知识窗▏新型传感器及其在海洋中的应用案例

传感

器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。传感器的特点包括微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。如今感测器已经不只是人类用来探索知识的一门工具，更能结合通讯、物联网、云端巨量资料的运算，提供生活中更便利的服务。在国务院日前正式发布的《“十三五 ”国家战略性新兴产业发展规划》，将深海传感器列入重点取得突破的战略新兴产业，为此，我们就来谈谈新型传感器及其在海洋中的应用。

一、新型传感器的分类

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。观察目前感测技术，发展已经成熟的有光应用、声音、动态、压力等感测器，尚在开发阶段的是生物细胞、脑波等感测器。

纳米科技的进步也使感测器更精准及细微，从动作、血液流动、到脑波侦测运算，就像许多电影情结，未来电子、机器设备不仅能更超越人类的感测范围，也能更即时分析作出判断，与人们的生活密切结合，触觉、嗅觉、味觉三种感测方式，是目前科学家研究发展的重心。由于在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，世界各国都十分重视这一领域的发展，新型传感器技术不断发展，下面就来具体梳理一下。

⒈触觉感测器

触控面板是触觉感测最主要的产品，近期开始走红的“指纹辨识”技术，也是触觉感测的一种应用，指纹辨识器一般采用电容式的触控屏，从前使用在保全系统、犯罪侦防上，後来置入智慧型手机，应用在指纹锁、个人认证及行动支付方案等。

如果将触觉进一步衍伸到如皮肤般能感测压力、温度、表面纹路，应用到机器人。使得机器人身上将有层仿真皮肤，协助特定类型的机器人可以利用触觉工作，例如提升抓取物品的准确性。这种电子皮肤技术也尝试能使用在原本没有触觉的机械义肢、或皮肤移植的可能。触觉感测器不断以仿生物特性的角度持续开发中。

⒉气体感测器

气体感测器应用上常用於酒精侦测、可燃性气体侦测、环境气体侦测等，在环境空气检测上可用於室内空气品质的侦测，搭配温、湿度、气压计形成智慧空调系统，主动调整室内、车内空间的空气品质，并达到节能与安全维护的目的。

气体感测器的制作是利用加热氧化物後表面吸附气体，再进行催化产生电阻的变化产生感测讯号。侦测不同气体所用的元件略有不同，因此目前单一感测器通常仅限特定某类型气体的侦测，例如可燃性性气体、二氧化碳、污染型气体、氢气等，又称为”电子鼻”或”嗅觉感测器”。

⒊生物感测器

如果是以一般感测技术(光学、压力等)来辨识生物特徵，称为生物辨识技术，不同於生物感测器，则是直接以相关的生物分子产生化学反应来感测，两者皆是测量生物量的方法，前者发展较快且已能置入行动装置，后者测量出的数据则更为精准，但离商品化还需努力。

生物辨识技术，指的是如指纹辨识器、人体特徵分析，如脸部、指纹、虹膜辨识等。主要透过光感测器、电流、磁力或电磁波等方式，来测量心跳、心律、血氧浓度、血压等基本的生理讯号。现有商品化设备的感测模式通常是在感测器前端(探针)加入生物分子，与受测物作用后，再透过转换元件转为电子讯号。

Vessyl推出的智慧水杯，不仅可以马上认出装入的是水还是那种饮料，还能透过手机App协助计算卡路里及健康管理，医疗方面糖连病患者最需要的血糖测试方法，现在也有采取体液的侦测方式，比起以往需采集血液的方式，对糖尿病患者是一大福音；Google X研发隐形眼镜，就是以泪液侦测血糖值，生物感测器的微小化、商品化，将会是远端医疗、个人健康管理上在未来的发展方向。

⒋脑波感测器

我们的大脑是由数十亿个活跃的神经元组成，如果把神经轴突(Axon)连接在一起，长度大约有十七万公里，当这些神经元互动时，可以测量到这些化学作用所发射出的电脉冲。脑波的密码解读是相当困难的，因此目前脑波感测器的进展并不大。在未来随着脑波感测的发展，也许我们就能用意念来移动物品、打开电视、甚至与宠物沟通。

