第3章
Mobile Sensors and Context-Aware Computing
傳感器和執行器
本章内容
- 術語概述
- 傳感器生态系統
- 加速度計
- 陀螺儀
- 磁場傳感器
- 光傳感器
- 接近傳感器
- 溫度傳感器、壓力傳感器、生物傳感器
3.1 術語概述
傳感器、變換器和執行器件是構成傳感器生态系統的基礎。本節介紹它們的基本定義。
傳感器是一種将實體活動或變化轉換為電信号的裝置。它是實體或現實世界與電子系統和計算裝置元件之間的接口。一種最簡單的形式為：傳感器響應某種實體變化或刺激并輸出某種形式的電信号或資料。傳感器需要産生計算系統可以處理的資料。例如，打開洗衣機會停止洗滌循環，打開房門會導緻房屋警報激活。如果沒有對這些實體活動的感覺，洗滌周期或房屋警報的觸發将沒有變化。
變換器是将一種形式的輸入（能量或信号）轉換成另一種形式的裝置，如圖3-1所示。變換器可以是我們先前定義的傳感器的一部分。很多時候，傳感器和變換器會互換使用，但是，我們可以通過使用傳感器測量實體環境的變化以及使用變換器産生電信号來區分它們，其中變換器在實體環境中測量變化并将其轉換為不同形式的能量（如電信号），如圖3-2所示。
組合變換器執行一種能量形式的檢測并能産生能量輸出。例如，天線可以接收（檢測）無線電信号，也可以發送（建立）無線電信号。
變換器的性能可以根據其精度、靈敏度、分辨率和範圍來衡量。
執行器件是一種變換器，以一種形式的能量作為輸入，産生某種形式的運動、活動或動作。是以，它将某種形式的能量轉化為動能。例如，電梯中的電動機将電能轉換成從建築物的一個樓層到另一個樓層的垂直運動。以下是執行器件的主要類别：
- 氣動：這些執行器件将壓縮空氣中的能量（高壓）轉換為線性或旋轉運動，如液體或氣體管道的閥門控制。
- 電動：這些執行器件将電能轉換為機械能，如電動水泵從井中抽水。
- 機械：這些執行器件将機械能轉化為某種形式的運動，如用一個簡單的滑輪拉動重物。
圖3-2 傳感器與變換器示例
執行器件的性能可以用力、速度和耐久性來衡量。
3.2 傳感器生态系統概述
傳感器生态系統由許多重要的元件、參與者、支援技術（如傳感器類型和無線協定）、制造商、開發人員、市場和消費者組成。讓我們看看支援技術中包含的某些類别的傳感器，如位置傳感器、接近傳感器、觸摸傳感器和生物傳感器。
3.2.1 位置傳感器
位置傳感器可以為表3-1中提到的用例提供幫助。
表3-1 位置傳感器用例
加速度計和陀螺儀是位置傳感器，接下來将會對其進行介紹。
加速度計是測量固有加速度（g力）的裝置。固有加速度與坐标加速度（速度變化率）不同，它是裝置或物體相對于自由落體所經曆的加速度。例如，一個靜止在地球表面的加速度計将測量出一個垂直向上的加速度g=9.81m/s2，因為地球表面上的任何一點相對于局部慣性系（在引力作用下的自由下落的參照系）均加速向上。相比之下，對于地球引力引起的自由下落軌道和加速，加速度計将測量為零，因為要獲得相對于地球運動的加速度，必須減去“重力偏移量”并對地球自轉相對慣性系引起的效應進行校正。
加速度計的單軸和多軸模型可用于探測固有加速度（或力）的幅度和方向，得到一個矢量，這也可用于檢測方向（因重量方向改變）、坐标加速度（隻要它産生力或力的變化）、振動、沖擊，以及阻抗媒體中的下降（從零開始增加的固有加速度變化的情況）。
（1）g力、軸、坐标系
