智能手表及其传感器如何工作？

但很少有人问智能手表如何工作，或者更确切地说，智能手表传感器如何工作。我自己从来没有深入研究过。我知道通常安装什么传感器，也知道它们如何工作的粗略理论，但我永远找不到动力去探究它的真相。

当我在飞机上想知道为什么我的飞机手表没有显示正确的高度时，我产生了写这篇文章的想法。一位记者同事向我解释说，它会根据压力进行自我调节。由于机舱内的压力是根据在几千米的海拔高度进行调节的，所以我完全可以理解为什么我的智能手表显示我正处于斯玛纳戈拉的高度。

从那时起，我开始想知道手表如何测量心率、步数和血氧饱和度、压力和所有其他数据。随着可穿戴设备成为一个价值数十亿美元的产业，并且其开发和使用只会加速，了解这项从早到晚（甚至经常到深夜）陪伴我们的技术的幕后发生的事情是有意义的。

智能手表内置了哪些传感器？

智能手表是用途极其广泛的设备，在某些方面甚至比智能手机还要多。我们可以用它们来监控通知、消息、通话、监控身体状况和进度，甚至玩游戏，尽管这并不是一种出色的体验。我们最感兴趣的是在运动和休息（睡眠）期间对身体和智能手表性能的分析。这一切都是通过传感器实现的。

• 加速度传感器测量三个维度的加速度或力：x、y 和 z。它可以检测静态（重力）和动态（运动或振动）加速度。
• 与加速度计不同，陀螺仪专门测量角加速度。
• 心率传感器负责运动和休息期间的心率测量，这是可以理解的。
• GPS 是一种使用卫星信号来确定用户位置的传感器。
• 气压计或气压传感器测量气压，可用于确定高度。

这是智能手表中通常内置哪些传感器的粗略表示。根据手表的不同，它还可以包含心电图、深度传感器、温度传感器、磁力计等。让我们仔细看看每个传感器的工作原理。

智能手表如何计算步数？加速度计和陀螺仪如何工作？

10,000 步是几乎所有智能手表或类似健身可穿戴设备上列出的神奇数字。它早在 1964 年就出现在日本，从此被认为是实现最佳健康的事实上的数字。这个数字是否真的是一个神奇的极限，我们这次不深究。一些专家对此表示赞同，而另一些专家则认为，即使步数较少（约 7,000 步）也会产生类似的健康影响。

无论如何，智能手表如何计算步数？加速度传感器和陀螺仪对此有所帮助。

加速计捕获各种数据，例如速度和加速度，然后可以将其用于各种目的，例如计算行进距离（使用GPS）、平均步速、步幅长度等。加速计传感器还可用于监测睡眠模式，这有助于识别癫痫发作。尽管大多数智能手表不具备此功能，但这些类型的传感器仍在某些医疗设备中使用。

加速度传感器的最大限制是它们能够准确测量加速度的极限。手表还可能难以区分某些活动或手势，因此在计算步数时可能会变得不准确。例如，如果您挥动双手，某些传感器会将其检测为一步。

有两种类型的传感器：

• 压电，使用小晶体进行测量。当这些晶体感受到力时，它们会发生变化并产生电信号来传达力的强度。
• 电容式传感器的工作原理是电容变化。它们具有两个在加速过程中相互靠近的微观结构。这会改变它们之间的电容，传感器会检测到这种变化。

由于这些功能及其小尺寸，如今传感器几乎总是存在于智能手表甚至手机中。总之，它们帮助智能手表和其他设备了解用户的运动方式（跑步、行走、休息、跳跃……）。

智能手表如何测量心率？光学心率传感器如何工作？

最后，您将得到为什么时钟下方的绿灯始终闪烁的解释。智能手表的底部通常有一个光学传感器，它试图借助绿光来测量用户的心率。为什么绿灯？光谱学是一门通过与某种物质接触来分析光和其他辐射的发射的学科。跳过枯燥的解释，重要的是光谱学告诉我们血液更容易吸收绿光，因为红色和绿色位于色谱的另一侧。

智能手表背面的光学传感器检测反射光，这与光谱仪非常相似。主要区别在于，在时钟中，光源和检测器放置在同一侧，而在光谱仪中，它们彼此相对。这种布局的缺点是手表的心率测量不太准确。

利用光测量心率称为光电体积描记法。该设备测量血管扩张和收缩时红细胞浓度的变化——扩张的血管吸收更多的绿光，收缩的血管吸收更少的绿光。探测器测量反射光，软件算法将光强度的变化转换为眨眼频率。

除了传感器之外，最新的智能手表还拥有先进的软件，这使得它们能够相当准确地及早地检测潜在的问题，例如心房颤动（心跳不规则）。当然，存在偏差，因为测量结果可能受到多种因素的影响。即使不同的皮肤色素沉着也可能导致微小的偏差。

智能手表如何测量血氧饱和度（SpO₂)?

