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1、传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器传感器原理与应用及传感器与测量技术习题集与部分参考答案 教材：传感器技术贾伯年主编，及其他参考书 第2章 电阻式传感器 2-1 金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同？试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。 答：相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 对于金属材料，灵敏系数K0=Km=(1+2)+C(1-2)。前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般0.3，因
2、此=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。 对于半导体材料，灵敏系数K0=Ks=(1+2)+E。前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而E(1+2)，因此K0=Ks=E。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。 2-2 从丝绕式应变计的横向效应考虑，应该如何正确选择和使用应变计？在测量应力梯度较大或应力集中的静态应力和动态应力时，还需考虑什么因素？ 2-3 简述电阻应变计产生热输出的原因及其补偿办法。 答：电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时
3、，会产生温度误差。 补偿办法：1、温度自补偿法 单丝自补偿应变计；(2) 双丝自补偿应变计 2、桥路补偿法 双丝半桥式；补偿块法 2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。 答：原因：DU=UDR1DR2DR3DR41DRDR2DR3DR4(-+-)1+(1+) 4R1R2R3R42R1R2R3R4上式分母中含Ri/Ri，是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与Ri/Ri呈非线性关系。 措施：(1) 差动电桥补偿法：差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。 (2) 恒流源补偿法：误差
4、主要由于应变电阻Ri的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可减小误差。 2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？ 答：一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。 要求：非线性误差要小，力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。 2-6 现有栅长3mm和5mm两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%。欲用来测量泊松比=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布。试问：应选用哪一种应变计？为什么？ 答：应选用栅长为5mm的应变计。 由公式dRdr
5、dR=(1+2m)ex+和=(1+2m)+C(1-2m)ex=Kmex知应力大小是通过测量应变片RrR电阻的变化率来实现的。电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分加上电阻率随应变而变的部分。一般金属0.3，因此(1+2)1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例，C1，C(1-2)0.4，所以此时K0=Km2.0。显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。从结构尺寸看，栅长为5mm的丝式应变计比栅长为3mm的应变计在相同力的作用下，引起的电阻变化大。 1122-7 现选用丝栅长10mm的应变计检测弹性模量E=210N/m、密度r=7.8g/cm的钢构件承2受谐振力作用
6、下的应变，要求测量精度不低于0.5%。试确定构件的最大应变频率限。 答：机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可忽略不计)和栅长l而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。由fmaxvlp6e式中v为声波在钢构件中传播的速度； 又知道声波在该钢构件中的传播速度为： v=Er=21011N/m2=-3637.81010kg/mv=lp21089.8kgm2/s2=1.585104m/s 7.8kg可算得fmax1.585104m/s6e=60.5%=112kHz -31010pm-3