力（來自重力）是一種以重量來度量加速度的力，可以描述為機關品質的重量。它是一個物體所經曆的加速度，由作用于物體自由移動的所有非引力和非電磁力的矢量和決定。例如，放置在地球表面的物體上的的力是由地面施加的向上機械力引起的，進而阻止物體自由下落。來自地面的向上接觸力保證了靜止在地球表面的物體相對于自由落體狀态加速。自由落體是物體自由下落到地球中心時所遵循的路徑，在自由落體時物體不會真正加速。
（2）計量機關
力加速度的機關是。這有助于區分一個簡單的加速度（速度變化率）和力加速度（相對于自由落體）。是地球表面因重力引起的加速度，為标準重力（符号：），定義為或。
（3）重力貢獻，靜止在表面上的裝置行為和自由落體
現在讓我們描述軸對加速度計功能的影響。三個軸如圖3-3所示。
案例1：平坦路面上靜止的汽車 在這種情況下，有來自地球表面向上的阻力，該阻力與重力相等且相反。阻止汽車自由下落的加速度為向上方向。如果将單軸加速度計安裝在汽車上，使其測量軸水準，則其讀數将為，即使汽車在平坦的道路上勻速行駛，其讀數仍為。如果汽車停止，那麼這個單軸/雙軸加速度計将顯示一個正加速度或負加速度。如果單軸加速度計安裝在汽車上，使其測量軸垂直，那麼它的讀數将是，因為它可以測量它所停留的表面的反作用力（它不能測量重力）。如果使用三軸加速度計，那麼這個加速度計将顯示。對于三軸加速度計，加速度定義為：
是以加速度的方向向上（如圖3-4所示）。
案例2：自由落體的物體 在這種情況下，地球表面沒有向上的阻力。物體将具有坐标加速度（速度變化）且無重量（失重）。是以向上的加速度為。這種情況下的加速度計将在所有方向上顯示（如圖3-5所示）。對于三軸加速度計，加速度定義為：
圖3-4 加速度計的水準和垂直測量基準與相應力
圖3-5 自由落體的物體
由于在自由落體的情況下和方向上的加速度為零，如果将雙軸加速度計水準放置在自由落體對象上，則加速度計無法正确捕獲自由落體，因為它無法區分地球上靜止的物體和自由落體的物體（即使如前所述靜止于地球，它也會顯示）。
案例3：物體向下移動 方向向上的正向力會在物體上産生向下的重量。負向力是方向向下的加速度，在向上方向産生重量。假設一個人在電梯裡加速下降，由于重力這個人向下加速，被施加的力（向下方向）。是以，在向上方向上，電梯地闆對人施加了相等且相反的力。
考慮以下參數：
（4）傾斜靈敏度和加速度計方向
現在讓我們描述不同的參數和傾斜計算。考慮圖3-6，其中加速度計為水準測量基準，測量讀數為1g。
圖3-6 無傾斜時的方位
圖3-7 15°傾斜時的淨
由于15°的傾斜，讀數分别為：
情形1：0g方向加速度計讀數變化為：
0G->0.25G（與舊值相比有很大的百分比變化）。
情形2：1g方向的加速度計讀數變化為：
1G->0.97G（與舊值相比變化了3%）。
以上可見，情形1的百分比變化遠大于情形2，是以0g方向加速度計的傾斜靈敏度大于1g方向加速度計的傾斜靈敏度（如圖3-8所示）。
（5）傾斜對加速度計測量的影響[1]
首先讓我們複習一下用于傾斜計算的不同參數的定義。考慮一款具有如圖3-9所示軸線的智能手機。
、和是智能手機的三個方向軸，其中X向前、Y向側面（右側）、Z向下。與上述軸相對應的加速度計的三個軸是、和。加速度計感測軸與智能手機軸在預設位置相比對。和的符号與和的符号相反。
傾斜計算中的兩個重要角度是俯仰角（pitch）和翻滾角（roll）。這些角是相對于垂直于地球重力方向的水準面而言的。
