穿戴式传感器 智能穿戴中都有哪些传感器？了解这十个就够了

智能穿戴中都有哪些传感器？了解这十个就够了

如果你了解智能穿戴的话，应该对其中内置的传感器都不陌生，比如大家非常熟悉的光学心率传感器，而正是因为光学心率传感器的普及，也让心率监测的成本变得更低，而且我们也在越来越多的智能穿戴设备中见到了它的身影。那么除了常见的心率传感器之外，还有哪些隐藏在智能穿戴设备内部的传感器呢？而它们又有着怎么功能呢？今天我们就来仔细盘点一下。

1、加速度传感器

在智能手环的传感器中，运动传感器最为基础，它包括了加速度传感器、陀螺仪、电子罗盘传感器、大气压传感器等，其中加速度传感器和陀螺仪应该是大家都比较熟悉的两个，通过测量方向和加速度力量，判断设备是否移动，从而达到计步的目的，而通过收集的数据匹配用户正在进行的运动类型，进而监测用户的步行数、卡路里消耗量等，实现智能设备最基本的功能。

2、光学心率传感器

光学心率传感器是智能手环最常用的心率监测装置，当电容灯光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号再经过电信号转换成数字信号，再根据血液的吸光率就能测算出心率，随着成本的不断降低，光学心率传感器已经成为智能穿戴设备中最为普及的传感器之一。

3、生物电阻抗传感器

作为另一种监测心率的传感器，生物电阻抗传感器在智能手环中比较常见，例如曾经的Jawbone UP3手环中就采用这种方式来监测心率。其原理也比较容易理解，它可通过生物肌体自身阻抗来实现血液流动监测，并转化为具体的心率、呼吸率及皮电反应指数，是一种更先进的综合生物传感器。

不过这个方法的缺点也比较明显，比如电路比较复杂、占PCB空间比较大、易受电磁干扰、测量时传感器必须紧贴皮肤等，所以目前在智能手环中已经比较少用到了。

4、全球定位系统（GPS）

手机的定位大家都比较熟悉，不过定位系统在智能手环或手表中的普及率并不算很高，只有一些专业级的运动手环或手表才具备GPS芯片，而且由于成本较高，此类产品的的价格也会更高。比如佳明fenix5X，其中便内置了GPS、GLONASS、北斗卫星定位系统，它可以用于记录用户的地理位置、跑步路线，实现轨迹规划、航迹返航，对于喜欢户外运动的人群来说是绝对的刚需。

5、皮电反应传感器

皮电反应传感器是一种更高级的生物传感器，用来测量人的唤醒度的，而唤醒度经过大量科研实验证明是和人的关注度和参与度紧密联系在一起的，通常配备在一些可以监测汗水水平的设备上。专业的角度来讲，人体的皮肤电阻、电导随皮肤汗腺机能变化而改变，这些可测量的皮肤电改变称之为皮电活动（EDA)。心理生理学家对心理上引起的汗腺活动进行测量，来研与之相关的心理活动，这也是一些手环可以提供用户心情指数的重要依据。

6、温度传感器

顾名思义，温度传感器主要用于检测用户表皮的温度，它通过与用户皮肤的直接接触，测量出皮肤的表层温度，不过由于手表佩戴方式决定了，体表温度并不能够代替体温，而仅仅能够作为一种间接地参考数据，同时在智能手环中应用的相对来说还比较少。

7、气压传感器

气压传感器大家应该也比较熟悉，它可以测量用户所在位置的气压大小，从而计算出海拔高度，在运动手表或手环中应用比较普遍，通过在运动过程中微弱的气压变化来计算出所在位置的高度变化，同时精确度在10层楼的高度运动过程中可以控制在10CM以内，大到攀岩、小到爬楼梯的数据都可以实现监测，也是专业运动手表中不可或缺的传感器之一。

8、电容传感器

这个相对来说可能很少被提及，不过应用的其实很广，例如很多手环有一个脱腕检测功能，其实就是利用电容传感器监测到电容电压的变化，从配合算法自动检测用户是否佩戴手环，及时给予用户提醒，甚至还能起到一定的防丢作用。此外，电容传感器其实还可以避免没有佩戴手环场景下的睡眠误判、心率监测等。

9、霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它在手环或耳机中都有应用。它主要通过手环腕带上内置磁铁，感应耳机或腕带之间磁通量的变化，判断耳机或手表/手环是处于佩戴的状态，同时也可以控制耳机的播放/暂停，实现“摘下即停、戴上即听”的功能。

10、环境光传感器

在智能穿戴产品中，智能手表的续航一直是一个痛点，而为了进一步延长续航，环境光传感器几乎成为了智能手表的标配之一。在原理方面，环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗，同时环境光传感器也被广泛应用在手机、笔记本、平板电脑等移动设备上。