7、2-8 一试件受力后的应变为210；丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120，温度系数为-5010-6/C，线膨胀系数为1410-6/C；试件的线膨胀系数为1210-6/C。试求：若温度升高20时，应变计输出的相对误差。 2-9 试推导图2-16所示四等臂平衡差动电桥的输出特性：U0=f(DR/R)。从导出的结果说明：用电阻应变计进行非电量测量时为什么常采用差动电桥。 解：全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得 DU=UDR1DR2DR3DR41DRDR2DR3DR4(-+-)1+(1+) 4R1R2R3R42R1R2R3R4由全等桥臂，得 DU=DR1UDR1-DR2DR3-
8、DR41DR-DR2DR3-DR4U4DR1(-+-)1+(1+)=U 4R1R2R3R42R1R2R3R44RR1可见输出电压U0与Ri/Ri成严格的线性关系，没有非线性误差。即U0=f(R/R)。 因为四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。 2-10 为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件？现用一等强度梁：有效长l=150mm，固支处b=18mm，厚h=5mm，弹性模量E=210N/mm，贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计，并接入四等臂差动电桥构成称得传感器。试问：悬臂梁上如何布片？又如何接桥？为什么？当输入电压为3V，有输出电压为2m
9、V时的称重量为多少？ 答：当力F作用在弹性臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面对称位置上应变大小相当，极性相反，若分别粘贴应变片R1 、R4 和R2 、R3 ，并接成差动电桥，则电桥输出电压Uo与力F成正比。等强度悬臂梁的应变ex=526Fl不随应变片粘贴位置变化。 b0h2E1）悬臂梁上布片如图2-20a所示。接桥方式如图2-20b所示。这样当梁上受力时，R1、R4受拉伸力作用，阻值增大，R2、R3受压，阻值减小，使差动输出电压成倍变化。可提高灵敏度。 2）当输入电压为3V，有输出电压为2mV时的称重量为： 计算如下： b0h2E6Fl由公式：U0=UiKex=UiKF=U0代入各
10、参数算F=33.3N 26KFlUib0hE1牛顿=0.102千克力；所以，F=3.4Kg。此处注意：F=m*g；即力=质量*重力加速度；1N=1Kg*9.8m/s2.力的单位是牛顿和质量的单位是Kg；所以称得的重量应该是3.4Kg。 2-11 一圆筒型力传感器的钢质弹性筒截面为19.6cm2，弹性模量E=210N/m；4片阻值为R1=R2=R3=R4=120，K=2的应变计如表2-7(a)所示布片，并接入差动全桥电路。试问：当加载后测得输出电压为U0=2.6mV时，求载荷大小？此时，弹性件贴片处的纵向应变和横向应变各多少？ 1122-12 何谓压阻效应？扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传
11、感器相比有什么优点，有什么缺点？如何克服？ 答：“压阻效应”是指半导体材料的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。 优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化。 缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在(3-5)%之间，因而使得测量结果有(3-5)%的误差。 压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度，又部分地消除阻值随温度而变化的影响。 2-13 设计压阻式传感器时选择硅片晶面及布置扩散电阻条的位置和方向有什么讲究？举例说明之。 2-14 有一扩散
12、硅压阻式加速度传感器如图2-31所示，4个扩散电阻接入图2-16所示测量电桥。已知硅梁的刚度系数k=2500N/m，质量块质量m=0.001kg，由空气构成阻尼，阻尼比为0.6。指出该传感器的敏感元件与转换元件；求幅值相对误差不超过5%的频率范围。 2-15 某扩散硅压力传感器采用(110)晶面N型硅膜片，4个扩散电阻条均径向布置如图2-30所示。试说明扩散电阻布置的原则。若电桥供桥电压为U，画出电桥原理图，推导电桥输出特性U0=f(DRDR )和电压灵敏度Ku=U0/RR*2-16 一应变片的电阻R=120，k=2.05，用作应变片为800m/m的传感元件。 求R/R和R； 若电源电压U=3
13、V，惠斯登电桥初始平衡，求输出电压U0。 答： dRdl=(1+2m)+C(1-2m)ex=Kmex，此处=ex=800m/m； Rl所以dR=Kmex=1.6410-3；DR=1.6410-3120=0.197W； R全桥电路连接时，输出电压可按下式计算： U0=UDR式中nR2/R1，为桥臂比；此处取四个电阻相等，所以n=1；算得U0=4.92mV。 R*2-17 在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的应变片R1和R2，把这两片应变片接入差动电桥，若钢的泊松系数=0.285，应变片的灵敏度系数k=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片的电阻变