俯仰角（α）是前軸和水準面之間的夾角。當軸在繞軸旋轉的同時從平面上升或下降時，俯仰角會發生改變。如果智能手機從平面向上移動到垂直位置，那麼俯仰角将從0°變化至+90°。如果智能手機的Xs軸從平面向下移動，俯仰角将從0°變化至-180°。圖3-10顯示了各種俯仰角度：0°、+30°、+90°、-90°、+179°、-180°等。
圖3-8 垂直安裝的加速度計的傾斜靈敏度
圖3-9 加速度計傾斜計算軸
圖3-10 俯仰角
翻滾角（）是軸和水準面之間的夾角。當軸在繞軸旋轉的同時從平面上升或下降時，翻滾角會發生改變。如果智能手機圍繞軸旋轉并從平面向上移動到垂直位置，則翻滾角會從０°變化至-90°。如果繼續移動直至再次變平，那麼翻滾角度将變為-180°。假設角度分辨率為1°，如果智能手機的軸從平面向下移動，則翻滾角将從0°變化至+179°。圖3-11顯示了各種翻滾角度：0°、+30°、+90°、-90°、+179°、-180°等。
圖3-11 翻滾角
表3-2總結了一些有助于了解智能手機固定位置的加速度計讀數。
表3-2 加速度計的三軸讀數
現在讓我們看看如何計算傾斜度。這個概念在之前的“傾斜靈敏度和加速度計方向”一節中進行了簡要說明。
考慮圖3-12，軸和軸互相垂直，軸是沿着水準面的。
圖3-12 傾斜感測的工作原理
單軸傾斜感測 讓我們考慮一個加速度計，它沿水準面有一個感測軸，與重力垂直（如圖3-13所示）。
如果該加速度計傾斜（如圖3-14所示），則對應的感測加速度計讀數如表3-3所示。
表3-3 單軸加速度計的傾斜度和靈敏度值
由圖3-15可以看出，當傾斜越靠近水準軸時，加速度計測量的靈敏度（的變化）值越大，而越接近重力方向時，靈敏度值越小，在90°或270°時變為。
圖3-15 單軸加速度計靈敏度
雙軸傾斜感測 讓我們考慮兩種不同的雙軸加速度計感測的情形。
情形1：傳感器位置（垂直） 考慮加速度計圍繞軸逆時針旋轉（如圖3-16所示，角度），那麼Z軸和Y軸的靈敏度及對應傾斜角将如圖3-17、圖3-18和圖3-19所示。圖3-17、圖3-18和3-19中的結論見表3-4。
圖3-16 雙軸傾斜感測情形1
圖3-17 軸靈敏度
圖3-18 軸靈敏度
圖3-19 雙軸加速度計相對于傾斜角的靈敏度
表3-4 傾斜角與靈敏度的關系
情形2：傳感器位置（水準） 在這類情形下（如圖3-20所示），Y軸垂直于，是以加速度計測得的加速度A=g×sin（傾斜角）。但由于，是以這個測量的加速度對于某兩個不同的傾斜角來說是相同的，是以很難區分傾斜角度是（如30°）還是（如）。這是這種特殊配置的嚴重缺陷，因為它不利于傾斜計算。
圖3-20 雙軸加速度計無效（需要三軸加速度計）
三軸傾斜感應 将軸與軸及軸組合起來可以幫助提高加速度計的傾斜靈敏度和
精度。
圖3-21 三軸加速度計和傾斜角度
陀螺儀[2-3]用于确定裝置的旋轉運動和方向。陀螺儀有MEMS陀螺儀、光纖陀螺儀和振動陀螺儀等不同類型。
（1）機械陀螺儀
機械陀螺儀采用角動量守恒原理（系統的旋轉保持恒定，直至受到外部扭矩的影響）。陀螺儀的旋轉軸上有一個可以自由旋轉的輪子或圓盤，稱為轉子。旋轉軸可以自由呈現任意方向并定義轉子的旋轉。當安裝在平衡環上時，根據角動量守恒定律，旋轉軸的方向不受安裝平台的運動的影響。平衡環可最大限度地減小外部扭矩。
（2）陀螺儀的組成部分和旋轉自由度
陀螺儀由四個主要部件組成（如圖3-24所示）：陀螺儀架構、平衡環、轉子和旋轉軸。
陀螺儀架構是一個外環，它以一個旋轉自由度圍繞支撐平面内的軸線轉動。陀螺儀架構的軸不旋轉（旋轉自由度為零）。