总结：

以上就是是个在智能穿戴产品中经常会被提及的传感器，也正是因为在智能穿戴产品中集合了如此之多的传感器，才让智能穿戴设备拥有了众多个性化的功能，了解这些功能背后的传感器，也更有助于我们了解智能穿戴类产品，在购买时也能够根据自己的需求，选择出最合适的产品。■

本文编辑：马景东

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科学家制备水伏离子传感器，能用于可穿戴式汗液电解质检测

从环境监测到人体汗液电解质水平分析，离子传感器都是一个重要的核心元器件。尤其是汗液电解质监测，对于运动中补充电解质以维持良好身体水离平衡有着重要的指导意义。

固体接触离子选择电极（SC-ISE，solid-contact ion-selective electrodes）的电极膜电位，与待测离子含量之间的关系，符合能斯特这一方程式。

即 10 倍的离子活度变化对应着 59.2/zi mV 的电位变化（即灵敏度，其中 zi 为离子价态）。

另一方面，SC-ISEs 在使用时往往需要先进行标定等操作。因此，中国科学院苏州纳米所李连辉博士和所在团队希望可以制备一种能被简便使用的高灵敏自供能离子传感器。

图 | 李连辉（来源：李连辉）

几年前，学界提出了蒸发驱动的水伏效应：即利用水的蒸发驱动水溶液流过纳米通道，在固-液相互作用下持续产生电能。

此后，一系列研究都聚焦于提升水伏器件的产电性能上，而该团队也在这一方向有着丰富积累。

研究中，他们发现纯粹的水伏器件可以产生较大的开路电压（超过 3V），且会受到溶液中的离子浓度影响。

这让他们产生了独辟蹊径的想法，即将这种新效应用于离子传感领域，制备一种高灵敏、宽响应范围的水伏离子传感器。

此外，从高性能水伏器件构建角度来说，材料表面特性和通道的尺寸是两个最关键的因素。尤其是通道尺寸，它会显著影响通道内的溶液流动阻力。

通过合成高表面极性材料再组装的方法，是一种增强纳米通道离子选择性的可靠方法。但是，材料组装构成的纳米通道尺寸相对固定，难以实现通道尺寸的最优化。

为此，他们提出了纳米通道精细调控策略，实现了纳米通道的尺寸调控、表面极性增强与结构绑定。

这样一来水伏器件的室温开路电压达到 4.82V，离子传感的灵敏度最大达到了 1.37V dec-1，从而能够用于可穿戴汗液传感和环境微量离子检测，借此展示了将水伏效应应用于离子传感的潜力。

（来源：Advanced Materials）

事实上，水伏器件不仅对离子展现出高灵敏度和宽响应范围的传感特性，同时基于该效应的水伏器件形态丰富，尺寸和模量都可以被可调节。

因此这款柔性水伏离子传感器非常适合于可穿戴式的汗液电解质检测，故能为运动健康、疾病康复提供可靠的数据支撑。

另外，对于环境中包括水质、空气等的离子监测，水伏离子传感器也可以发挥作用。同时，水伏器件本身还具备产电能力，因此可以作为电子器件的能源供给平台。

对于将蒸发驱动的水伏效应应用于离子传感，李连辉等人在起初是充满忧虑的。2017 年，在蒸发驱动水伏效应提出之后，人们开始将其应用于产能领域。

但是，目前该领域的大多数研究依旧聚焦于提升其产电性能。此时，将这样一个新效应应用于离子传感，他们十分担心这个方向是否可以走得通，以及能否被同行专家所认可。

李连辉说：“恰巧那时我一个会议上遇见了郭万林院士，他很看好水伏这个方向，并认为水伏现在是问题最多的时候、也是机遇最多的时候。而他们团队的张珽研究员也非常支持我们去探索新方向。”

于是，他们联合完成了本次研究。最终，相关论文以《基于丝素蛋白调控纳米通道的柔性水伏离子传感》（Silk Fibroin-Regulated Nanochannels for Flexible Hydrovoltaic Ion Sensing）为题发在 Advanced Materials[1]，葛长磊是第一作者，李连辉和张珽担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

尽管本次工作证明水伏效应在离子传感上拥有巨大的应用潜力，但是距离可靠的应用还面临着许多挑战。例如，水伏离子传感器的响应时间、稳定性等问题还等待解决。

下一步，他们将围绕这些挑战，通过对纳米通道和表面特性的进一步优化，来实现水伏离子传感器的响应时间、稳定性甚至离子选择性的提升。

最终，他们希望结合深度学习等技术构建完整的检测-反馈系统，将水伏器件变成测得准、测得快、测得稳的离子传感器。

参考资料：

1.Ge, C., Wang, Y., Wang, M., Zheng, Z., Wang, S., Kong, Y., ... & Zhang, T. (2023). Silk Fibroin‐Regulated Nanochannels for Flexible Hydrovoltaic Ion Sensing.Advanced Materials, 2310260.

排版：朵克斯

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