新型传感器及其应用

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科技

新型传感器及其应用

文／徐海

人们为了从外界获取信息，必须借助

故应用面较窄。1984年左右，人们研制出磁致伸缩系数很大的磁性材料，又称为超

于感觉器官。而单靠人自身的感觉器官，在缩材料或大磁致伸缩材料。超磁致伸缩材为弥补感觉器官的不足，就需要借助传感长，又称之为电五官。

传感器是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。常用传感器的输出信号多为现代信息社会的一切活动领域中，从日常生产活动到科学实验，时时处处都离生活、

不开传感器。现代传感器技术的发展水平在很大程度上决定了生产、科学发展的水平，而科学技术的发展又为传感器技术提供了新的理论基础和制造工艺。

随着现代科学技术的发展，许多新材料不断被发现，新的加工工艺不断发展和完善，这些都促进了新型传感器的研究和究开发出来的、已经或正在走向实用化的传感器。相对于传统传感器，新型传感器技及的领域。

不易老化等特点。与电致伸缩的压电陶瓷作于低频区（10Hz～2000Hz）。

稀土超磁致伸缩材料是目前性能最好的超磁致伸缩材料之一，是上世纪八十年代开发的新型工程材料。我国是稀土资源首位。稀土超磁致伸缩材料可将电磁能转换成机械能或声能（或机械位移或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移信息）转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料，可用于制作大功率声呐传感器，广泛应用于水下通信、制导、捕鱼、油井及地质探测等。其他应机器人、蠕动马达、阻尼用包括阀门控制、

减震、精密控制系统等，这种材料的发展使而使一些精密机械运动得以实现。

声呐（Sonar）是声音（Sond）、导航

攻击，可以提高自己在战场上的生存能力。稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方制造超大功率超声换能器。过去的超声换能制造小功率（≤2．0kw）的超声换能器，用稀土超磁致伸缩材料可制造出超大功率（10～30kw）的超声换能器。超大功率超声波技术可产生传统低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途。例如，它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物增产，可加速化工过程的化学反应；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，提高油井的产油量；用该材料可制造薄型（平板型）喇叭，其振动力大，音质好，高保真，可制造墙体、桌面、玻璃窗振动的效果，还使楼板、

可以作音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

半导体材料的电阻率随磁场强度的增大而变化，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。磁敏电阻与霍尔元件的区别在于：前者是以电阻的变化来反映磁场的大小，但无法反映磁场的方向；后者是以电动势的变化来反映磁场的大小和方向。

磁敏电阻可应用于智能交通系统

磁致伸缩材料（GMM），或称为巨磁致伸面也有广阔的应用前景。例如用该材料可

驱动电压低、体积小、能器主要是用压电陶瓷材料来制造。它仅研究自然现象和生产活动中就远远不够。料具有转换效率高、

它的励磁频率较低，工器。因此可以说，传感器是人类五官的延（PZT）不同之处是，

易于处理的电量，如电压、电流、频率等。在最丰富的国家，稀土储量和产量均居世界

—机械转换技术获得突破性进展，从开发。所谓新型传感器是指近10几年来研电——

反射（测距）（Reflect）三个术含量高、功能强，涵盖传统传感器极少涉（Navigation）、

英文单词的组合，它的作用是探测水下物（ITS）的汽车信息采集。现代交通管理要

磁性传感器

1842年焦耳发现，磁性材料在变化的

体，在军事上主要用来探测潜艇。声呐又称求对车辆的车型、流量和车速等数据进行水下换能器，就是把电能转换成声波向水中发射，或把水中的声波转换成电能的一

采集，以便对交通信号灯、流通过道等进行智能控制。采用基于地磁传感器的数据采集系统可用于检测车辆的存在和车型的识响来完成车辆检测的数据采集系统，具有

一般都可以收发两用。用磁场中其长度和体积会发生微小的变化，种电声互换装置，传统磁致伸缩材料有铁、镍等。由于传统磁

频率低、衰减小、声波传得远的优点，可以

这种现象称为磁致伸缩，又称为焦耳效应。稀土超磁致伸缩材料制成的声呐功率大、别。利用车辆通过道路时对地球磁场的影能够早发现、早常规线圈检测器所不具备的优点。传统的致伸缩材料伸缩系数较小，功率密度不高，打破敌方舰艇的隐身技术，

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未来展望

交通数据采集是在地面上铺设电涡流感应线圈，这种方法存在埋设线圈的切缝使路面受损、线圈易断、易受腐蚀等缺点。磁阻传感器利用磁阻效应，将三维方向的三个磁敏传感器集成在同一个芯片上，由于磁敏电阻的灵敏度高，可以很好地感测低于1Gs的地球磁场。磁阻传感器技术提供了一种高灵敏度的车辆检测方法。根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的不同扰动来识别车辆类型，可在15m之外或更远的地方检测到有无汽车通过。典型的应用包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。在高速公路现场还可以预先采集各种车型的特征向量，并将此特征向量作为标准特征向量存储到数会提取到该汽车的特征向量，将此识别特征向量跟样本数据库中的所有标准特征向速等参数。

用集成温度传感器来检测CPU的温度，从而控制散热风扇的转速，当CPU温度超过设计上限（例如80℃或100℃）时，可迅速对芯片起到保护作用。PC关断CPU电源，

吸收式，可进行温度等参数的测量；微弯力、重量、振动等参数的测式，可进行压力、量；接收光辐射式，根据光纤接收到的光辐射来检测与辐射有关的被测量。这种结构

机内部装有多台散热用的无刷直流风扇，的典型应用是利用黑体受热发出红外辐射还可用于检测放射线等。可利用多只集成温度传感器来测量PC中来检测温度，液晶板及锂电池的温度，根据温度的CPU、