⒌光感测器

光感测器的原理即是藉由光敏感元件将接收的各种光波转换成电讯号。光感测也是目前应用最广的一种感测方式，主要范围大多集中於肉眼可见光(380nm～780nm)的频段附近，由於光有反射、折射等特性，感测器可由发射端射出光线，再经反射由接收端探知波长的变化，称为主动式光感测。若是只有接收端直接测量外在的光能量，则是被动式光感测。

⒍红外线光感测器

红外线是肉眼看不到的安全光线，因此在感测应用上非常广，在工业生产链上要测量物体的通过或是保全警报系统，都可以采用红外线感测器，利用光的折射与反射特性来完成感测讯号，当有发射端、与接收端，红外线也可以作短距离讯号的传递，如摇控器、红外线传输介面等。然而一般红外线的穿透性并不高，主动式红外线加上光反射原理还可以用在距离的探测上，打在人体皮肤上可以透过微血管变化计算心跳、心律。

在“黑体幅射定律”中，物体温度高於绝对零度(摄氏-273.15K)就会产生红外线的辐射光能量；因此对於温度的感测也常常与红外线相关，热视镜、热追纵系统、热感应式监视器，就是被动式红外线感测的应用。这类型感测器也常与我们日常生活息息相关，举例还有防盗系统、火灾警报器、耳温枪等。

⒎紫外线光感测器

紫外线的波长短、频率高使穿透力较强，对人体有一定的伤害，当木材、化纤织物、纸张、油、塑料、等可燃气体燃烧时，都会产生紫外光反应，另外太阳光放射出的紫外线能穿透石英、玻离、水和空气。综合以上特性，紫外线感测器多被用在与燃烧或阳光相关的感测应用上，如引擎控制、火焰感测器、太阳紫外线监测、紫外线天文学、光源校正系统等，以被动感测为主。主动放射紫外线的应用一般在医疗上使用，紫外线常被用来杀菌消毒。

紫外线对人体有一定的破坏性，当环境污染(臭氧层破坏)造成紫外线数值越来越高，罹患皮肤癌的机率也相对增加，UV紫外线感测器将被置入到许多运动型的穿戴装置，来提醒使用者目前的紫外线指数，是紫外线感测器置入行动装置目前的主要应用。

⒏影像感测器

影像感测器是光感测器中制程最复杂、也是最先进的主流产品，感测的辐射光大多集中在可见光附近，配合人眼可辨识成像的应用，最广为人知的例子是取代传统底片的数位相机，靠的就是影像感测器的发展。

影像感测器一般都需要搭配镜头使用，模拟人眼对RGB红绿蓝三原色的反应，为了避免红外线的干扰还会加上一层红外线滤光片；在CCD、CMOS两种半导体晶片制作技术的进步下，影像感测器能解读的画质像素(Pixel)非常细微，iPhone有一款App是只要将手指压在镜头前用补光灯照射，就能以接收微血管的变化来测量心跳。

现在的影像感测器能够捕捉静态或动态中的影像，并分析影像作出各种判断，例如相机的自动对焦功能、手机APP的微笑拍照功能、保全系统的人脸辨识。

⒐深度感测器

将感测画面由平面推向3D立体，是人机介面中虚拟实境、手势操控最主要的感测器，未来应用非常具有潜力。3D深度感测方案主要系由CMOS影像感测器、演算法、辅助感测效果的外部元件(如主动式光源(红外光IR)及主处理器所组合而成。红外线能捕捉人体的热幅射，使感测时可以聚焦在主控者身上，不被混乱的背景干扰；也能用来作距离的运算，与影像感测器配合来实现3D扫描的功能。

在应用方面，微软的Kinect产品绝对是代表作，不仅在体感游戏中实现了人体动态操控，不需穿戴任何摇控设备，也能被应用开发在许多人机互动平台上。

⒑动态感测器

动态感测器在测量物体的动态，与3D深度感测器不同的是，动态感测器是直接在行动者(人、车)身上作感测，所谓感测物体的”动态”包含了方向、速度(加速度感测器)、角度(陀螺仪)、方位(磁力感测器)、高度(气压感测器)几种。

