傳感器習(xí)題周真

本文格式為Word版，下載可任意編輯——傳感器習(xí)題周真第1章傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)

3.傳感器主要由哪些部分組成？并簡(jiǎn)單介紹各個(gè)組成部分。

答：傳感器的核心部件是敏感元件，它是傳感器中用來(lái)感知外界信息和轉(zhuǎn)換成有用信息的元件。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

被測(cè)量敏感元件傳感元件轉(zhuǎn)換電路圖1-1傳感器的組成

電量

(1)敏感元件直接感受被測(cè)量，并以確定的關(guān)系輸出某一物理量。(2)傳感元件將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量或電量。(3)基本轉(zhuǎn)換電路將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量?；巨D(zhuǎn)換電路的類型又與不同的工作原理的傳感器有關(guān)。因此常把基本轉(zhuǎn)換電路作為傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

4.傳感器的靜態(tài)特性的參數(shù)主要有哪些？

答：表征傳感器的靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辯力和遲滯、重復(fù)性、穩(wěn)定性、漂移、閾值等。

6.傳感器未來(lái)發(fā)展的方向主要有哪些？答：(1)開(kāi)發(fā)新材料

(2)提高傳感器性能擴(kuò)大檢測(cè)范圍(3)傳感器的微型化和微功耗(4)傳感器的智能化

(5)傳感器的集成化和多功能化(6)傳感器的數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化

第2章電阻式傳感器

2.說(shuō)明電阻應(yīng)變片的組成、規(guī)格及分類。

答：組成：電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引出線等部分組成。規(guī)格：應(yīng)變片規(guī)格一般是以有效使用面積和敏感柵的電阻值來(lái)表示。分類：電阻應(yīng)變片按其敏感柵的材料不同，可分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。常見(jiàn)的金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種形式。

3.什么叫應(yīng)變效應(yīng)?利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。答：電阻絲在外力作用下發(fā)活力械變形時(shí)，其阻值發(fā)生變化，此現(xiàn)象稱為電阻“應(yīng)變效應(yīng)〞。根據(jù)這種效應(yīng)，將應(yīng)變片用特制膠水粘在被測(cè)材料的表面，被測(cè)材料在外力的作用下產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳送到應(yīng)變片上，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片電阻值的變化就可得知被測(cè)量的大小。

4.金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理有何區(qū)別?各有何優(yōu)缺點(diǎn)？答：金屬電阻應(yīng)變片可分為：(1)絲式應(yīng)變片：其優(yōu)點(diǎn)是粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形，性能穩(wěn)定．且可制成滿足高溫、強(qiáng)的磁場(chǎng)、核輻射等特別條件使用的應(yīng)變片。缺點(diǎn)是U形應(yīng)變片的圓弧形彎曲段浮現(xiàn)橫向效應(yīng)，H形應(yīng)變片的焊點(diǎn)過(guò)多，可靠性下降；(2)箔式應(yīng)變片：優(yōu)點(diǎn)是黏合狀況好，散熱能力較強(qiáng)，輸出功率較大，靈敏度高等。在工藝上可按需要制成任意形狀，易于大量生產(chǎn)，成本低廉，在電測(cè)中獲得廣泛應(yīng)用。特別在常溫條件下，箔式應(yīng)變片已逐漸取代了絲式應(yīng)變片。薄膜型是在薄絕緣基片上蒸鍍金屬制成。

半導(dǎo)體應(yīng)變片:是用鍺或硅等半導(dǎo)體材料制成敏感柵。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)大、機(jī)械滯后小、頻率響應(yīng)快、阻值范圍寬(可從幾歐到幾十千歐)．易于做成小型和超小型；但熱穩(wěn)定性差，測(cè)量誤差較大。

7.說(shuō)明差動(dòng)電橋減小溫度誤差的原理。

答：巧妙地安裝應(yīng)變片而不需補(bǔ)償并能得到靈敏度的提高。如圖2-1，測(cè)懸梁的彎曲應(yīng)變時(shí)，將兩個(gè)應(yīng)變片分別貼于上下兩面對(duì)稱位置，R1與RB特性一致，所以兩電阻變化值一致而符號(hào)相反。將R1與RB按圖2-4裝在R1和R2的位置，因而電橋輸出電壓比單片時(shí)增加1倍。當(dāng)梁上下溫度一致時(shí)，RB與R1可起溫度補(bǔ)償作用。

2-1應(yīng)變片受力變化圖

9.說(shuō)明電橋的工作原理。若按不同的橋臂工作方式，可分為哪幾種?各自的輸出電壓如何計(jì)算?