高低，通过风扇控制芯片来调整散热风扇的转速。

图像传感器

通过视觉，人类可从自然界获取丰富的信息量，而通过传感器是否也能达到人颜色、并得眼一样的视觉？能否判断形状、

出“它是什么”或“他是谁”的结论呢？现在，这已经不是什么难事，因为人们研制出了各种高质量的图像传感器，它与计算机根据视网膜的毛细血管分布，识别被检人分解的方式，可分为三种类型，既电子束扫描图像传感器、光—机扫描成像传感器、固

在过去几十年里，人们一直采用电子束扫描摄像管来进行电视摄像。20世纪40年代出现了光—机扫描热成像技术，后来又研制出热成像仪，广泛应用于军事方面。现在世界各国都在研制成本较低、民用的夜视探温、消防医疗、救灾、搜索与救援、车辆追踪、飞行安全、海上及地面监视、火灾调查及犯罪现场勘察等方面。用于可见光、体积更小的图像传感器是CCD，它属于全固态自扫码相机多数是用CCD来摄取彩色图像的。CCD图像传感器是20世纪70年代在MOS集成电路技术基础上发展起来的新型半导体器件。它具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点，CCD图像传感器被广天文、医疗、电视、传真、通信泛应用于生活、

及工业检测和自动控制系统。

近年来，随着半导体、计算机技术的发展，新型或具有特殊功能的传感器不断涌现出来，检测装置也向小型化、固体化及智能化方向发展，应用领域也越加宽广，传感面：不断提高传感器的测量精度、测量范围、使用寿命和可靠性；应用新技术和新的物理效应，扩大测量领域；发展集成化、功化传感器。

（作者单位：河南职业技术学院）

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光纤传感器

光导纤维简称光纤，它是以特别的工纤细，虽比头发艺拉成的细丝。光纤透明、

丝还细，却具有把光封闭其中，并沿轴向传光导纤维的光纤，其损耗接近0．01dB／km，高速传递大量的信息；还可以用于装饰建筑的外表。例如，上海“东方明珠”的球体就发出五光十色、变幻不定的光芒。

光纤传感器是近年来随着光导纤维技术的进步而发展起来的新型传感器。光纤

播的特性。随着加工工艺的进步，目前最好系统配合，能识别出人的指纹、脸型，甚至

光纤可用于网络通信，的身份。图像传感器的种类很多，根据图像据库中。当有汽车通过时，数据采集系统就的用途越来越广泛。

到了夜里，体自扫描图像传感器。量作比较，最后得出判断结果，如车型、车外表就镶嵌着几千根塑料光纤，

集成温度传感器

温度是表现物体冷热程度的物理量，传感器具有抗电磁干扰能力强、不怕雷电防燃防爆、绝缘性能好、耐高温、重量轻温度传感器发展早，应用领域非常广泛。在击、工农业生产、国防、科研领域和日常生活中，温度传感器是使用数量最大的传感器之一，如家用空调的温度传感器，测量体温的温度传感器等。热电阻传感器和热电偶传感器，它们的应用已经有几十年，而目前一种半导体集成单片式温度传感器正在迅

工参数、电工参数、机械参数、化学参数的测量，还可以在医用内窥镜、工业窥镜等领域进行图像扫描和图像传输。

光纤传感器是指光纤自身传感器，就

等特点。它的测量范围十分广泛，可用于热测仪，被允许用于电力、化工检测、墙面保

是将自身作为敏感元件（也称作测量臂），描图像传感器。我们现在看到琳琅满目的数

速崛起，在中、低温（－50℃～＋200℃）领域，直接接收外界的被测量，被测量引起光纤目前，单的长度、折射率、直径等方面的变化，从而它将逐渐取代传统的温度传感器。

片集成温度传感器正朝着微型化、智能化、使得在光纤内传输的光被调制，若将光看网络化方向发展。

集成温度传感器（温度IC）将温度敏感元件和放大、运算和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，放大、电源供电回路于一从而构成集测量、

体的高性能测温传感器。它与传统的热电

成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有4个，既振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。

某些被测量作用于光纤时，将引起光纤中光的相位发生变化。由于光的相位变化难以用光电元件直接检测出来，因此通

阻、热电偶相比，具有线性好、灵敏度高、体常要利用光的干涉效应，将光相位的变化稳定性好、输出信号大、互换性好、外转换成干涉条纹的变化来检测，这种相位积小、

围电路简单等优点，是其他温度传感器所无法比拟的，是温度传感器的发展方向，适于远距离测温、控制。目前在电脑、家用电器中有广泛的应用，并逐渐在工业各领域得到应用。

目前PC的整机功耗已达上百瓦，为了确保微机系统中的CPU能稳定工作，必须

调制型光纤传感器有时又称为干涉型光纤纤大电流传感器等。

强度调制型光纤传感器是应用较多的光纤传感器，它的结构比较简单，可靠性位移、振动、压力等参数的测量；遮光式，也

传感器。典型的应用有光纤声压传感器、光器技术的发展趋势主要表现在以下几个方

高，但灵敏度稍低。它分为：反射式，可进行能化的传感器；采用计算机技术，发展网络

为此，可采可以进行位移、振动、压力等参数的测量；将机内产生的热量及时散发掉。

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