新型传感器不断开辟科技新领域

六、新型传感器不断开辟科技新领域

人们通过视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉器官接受外部刺激，并从外部世界获取信息，再传给大脑，经分析判断产生各种动作。然而，人们为了进一步认识周围的事物，只靠五官感觉是远远不够的。比如，人们希望了解或观察深海的秘密、想听更远的地方发出的声音，仅靠人的眼睛和耳朵是绝对办不到的，必须对它们加以延伸和扩大。能够再现人的五官而且还有更灵敏的反应功能，这类装置我们称它为“传感器”。

人感知外部世界的能力很多地方远远不如动物：蝙蝠可以感觉超声波的大小、方向、特征，使自己在黑暗的山洞中自由飞翔、寻觅食物；海豚也可感知超声波；响尾蛇根据动物发出的红外线追捕自己需要的猎物；鸽子可以感知地磁变化，从千里之外顺利飞回自己习惯了的住地。

其实传感器在很早以前就有了。如公元前1000年左右中国人就发明了指南针，用以感知地磁、辨别方向；发明了地震仪，用以监测地震。随着社会的发展与进步，人们用自己的智慧发明了各种传感器，将光、声、电、磁、温度、压力等物理量转换成比较容易处理的电信号。近年来，对气味、有害气体、可燃气体也可以检测感知出来。人造的“电子鼻子”比狗鼻子还灵敏得多。新型的现代传感器利用现代电子技术延伸了人的感官功能，使人的感觉能够细化、量化、数字化。现代传感器还让人们能够越过可见光、声音等的范围，去感受物体的辐射和反射的红外线、紫外线、微波、超声波等。

利用各式各样的传感器，人们可以获得内容更加丰富的信息，以往看不到的物体或人体内部器官的情况借助传感器就能了如指掌。血液中含有钾、钠等稀有元素，过去人们认为神秘不可测，现在也可用传感器感知出来了。不仅如此，还可以将其含量的多少测出来。还有用传感器去检测加速度、速度、位移、高度、压力、流量、水的含氧量等，这些靠人的感觉是很困难的，然而感知这些物理量在发展生产和进行科学探究实践过程中又是必不可少的。

进入信息时代以后，信息的采集显得更加重要，各类传感器应运而生，传感器技术已经成为现代信息技术的重要支柱之一。现代传感器技术是一门非常综合的技术，它的开发涉及物理、化学、生物、精密加工、半导体、微电子加工技术、新材料及微电脑等。从统一的观点来看，传感器处于信息系统或自动控制系统的最前端，它的性能好坏，感受是否灵敏，数据输出是否准确、可靠、稳定，对整个系统至关重要。如果传感器性能不可靠，自动控制会失灵，生产会出安全事故，医疗方面可能做出错误诊断，宇宙飞船无法飞向太空去探测奥秘，导弹射出去不仅不能消灭敌人反而会误伤了自己，甚至造成可怕的灾难。

传感器在当代科学技术中占有特别重要的地位。它渗透到科研、工农业生产、军事、医疗等各个领域。一种高新传感器开发成功就将带动一大片产业兴起。例如，数码相机中的CCD图像传感器（CCD是电荷耦合器的英文缩写）是电荷耦合器件，它具有光电转换（图像信号转成视频电信号）、信息存储、将电信号数字化处理及顺序传送等功能。CCD除在数码相机、手机及DV中广泛应用外，在科研、医学、教育、工业、军事领域也有大量应用。近年来各先进发达国家都把它列为重点发展的高新技术，可以说传感器技术已经成为高新技术竞争的核心技术之一。

传感器的应用十分广泛。汽车、机器人、医疗仪器、导弹以及遥感卫星都装有各式各样的传感器。例如，汽车中装有测速、测重、测水温的传感器，还有测车辆水平度、点火监测及空燃比检测等传感器。机器人更是集成各种智能传感器，以获得工作环境全局信息来决定自己关节动作及行动路线。它需要压力、位移、力矩、角度、倾斜、光、声、磁、图像、颜色、气味等方面的各类传感器。遥感卫星都装有红外、紫外、图像、电磁波、方位、姿态等传感器。

生活中应用传感器的例子也很多。例如，家里用的空调、电热毯等装有温度传感器，经电子电路控制加热情况可达到控温；厨房里装有水表、气表测定流量或用气量。有的传感器已实现数字化并形成巡回检测、自动抄报表的收费系统。煤气泄漏是靠气敏传感器报警，酒精传感器可检查司机是否酒后开车。酒精传感器，安装在驾驶室，再设计一套控制电路可以使醉酒司机无法启动汽车，以免发生事故。

传感器的种类很多，分类方法也各不相同。它们的工作原理、构造、材料、加工工艺等也各异。在这里要一一去讲解是很困难的，所以下面我们着重介绍几种影响较大和应用较广的传感器及其系统。