平衡環是繞某個軸旋轉的内環，這個軸與陀螺儀架構的軸垂直。平衡環有兩個旋轉自由度。
轉子的軸定義了與平衡環軸垂直的旋轉軸。轉子以三個旋轉自由度圍繞其軸旋轉，旋轉軸具有兩個旋轉自由度。轉子或陀螺儀的旋轉軸方向的改變稱為陀螺儀進動（gyroscope precession）[4]。
（3）陀螺儀進動
扭矩是試圖使物體繞其旋轉軸旋轉的力。扭矩的大小取決于施加的力以及軸與施加力點之間的距離，表示為：
考慮重力作用下的陀螺儀（如圖3-25所示）。當輪子/轉子不旋轉時，來自重力的扭矩會使轉子以一個角速度向下旋轉[5]。
使用右手定則（右手手指從杠杆臂的方向彎曲到重力的方向），扭矩指向頁面，産生的角速度也指向頁面。陀螺儀重力的扭矩為：
如圖3-26所示，如果轉子旋轉時的初始角動量向量垂直于重力引起的向量，則扭矩會引起角動量向量方向的變化，進而引起轉子旋轉軸的變化。這種旋轉軸或進動的變化将具有角速度。
圖3-26 帶旋轉轉子的陀螺儀
圖3-27 帶旋轉轉子的陀螺儀（與水準面所成的角度）
如果陀螺儀的旋轉速度減慢（例如受摩擦影響），則其角動量減少，進動率增加。如果裝置旋轉速度不夠快，不足以支撐其自身重量，則會停止進動并下落，如圖3-25所示。
3.2.2 接近傳感器
接近傳感器是一種能夠檢測和感覺附近物體接近或存在的一種裝置，它不需要實體接觸。以下是一些不同類型的接近傳感器[8]：
- 電感式：這種類型的傳感器用于檢測附近的金屬物體。傳感器會在其自身周圍或傳感表面産生電磁場。
- 電容式：這種類型的傳感器用于檢測金屬物體和非金屬物體。
- 光電式：這種類型的傳感器用于檢測物體，主要元件為光源和接收器。
- 磁性式：這種類型的傳感器使用一個電子開關，該開關基于感應區域的永磁體來操作。
電感式接近傳感器的工作原理
電感式接近傳感器[9-10]主要由線圈、電子振蕩器、檢測電路、輸出電路和電源組成。這種接近傳感器以電感和産生渦流為工作原理。電感的定義是流過導體的電流的變化，它在該導體和附近任何導體中都會引起電壓的變化。渦流是由導體中磁場變化所産生的電流。渦流産生的磁場與産生它的磁場相反（如圖3-29所示）。
圖3-29 電感式接近傳感器的元件
振蕩器通過直流電源供電，它産生一個不斷變化的交流電（AC）。當AC通過感應線圈時，會産生一個變化的電磁場，該電磁場會在傳感器前面建立一個被稱為有源表面的金屬感應區。圖3-30顯示了傳感器側邊的AC和電磁場的産生，金屬物體會因渦流而産生阻抗變化。
圖3-30 接近傳感器的工作原理
當金屬物體進入電感式接近傳感器的檢測區域時，該物體内部會形成渦流電路。這種渦流對磁場源産生反應，進而減小電感式傳感器自身的振蕩場的作用。當振蕩幅度減小到低于某個門檻值時，傳感器的檢測電路就會從輸出電路[11]觸發一個輸出。
電容式接近傳感器的工作原理
電容式接近傳感器[12-13]類似于電感式接近傳感器，不同之處在于，電容式接近傳感器中産生的是靜電場，而不是電磁場。是以，在感應區可以感覺金屬和非金屬物體（如液體、紙張、布和玻璃）。
如圖3-31所示，該傳感器由用于給電容器充電的交流電路組成。
圖3-31 電容式接近傳感器的元件
如果電容式傳感器的有源傳感表面由電容器的兩個金屬電極組成，那麼輸入目标将導緻振蕩器電路的電容變化。傳感電路将檢測到這種變化，并在達到門檻值時觸發輸出變化。
如果電容式傳感器的有源傳感表面僅由電容器的一個金屬電極組成，那麼輸入目标将表現為另一個闆。另一個闆的存在使傳感器電容闆能接收或移除AC，進而引起感應電路接收到的電流值發生變化。AC達到變化門檻值時，輸出電路将顯示輸出變化。
