样才能够得心应手地选择合适的传感器。

本文原载于《中国科技教育》2018年第10期“新技能”栏目，作者陈染，有删减。

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