动态感测的方式通常会需要测量物理量(重力、速度)的变化，因此采机械的方式制成，微机电系统(MEMS)是一种先进的工艺技术，将传统的机械系统微小化到类似晶片的大小，也是今天能将动态感测器放入手机、手表等许多穿戴装置的重要科技。

⒒加速度感测器

又称重力感测器(G-Sensor)、加速计，用来侦测物体本身的移动及速度；如果要加上方向，一个加速度感测器可以感测一个轴向，两个可以感测平面移动(X,Y)，三个可以立体全方位感测(X,Y,Z)称为三轴加速度感测器。

加速度感测器目前的许多应用，在体感操控上，如游戏机wii的操控方式只要挥动手上的摇控器。汽车方面安全气囊的致动元件、隧道内的补助导航(因隧道内收不到讯号，用加速度感测器计算行驶距离)，穿戴装置在运动方面测量行走步数、距离，计算消秏的卡路里等，未来也能在室内导航上，另外还有相机的防手震功能，也能利用感测器感应震动呈度，进行影像补偿。

⒓压力感测器

压力感测器可以测得水中、或大气中形成的外部压力(又称气压感测器)，应用上如汽车引擎内的监控管理、胎压侦测、以及医疗辅助器材、航太相关等，近年来置入行动装置中作为环境气压侦测，判断即时的天气变化(又称晴雨计)外，也能依海拔高度的气压变化作为垂直高度的定位系统。

气压感测器分类上也属於环境感测器的一员，环境的侦测可以协助我们改善居住品质，主要有气压、温度计、湿度计、紫外线感测器、气体感测器、环境光感测器几种。

⒔陀螺仪

结构类似陀螺般，用来测量装置本身斜度、角度的变化量，早期多用在军事、航太导航系统的角度修正，工业生产上机械手臂的动态平衡方案等。与加速感测器不同的是，陀螺仪量测数据较偏向斜度、转动等动态资讯，反而与重力、线性动作的感测较无关，陀螺仪多在侦测物体水平改变状态时较能达到效用，无法如加速度计对於物体移动或移动动能具较高的感测能力。相反的，加速度计可在侦测物体移动状态具较高实用效益，但却无法感测物体的小幅角度改变。

目前应用上大多将加速度计与陀螺仪整合，让动态感测系统同时具备直向速度与转动数据的感测资讯，使侦测方式更全面且完整。将两者共同封装於单晶片上，又称为惯性感测器(Inertial Sensing)，使用在智慧型手机及平板的萤幕旋转操控。

⒕磁力感测器

(M-Sensor)运用磁铁吸引力的感测器，在行动装置应用上可分为感应开关、与电子罗盘两种。感应开关如手机、平板上的萤幕锁，透过感应保护套上的磁铁来进行开关动作，若用於工业生产链上也能作为磁力感应的近接开关、转速测量等，电子罗盘又称地磁感应器，运用电流通过半导体来感测大自然的磁场(霍尔效应)，可作方向的指引、协助GPS导航作进一步方位的确认。

目前大多也将地磁感测器共同整合到”惯性感测器”中，使方向、速度、各种动态等都能完整被感测记录使用，且能提供高精细度的动态数据，未来在体感控制、动态分析上都能有更棒的体验。由其发展”室内导航”就是许多大厂共同努力的目标；除了惯性感测外，也可能再加入压力感测器(气压感测器)，用细微的气压变化来测量目前所高度及所在的楼层。

⒖声音感测器

声波也有不同的频率、振幅，需透过介质传播，简单区分为人耳可听见的声音，及无法听见的超音波；声波会引起频率共震、及折射等特性，传递的方式即是与大气中物体(空气、水)共振造成，由此原理作成相关的声音感测器，另外声波在遇到物体阻档时也会产生折射的现像，所以也能作为距离的探测。

