第三章应变式传感器重点

1、第三章应变式传感器1. 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：在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化的现象，称为应变效应。其表达式为g旦二k -；，式中k为材料的应变灵敏系数，当R应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K为常数。金属电阻应变片的电阻相对变化量dR与金属材料的轴向应变；成正比，因此，利用电阻应变片，可以将被测物体的应变 ；R转换成与之成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。2. 试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿办法。答：由于测量现场环境温度偏离应变片标定温度而给测量带来的附加误差，称为应变片温度

2、误差。产生应变片温度误差的主要原因有：由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，应变片的标称电阻值发生变化。当试件与与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于温度的变化而引起的附加变形，使应变片产生附加电阻。电阻应变片的温度补偿方法有线路补偿法和应变片自补偿法两大类。电桥补偿法是最常用且效果较好的线路补偿法，应变片自补偿法是采用温度自补偿应变片或双金属线栅应变片来代替一般应变片，使之兼顾温度补偿作用。3. 什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：如题图3-3所示电路为电桥电路。若电桥电路的工作电源E为直流电源，则该电桥称为直流电桥。按应变所在电桥不同的工作桥臂，

3、电桥可分为：单臂电桥，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定电阻。其输出压为 U = -14 Ri差动半桥电路，R1、R2为两个所受应变方向相反的应变片，R3、R4为电桥固定电阻。其输出电压为：UoERi2R1差动全桥电路，R、R2、R3、R4均为电阻应变片，且相邻两桥臂应变片所受应变方向相反。其输出电压为：UE R4拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问：(1 )四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？(2)画出相应的电桥电路图。答：如题图3-4 (a)所示等截面悬梁臂，在外力F作用下，悬梁臂产生变形，梁的上表面受到拉应变，而梁的下表面受压应变。当选用四个完全相

4、同题图3-4 (a)等截面悬臂梁(b)应变片粘贴方式(c)测量电路电阻应变片所构成的差动全桥电路接线如图3-4 (c)所示， R、巳 所受应变方向相同，R2、R3、所受应变方向相同，但与 Ri、R4所受应变方向相反。5.图示为一直流应变电桥。图中E=4V R1 = R2= R3= R4=1201，试求：(1) R为金属应变片，其余为外接电阻。当R的增量为 Ri =1.21时，电桥输出电压(2) R , R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电 阻，电桥输出电压U0 =?(3) 题(2)中，如果R2与R1感受应变的极性相反, 且R- - R2 -1.21，电桥输出电压

5、U 0二？ 答：如题3-5图所示题图3-5直流电桥UoE Ri 41.2 门4 R 4 120由于Ri.Ra均为应变片，且批号相同，所受应变大小和方向均相同，则R,=：R2=：RUoR2lR2l(R + & )+(R2 + AR2 )R4R3 R4R +AR0R + AR )R3R4120 1240=0根据题意，设R2 = R - ： R2Uo(Ri 中也Ri )+侃2 虫R2 )Ri - R?R3 + R4E R24i.2- 0.022R2 I20R46.图示为等强度梁测力系统，Ri为电阻应变片,R4R3 + R4 JE应变片灵敏系数K=2.05,未受应变时，R=120Q。当试件受力 F时，

6、应变片承受平均应变 & =800卩m/m求:(I) 应变片电阻变化量 R和电阻相对变化量 Ri/(-) 将电阻应变片 R置于单臂测量电桥，电桥电源 电压为直流3V,求电桥输出电压及电桥非线性误差。(3) 若要减小非线性误差，应采取何种措施？并分 析其电桥输出电压及非线性误差大小。解：根据应变效应，有忙K ；Ri已知 K =2.05 ,； =800”mm，R =i2代入公式则二只！ = KR1= 2.05 800 10- 120 =0.20“R10.20120=0.17亠若将电阻应变片置于单臂测量桥路中则 U。冷訐4 0Wll25mV非线性误差|二2Rl =0.085% AR,1科2R若要减小非

7、线性误差，可采用半桥差动电路，且选择R)=R2=R3=R4=120门R-= R=0.2011Ri和R2所受应变大小相等，应变方向相反。此时E也RU。2.50mV2 R1L = 07.在题6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数飞=11 10/C，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数:-15 10出/C，线膨涨系数1SM14.9 10止/C。当传感器的环境温度从10C变化到50C时，弓I起附加电阻相对变化量R R t为多少？折合成附加应变；t为多少？解：在题3-6的条件下，合金钢线膨胀系数为g=11 x 10-6/ C。则 g = 1二0 1 11 10” 50-10丨应变片敏感栅材质为康铜。电阻温度系数为 =14.9 10“/ C。则 S = 0 1肿t = 0 1 14.9 1050-10 】，当两者粘贴R 二 KoRg - s - ：t=2.05 120 11 10 -14.9 1050-10= - 0.03838门当测量的环境温度从 10C变化到50C时，金属电阻丝自身温度系数:.=15 10/c。则