傳感器電容闆的調整可用于調節工作距離。這有助于滿容器和空容器的檢測。傳感器的工作距離可以根據目标材料的介電常數進行調整。
介電常數較大的目标材料的有效感測距離大于介電常數較小的目标材料的有效感測距離。例如，對于介電常數為的酒精，電容式傳感器具有10mm的有效感測距離，而對于介電常數為的玻璃，相同的電容式傳感器隻有2mm的感測距離。
光電式接近傳感器的工作原理
光電式接近傳感器[14]用于檢測目标物體的距離（或目标物體是否存在）。它使用一個光發射器（主要為紅外線）和一個光電接收器。光電傳感器有四種模式：
- 直接反射型（漫反射）：關于這種類型（如圖3-32所示），光發射器和接收器都在傳感器中，它利用從目标對象直接偏轉的光來檢測。是以，發送的光/輻射被物體反射并到達接收器是至關重要的。發射器發出的一束光（通常是脈沖紅外線、可見光的紅波段或雷射）在所有方向上擴散，填充探測區域；然後，目标進入該區域，并将部分光束反射回接收器。當足夠的光線反射回接收器時觸發檢測并打開或關閉輸出。這種傳感器受物體的顔色和表面類型的影響。如果物體是不透明的，那麼淺色物體的感測距離會較大，深色物體的感測距離較小。如果物體有光澤，那麼工作距離會受表面類型的影響（超過物體顔色）。
漫射模式的改進之一是漫射會聚光束模式（如圖3-33所示），其中發射器和接收器都聚焦在傳感器前的同一點上，這個點被稱為傳感器焦點。
傳感器可以探測到傳感器焦點處或焦點附近檢測視窗内的任何物體，而該檢測視窗外的任何物體則都将被忽略。這種漫射會聚式傳感器相對于簡單漫射式傳感器能更好地探測低反射目标。
圖3-32 漫射模式的光電式接近傳感器
圖3-33 漫射會聚光束模式的光電式接近傳感器
圖3-34為有兩個接收器的帶有機械背景抑制的漫射式傳感器。第一個接收器從目标捕捉反射光，第二個接收器捕捉來自背景的反射光。如果目标反射的光比來自背景的反射光強，則檢測到目标，否則檢測不到。
圖3-35為帶有電子背景抑制的漫射式傳感器，其中位置敏感電子裝置充當接收器。該接收器将從目标和背景接收到的反射光與預定值進行比較，當目标的反射光強度超過預定強度值時檢測到目标。
圖3-34 帶有機械背景抑制的漫射模式的光電式接近傳感器
圖3-35 帶有電子背景抑制的漫射模式的光電式接近傳感器
- 逆向反射型（帶反射器）[15]：在這種類型的光電傳感器中，發射器和接收器一起被放置在傳感器内部，并且需要一個單獨的反射器（如圖3-36所示）。如果一個物體進入傳感器的反射器和接收器之間，那麼它們之間的光束就會被中斷，則傳感器可以檢測到中斷對象。與大多數目标的反射率相比，由于反射器效率的提高，這些傳感器通常具有更長的感測距離。目标顔色和光潔度不會影響該模式下的感測範圍。
帶你讀《移動傳感器與情境感覺計算》之三：傳感器和執行器傳感器和執行器
圖3-36 逆向反射型光電式接近傳感器
- 偏振反射型（帶反射器）：這種類型的傳感器類似于前面描述的逆向反射型傳感器，但它使用的是偏振濾波器，隻允許特定相位的光反射回接收器（如圖3-37所示）。這有助于傳感器将發光物體作為目标，而不是錯誤地看作反射器，因為反射器反射的光會改變光的相位，而發光目标反射的光則不會。偏振逆向反射型光電傳感器必須與角立方反射器一起使用，角立方反射器是一種可以準确地将平行軸上的光能傳回給接收器的反射器。偏振逆向反射型傳感器适用于具有反射目标的情況。