14、化R1=0.48 ，求电桥的输出电压U0为多少？ 答：由DRDR0.48=Kex轴向应变引起的电阻变化；可求的轴向应变系数ex=0.002;总的应变RRK1202系数e=ex+ey=(1+m)ex=1.2850.002=0.00257； 又 U0=Uike=2.57mV 4或：也可以根据分压定律来做。得U0=2.567mV。 2-18 什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。 2-19 有一吊车的拉力传感器如图所示，电阻应变片R1、R2、R3、R4等截面轴上，已知R1R4标称阻值为120，桥路电压2V，物重m引起R1、R2变化增量为1.2
15、。请画出应变片电桥电路，计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度，R3、R4起什么作用？ 2-20 在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合？用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？ 2-21 电桥如图所示： 试推导电桥平衡条件V0=0V。 2-22 电桥预调平衡电路如图，初始不平蘅值： R1=348， R2=350 ，R3=120， R4=120，R5=1K， R6=20K，E=24V 求：调节滑片，平衡时R7，R8的值。平衡后R1/R2=R3/R4，对吗？ 2-23 在用直流电桥测量电阻的时候，若标准电阻Rn=10.0004的电桥已经平衡，但是由于检流计
16、指针偏转在0.3mm以内时，人眼就很难观测出来，因此Rn的值也可能不是10.0004 ,而是Rn=10.0004Rn 。若已知电桥的相对灵敏度Sr=1mm/0.01% ，求对应检流计指针偏转0.3mm时，Rn ？ 解：已知Dy=0.3mm，Rn=10.0004W Sr=Dy=1mm/0.01% DRn/Rn100%2-24 说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？ 答： 金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、盖层、粘结剂、引线。分为金属丝式和箔式。 其主要特性参数：灵敏系数、横向效应、机械滞后、零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、绝缘电阻、最大工作电流、动态响应特性
17、。 2-25 一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm，内径18mm，在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120，灵敏度为2，泊松比为0.3，材料弹性模量E=2.11011Pa。要求： 绘出弹性元件贴片位置及全桥电路； 计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化； 当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压。 答：(1) 全桥电路如右图所示 (2) 圆桶截面积A=p(R-r)=59.710 应变片1、2、3、4感受纵向应变； 22-6e1=e2=e3=e4=ex 应变片5、6、7、8感受纵向应变； e5=e6=e7=e8=ey 满
18、量程时： F10103DR1=DR2=DR3=DR4=kexR=KR=2.0120=0.191W AE59.710-62.11011 DR5=DR6=DR7=DR8=-mDR1=-0.30.191=-0.0573W DU=UF10FK(1+m)=2.0(1+0.3)=1.03710-6F -6112AE259.7102.1102-26 应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？ 答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。 2-27 今有一悬臂梁，如图所示，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=0.5N，试求此
19、时这四个应变片的电阻值。已知：应变片灵敏系数K=2.1；应变片空载电阻R0=120。(已知l=25cm，b=6cm，t=3mm，x=1/2l，E=7010Pa) 解： ex=56(l-x)F=0.1 2bEtDR=KRex=2.11200.1=25.2W R1=R3=R+DR=120+25.2=145.2W R2=R4=R-DR=120-25.2=94.8W 2-28 如图所示一受拉的10#优质碳素钢杆。试用允许通过的最大为30mA的康铜丝应变片组成一单臂受感电桥。试求出此电桥空载最大可能的输出电压。 电流时的解： ex=6(l-x)F=19.8 2bEtDR=KRex=350/0.3=116
