傳感器原理及應(yīng)用習(xí)題

1、例1如果將120Q的應(yīng)變片貼在柱形彈性試件上，該試件的截面積S=0.5X10-4m, 材料彈性模量 E=2X 1011N/mi。假設(shè)由5X1O4N的拉力引起應(yīng)變片電阻變化為 1.2 Q,求該應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K。解：應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化為1.212011000.01柱形彈性試件的應(yīng)變?yōu)?F5 10411E SE 0.5 102 100.005應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為K0.010.005例22 臺(tái)用等強(qiáng)度梁作為弾性元件的電子秤'在梁的上.卜面體貼兩片相同的電阻應(yīng) 變片K = 2如圏 2-la> 所可譏 / = 100 mm. b = II mm" =3 mm-E = 2x 10

2、J N/mmS 現(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變片接入圖b直流橋路中，電橋電源電壓U = 6 Vo當(dāng)力F = 0.5 kg時(shí)，求電橋 輸岀電壓Un = ?解：由圖行所示四片相同電阻應(yīng)變片貼于等強(qiáng)度梁上，下面各兩片口當(dāng)車力F作用梁端 部后，梁上農(nóng)廂乩和產(chǎn)生正應(yīng)變電阻變化而卜衣面R2和Ra那么產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變屯阻變化具應(yīng)變絕對(duì)值相等即6F7 C btE乩AR.SRZ=RT =現(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變電阻按圖b所示接入橋路組成等臂全橋電路其輸出橋路電壓為T(mén)Tj r jr j j j,6 Fl5計(jì)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、的金屬絲應(yīng)變片K=2，將瓦貼在實(shí)心圓柱形測(cè)力彈性元件上。 如圖2-2a所示，力F=1 OOO kg。圓柱斷面半徑r = 1 cm，楊氏模最E = 2X IO7 N/cm2»泊松 比 .3求DimilH應(yīng)變片在惻柱上貼粘位1S及郴應(yīng)測(cè)量橋路原理圖：2各應(yīng)變片的應(yīng)變 £二？電阻相對(duì)變化雖AR/R二？3假設(shè)供電橋壓U = 6 V,求橋路輸出電壓Vo = ? 4此種 測(cè)量方式能否補(bǔ)償壞境溫皮對(duì)測(cè)雖的影響？說(shuō)明feWo斛：1按題意采用四個(gè)和同應(yīng)變片測(cè)力彈性尤件，貼的位克如圖2-2a所示。RR：沿 軸向在力F作用下產(chǎn)牛正應(yīng)變sU，£3U:k：、/0沿惻周力向貼那么產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變2

4、<0，e4<0。四個(gè)應(yīng)變電阻接入橋路位置如圖2 2b所示。從而組成全橋測(cè)量電路可以提高輸出電壓靈敏度°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+轡-轡鬻-後U=j3.12x IO'4 +0.94X IO" X6= 1.22 mV4此種測(cè)呈方式町以補(bǔ)償環(huán)境溫度變化的影響因。為四個(gè)相同電阻應(yīng)

5、變?cè)谕瑯迎h(huán)境條 件感受溫度變化產(chǎn)生電陽(yáng)相對(duì)變化量相同，存全橋電路中不影響輸出電爪值，即R、R、一 &R/R1A/< tt4L R R:R,/<U = ()例2U 采用Bl個(gè)性能完全相I可的電陽(yáng)應(yīng)變片靈敏穫系數(shù)為K，將梵貼在薄壁創(chuàng)筒式 壓力傳感元件外表鬪冏方向彈性元件周鬧方向應(yīng)變習(xí)二2 ；:;；：儀式屮P為待測(cè)ffi力 尸泊松比E暢氏模址d簡(jiǎn)內(nèi)輕/荷外徑.觀采用fi汛電橋電路供電橋壓U。嚶求滿足 如F條件，Q該壓力傳感器有溫度補(bǔ)償作用M2橋路輸岀電壓靈敏度域高.試畫(huà)出應(yīng)變片粘 貼位建和相應(yīng)橋路井寫(xiě)出橋路輸出電壓表達(dá)式骼按趣總要求闘同方向貼四片相同應(yīng)變片如果組成等粋?cè)珮螂娐?當(dāng)