⒗收音麦克风

最简单也最实用的声音感测器，其实就是我们常用的麦克风；麦克风能够精准的收取周遭环境的音波，科技应用上追求的反而是如何将声音转换成可用的资讯或指令，如语音辨识功能、语音输入就是目前主要应用。但不像人类可以主观判断聚焦想听见的声音，声音感测器在音源分析上达到有效的音源定位、音源分离，尚处於努力阶段。

⒘超音波感测器

超音波是指超越人体能听到的音波，利用声波的反射原理，最常利用超音波来做距离的测量；用在服务型机器人身上，可以有效测距与避障，如水深探测、水位测定、倒车雷达等，由於光的折射与声音的折射在物质上略有不同，若两者搭配来用在侦测周围环境，即可以更精准达到环境侦测效果。

超音波在医疗用途上也常被使用，如孕妇照超音波看胎儿的原理，是由不同密度介质会有反射特性，随组织密度不同造成不同的反射波，说穿了也是一种测距的应用。

二、新型传感器在海洋中的应用案例

⒈温度传感器技术在南极科考深海热流探测中的应用

当地时间2016年12月31日凌晨3时许，中国科考船“海洋六号”驶抵南纬60度、西经60度附近海域，开始了为期45天、跨年度的中国第33次南极科考海洋地质和地球物理调查。据悉，这是我国时隔26年后，再次开展以综合地质和地球物理调查为重点的国家专项南极科考调查。海洋六号重4600多吨、已经有7年船龄，此次海洋六号的工作类似给南极海域的海底“做CT”、“抽验血”、“量体温”，多管齐下，最终形成翔实的地层结构报告，给后续极地与全球环境和地质演变研究提供基础数据。

海洋六号科考船作业现场

在海底取样方面，海洋六号使用了9米重力取样管，最大作业能力可达18米深。此外，海洋六号重力取样管上安装了一系列热流探针，能够准确测出深海热流。在探针上的几十个会被自带电源瞬间加热，并记录降温过程中每秒温度值。回收后，根据传感器获得的海底沉积物原位温度梯度和热导系数，就可以推算出海底热梯度的分布情况。

⒉科学家在南极利用重力和磁场传感器全球重力数据

经过欧洲科学家团队的不懈努力，地球上最后一块鲜为人知的地区--南极点终于不再神秘。目前，欧洲南极科研项目PolarGAP已派出各种飞行器在南极来回探查，获得了一系列极其重要的信息，包括南极点的重力场、南极冰川下的地貌等等。重力数据的主要应用领域包括：大地测量学，如包括水平测量和地图绘制；导航系统，比如美国开发的GPS系统和俄罗斯开发的格洛纳斯系统；以及人造卫星轨道规划。PolarGAP项目获取的数据会使未来的全球重力模型更为精确。这些数据与几十年来人们从北极地区收集的数据、联合国行动获得的数据，以及冷战解密的一些重力数据集合在一起，使人类对地球重力的认识达到了100%全覆盖。有了这些信息，人们就能绘制出一幅精确的全球重力模型图，更好地理解固态地球、水文学、冰雪圈、海洋和大气的运动过程及其变化。

为获取更丰富的信息，PolarGAP项目团队派出了一架载满探测设备的双水獭式飞机。飞机携带着重力和磁场传感器，还装载了雷达和激光高度计。这架飞机沿着网格线在极地飞行，总飞行距离达到约3万公里。重力信息可帮助科学家明确南极洲下方地壳的厚度，磁场信息则有助于人们了解岩浆岩和沉积盆地的分布情况，激光高度计能够捕捉到顶部冰层的形状。雷达则测量了冰原的厚度和层次，同时也描绘出岩床的形状。另外，雷达还获得了南极的水在冰和岩石连接处流动的信息。

⒊科学家用携带传感器的热气球精准预测飓风路径

近期，国外研究人员正试图研发一套通过从风暴内部收集数据来预测飓风路径和强度的系统。一个来自美国加州大学圣地亚哥分校的科研团队设计、创建了包含有传感器的热气球，通过部署在风暴中能够实时报告温度、压强、湿度、风速等信息，在分析和建模后能够精准预测该风暴未来一周的动向和强度。据了解，科研团队希望通过这种全新且相对低成本的方式来改善热带风暴预报。