20、6.7W U0=UDR=17.5V 4RU=30mA120W2=7.2V 2-29 钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为0.1%，钢材的应力为10kg/mm2。 求钢材的应变。 钢材的应变为300*10-6时，粘贴的应变片的电阻变化率为多少? 解： DRDl是R/R=2。因为电阻变化率是R/R=0.001，所以l/lFRl=0.0005=5*10-4。 因l/l=300*10-6，所以，R/R=2*300*10-6=6*10-4。 2-30 截面积为1mm2、长度为100m铜线的电阻为多少？具有和它相同电阻的100m铝线的截面积为多大？比较此时的铝线重量和铜线重量。 答：R=(l/S)中，(镍)是
21、*10-8m，是1.72*10-8m， 所以R/R=/=/1.72=55.260.5。 2-31 试推导惠斯顿电桥输入输出之间的关系。 答：假定输入输出端没有电流流过，流过阻抗Z4和Z1的电流为i4，流过阻抗Z3和Z2的电流为i3，由基尔霍夫电压定律得以下关系式： i4= ( Z3+Z2)i3=Vi i4Z4= i3 Z3+Vi 由式得i4=(1) (2) ViZ4+Z1i3=ViZ3+Z2将和代入求得V0为： V0=i4Z4-i3Z3=(Z2Z4-Z1Z3Z4Z4-)Vi=Vi Z4+Z1Z3+Z2(Z1+Z4)(Z2+Z3)222-32 参考有关书籍中的地震式加速度传感器的工作原理并推导出
22、公式：wU0=pX0 答：由等效力学模型得，当有位移输入u(t)时，盛物器的相对位移x的运动方向为： &+cx&+kx=-mu&(t) m&x因此，如果物体以振动频率f、振幅U0作正弦振动u(t)=U0sint 则上述微分方程为： &+2rpx&+p2x=w2U0sinwt, w=2pf x其中p=k/m, r=c/2mk 因此，的特解，求得如下： x=X0sin(t+) (3) X0,用=/p表示，则有 X0=l2(1-l)+(2rl)2rl) 21-l222U0 j=tan-1(如果1，则由得 X0=lU0=2U0 pw (6) 22即 pX0=wU0, =2f (7) 2-33 给出力平
23、衡测量系统得一个应用实例，并给出系统的信号流方框图。 答：方框图如下： 2-34 下图是电阻应变仪电路框图，电桥采用交流供电，应变信号为一正弦变化的信号频率为20Hz，振荡频率4KHz。请画出放大器、相敏检波器、低通滤波器的输出波形示意图。 2-35 如图所示，轴工件用前后顶尖支承纵向磨削外园表面，在加工过程中，径向力Py和切向力Pz大小基本不变，但着力点位置沿轴向移动，现在前后顶尖上粘贴电阻应变片测量工件所受的Pz。 (1)在图中标明应变片的位置及Pz的测量电桥。 (2)着力点移动对测量结果有无影响?为什么? 解：(1)应变片(R1、R2、R3、R4)粘贴位置如图a所示；测量电桥如图b所示。
24、 (2)根据以上位置布片和电桥接法，着力点位置的变化不会影响Pz的大小，因为在顶尖上的分力Pz1、Pz2，Pz=Pz1+Pz2，由Pz1、Pz2引起的电阻R1、R3的变化值之和保持不变，故Pz的测量不受着力点的移动而改变。 2-36 简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。 答：布置原则有： (1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳； (2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰； (3)考虑温度补偿作用； 单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。 2-37 简述金属电阻应变片的工作原理。 答：金属电阻应变片的工作原理：是基于金属导体的应变效应，即金属导体
25、在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。 2-38 为什么用应变片测量时必须采用温度补偿措施? 答：粘贴到试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，因此需采用温度补偿措施。 2-39 简述压阻效应的概念、分类及利用该原理传感器的测量类型。 答：压阻效应：对半导体材料施加应力时，除了产生形变外，材料的电阻率也要发生变化，这种由于应力的作用而使材料的电阻率发生改变的现象称为压阻效应，分为扩散电阻长度方向的纵向压阻效应和扩散电阻宽度方向的横向压阻效应，分别由其压阻系数决定，而压阻
26、系数除了与晶向有关外，还与材料的掺杂浓度有关。利用半导体压阻效应设计成的传感器，基本类型有两种：测压和测加速度。 2-40 一个半导体应变片的灵敏系数为180，半导体材料的弹性模量为1.8105Mpa，其中压阻系数为多少Pa-1？ 提示：K/E 2-41 何谓电阻应变传感器？ 答：电阻应变传感器是将被测量的应力通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的检测元件。 2-42 电阻丝应变片的工作原理。 答：当外力作用于传感器的弹性原件时，弹性原件便产生Dl/l的相对变形量，电阻值的相对变化率DR/R与应变Dl/l成正比关系。2-43 应变片为什么要进行温度补偿？ 答：因为温度变化会造成应变电阻变化，对测量造成误差。 消除这种误差或对它进行修正以求出仅由应变引起的电桥输出的方法。 2-44 为什么必须进行非线性补偿？电阻应变片传感器测量采取何措施？ 答：在仪表的基本组成环节中中有许多具有非线性的静特性，为了保证测量仪表的输入与输出之间具有线性关系。所以非线性电阻应变传感器采用桥路接法时，在半导体应变片中对测量值进行修正，或在电路上采取线性补偿措施。 DRDl，所以，DR/R与外力P成正比关系。 =KRl
