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，從而為感知物理世界提供了最初的信號來源，感知對象諸如位移、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物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路顯示或記錄被測量值的變化.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.電位器式位移傳感器常用于測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，假定全長為xmax的電位器其總電阻為Rmax，電阻沿長度的分布是均勻的，則當(dāng)滑臂由A向B移動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)行位移測試可以克服因?yàn)闇囟茸兓鹱柚底兓绊憸y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，通入被測流體，在流體壓力作用下，膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移，推動連桿上移，使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位器繞組上滑動，因而輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號.該電壓信號可遠(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檢測是利用難熔金屬鉑絲加熱后的電阻變化來測定可燃?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)散到檢測元件上時，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，電橋輸出一個變化的電壓信號，這個電壓信號與可燃?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量可燃?xì)怏w濃度，如圖5所示.電橋中Rx是檢測元件，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，它的氧化過程會使測量橋被加熱，溫度增加，而此時參考元件溫度不變，電路會測出它們之間的電阻變化，U2＞U1，式（6）中輸出的電壓U0同待測氣體的濃度成正比.當(dāng)空氣中有一定濃度的可燃?xì)怏w時，檢測元件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、不易產(chǎn)生誤報.

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，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化.根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變元件可以分為金屬和半導(dǎo)體兩大類.

如圖6所示，一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，沿軸向?qū)⑸扉LΔl，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變化.

圖6

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

用相對變化量表示則有

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)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時，在外力作用下，被測對象產(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)測得應(yīng)變片電阻值變化量ΔR時，便可得到被測對象的應(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ε，應(yīng)變ε正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力σ正比于電阻值的變化，這就是利用應(yīng)變片測量應(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)力測量中至今仍是應(yīng)用最廣泛和最有效的.如美國波音767飛機(jī)靜力結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中就采用了2000多個電阻應(yīng)變片和1000多個應(yīng)變花來測量飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量部位的應(yīng)變.

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

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；（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及應(yīng)用場合，它在各個行業(yè)的各種測試系統(tǒng)中執(zhí)行了無數(shù)的監(jiān)測和控制功能，社會需求是傳感器的強(qiáng)大動力.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，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化.競爭也將日益激烈.新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場.

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.可燃?xì)怏w傳感器研究進(jìn)展.煤氣與熱力，2010（5）.