血氧饱和度₂ 或氧饱和度是血液中与氧结合的血红蛋白的百分比。换句话说，它是一种测量结果，表明有多少氧气通过血液输送。这是智能手表和其他可穿戴设备上发现的较新指标之一。它也非常节能，不会显着影响此类设备电池的自主性。

它在冠状病毒大流行期间真正发挥了作用，当时它能够显示氧气水平是否降至推荐水平以下（95-100 % 是最佳水平；低于 70 % 则危及生命）。最准确的 SpO 测量₂ 是通过抽血，但卫生专业人员最常使用脉搏血氧测定法。将光学设备放置在手指或耳垂上，与心率测量类似，将光线穿过皮肤射向检测器。

绿灯用于测量脉搏，而 SpO₂ 以及红色和红外线。含氧血红蛋白（氧饱和）吸收红外光并透射红光，而脱氧血红蛋白透射红外光并吸收红光。智能手表测量 SpO2₂ 通过计算红外吸收和红光之间的差异来进行脉搏血氧测定。例如，您可以通过这种方式查明您是否患有睡眠呼吸暂停。

智能手表上的心电图如何工作？

具有心电图功能的智能手表（Apple Watch Ultra、华为 Watch GT 4 ...）使用位于手表底部的单电极传感器来测量心脏的电活动。这种类型的心电图可以检测心律不齐，但无法检测例如左心室肥厚，而只有 12 导联心电图才能检测到左心室肥厚。虽然智能手表上的心电图无法像 12 导联心电图那样准确且信息丰富，但仍然可以方便地即时获取心脏健康数据。

磁力计如何工作？

磁力计是一种测量磁力的装置。它与加速度计和陀螺仪一起使用在称为惯性测量单元 (IMU) 的设备中。这种传感器组合有助于设备了解其移动方式以及在空间中的方位。

磁力计测量地球磁场如何影响设备。这与指南针的作用类似。这利用了霍尔效应的原理，根据该原理，如果将载流导体放置在磁场中，导体上就会产生垂直于电流和磁场的电压。导体中的电极由于磁场而塌陷（其密度发生变化），从而产生电压读数。如果施加的力发生变化，电压读数也会成比例变化，指示磁场的值和方向。

通过使用所有三个传感器，智能手表可以更好地跟踪和解释佩戴者的动作。磁力计添加了额外级别的方向信息，这对于更准确的运动跟踪非常有用。

智能手表如何使用GPS？

GPS 是智能手表（和手机）最重要的元素之一。它逻辑上用于导航。数据被发送到卫星，在那里测量准确的位置和时间。然后，它充当发射器和接收器，将数据反馈到智能手表的传感器并记录位置。例如，智能手表可以测量行驶的距离（借助加速度传感器和陀螺仪）。在足球中，您也已经注意到，分析中经常使用某个球员在哪里花费最多时间的地图。这要归功于 GPS，它会给可穿戴设备的电池带来很大的压力。

压力传感器如何工作？

压力传感器测量作用在设备或运动器材等物体上的力量有多大。有几种不同的压力传感器，它们通常基于应变计或应变仪工作。

在智能手表中，我们发现气压传感器（气压计）可以测量环境中的大气，从而可以确定海拔高度。它们还可以帮助预测天气变化，但这不是它们在智能手表中的功能。

还有使用惠斯通电桥的压力传感器，惠斯通电桥是一种特殊类型的电路，用于检测电阻的变化。它们用于运动器材中，测量球上的接触力或监测运动员的运动。它们还可用于分析步态，例如测量施加在脚部不同部位的力，这有助于提高敏捷性或降低受伤风险。

智能手表如何测量压力？

如今，大多数智能手表（例如三星 Galaxy Watch 系列）都使用心率变异性 (HRV) 技术来评估压力。后者测量心跳之间的间隔，在评估生理压力时与每分钟的心跳次数一样重要。 HRV 由我们的自主神经系统控制，自主神经系统是神经系统的一部分，可根据外部压力源自动调整心率、血压和呼吸频率。如果 HRV 水平较低（如果心跳之间存在差异），则可能表明我们的神经系统处于压力较大的状态。如果 HRV 较高（心跳之间的间隔变化较大），我们就更有可能放松。

一些智能手表（Fitbit Sense、Pixel Watch 2等）不使用HRV方法，而是使用专用的EDA传感器，即皮肤电活动传感器，它分析出汗引起的皮肤电导率变化模式。它还考虑了 HRV、心率和皮肤温度。借助算法和 EDA 传感器，智能手表会寻找这些指标的突然变化，计算压力水平并向您发出警告。

这些是您在智能手表或其他可穿戴设备上遇到的主要传感器。现在您知道它们是如何工作的，并且您将能够更好地理解数据何时准确以及为何存在偏差。如果您想进一步深入了解不同传感器的工作原理，我在下面列出了一些探索传感器和可穿戴设备工作原理的研究和文章的链接。