- 對射型：這種類型的傳感器也稱為對置式傳感器，它為發射器和接收器提供一個單獨的外殼（如圖3-38所示）。發射器發出的光束指向接收器。當物體進入發射器和接收器之間時，它會中斷二者之間的光束，進而導緻傳感器的輸出發生變化。該模式是最精确和可靠的，且在所有類型的光電傳感器中有最長的感測範圍。
磁性接近傳感器的工作原理
磁性接近傳感器由一個簧片開關組成，它是一種由外加磁場操作的電氣開關，包含一對可磁化的柔性金屬簧片，當開關打開時，金屬簧片的末端部分分離（如圖3-39所示）。簧片被密封在一個管狀的玻璃外殼的兩端。當磁場停止時，簧片的剛度使它們分離并斷開電路。磁場（來自電磁體或永久磁體）會使簧片閉合在一起，形成一個完整電路；當簧片開關打開時，傳感器開啟。
圖3-37 偏振型光電傳感器
圖3-38 對射型光電傳感器
圖3-39 磁性接近傳感器
3.2.3 壓力傳感器
壓力傳感器是一種可以測量機關面積（主要是液體和氣體）上受力大小的裝置，它根據施加在其上的壓力産生信号。以下是不同類型的壓力傳感器：
- 絕壓傳感器：測量相對于理想真空的壓力。
- 表壓傳感器：測量相對于大氣壓的壓力。
- 真空壓力傳感器：測量低于大氣壓的壓力或測量相對于理想真空的低壓。
- 差壓傳感器：測量兩種壓力之間的差異。
- 密封壓力傳感器：測量相對于某些固定壓力的壓力
壓力傳感器可以分為機械式（如Bourdon tube）或電子式（如矽膜片或不鏽鋼膜片）。以下是一些集力式電子壓力傳感器：壓阻應變片式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、電磁式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器和光學式壓力傳感器。
壓力傳感器的工作原理[16]
首先讓我們讨論壓電電阻的工作原理，或者如何在壓力傳感器中使用某些金屬的壓電特性。
在某些材料（導體和半導體）中，由于施加壓力或應變而引起的原子間距的變化會影響價帶與導帶底部之間的能量差。這種變化要麼有助于電子躍遷到傳導帶（取決于材料和施加的壓力），要麼使其難以躍遷。是以，施加的壓力會導緻材料電阻率的變化。
對于矽膜片壓力傳感器，在矽晶片/膜片上會形成應變敏感電阻層（如圖3-40所示的半導體應變計），當對矽膜片施加壓力時，應變敏感電阻的電阻值會發生改變。壓力的變化是以被轉化成電信号。
圖3-40 壓阻的實體原理
其中
μ=平行闆間材料的介電常數；
A=平行闆的面積；
d=平行闆間的距離。
電容式壓力傳感器通過電容的變化來确定壓力的變化：
- 電媒體的變化，即裸露/多孔電媒體的變化。
- 平行闆之間距離的變化。
電容式壓力傳感器使用一個薄膜片作為一個電容器闆。當壓力作用于膜片上時，膜片發生偏轉，導緻闆間距變化，進而引起電容變化。
如3.2.2節所述，這種電容變化可用于控制振蕩器的頻率或通過網絡改變AC信号（如圖3-42所示）。
3.2.4 觸摸傳感器[18]
觸覺是人體的五種感官之一，也被稱為觸覺感覺。觸覺可以通過多種方式感覺，如壓力、皮膚拉伸、振動和溫度[19]。觸摸包括三個主要的感覺系統：
- 觸摸/實體刺激：又稱體感系統或觸覺感覺，由感覺受體和從外圍（皮膚、肌肉、器官）及中樞神經系統中的神經元傳入的感覺組成。
- 本體感覺：這指的是“運動感”，是不同身體部位相對于彼此的位置感，以及運動中所涉及的力量。
