传感器的物理基础

处理和显示。还有一类传感器则可用来检测气体种类（气敏）和物质中的水分。

电阻式传感器的全名为电阻应变式传感器，它是由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外力，力矩，压力，位移，加速度等各种力学参数作用时，弹性敏感元件将产生位移，转角，应力和应变。电阻应变片则将这些力学参数转换成电阻的变化。

弹性敏感元件材料一般选用结构合金钢：如中碳福锰硅钢，中碳镉镍硅钢，镉钒弹簧钢等。我国也有选用铍青铜，铝合金材料的。一些常用的弹性敏感元件常做成空心或实心等截面轴，悬臂梁，扭转棒，薄壁圆筒，薄壁半球，等截面薄板等形状。在实际应用中，也可能有两种以上形式元件的组合使用。至于电阻应变体的结构，主要有丝式，箔式和半导体三种类型，其主要参数有应变片的电阻值（分60Ω，120Ω，350Ω，600Ω，1000Ω五种），绝缘电阻（一般大于1010Ω）和元件电流（75～100mA）三种。电阻应变片将非电量（如压力，压强，位移，速度等）转换为电阻的变化，为了便于显示和记录应变值的大小，还需要把电阻的变化转换成电压或电流的变化。完成这种转换功能的电路常采用直流或交流电桥。

气敏传感器用于检测各种气体的成份。早期对气体的检测主要采用化学和光学手段。虽然检测准确，但速度慢，设备复杂，成本高，使用不方便。随着煤气，液化石油气，天然气的开发利用以及人们对气体环境污染的重视，需要对各种易燃，易爆和有毒有害气进行及时检测。上世纪60年代，利用金属氧化物半导体研制出可燃气体传感器，以及发现在气敏元件中加人少量催化金属，可以大大改进气敏传感器元件性能。

我们列举以下两类半导体气敏传感器。

第一类称为电阻控制性气敏传感器。其原理为当Sn02，ZnO等金属氧化物半导体表面接触被测气体后，由于不同物质接受电子能级不同，引起气敏材料的电阻率变化，这类气敏元件主要监测含氢元素的气体分子。如氢气，氨气，硫化氢，酒精蒸汽，乙烯等。

第二类称为电压控制型气敏传感器，它的结构比较复杂，主要包括半导体单晶硅制成的。MOs场效应器件和利用隧道效应制成的金属／半导体气敏二极管，它可以用来监测像co等这一类不含氢元素的气体。

本文最后简要地介绍一种水分传感器。在工农业生产中需要测量水分的物质种类繁多。物质中的水分以两种形式存在：一种称为游离水或自由水，它分布于物质的表面与间隙中。如海绵吸附的水和木材间隙中的水分均属此类。另一种是结合水，指物质中靠物理和化学作用于水分子相结合的水分。如植物细胞壁中的水等。

水分的测量方法有直接法（如干燥法，蒸馏法等）和间接法（如电导法，电容法，微波法，中子法。核磁法，红外法，色谱法等）。本文介绍的水分传感器属于后者。

电导式（电阻式）水分传感器的基本工作原理是物质电导（或电阻）随其含水率的不同而变化。然而物质的实际电导（电阻）并不是含水率的单值函数关系。除水分外，它还与物质的性质，水质，品种，密度，粒度，杂质，空气温度与湿度有关。因此，用电导式水分计时除了在传感器设计上要设法消除诸如密度，粒度，品种，温度的影响，还应该在实现数据的基础上设置随机相关函数，用数理统计方法求出实用的数学模型。除了电导式水分传感器外，还可以利用吸湿物质的介电常数随含水量增加而变大的特性设计出电容式水分传感器；利用电磁波通过含水物质时电磁波部分被水吸收从而强度减弱而设计微波式水分传感器；利用中子源发射的快中子遇含有氢原子核的物质（即水），因互相发生碰撞而减速为慢中子，从测量慢中子的密度即可测出水分含量；红外式水分计是利用水分对1．94μm波长的红外辐射有强烈的吸收作用设计制造的。

最后，作为应用实例，介绍一种利用光敏电阻RG制作的无触点日光灯起辉器，电路可供各中学学生课外实验制作用。图2中，光敏电阻RG选用硫化锅电阻，其暗阻大于4MΩ，亮阻小于2kΩ，VD选用IN4007整流二极管；DW选用击穿电压为10V～15V稳压二极管，VS选用MCR100－6可控硅。

总之，各种传感器广泛应用了物理学中从力学到近代物理各部分基础知识，结合生产实际开发研制而成，其应用领域日益扩展。