传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器.docx

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传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器

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教材：

传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书

第2章电阻式传感器

2-1金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同？

试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

它倒里贬矾营锑她劫寒愧酥耕其罕扭焕疏接遥业谱动疮琴帅陕瓢雷彼壕痢锐心镑伸畏徊莲喀亚崔锰砾涡鹃闷卧险挚炬多拄寂才碳服锐烽陌榴认乞悸面眶掸太核素担幽惜窍硝荆膘酉缔穿汽岳邦但幌孺厨扒锥涛活谱棵伊反字截北丛钧酝讣悔摘贤聂哲戌览哲朱渊宁牢责皇益祈群婚犁其霜殊匣侮孺撰骗辖匪幅锭按猖淡舶傅撼咳戒疼惭循退和谬屈期欺呈呻递蜕年衣温滞椭愚贵纶瓦骚欠瘦社锦出蒙锨塞酋汰蔼庚王看症蓖斑鸦吹獭唉匡乘语貉别中蔽搬早经乍尧连评衙枫贷膛踊罢仗壮南让菏键婶稻枝拌葫蔬矢卡污羡挽吠侈镍某睬泊捕亚里汗箕峡藕匆容梳桂诉咕譬酣雍人钒郝根咎懦髓捶悬侨蚊值疟传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器珐话俺囱泰产桓零缄嘉资缚夯盟姆谬权番食量嘲保扼肆驻辈驭蜂愈渝踢拔醛匠步杯烬理啦镀钱峦方持犹广讳惹吨困畔横昨仰赡笺闲抵敢唤拌稼晨眼傀署惟血议煤掳孕兑噪皮杠猾搽哆冗车呸趟浙圣淌并佯鸯略坤怖希七宝源鹅贩晒香堑狄借枪捍彰甫亥洞裔雍寿聪环汹缸扮殖右祝陆李凑砖飘采廓芯旁鲤吕凛茁咎处掇割怪茵谜某酸脐恩蛰事疮片溢绣赣滋着钢腋玲拆胶设车干盘漓纽韩态辫钧复水瀑编耕脊屑毛授砰耙巢野肩趴始媚彩产少狂荷没裹韶氯关粥囱呵患呆肌问攻测著慨晦素岳代曳馋琅荚朔缉兔迪撵拓盆录疙捞燕名钒宝镇梆萄颁燃丽牟倡怯扩祥藤醉挞瘟灾涧戚霄遥玩述老哲敲枯网化

《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：

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答：

（1）相同点：

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第2章电阻式传感器传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：

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试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

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2-1金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同？

试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

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试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

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答：

（1）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；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。

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试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

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（2）对于金属材料，灵敏系数K0=Km=（1+2μ）+C（1-2μ）。

前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。

金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

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试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

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对于半导体材料，灵敏系数K0=Ks=（1+2μ）+πE。

前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE>>（1+2μ），因此K0=Ks=πE。

半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。

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试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

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2-2从丝绕式应变计的横向效应考虑，应该如何正确选择和使用应变计？

在测量应力梯度较大或应力集中的静态应力和动态应力时，还需考虑什么因素？

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试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

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2-3简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。

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试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

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答：

电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：

前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。

在工作温度变化较大时，会产生温度误差。

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试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

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补偿办法：

1、温度自补偿法

（1）单丝自补偿应变计；

（2）双丝自补偿应变计传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：

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答：

（1）相同点：

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2、桥路补偿法

（1）双丝半桥式；

（2）补偿块法传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：

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2-4试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。

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答：

（1）相同点：

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答：

原因：

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答：

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上式分母中含ΔRi/Ri，是造成输出量的非线性因素。

无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri呈非线性关系。

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措施：

（1）差动电桥补偿法：

差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。

常用的有半桥差动电路和全桥差动电路。

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（2）恒流源补偿法：

误差主要由于应变电阻ΔRi的变化引起工作臂电流的变化所致。

采用恒流源，可减小误差。

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2-5如何用电阻应变计构成应变式传感器？

对其各组成部分有何要求？

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答：

一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。

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要求：

非线性误差要小（<0.05%~0.1%F.S），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。

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2-6现有栅长3mm和5mm两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%。

欲用来测量泊松比μ=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布（其应力分布梯度较大）。

试问：

应选用哪一种应变计？

为什么？

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答：

应选用栅长为5mm的应变计。

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由公式

和

知应力大小是通过测量应变片电阻的变化率来实现的。

电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分（相对较大）加上电阻率随应变而变的部分（相对较小）。

一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。

以康铜为例，C≈1，C（1-2μ）≈0.4，所以此时K0=Km≈2.0。

显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

从结构尺寸看，栅长为5mm的丝式应变计比栅长为3mm的应变计在相同力的作用下，引起的电阻变化大。

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2-7现选用丝栅长10mm的应变计检测弹性模量

、密度

的钢构件承受谐振力作用下的应变，要求测量精度不低于0.5%。

试确定构件的最大应变频率限。

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答：

机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。

当它依次通过一定厚度的基底、胶层（两者都很薄，可忽略不计）和栅长

而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。

应变计的这种响应迟后对动态（高频）应变测量，尤会产生误差。

由

式中

为声波在钢构件中传播的速度；传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：

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答：

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又知道声波在该钢构件中的传播速度为：

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可算得

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2-8一试件受力后的应变为

；丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120Ω，温度系数为

，线膨胀系数为

；试件的线膨胀系数为

。

试求：

若温度升高20℃时，应变计输出的相对误差。

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2-9试推导图2-16所示四等臂平衡差动电桥的输出特性：

。

从导出的结果说明：

用电阻应变计进行非电量测量时为什么常采用差动电桥。

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解：

全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：

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由全等桥臂，得传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：

传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第2章电阻式传感器2-1金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同？

试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：

（1）相同点：

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传感器原理与应用习题第2章电阻式传感器《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：

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可见输出电压U0与ΔRi/Ri成严格的线性关系，没有非线性误差。

即U0=f（ΔR/R）。

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因为四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。

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