- 觸覺感覺[20]：指通過使用或探索身體部位/傳感器而獲得的感覺/感覺。可以通過運動、壓力、外殼或映射對象輪廓來完成。
是以，對刺激的感覺可以分為皮膚/觸覺感覺、本體感覺/動覺感覺和觸覺感覺。
觸覺感覺系統由多個部分[21]組成，圖3-43顯示了基于不同參數和特性的觸摸傳感器的分類。
圖3-43 觸摸傳感器分類
觸摸傳感器的工作原理
觸摸傳感器可以根據它們的轉導方法進行分類。表3-5總結了一些主要的轉導方法。
表3-5 各類型觸摸傳感器及其工作原理
超音波/表面聲波觸摸傳感器[23]
當敲擊一個鈴铛時，它靠振動産生聲波。當由振動産生的能量消散時，聲音便會慢慢減弱。如果鈴铛在振動時被觸碰，因為振動被抑制，聲音會減弱得更迅速。通過測量振動的變化，計算衰減率（随着觸碰而增加），可以推斷鈴铛是否被觸碰。
表面聲波觸摸傳感器有以下元件：
- 具有高品質品質因子的襯底。因子描述了振蕩器或諧振器是否欠阻尼、過阻尼或臨界阻尼。因子越高表示振蕩衰減越慢（相對于諧振器儲能的損耗率越低）。
- 超音波發射器/傳感器，發射小型超音波脈沖。
- 外露的接觸面。
高Q襯底（也稱為諧振器）的表面形成共振腔，這些腔體可以捕獲超聲能量，且可以在接收超音波脈沖時産生微型振動孤島，該聲波脈沖由伴随的超音波發射器産生。在從發射器接收脈沖（兆赫範圍）時，諧振器中産生振動波，這種波通過諧振器在高Q因子襯底的橫截面上傳播。當脈沖波到達襯底另一端外露的接觸面時，它會被反射回發射器。在這種情況下，發射器充當接收器，捕捉并測量接收脈沖的強度。
在正常情況下，當接觸面沒有被觸摸時，接收脈沖的強度在低阻尼波的範圍内，這意味着它幾乎與發射脈沖的強度相同，因為在高Q襯底中，波能衰減更慢。
但是，如果觸碰到諧振器的外露觸面，那麼接觸點會存在能量損失（例如手指會吸收能量），這将導緻在高Q襯底中的能量損失比預期更快。發射器和接收器處于連續的信号傳輸、監聽和評估過程中，當信号衰減速度快于預期到達門檻值的正常時間時，接收端會感覺到這種異常能量損失，并以電力輸出的形式報告。
圖3-44顯示了傳輸時間的變化[21]。
有兩種計算是否存在觸碰的方法：
1.通過計算超音波通過高Q材料時減少的距離。
2.通過計算超音波的阻尼。
圖3-44 超音波觸摸傳感器
圖3-45 按壓超音波觸摸傳感器
方法1（如圖3-45所示）：
方法2：
如果存在觸碰，那麼衰減率将比上述方程所提供的更大，并且觸碰會被電子電路感覺。
電容式觸摸傳感器
電容式觸摸傳感器用于測量電容的變化（如圖3-46所示）。這種基于觸摸的電容變化與系統的寄生電容（也稱為穩态電容或基線電容）有關，通過降低寄生電容可以增加靈敏度，即電容的相對變化。
圖3-46 電容式觸摸傳感器
圖3-47[24]顯示了德州儀器設計指南中描述的單鍵電容式觸摸按鍵的等效電路。
圖3-47 電容式觸摸傳感器的等效電路
對于由面積為、間距為（如圖3-48所示）的兩個平行闆組成的平行闆電容器，其電容方程為：
當施加力為F時，兩個闆之間的面積或距離都會變化，這将導緻電容發生變化，這種變化會被測量并轉換成電信号輸出。
法向力引起距離d的變化，切向力引起面積的變化。是以，這些傳感器能夠通過施加的法向力或切向力來感覺觸摸。
電容式觸摸傳感器有兩種類型：
1.自電容/絕對電容型：觸摸對象增加接地電容。它包含一個電極，作為電容器闆之一（如圖3-49所示），另一個電容器闆由接觸對象（如手指）形成。當接觸對象接近電容器闆時，會導緻電容增加（如圖3-50所示）。
圖3-50 與對象觸碰的絕對電容觸摸傳感器
