神奇的“传感器”

马铭泽

【摘 要】文章介绍了传感器的作用，重点介绍了传感器在日常生活中的应用，以及其工作原理。

【关键词】传感器；应用；工作原理

随着科学技术的迅猛发展和人民生活水平的日益提高，“传感器”也越来越多地走进了我们日常生活当中。

那么“传感器”是什么呢？就象人类对外界的感受有触觉、视觉、听觉、嗅觉和味觉，这就是我们平常所说的五种感觉器官，我们可以把“传感器”简单比作人类的五种感觉器官，因此我们可以这样说“传感器”就象是我们人类的感觉器官，他所具有的作用就是收集信息。

日常生活当中“传感器”无处不在，比如家庭中所使用的冰箱、空调、电热水器、风扇等就使用了一种温度“传感器”，具体来说，这种温度“传感器”是一种热敏电阻温度传感器，它的工作原理是随着温度的变化，热敏电阻电阻值也发生显著的变化，通常可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻三类，这种“传感器”实现对温度变化的信息收集，与其他的装置一起就可以实现冰箱压缩机的启动、停机，空调启动、停机，电热水器加热还是停止加热等；比如楼道中使用的照明灯，白天即便有人发出声音，照明灯都不会亮，只有到了夜晚，楼道中有人通过，发出了声音，照明灯才会亮，为人的行进照亮楼道，为什么会是这样呢？原来是楼道中使用的照明灯装置中分别使用了光线“传感器”和声音“传感器”， 光线“传感器”其实就是一种光敏电阻亦称光导管，是一种均质半导体光电元件，这种光敏电阻具有对光线的感应特性，即光线强时，光敏电阻电阻值很小，光线弱时，光敏电阻电阻值很大，按光谱特性及最佳工作波长范围分类，可分为紫外光、可见光及红外光光敏电阻。而声音“传感器” 其实就是一种压电陶瓷片，这种压电陶瓷片具有对声音的感应特性，它能将声音信号转换为电信号，压电陶瓷片是人工制造的多晶体压电材料，属于铁电体一类的物质。压电陶瓷片内部的晶体有一定的极化方向，从而存在一定电场。在无外电场作用时，原始的压电陶瓷片内极化强度为零，呈电中性，不具有压电特性。这两种“传感器”相互配合，实现对光线变化、声音的信息收集，通过控制装置控制楼道中使用的照明灯亮灭，因为白天光线较强，楼道较亮，人在楼道中行走不需要照明，夜晚光线很弱，楼道较黑暗，人在楼道中行走特别需要照明；比如我们到条件比较好的一些公厕，只要我们一起身离开蹲位，冲水阀自动打开，将排泄物冲走，那么冲水阀为什么会自动打开呢？原来是蹲位后面的墙上安装了一体化光电“传感器”，当蹲位上无人蹲时，一体化光电“传感器”发光器发出的光线没有被一体化光电“传感器”接光器接收，冲水阀处于关闭状态，当蹲位上有人蹲时，一体化光电“传感器”发光器发出的光线通过蹲位上人体的反射，反射光被一体化光电“传感器”接光器接收，此时只要蹲位上的人站起并离开蹲位时，冲水阀通过其他的控制装置会被自动打开；比如我们去银行存取人民币时，当我们离银行大门比较远时，银行大门是关闭的，当我们离银行大门比较近时，银行大门会被自动打开，我们不需推门直接便可进入银行，原因就是在银行大门上方安装了一个热释电红外线“传感器”， 热释电红外线“传感器”是一种检测物体辐射的红外能量的“传感器”，它是利用PZT等晶体结构的表面电荷极化随温度变化而改变这种特性的“传感器”。图1为热释电红外线“传感器”的原理图，这里示出表面电荷随温度变化的移动情况。图1（a）表示电荷不移动的情况，图1（b）表示在红外能量照射下电荷移动情况。当红外线照射热释电元件时，其内部极化作用有很大变化，其变化部分作为电荷释放出，从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。热释电红外线“传感器”常用的是热电系数高的锆钛酸铅（PZT）系、钽酸锂（ LiTa03） ，硫酸三甘钛（TGS）等。将这种热释电元件、结型场效应晶体管和电阻等封装在避光的壳体内，并配以滤光片透光窗口，便组成热释电红外线“传感器”，其中滤光片透光窗口对于太阳和荧光灯的短波长具有高的反射率，而对人体发出来的红外热源有高的透过性，其光谱响应为65μm以上，人体温度为36.5℃时辐射的红外线波长为9.365μm， 38℃时红外线波长为9.325μm。

（a）电荷不移动的情况；（b）在红外能量照射下电荷移动情况

热释电红外线“传感器”工作过程为，当人体离银行大门比较远时，热释电红外线“传感器”没有接收到人体的红外线热量信号，银行大门不会打开，当人体离银行大门比较近时，热释电红外线“传感器” 接收到人体的红外线热量信号，通过控制装置将银行大门自动打开；比如我们去医院检查身体，当要检查腹部内部情况时，医生常常要求我们做“B超”项目，那么为什么“B超”能够探测我们腹部内部情况呢？原来“B超”其实就是一种超声波“传感器”， “B超”发出的超声波在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性，应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断，例如用于诊断时，超声波只作为信息的载体，把超声波射入人体通过它与人体组织之间的相互作用获取有关生理与病理的信息，一般使用几十mW/cm2以下的低强度超声波。当前“B超”诊断技术主要用于体内液性、实质性病变的诊断，由于“B超”可以清晰地显示各脏器及周围器官的各种断面像，且图像富于实体感，接近于解剖的真实结构，所以应用“B超”可以早期明确诊断。例如眼科诊断非金属异物时，在玻璃体混浊的情况下，可显示视网膜及球后病变。对心脏的先天性心脏病、风湿性心脏病、粘液病的非浸入探测有特异性，可代替大部分心导管检查。“B超”亦可用于小血管的通断、血流方向、速度的测定，还可清楚地显示胆囊总胆管、肝管、肝外胆管、胰腺、肾上腺、前列腺等等。“B超”检查能检出有否占位性病变，尤其对积液与囊肿的物理定性和数量、体积及对各种管腔内结石的检出等相当准确，“B超”已成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法。另外象电饭煲、电磁炉、洗衣机等都有“传感器”， 可以说 “传感器” 在我们日常生活当中无处不在，他们发挥着越来越重要的作用，我们人类越来越离不开神奇的“传感器”了。

[责任编辑：王伟平]