6、阿片全除受應(yīng)變 時(shí)橋略輸出信寸為零.故在此種悄況下嬰求有補(bǔ)償環(huán)境溫度變化的功能同吋橋路輸出電 壓還燼泉夠丿、，應(yīng)采取參比測(cè)址方式即兩片RnR； W在冇應(yīng)變的闘簡(jiǎn)舉I:做域感元件:，ifu >i 購(gòu)丿:貼/<、匕掘車慮受應(yīng)變的閱簡(jiǎn)外壁上作為溫補(bǔ)兀件.如圖232所示.然后再將刖個(gè) 應(yīng)變電陽(yáng)接入圖2-35橋臂位苜I(mǎi),此時(shí)被測(cè)爪力變化肘R, >R,隨簡(jiǎn)燃感盪匸應(yīng)變址5 > o.e,>0-并且e.= “；尺2和R.所處位胃筒樂(lè)不產(chǎn)生應(yīng)變故e2 = e4=h橋路輸由電用U. 只與敬感元件出冬 仃關(guān)故把乩和心放在對(duì)橋壁上可獲得較高的電壓靈敬發(fā)則輸出 信號(hào)電壓U“為二扌K&quo

7、t;二:第 5另一方而R-R放橋町上與RR§組成的全橋測(cè)麗電粘勻壞境汕度變化時(shí)產(chǎn)味的2 . 1什么是金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)？什么是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)?答：1金屬材料在受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，導(dǎo)致其阻值發(fā)生變化的 現(xiàn)象叫金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)。2半導(dǎo)體材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為壓 阻效應(yīng)。2 . 2比擬金屬絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？答：相同點(diǎn)：它們都是在外界力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化所；不 同點(diǎn)：金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變?yōu)橹?，材料的電阻率相?duì)變化為輔；而半導(dǎo)體材料那么 正好相反，其應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變導(dǎo)致的電阻率的相

8、對(duì)變化為主，而機(jī)械形變?yōu)檩o。2 .3什么是金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？它與金屬絲靈敏度函數(shù)有何不同？答：金屬應(yīng)變片單位應(yīng)變引起的應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化叫金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；它與金屬絲應(yīng)變靈敏度函數(shù)不同，應(yīng)變片由于由金屬絲彎折而成，具有橫向效應(yīng)，使其靈敏度小于 金屬絲的靈敏度。2 .4采用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量時(shí)為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償？常用溫補(bǔ)方法有哪些？答：因?yàn)?金屬的電阻本身具有熱效應(yīng)，從而使其產(chǎn)生附加的熱應(yīng)變；2基底材料、應(yīng)變片、粘接劑、蓋板等都存在隨溫度增加而長(zhǎng)度應(yīng)變的線膨脹效應(yīng)，假設(shè)它們各自的線膨脹系數(shù)不同，就會(huì)引起附加的由線膨脹引起的應(yīng)變；常用的溫度補(bǔ)償法有單絲自補(bǔ)償，雙絲組合式自補(bǔ)償和電路補(bǔ)償

9、法。2-7 一應(yīng)變片的電Hl R = 120= 2 +用作應(yīng)變?yōu)?00 /mi/ni的傳感元件求：1和假設(shè)電源迫壓U = 3 V,求初始平卿時(shí)愿斯逋吐橋的輸出電壓【小2 8在村料為鋼的實(shí)尤、圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向兀貼 片電阻為121 n的金屬 應(yīng)變片乩和乩，把這兩應(yīng)變八接入差動(dòng)電橋參看圖2-5-假設(shè)鋼的泊松比洱-0.285,應(yīng)變 片的貢敏系數(shù)K = 2.電橋電淵電兒 =6 V嚴(yán)試件受軸向拉伸皿測(cè)得威變片乩的山附變 化值去用=0 豪 尬 試求電橋的輸出電斥口廠2-9 測(cè)誡罰乍起卅電物的抽力傳感器如題圖2-6<a所示"gRgg 按要求貼 在等截而軸上“己知；等截用細(xì)的截面積

10、為MK】光mJ弾性模最E-2x IO'1 N/mS泊松比 /z-0.3t且從R 心& 121 Q.K-2,所紐成的全橋空電路如趣用2-6b所示供橋 電圧U = 2 V現(xiàn)測(cè)得輸出電壓5 = 2.6 iiM求：< 1等截面軸的縱向應(yīng)變及機(jī)向屁變?yōu)槎嗌?？童物F為多少？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有四個(gè)性能完全相

11、同的應(yīng)變片(K = 2),將賓貼在如関2-7和不爪力傳感器圓板形 感壓膜片上口己釦：膜片 "20 mm,A=0.3mn>E = 2x ()n N/m1.現(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變片組成全 橋測(cè)宦電路橋路電源i F=6 V求：確定應(yīng)變片在感壓膜片上的位置.并畫(huà)出位置示意鮒；(2) «出相應(yīng)全橋測(cè)最屯路圖；(3) 被測(cè)Hv力為(hl MPa ir+ 4求各應(yīng)變片的應(yīng)變值及橋路輸出電1-hfA：(4) 該壓力傳感器是否具有溫度補(bǔ)償作用？為什么？C 5 橋路輸出電壓與被測(cè)壓力之間是否存在線性關(guān)系？3ph2E 13p8h2ER2R23r2r222t(2)RR1UE(3)2R2rima R、F2靠近中心處，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:+ -£