传感器习题周真

第1章 传感器的技术基础

3.传感器主要由哪些部分组成？并简单介绍各个组成部分。

答：传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。传感器一般由敏感元件、传感元件和基本转换电路三部分组成。

被测量敏感元件传感元件转换电路图1-1传感器的组成

电量

(1)敏感元件 直接感受被测量，并以确定的关系输出某一物理量。 (2)传感元件 将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量或电量。 (3)基本转换电路 将电路参数转换成便于测量的电量。基本转换电路的类型又与不同的工作原理的传感器有关。因此常把基本转换电路作为传感器的组成环节之一。

4.传感器的静态特性的参数主要有哪些？

答：表征传感器的静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复性、稳定性、漂移、阈值等。

6.传感器未来发展的方向主要有哪些？ 答：(1)开发新材料

(2)提高传感器性能扩大检测范围 (3)传感器的微型化和微功耗 (4)传感器的智能化

(5)传感器的集成化和多功能化 (6)传感器的数字化与网络化

第2章 电阻式传感器

2.说明电阻应变片的组成、规格及分类。

答：组成：电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引出线等部分组成。规格：应变片规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻值来表示。分类：电阻应变片按其敏感栅的材料不同，可分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。常见的金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种形式。

3.什么叫应变效应?利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。 答：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，此现象称为电阻“应变效应”。根据这种效应，将应变片用特制胶水粘在被测材料的表面，被测材料在外力的作用下产生的应变就会传送到应变片上，使应变片的阻值发生变化，通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测量的大小。

4.金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别?各有何优缺点？ 答：金属电阻应变片可分为：(1)丝式应变片：其优点是粘贴性能好，能保证有效地传递变形，性能稳定．且可制成满足高温、强的磁场、核辐射等特殊条件使用的应变片。缺点是U形应变片的圆弧形弯曲段呈现横向效应，H形应变片的焊点过多，可靠性下降； (2)箔式应变片：优点是黏合情况好，散热能力较强，输出功率较大，灵敏度高等。在工艺上可按需要制成任意形状，易于大量生产，成本低廉，在电测中获得广泛应用。尤其在常温条件下，箔式应变片已逐渐取代了丝式应变片。薄膜型是在薄绝缘基片上蒸镀金属制成。

半导体应变片:是用锗或硅等半导体材料制成敏感栅。半导体应变片灵敏系数大、机械滞后小、频率响应快、阻值范围宽(可从几欧到几十千欧)．易于做成小型和超小型；但热稳定性差，测量误差较大。

7.说明差动电桥减小温度误差的原理。

答：巧妙地安装应变片而不需补偿并能得到灵敏度的提高。如图2-1，测悬梁的弯曲应变时，将两个应变片分别贴于上下两面对称位置，R1与RB特性相同，所以两电阻变化值相同而符号相反。将R1与RB按图2-4装在R1和R2的位置，因而电桥输出电压比单片时增加1倍。当梁上下温度一致时，RB与R1可起温度补偿作用。

2-1 应变片受力变化图

9.说明电桥的工作原理。若按不同的桥臂工作方式，可分为哪几种?各自的输出电压如何计算?

答：由于应变片电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，如图2-2所示

图2-2直流电桥

(1)等臂电桥 当R1R4＝R2R3时，称为等臂电桥，即电桥处于平衡状态时，输出电压U0＝0。若电桥各臂均有相应电阻增量，得

U0?U(R1??R1)(R4??R4)?(R2??R2)(R3??R3)

(R1??R1?R2??R2)(R3??R3?R4??R4)U?R1?R2?R3?R4(???) 4RRRRUKU0?(?1??2??3??4)

4当R1＝R2＝R3=R4＝R时，又?Ri(i＝1，2，3，4)很小，上式可简化为

U0?(2)差动电桥

①半桥差动电路：若电桥桥臂两两相等，即R1=R2=R，R3=R4=R?

U0?U(R3?R1?R1?)

?R1?R1?R2??R2R3?R4U?R1 2R1若?R1??R2，R1?R2，R3?R4则得

U0?②全桥差动电路：若将电桥4个臂接入4个应变计，即2个受拉应变，2个受压应变，将2个应变相同的应变计接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若

?R1， KU?U。 R1?R1??R2??R3??R4且R1?R2?R3?R4则U0?U10.如何提高应变片电桥的输出电压灵敏度及线性度？ 答：(1)由U0?U?R1U?Su可知，当电源电压U及应变片电阻相对变化

4R14一定时，电桥得输出电压及其电压灵敏度与各桥臂得阻值无关。电桥电源电压越

高，输出电压的灵敏度越高。但提高电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加，温度误差增大。一般电源电压取3V~6V为宜。

(2) 一般消除非线性误差的方法有以下几种：

① 采用差动电桥。利用桥路电阻变化的特点，可使桥路形成差动电桥(半桥或全桥)。

②采用高内阻的恒流源电桥。采用恒流源比采用恒压源的非线性误差减小一倍。一般半导体应变片的桥路采用恒流源供电。

?电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积11.如果将100S?0.5?10?4m2，弹性模量E?2?1011Nm2，若有F?5?104N的拉力引起应变

电阻变化为1?。试求该应变片的灵敏度系数？

?R1解：由题意得应变片电阻相对变化量。 ?R100F根据材料力学理论可知：应变??(?为试件所受应力，??)，故应变

ESF5?104????0.005 ?411SE0.5?10?2?10应变片灵敏度系数

?K??RR??1100?2 0.00512.一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各贴两片相同的电阻应变片(K=2)如图2-3(a)所示。已知S?0.165mm2，E?2?104Nmm2。现将四个应变片接入图(b)直流桥路中，电桥电源电压U?6V。当力F?0.5kg时，求电桥输出电压U0?？

lR1R2U0R4tbR1?R3R2?R4FR3U图2-3

解：由图(a)所示四片相同电阻应变片贴于等强度梁上、下面各两片。当重力F作用梁端部后，梁上表面R1和R3产生正应变电阻变化而下表面R2和R4则产生负应变电阻变化，其应变绝对值相等，即

?1??3???2???4???电阻相对变化量为

F SE?R1?R3?R?R?R???2??4??K? R1R3R2R4R现将四个应变电阻按图(b)所示接入桥路组成等臂全桥电路，其输出桥路电压为

U0??RF U?K?U?KURSE0.5?0.0178V=17.8mV

0.165?2?104 ?2?6?13.如将两个100?电阻应变片平行地粘贴在钢制试件上，试件初载等截面积为0.5?10?4m2，弹性模量E=200GN/m2，由50kN的拉力所引起的应变片电阻变化为1?。把它们接入惠斯登电桥中，电桥电源电压为1V，求应变片灵敏系数和电桥输出电压为多少？

解:因为，应力/应变=E所以，

应变?=应力/E=50000N/(0.5×10-4m2×200×109N/m2)=0.005 故应变片灵敏系数k为

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