電阻式傳感器例題與習題

1、第二章電阻式傳感器原理與應(yīng)用基本要求1. 掌握金屬應(yīng)變式傳感器的構(gòu)成原理特性；2. 掌握壓阻式傳感器工作原理，固態(tài)壓阻器件設(shè)計特點；3. 了解電阻應(yīng)變式傳感器動的粘貼方法；4. 通過對電阻應(yīng)變片測量電路分析，掌握直流惠斯通電橋結(jié)構(gòu)形式及特點。例題分析例題2-1 如果將100電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，若試件受力橫截面積S = 0.510-4 m2，彈性模量E =21011 N/m2 ，若有F=5104 N的拉力引起應(yīng)變電阻變化為1。試求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？解：由題意得應(yīng)變片電阻相對變化量根據(jù)材料力學理論可知：應(yīng)變（為試件所受應(yīng)力，），故應(yīng)變應(yīng)變片靈敏度系數(shù)例題2-2 一臺用等強度梁作為彈性元件

2、的電子秤，在梁的上、下面各貼兩片相同的電阻應(yīng)變片(K=2）如圖2-1（a)所示。已知=100mm、b=11mm、t=3mm，E=2104N/mm2?，F(xiàn)將四個應(yīng)變片接入圖（b）直流電橋中，電橋電壓U=6V。當力F=0.5kg時，求電橋輸出電壓U0=?2U043（b）U圖2-1()解：由圖（a）所示四片相同電阻應(yīng)變片貼于等強度梁上、下各兩片。當重力F作用梁端部后，梁上表面R1和R3產(chǎn)生正應(yīng)變電阻變化而下表面R2和R4則產(chǎn)生負應(yīng)變電阻變化，其應(yīng)變絕對值相等，即電阻相對變化量為現(xiàn)將四個應(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F例題2-3采用四片相同的金屬絲應(yīng)變片(K=2），將其

3、貼在實心圓柱形測力彈性元件上。如圖2-2（a) 所示，力F=1000kg。圓柱斷面半徑r =1cm，彈性模量E=2107N/cm2,泊松比=0.3。求（1）畫出應(yīng)變片在圓柱上粘貼位置及相應(yīng)測量橋路原理圖；（2）各應(yīng)變片的應(yīng)變=？電阻相對變化量R/R=？（3）若電橋電壓U = 6V，求電橋輸出電壓U0 =?（4）此種測量方式能否補償環(huán)境溫度對測量的影響？說明原因。432U0U342F（a）（b）圖2-2解：按題意采用四個相同應(yīng)變片測力單性元件，貼的位置如圖2-2（a）所示。R1、R3沿軸向在力F作用下產(chǎn)生正應(yīng)變1 0，3 0；R2、R4沿圓周方向貼則產(chǎn)生負應(yīng)變2 0，4 0，3 0。并且1 =3

4、；R2和R4所處位置筒壁不產(chǎn)生應(yīng)變，故2 =4= 0。橋路輸出電壓U0只與敏感元件R1、R3有關(guān)，故把R1和R3放在對橋壁上，可獲得較高的靈敏度。則輸出信號電壓U0為 另一方面R2、R4放于橋壁上與R1、R3組成的全橋的測量電路，當環(huán)境溫度變化時產(chǎn)生的電阻變化量均相同，故對環(huán)境溫度變化有補償作用，使A向U432U0DpA向R2R4R2R4R3R1d（a）（b）圖2-3例題2-5 求利用彈性模量E=187109N/m2的P-Si半導(dǎo)體材料做成的晶向為100、111半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？解：半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度系數(shù)公式為K=式中為應(yīng)變片軸線方向壓阻系數(shù)，其表達式為、壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的

5、方向余弦。由教材(王化祥主編)表可查PSi的縱向壓阻系數(shù)=6.610 -11m 2/N；橫向壓阻系數(shù)= -1.110 -11m 2/N；剪切壓阻系數(shù)=138.110 -11m 2/N。100晶向，故其100晶向應(yīng)變靈敏度系數(shù)=6.610 -1118710 9=12.3111晶向，故靈敏度系數(shù)思考題與習題2-1 什么是金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)？什么是半導(dǎo)體材料的壓阻應(yīng)變效應(yīng)？2-2 金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)應(yīng)變片的工作原理有何區(qū)別？各有何優(yōu)缺點？2-3 什么是金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？2-4 采用應(yīng)變片進行測量時為什么要進行溫度補償？常用溫補方法有哪些？2-5固態(tài)壓阻器件結(jié)構(gòu)特點是什么？受溫度影響會產(chǎn)生哪

6、些溫度漂移？如何進行補償？2-6 直流電橋是如何分類的？各類橋路輸出電壓與電橋靈敏度關(guān)系如何？2-7 有一金屬應(yīng)變片，其靈敏度K=2.5，R=120,設(shè)工作時其應(yīng)變?yōu)?200,則2- 應(yīng)變片稱重傳感器，其彈性體為圓柱體，直徑D10cm，材料彈性模量E205109N/m2，用它稱50t重物體，若用電阻絲式應(yīng)變片，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K2，R120，問電阻變化多少？2-9 擬在等截面的懸臂梁上粘貼4個完全相同的電阻應(yīng)變片組成差動全橋電路，式問； 4個應(yīng)變片應(yīng)該怎樣粘貼在懸臂梁上？ 畫出相應(yīng)的電橋電路圖。2-10 如圖2.1所示為一直流應(yīng)變電橋。圖中U=4V，R1= R2= R3= R4=120，試求：

7、 R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻。當R1 的增量為R1=1.2時，電橋輸出電壓U0為多少？ R1和R2都是應(yīng)變片，且批號相同，感受應(yīng)變極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓U0為多少？ 題 中，如果R1與R2感受應(yīng)變極性相反，且|R1|=|R2|=1.2，電橋輸出電壓U0為多少？U432U0圖2.2等強度梁測力系統(tǒng)圖2.1直流應(yīng)變電橋2-11 如圖2.2所示為等強度梁測力系統(tǒng)，R1為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2.05,未受應(yīng)變時, R1=120，當試件受力F時,應(yīng)變片承受平均應(yīng)變=810-4,求 應(yīng)變片電阻變化量R1和電阻相對變化量R1/R1。 將電阻應(yīng)變片R1置于單臂測量電橋,電橋電源為直流3V,求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。 若要減小非線性誤差,應(yīng)采取何種措施?并分析其電橋輸出電壓及非線