传感器原理及应用习题

1、例1如果将120Q的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件的截面积S=0.5X10-4m, 材料弹性模量 E=2X 1011N/mi。假设由5X1O4N的拉力引起应变片电阻变化为 1.2 Q,求该应变片的灵敏系数 K。解：应变片电阻的相对变化为1.212011000.01柱形弹性试件的应变为4F5 10411E SE 0.5 102 100.005应变片的灵敏系数为K0.010.005例22 台用等强度梁作为弾性元件的电子秤'在梁的上.卜面体贴两片相同的电阻应 变片K = 2如圏 2-la> 所可讥 / = 100 mm. b = II mm" =3 mm-E = 2x 10

2、J N/mmS 现将四个应变片接入图b直流桥路中，电桥电源电压U = 6 Vo当力F = 0.5 kg时，求电桥 输岀电压Un = ?解：由图行所示四片相同电阻应变片贴于等强度梁上，下面各两片口当車力F作用梁端 部后，梁上农廂乩和产生正应变电阻变化而卜衣面R2和Ra那么产生负应变屯阻变化具应变绝对值相等即6F7 C btE乩AR.SRZ=RT =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TTj r jr j j j,6 Fl5计U"心K気= 2x6x6Q-y9o8°=0.017 8 V=17.8 mV11 x 3 x2 x IO1例2-3采用四片相同

3、的金属丝应变片K=2，将瓦贴在实心圆柱形测力弹性元件上。 如图2-2a所示，力F=1 OOO kg。圆柱断面半径r = 1 cm，杨氏模最E = 2X IO7 N/cm2»泊松 比 .3求DimilH应变片在恻柱上贴粘位1S及郴应测量桥路原理图：2各应变片的应变 £二？电阻相对变化虽AR/R二？3假设供电桥压U = 6 V,求桥路输出电压Vo = ? 4此种 测量方式能否补偿坏境温皮对测虽的影响？说明feWo斛：1按题意采用四个和同应变片测力弹性尤件，贴的位克如图2-2a所示。RR：沿 轴向在力F作用下产牛正应变sU，£3U:k：、/0沿恻周力向贴那么产生负应变2

4、<0，e4<0。四个应变电阻接入桥路位置如图2 2b所示。从而组成全桥测量电路可以提高输出电压灵敏度°2治F _ 1 000X9.8SE nx 12V25< 1071.56X 1015b旳Se =0.3XL56X100.47X 10 4 = -47川MM-Z?)=2x 1.56X 104 = 3.12x 1(T"-ke.= -2X0.47X IO 4-0.94X 1()u° =乂警-第+辔-辔鬻-後U=j3.12x IO'4 +0.94X IO" X6= 1.22 mV4此种测呈方式町以补偿环境温度变化的影响因。为四个相同电阻应

5、变在同样环境条 件感受温度变化产生电阳相对变化量相同，存全桥电路中不影响输出电爪值，即R、R、一 &R/R1A/< tt4L R R:R,/<U = ()例2U 采用Bl个性能完全相I可的电阳应变片灵敏穫系数为K，将梵貼在薄壁创筒式 压力传感元件外表鬪冏方向弹性元件周鬧方向应变习二2 ；:;；：仪式屮P为待测ffi力 尸泊松比E畅氏模址d简内轻/荷外径.观采用fi汛电桥电路供电桥压U。嘤求满足 如F条件，Q该压力传感器有温度补偿作用M2桥路输岀电压灵敏度域高.试画出应变片粘 贴位建和相应桥路井写出桥路输出电压表达式骼按趣总要求闘同方向貼四片相同应变片如果组成等粋全桥电路.当