2.互電容型：觸摸對象改變了兩個電極之間的耦合（如圖3-51和圖3-52所示）。
圖3-51 互電容觸摸傳感器
圖3-52 與對象觸碰的互電容觸摸傳感器
在如圖3-53所示的情況下，互電容器排成陣列[18]，電壓作用于陣列的行和列上，當觸摸對象（如手指）靠近陣列時，陣列的電容會發生變化。通過測量陣列中每個獨立點的電容變化可以确定接觸位置，可以同時檢測多個觸摸點。
圖3-53 陣列結構中的互電容觸摸傳感器
首先使用行和列解碼器測量，施加電壓于傳感器的行電極以對電容器進行充電。當接地時，電容器電荷轉移到，輸出電壓的變化為：
電阻式觸摸傳感器
電阻式觸摸傳感器利用傳感材料的電阻變化來檢測和測量觸摸或接觸（如圖3-54所示）。根據電阻式傳感器的類型，可以用不同方式來測量電阻的變化：
1.電位計式傳感器：電阻的變化取決于觸碰的位置。
2.壓阻式傳感器：電阻的變化取決于觸碰壓力。
圖3-55簡要描述了電位計式傳感器的概念。
如果傳感器由兩個塗有電阻材料的柔性薄片制成，一個置于另一個上面并用空氣或絕緣材料隔開，那麼當兩個薄片通過接觸互相擠壓時，第二個薄片充當電位計上的滑塊，如圖3-56所示。第二個薄片可測量出電壓，作為觸點沿第一個薄片的距離，進而提供坐标（如圖3-57所示）。類似地，第一個薄片可測量針對第二個薄片上電壓的距離，進而提供坐标（如圖3-58所示）。
圖3-55 電位計式傳感器
圖3-56 電阻式觸摸傳感器中的坐标和坐标
是以，通過測量上述電壓，可以計算出觸點的精确坐标（如圖3-57和圖3-58所示）。如果測量第三個軸（坐标），則還可計算觸摸壓力大小[24]。
圖3-57 坐标電壓計算
圖3-58 坐标電壓計算
3.2.5 生物傳感器
生物傳感器包括：
- 生物識别元件，即生物受體、生物換能器和電子系統（包括信号放大器、處理器和顯示器）。生物受體利用生物體或仿生受體的生物分子與被測目标互相作用。
- 生物換能器，測量上述互相作用并輸出與樣本中被測目标的存在成比例的可測量信号。
- 生物閱讀器，以使用者友好的格式輸出生物傳感器的信号。
可以基于以下互相作用對生物受體進行分類：抗體/抗原、酶、核酸/DNA、細胞結構/細胞，或者仿生材料。
可以基于以下類别的生物換能器對生物傳感器進行分類：電化學、光學、電子、壓電、重力和熱電。
生物傳感器可以快速、友善地檢測出所采集樣品的來源。
基于生物傳感不同的發生方式，生物傳感器可以分為以下主要類型：
- 親和型傳感器：在這種傳感器中，生物分子元件與被測目标結合。
- 代謝型傳感器：在這種傳感器中，生物分子和被測目标互相作用并産生化學變化，傳感器測量其基質的濃度。
- 催化型傳感器：在這種傳感器中，生物分子與被測目标結合，但不産生化學變化。相反，生物分子被轉化為輔助基質。
心電圖工作原理
心電圖（ECG）是由心電圖儀産生的使用者心率的記錄資料。從ECG中可以提取心率，ECG波形的連續變化可用于診斷多種心髒疾病。
心率估計算法示例[25]
心率的測量可以通過檢測QRS波的R波峰來完成，兩個連續的R波之間的間隔可以被認為是心跳周期。檢測R波峰的算法有很多，其中一個算法是在原始信号（raw）及其二階導數高于某個門檻值時檢測ECG信号一階導數的零點（如圖3-59所示）。
利用數字信号處理方法可以估計一階導數和二階導數。一階導數測量信号的變化率（斜率），二階導數測量信号的曲率。門檻值取決于原始ECG信号的能量，并不斷自我調整。
圖3-59 心率提取算法
3.3 參考文獻