答：由于應(yīng)變片電橋電路的輸出信號(hào)一般比較微弱，所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連，如圖2-2所示

圖2-2直流電橋

(1)等臂電橋當(dāng)R1R4＝R2R3時(shí)，稱為等臂電橋，即電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，輸出電壓U0＝0。若電橋各臂均有相應(yīng)電阻增量，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當(dāng)R1＝R2＝R3=R4＝R時(shí)，又?Ri(i＝1，2，3，4)很小，上式可簡(jiǎn)化為

U0?(2)差動(dòng)電橋

①半橋差動(dòng)電路：若電橋橋臂兩兩相等，即R1=R2=R，R3=R4=R?

U0?U(R3?R1?R1?)

?R1?R1?R2??R2R3?R4U?R12R1若?R1??R2，R1?R2，R3?R4則得

U0?②全橋差動(dòng)電路：若將電橋4個(gè)臂接入4個(gè)應(yīng)變計(jì)，即2個(gè)受拉應(yīng)變，2個(gè)受壓應(yīng)變，將2個(gè)應(yīng)變一致的應(yīng)變計(jì)接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若

?R1，KU?U。R1?R1??R2??R3??R4且R1?R2?R3?R4則U0?U10.如何提高應(yīng)變片電橋的輸出電壓靈敏度及線性度？答：(1)由U0?U?R1U?Su可知，當(dāng)電源電壓U及應(yīng)變片電阻相對(duì)變化

4R14一定時(shí)，電橋得輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂得阻值無(wú)關(guān)。電橋電源電壓越

高，輸出電壓的靈敏度越高。但提高電源電壓使應(yīng)變片和橋臂電阻功耗增加，溫度誤差增大。一般電源電壓取3V~6V為宜。

(2)一般消除非線性誤差的方法有以下幾種：

①采用差動(dòng)電橋。利用橋路電阻變化的特點(diǎn)，可使橋路形成差動(dòng)電橋(半橋或全橋)。

②采用高內(nèi)阻的恒流源電橋。采用恒流源比采用恒壓源的非線性誤差減小一倍。一般半導(dǎo)體應(yīng)變片的橋路采用恒流源供電。

?電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，若試件受力橫截面積11.假使將100S?0.5?10?4m2，彈性模量E?2?1011Nm2，若有F?5?104N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)？

?R1解：由題意得應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量。?R100F根據(jù)材料力學(xué)理論可知：應(yīng)變??(?為試件所受應(yīng)力，??)，故應(yīng)變

ESF5?104????0.005?411SE0.5?10?2?10應(yīng)變片靈敏度系數(shù)

?K??RR??1100?20.00512.一臺(tái)用等強(qiáng)度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上、下面各貼兩片一致的電阻應(yīng)變片(K=2)如圖2-3(a)所示。已知S?0.165mm2，E?2?104Nmm2?，F(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?6V。當(dāng)力F?0.5kg時(shí)，求電橋輸出電壓U0?？

lR1R2U0R4tbR1?R3R2?R4FR3U圖2-3

解：由圖(a)所示四片一致電阻應(yīng)變片貼于等強(qiáng)度梁上、下面各兩片。當(dāng)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(fù)應(yīng)變電阻變化，其應(yīng)變絕對(duì)值相等，即

?1??3???2???4???電阻相對(duì)變化量為

FSE?R1?R3?R?R?R???2??4??K?R1R3R2R4R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

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

0.165?2?104?2?6?13.如將兩個(gè)100?電阻應(yīng)變片平行地粘貼在鋼制試件上，試件初載等截面積為0.5?10?4m2，彈性模量E=200