電阻式傳感器物理原理解析

陸旭明

（常州紡織服裝職業技術學院機電工程系，江蘇 常州 213164）

隨著物聯網技術的推廣和應用，對物理世界的感知需求愈來愈強烈，傳感器將物理世界中的物理量、化學量、生物量轉換成供處理的數字信號，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，傳感器給物聯網的應用帶來了“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用.

電阻式傳感器類繁多，應用廣泛，其基本原理就是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化，再經相應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、可燃氣體傳感器、電阻式應變片等.

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械

位移量轉換成電信號.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，則當滑臂由A向B移動x后，A點到電刷間的阻值為

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行位移測試可以克服因為溫度變化引起阻值變化影響測量結果缺點.

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腔，通入被測流體，在流體壓力作用下，膜盒硬中心產生彈性位移，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.該電壓信號可遠距離傳送，故可作為遠程壓力表.

圖3

3 電阻型可燃氣體傳感器

圖4

催化型可燃氣體檢測是利用難熔金屬鉑絲加熱后的電阻變化來測定可燃氣體濃度.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，經燒結而成，其外表面敷有鉑、鈀等稀有金屬的催化層，其結構如圖4所示.當含有可燃氣體的混合氣體擴散到檢測元件上時，迅速進行無焰燃燒，并產生反應熱，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氣體的濃度成正比.

在實際應用中常采用惠斯頓電橋測量可燃氣體濃度，如圖5所示.電橋中Rx是檢測元件，R0為補償元件或者稱為參考元件，補償元件R0與催化元件相比只缺少催化劑層，也就是說R0遇到可燃氣體不能燃燒.正常情況下，電橋是平衡的，U1＝U2，U0輸出為0，如果有可燃氣體存在，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.當空氣中有一定濃度的可燃氣體時，檢測元件Rx由于燃燒而電阻值上升，導致電橋失去平衡，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

催化型可燃氣體傳感器的優點是：選擇性好、反應準確、穩定性好、能夠定量檢測、不易產生誤報.

4 電阻式應力傳感器

應變傳感器的工作原理基于電阻應變效應，即導體在外界力的作用下產生機械變形（拉伸或壓縮）時，其電阻值相應發生變化.根據制作材料的不同，應變元件可以分為金屬和半導體兩大類.

如圖6所示，一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為

當電阻絲受到拉力F作用時，沿軸向將伸長Δl，沿徑向縮短Δr，橫截面積相應減小ΔA，電阻率因材料晶格發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（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的值與半導體敏感元件在軸向所受的應變力有關，其關系為

式中λ為半導體材料的壓阻系數，σ為半導體材料所受的應力，E為半導體材料的彈性模量，ε為半導體材料的應變.

半導體材料的K值可達60～180.半導體應變片的靈敏系數比金屬絲式高50～80倍.

用應變片測量應變或應力時，在外力作用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨之發生相同的變化，應變片電阻值也發生相應變化.當測得應變片電阻值變化量ΔR時，便可得到被測對象的應變值ε.根據應力與應變的關系，得到應力值σ為

由此可知，應力值σ正比于應變ε，應變ε正比于電阻值的變化，所以應力σ正比于電阻值的變化，這就是利用應變片測量應變的基本原理.

應變片在大壩、橋梁、航天飛機、船舶結構，發電設備等工程結構的應力測量中至今仍是應用最廣泛和最有效的.如美國波音767飛機靜力結構試驗中就采用了2000多個電阻應變片和1000多個應變花來測量飛機結構大量部位的應變.

電位器傳感器結構簡單，價格低廉，性能穩定，能承受惡劣環境條件，輸出功率大，一般不需要對輸出信號放大就可以直接驅動伺服元件和顯示儀表；其缺點是精度不高，動態響應較差，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：導體的電阻率隨著溫度的變化而變化，可以進行溫度測量；（2）氣敏電阻傳感器：氣敏電阻是利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發生變化這一機理來檢測瓦斯、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致本身電阻值發生變化這一原理而制成的，可以進行空氣濕度的檢測；（4）光敏電阻傳感器：利用光照后電阻發生變化這一特點進行的，可以進行大棚素菜種植光照控制.

傳感器有著巨大的市場及應用場合，它在各個行業的各種測試系統中執行了無數的監測和控制功能，社會需求是傳感器的強大動力.有關專家指出，傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發和產業化.競爭也將日益激烈.新技術的發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用（第2版）.西安：西安電子科技大學出版社，2007.

2 欒桂東.傳感器及其應用.西安：西安電子科技大學出版社，2002.

3 宋小堅.可燃氣體傳感器研究進展.煤氣與熱力，2010（5）.