1800年英国人威廉·赫歇耳发现在红光外面的黑暗区域存在一种人眼看不见的光线，称为红外线。太阳及燃烧的火焰会产生较强的红外线，而且后来发现自然界所有处于绝对温度（−273℃）以上的物体，都具有发射红外线的能力。于是人们设想是否可利用这一自然现象实现对夜间目标的探测。经过人们的艰苦努力，1931年研制成功了红外感光胶片，实现了在漆黑的夜晚对探测目标拍照，这一研究成果对军事侦察特别有意义。

红外夜视侦察镜就是用红外探测器将透镜成像的二维画面“变量”，经过逐点逐行地扫描，变成一维的以时间为变量的信号。这一转换过程是由半导体集成化摄像器完成的，它输出的信号为数字视频信号。数字视频信号再经“电光转换器”把它变成强弱不同的光点，逐一对应地扫描显示在液晶显示屏上。这时，液晶显示的图像（即原透镜成像），也称为红外成像，红外成像的原理就是这样。红外成像实际是一幅幅热像图，红外夜视图与可见光影像图还是有所不同。红外图像还可以存储在计算机里进行处理、比较，经过计算机处理后它的用处就大了。

美国展示过一套高分辨率的设备，如果你用手掌在铁门上按一下，手的温度引起铁门上微小温度变化，形成的手掌热像图，立即就可在这套红外设备上清楚地显示出来，而且连这个手掌热像图慢慢消散的过程也都能清晰显示。这种设备用在卫星上就是卫星遥感系统的重要组成部分之一。卫星对某机场红外扫描遥感记录的图像资料判读，可以发现哪些飞机正在发动或者是刚停机不久。更有意思的是，有的飞机虽然已经飞走了，但其影子仍然会反映在红外照片上。根据影子的尾迹色调，还可判断飞机飞行的先后顺序和时间。

美国在宇宙火箭发射发生事故后，曾研究用这种技术将一些重要设备的复杂主板正常工作的热像图保存，下次发射前再检查各板热像图，与正常时的相比较。如果完全相同就没有问题，如果比较时有一小部分比原来“亮”就说明有“过热现象”，可能有隐患必须排除才能发射宇宙火箭，否则可能造成发射失败。此外，用卫星红外扫描还可及时监视海面石油污染及海上冰山、洋流和鱼群的动向，还可作更多的环境监测。

现代机器人用的传感器种类更多，而且大部分采用智能化程度高、体积小的传感器。机器人系统由感知、决策和执行3个子系统组成，感知系统是利用传感器获取机器人内部状态和外部环境信息的。对智能机器人和特殊环境作业的机器人，传感器尤为重要。智能机器人的视觉要测定物体形状、位置、距离等，常用CCD摄像头，红外成像、超声波成像、激光成像以及测距等，来识别、定位目标，从而决定行动。

智能机器人的触觉一般用导电橡胶、压阻元件、应变片、热敏元件等来感知压力、握力、滑动状态及冷热。用超声探头、电容器、电磁线圈来产生接近物体的感觉，从而防碰、避障。听觉用微型麦克风、超声波传感器以及配合语音识别电路、软件、微处理芯片组成嵌入系统来实现语音识别。嗅觉是要发现、识别气体，近年来气敏元件、气相色谱仪的应用有了相当大的进展。

经济的高速发展，能源大量消耗对自然环境产生严重污染。现在人们普遍关心的话题是如何保护自然环境，它关系到人类的生存与发展，人们对环境提出了更高的要求，希望享有清洁的大气，无害的饮水，适宜的温度和湿度，温馨的阳光和轻柔的声音。这就需要对环境加以测试。如测各种气体、离子、射线、湿度、噪声大小等。

半导体气体传感器是近二三十年发展起来的，人们发现气体成分附着在半导体表面时，半导体的阻抗特性就会发生改变。半导体气体传感器就是根据这一原理制作的。二氧化锡系列气体传感器有很高的可靠性，但反应缓慢，近年来人们发现加入少量的金属钯，其灵敏度和反应速度可以提高很多倍。利用它可设计成不同的传感器来测定丙烷、甲烷、氢、一氧化碳、硫化氢等气体。现在都市煤气和液化气的泄漏探测采用的都是这种传感器。人们发现再加入少量的金属钍，则可以对一氧化碳有很好的选择性，这种传感器用来防止一氧化碳中毒是非常好的。

人们期待有更多气体传感器、更好的选择性、更高的灵敏度气体传感器问世。汽车行驶时，发动机内燃料与空气燃烧的比叫空燃比，空燃比这一重要数据是通过检测排放气体的含氧量来实现的，这就需要一种对氧气敏感的传感器。这种对氧气有选择性的传感器是用氧化锆和铂电极做成的。监测各种公害气体的传感器也很重要，它是防止大气污染的重要工具。ZnO型气体传感器添加增感剂（V+Mo+Al₂O₃）后对氟利昂气体敏感。WO3薄膜再添加一点金作催化剂做成的传感器对检测臭气H2S十分有效，其灵敏度可以与人类对H2S的嗅觉相媲美。