電阻式傳感器物理原理解析

陸旭明

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 常州 213164）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，對(duì)物理世界的感知需求愈來愈強(qiáng)烈，傳感器將物理世界中的物理量、化學(xué)量、生物量轉(zhuǎn)換成供處理的數(shù)字信號(hào)，從而為感知物理世界提供了最初的信號(hào)來源，感知對(duì)象諸如位移、壓力、流量、溫度、氣體濃度、濕度等，傳感器給物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用帶來了“隱形的翅膀”.本文以電阻式傳感器為例，闡述其工作原理及其應(yīng)用.

電阻式傳感器類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理就是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路顯示或記錄被測(cè)量值的變化.常用的電阻式傳感元件有電阻式位移傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、電阻式應(yīng)變片等.

1 電阻式位移傳感器

電阻式位移傳感器的功能在于把直線機(jī)械

位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào).電位器式位移傳感器常用于測(cè)量幾毫米到幾十米的位移和幾度到360°的角度.圖1所示為電位器式位移傳感器原理圖.如果把它作為變阻器使用，假定全長(zhǎng)為xmax的電位器其總電阻為Rmax，電阻沿長(zhǎng)度的分布是均勻的，則當(dāng)滑臂由A向B移動(dòng)x后，A點(diǎn)到電刷間的阻值為

圖1

圖2

若把它作為分壓器使用，且假定加在電位器A、B之間的電壓為Umax，則輸出電壓為

根據(jù)電壓的變化就可以測(cè)試出位移的變化.

圖2所示為電位器式角度傳感器.作變阻器使用，則電阻與角度的關(guān)系為

電阻式位移傳感器用作分壓器可最大限度降低對(duì)滑軌總阻值精確性的要求，用電阻式位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)試可以克服因?yàn)闇囟茸兓鹱柚底兓绊憸y(cè)量結(jié)果缺點(diǎn).

2 電位器式壓力傳感器

電位器式壓力傳感器如圖3所示，彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔，通入被測(cè)流體，在流體壓力作用下，膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移，推動(dòng)連桿上移，使曲柄軸帶動(dòng)電位器的電刷在電位器繞組上滑動(dòng)，因而輸出一個(gè)與被測(cè)壓力成比例的電壓信號(hào).該電壓信號(hào)可遠(yuǎn)距離傳送，故可作為遠(yuǎn)程壓力表.

圖3

3 電阻型可燃?xì)怏w傳感器

圖4

催化型可燃?xì)怏w檢測(cè)是利用難熔金屬鉑絲加熱后的電阻變化來測(cè)定可燃?xì)怏w濃度.催化燃燒式傳感器屬于高溫傳感器，催化元件的檢測(cè)元件是在鉑絲線圈（?0.025～?0.05）上包以氧化鋁和粘合劑形成球狀，經(jīng)燒結(jié)而成，其外表面敷有鉑、鈀等稀有金屬的催化層，其結(jié)構(gòu)如圖4所示.當(dāng)含有可燃?xì)怏w的混合氣體擴(kuò)散到檢測(cè)元件上時(shí)，迅速進(jìn)行無焰燃燒，并產(chǎn)生反應(yīng)熱，使熱Pt絲電阻值增大，電橋輸出一個(gè)變化的電壓信號(hào)，這個(gè)電壓信號(hào)與可燃?xì)怏w的濃度成正比.

在實(shí)際應(yīng)用中常采用惠斯頓電橋測(cè)量可燃?xì)怏w濃度，如圖5所示.電橋中Rx是檢測(cè)元件，R0為補(bǔ)償元件或者稱為參考元件，補(bǔ)償元件R0與催化元件相比只缺少催化劑層，也就是說R0遇到可燃?xì)怏w不能燃燒.正常情況下，電橋是平衡的，U1＝U2，U0輸出為0，如果有可燃?xì)怏w存在，它的氧化過程會(huì)使測(cè)量橋被加熱，溫度增加，而此時(shí)參考元件溫度不變，電路會(huì)測(cè)出它們之間的電阻變化，U2＞U1，式（6）中輸出的電壓U0同待測(cè)氣體的濃度成正比.當(dāng)空氣中有一定濃度的可燃?xì)怏w時(shí)，檢測(cè)元件Rx由于燃燒而電阻值上升，導(dǎo)致電橋失去平衡，電壓U0輸出和氣體濃度成正比，因此U0起到檢測(cè)氣體濃度的作用.

圖5

催化型可燃?xì)怏w傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：選擇性好、反應(yīng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測(cè)、不易產(chǎn)生誤報(bào).

4 電阻式應(yīng)力傳感器

應(yīng)變傳感器的工作原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形（拉伸或壓縮）時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化.根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變?cè)梢苑譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類.

如圖6所示，一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，沿軸向?qū)⑸扉L(zhǎng)Δl，沿徑向縮短Δr，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值相對(duì)變化.

圖6

將式（7）兩邊取對(duì)數(shù)（lnR＝lnρ＋lnl-lnA），代入A＝πr2，再微分可得

用相對(duì)變化量表示則有

Δρ／ρ的值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)，其關(guān)系為

式中λ為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，σ為半導(dǎo)體材料所受的應(yīng)力，E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，ε為半導(dǎo)體材料的應(yīng)變.

半導(dǎo)體材料的K值可達(dá)60～180.半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍.

用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨之發(fā)生相同的變化，應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化.當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量ΔR時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值ε.根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ為

由此可知，應(yīng)力值σ正比于應(yīng)變?chǔ)牛瑧?yīng)變?chǔ)耪扔陔娮柚档淖兓?，所以?yīng)力σ正比于電阻值的變化，這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理.

應(yīng)變片在大壩、橋梁、航天飛機(jī)、船舶結(jié)構(gòu)，發(fā)電設(shè)備等工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)量中至今仍是應(yīng)用最廣泛和最有效的.如美國(guó)波音767飛機(jī)靜力結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中就采用了2000多個(gè)電阻應(yīng)變片和1000多個(gè)應(yīng)變花來測(cè)量飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量部位的應(yīng)變.

電位器傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，能承受惡劣環(huán)境條件，輸出功率大，一般不需要對(duì)輸出信號(hào)放大就可以直接驅(qū)動(dòng)伺服元件和顯示儀表；其缺點(diǎn)是精度不高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，不適于測(cè)量快速變化量.

電阻式傳感器除了上面提到的幾種典型的傳感器以外，還有：（1）熱電阻式傳感器：導(dǎo)體的電阻率隨著溫度的變化而變化，可以進(jìn)行溫度測(cè)量；（2）氣敏電阻傳感器：氣敏電阻是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來檢測(cè)瓦斯、CO氣體；（3）濕敏電阻傳感器：通過濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的，可以進(jìn)行空氣濕度的檢測(cè)；（4）光敏電阻傳感器：利用光照后電阻發(fā)生變化這一特點(diǎn)進(jìn)行的，可以進(jìn)行大棚素菜種植光照控制.

傳感器有著巨大的市場(chǎng)及應(yīng)用場(chǎng)合，它在各個(gè)行業(yè)的各種測(cè)試系統(tǒng)中執(zhí)行了無數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制功能，社會(huì)需求是傳感器的強(qiáng)大動(dòng)力.有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國(guó)將競(jìng)相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化.競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈.新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場(chǎng).

1 郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用（第2版）.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

2 欒桂東.傳感器及其應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

3 宋小堅(jiān).可燃?xì)怏w傳感器研究進(jìn)展.煤氣與熱力，2010（5）.