目前，相关的预报工作主要依赖于不同模型，导致信息有时候出现模糊、相互矛盾等情况。工程师试图创建的热气球足够的小巧、耐用、浮力可控且不会结冰，能够在8公里的高空，以协作的方式群体移动，从而便于掌握风暴不同地区的情况。据介绍，这些热气球上携带有手机级别的传感器、GPS模块定位追踪系统、低功耗的无线电通讯，以及卫星上行链路设备等。内置的电池，能够确保热气球在空中浮动和数据传输超过一星期的时间。下一步，该团队他们希望在系统正式上线运行后，能够更为精准的预测大型风暴，从而帮助沿海地区积极应对将威胁降到最低，也有利于当地居民尽快撤离。

⒋无人潜航器事件与传感器技术

无人潜航器（UUV），相当于一个微型潜艇，目前世界各海洋国家都在大力发展。由于在水中传送无线电信号要比在空气中难得多，因此这些微型潜艇通常不可以远程操控。它们可以通过自身配备的计算机和传感器系统实现自主导航。这类无人潜航器大体分两类，一是用于作战目的，另一是用于科学考察。虽然美方称，该无人潜器是用于科考，主要测量海水的基本指标，以研究声波在该海域的传播特性。

通常，无人潜航器测量不同深度海水的温度、盐度、密度，是海洋科考的通常做法，也可用船拖拽不同深度的传感器来测量。但UUV的用途不止于此，它本身可做为武器进行攻击，可侦测水下的潜艇，可为水下潜艇导航或通信作中继，还可对海底底质或沉船进行探测，甚至工程作业等。无论是何种活动，UUV都需要各类传感器，特别是声纳提供信息。据悉，目前，美国海军通过对无人潜航器与传感器的集成研究，特别是对在浅水环境下使用合成孔径声呐的进一步研究，认为无人潜航器只要装设相关的设备，就可以实现较好的通信传输和信息接收。例如，美国海军水下战中心研制的“乌贼”无人潜航器，就拥有模块化的武器系统和传感器系统，既可以与舰艇一起执行任务又可以脱离母艇单独参加战斗，实际上已成为美国海军网络中心战的一个关键节点。

三、我国传感器产业近年发展及应用增长点分析

近年，我国物联网建设进程加快，作为物联网的核心，传感器迎来发展风口。截至到2015年，我国物联网整体市场规模约达到7500亿元，传感器产业将从中直接受益。

传感器产业的特点是投资密集型、技术含量高，基于这一特征，西方国家在传感器产业化上更具优势，全球前十大传感器厂商，如霍尼韦尔、意法半导体、博世等均来自国外。近年来，中国传感器市场仍保持着持续增长，增幅超20%。主要应用领域为工业及汽车、通信电子、消费电子四大专用设备。但与国外相比，我国传感器在设计、封装、装备等技术方面存在较大差距。

目前，我国传感器产业的布局主要集中在长三角地区，并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为主的区域空间布局。此外，传感器产业伴随着物联网的兴起，在其他区域如陕西、四川和山东等地发展很快。我国有1700多家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事微系统研制、生产的50多家。据预测，未来5年中国传感器市场将稳步快速发展，在物联网市场规模大幅增长的动力之下，2015年中国传感器市场规模就达到约1213亿元左右。

鉴于核心技术和基础能力的缺乏，我国传感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊应用等高端方面，与外国差距明显。例如，国内尚无一套有自主知识产权的传感器设计软件，国产传感器可靠性比国外同类产品低1至2个数量级，传感器封装尚未形成系列、标准和统一接口。传感器工艺装备研发与生产被国外垄断。当然另一方面，我国对传感器的需求仍有增无减，在2015年，我国对传感器的需求量可高达32亿只，市场规模达1213亿元左右，足以形成传感器产业和信息产业新的经济增长点。未来，除工业自动化、大型重点工程配套及汽车、家电类产品应用外，在现代农业、环保监测、医疗卫生、海洋探测及食品检测领域应用，也是无法估量的。

■本文依据、电工学习网、及百度百科等相关内容综合编写

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