6、阿片全除受应变 时桥略输出信寸为零.故在此种悄况下嬰求有补偿环境温度变化的功能同吋桥路输出电 压还烬泉够丿、，应采取参比测址方式即两片RnR； W在冇应变的闘简舉I:做域感元件:，ifu >i 购丿:贴/<、匕掘车虑受应变的閱簡外壁上作为温补兀件.如图232所示.然后再将刖个 应变电阳接入图2-35桥臂位苜I,此时被测爪力变化肘R, >R,随简燃感盪匸应变址5 > o.e,>0-并且e.= “；尺2和R.所处位胃筒樂不产生应变故e2 = e4=h桥路输由电用U. 只与敬感元件出冬 仃关故把乩和心放在对桥壁上可获得较高的电压灵敬发則输出 信号电压U“为二扌K&quo

7、t;二:第 5另一方而R-R放桥町上与RR§组成的全桥测麗电粘勻坏境汕度变化时产味的2 . 1什么是金属材料的电阻应变效应？什么是半导体材料的压阻效应?答：1金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的 现象叫金属材料的应变效应。2半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压 阻效应。2 . 2比拟金属丝应变片和半导体应变片相同点和不同点？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；而半导体材料那么 正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相

8、对变化为主，而机械形变为辅。2 .3什么是金属应变片的灵敏度系数？它与金属丝灵敏度函数有何不同？答：金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数；它与金属丝应变灵敏度函数不同，应变片由于由金属丝弯折而成，具有横向效应，使其灵敏度小于 金属丝的灵敏度。2 .4采用应变片进行测量时为什么要进行温度补偿？常用温补方法有哪些？答：因为1金属的电阻本身具有热效应，从而使其产生附加的热应变；2基底材料、应变片、粘接剂、盖板等都存在随温度增加而长度应变的线膨胀效应，假设它们各自的线膨胀系数不同，就会引起附加的由线膨胀引起的应变；常用的温度补偿法有单丝自补偿，双丝组合式自补偿和电路补偿

9、法。2-7 一应变片的电Hl R = 120= 2 +用作应变为800 /mi/ni的传感元件求：1和假设电源迫压U = 3 V,求初始平卿时愿斯逋吐桥的输出电压【小2 8在村料为钢的实尤、圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向兀贴 片电阻为121 n的金属 应变片乩和乩，把这两应变八接入差动电桥參看图2-5-假设钢的泊松比洱-0.285,应变 片的贡敏系数K = 2.电桥电淵电儿 =6 V严试件受轴向拉伸皿测得威变片乩的山附变 化值去用=0 豪 尬 试求电桥的输出电斥口厂2-9 测誡罚乍起卅电物的抽力传感器如题图2-6<a所示"gRgg 按要求贴 在等截而轴上“己知；等截用细的截面积

10、为MK】光mJ弾性模最E-2x IO'1 N/mS泊松比 /z-0.3t且从R 心& 121 Q.K-2,所纽成的全桥空电路如趣用2-6b所示供桥 电圧U = 2 V现测得输出电压5 = 2.6 iiM求：< 1等截面轴的纵向应变及機向屁变为多少？童物F为多少？解：H2-60.3,K 2,U2V U02.6mV(1)由-RK和rRU0UR1R2R3R4得到4R1R2R3R4UUKrK12.622所以10 3,r0.310 3(2)由F,得到FSE10 3RiR2R32R4120,S 0.00196m ,E0.001962 10113.92 105N2-10有四个性能完全相

11、同的应变片(K = 2),将宾贴在如関2-7和不爪力传感器圆板形 感压膜片上口己釦：膜片 "20 mm,A=0.3mn>E = 2x ()n N/m1.现将四个应变片组成全 桥测宦电路桥路电源i F=6 V求：确定应变片在感压膜片上的位置.并画出位置示意鮒；(2) «出相应全桥测最屯路图；(3) 被测Hv力为(hl MPa ir+ 4求各应变片的应变值及桥路输出电1-hfA：(4) 该压力传感器是否具有温度补偿作用？为什么？C 5 桥路输出电压与被测压力之间是否存在线性关系？3ph2E 13p8h2ER2R23r2r222t(2)RR1UE(3)2R2rima R、F2靠近中心处，且沿切向方向，R、R4靠近 r= £ t 即皿上<=etmax0.2852)x(20xIO-3)2-zvxlO58x(0+3xl0_3fx2xl011=0.7656xl06:+ -£