传感器试题和答案

1、1、已知一等强度梁测力系统,Rx为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2，未 受应变时，Rx = 100?。当试件受力F时，应变片承受平均应变 = 1000 小 m/m，求： (1) 应变片电阻变化量？R和电阻相对变化量？R7Rx。 (2) 将电阻应变片 R置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V， 求电桥输出电压及电桥非线性误差。 (3) 若要使电桥电压灵敏度分别为单臂工作时的两倍和四倍，应采取 哪些措施？分析在不同措施下的电桥输出电压及电桥非线性误差大小。 解：(1) _X K Rx (2) 将电阻应变片Rx置于单臂测量电桥，取其他桥臂电阻也为Rx。当Rx有？Rx 的变化时，电桥输出电压为 U。

2、： 非线性误差：rLRx/2Rx100% 0.1% 1Rx /2Rx (3) 要使电桥电压灵敏度为单臂工作时的2倍，则应该在等强度梁的正反面对应 贴上两个相同的应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，形成 半桥差动电桥，且取其他桥臂电阻也为Rx。 此时，Uo E Rx 0.003(V)， rL 0 2Rx 要使电桥电压灵敏度为单臂工作时的4倍，则应该在等强度梁的正反面对应贴 上四个相同的应变片，2个受拉应变，2个受压应变，形成全桥差动电桥。 此时，Uo E Rx 0.006(V)， rL 0 Rx 2、有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器(见下图)。其中 a=16mm,b=

3、24mn两极板间距为4mm 一块极板分别沿长度和宽度方向在原始位 置上平移了 5mm求： (1) 极板未移动时，电容的初始电容值 (2) 极板沿不同方向移动时，传感器的位移灵敏度K (已知空气相对介电常数 解: (1) 设计出该测量系统的框图，并作必要的标注或说明； (2) 画出你所选用的差动变压器式加速度传感器的原理图，并简述其基本工作 (1) 测试平台振动加速度的测量系统框图 rl n I I ,A 1 悬臂梁； 2 差动变压器 0 x(t) (2)差动变压器式加速度传感器的原理图 综合设计分析题 如上图所|陌一悬臂梁式测力传感器 悬臂梁 x I 两片电阻应变片 R1,R3 已知弹性元件各

4、参数分别 W 6cm ； E 70 105Pa ;电阻应变 结构示意图，在其中部的上、下两面各贴 (J 为:I 25cm ； t 3mm ； x 舟1 ； 变片灵敏度系数 K 2.1，且初始电阻阻值(在外力 F为0时)均为Ro 120 (1)设计适当的测量电路，画出相应电路图; (2)分析说明该传感器测力的工作原理(配合所设计的测量电路)； (3) 当悬臂梁一端受一向下的外力 F 0.5N作用时，试求此时四个应变片的电 阻值(提示：x 6(X)F )； WEt2 (4) 若桥路供电电压为直流10v时，计算传感器的输出电压及其非线性误差 解：(1)采用全桥电路: (2)当传感器弹性元件悬臂梁受到

5、外力F作用时，将产生一定形变从而引起粘 贴在其上的四个应变片(两个受拉，另两个受压) 发生相应应变，致使其中两个应变 片阻值增加，另两个应变片阻值减小。将四个应变片接入所设计的全桥电路中，从 而将电阻值的变化转换成为电桥电压输出，输出电压U 0的大小间接反映了被测外力 F的大小，如此实现了对外力 F的测量 (3) 6(l x)F WEt2 R Ro K x 2.1 0.09920.21 电阻变化量 R O.21Ro 0.21 12025.2(Q) 四个应变片的电阻值变为： R1R3R0R 120 25.2 145.2(Q) R2 R4R0 R 120 25.2 94.8(Q) (4)当桥路供电

6、电压为直流 10v时，则输出电压为: R U i 0.21 102.1(v) R0 非线性误差为: 综合设计分析题 F RR R3， R4RoR4 x ? 由传感器结构示意图可知，当传感器受力F时，应变片R和R3产生的应变为: 如上图所示为一弹性元件为圆柱型的应变式测力传感器结构示意图。已知弹性 元件横截面积为S,弹性模量为E,应变片初始电阻值（在外力 F=0时）均相等，电 阻丝灵敏度系数为 K）,泊松比为卩。 1设计适当的测量电路（要求采用全桥电路），画出相应电路图，并推导桥路 输出电压U0和外力F之间的函数关系式。（提示： RvvR推导过程中可做适当近似 处理） 2、分析说明该传感器测力的

7、工作原理（配合所设计的测量电路）。 解： 对上式作近似处理，略去分母中R项及分子中 R高次项，则 设轴向应变为x，则径向应变为 13 x 而应变片R2和R4的应变为：24 x 应力 又 x 应变 ES Ri R3 RK0 x R0K0 F ES 代入U。计算式中可得: 2、工作原理: 当传感器弹性元件受到沿轴向的外力 F作用时，将产生一定形变从而引起粘贴 在弹性元件上的四个应变片 (两个沿轴向粘贴，另两个沿径向粘贴) 发生相应应变, 致使其中两个应变片阻值增加，另两个应变片阻值减小。将四个应变片接入所设计 的全桥电路中，经推导，测量电路输出电压 由上式可见，当 、Ko、E、S及桥路电源电压Ui

8、 一定时，输出电压U。与外力F成 正比，即输出电压Uo的大小反映了被测外力 F的大小，如此实现了对外力 F的测 量。 综合设计分析题 在如图所示的悬臂梁测力系统中，可能用到4个相同特性的电阻应变片 R, R2, R3, R4，各应变片灵敏系数 K=2,初值为100 ?。当试件受力F时，若应变片 要承受应变，则其平均应变为= 1000卩m/m测量电路的电源电压为直流 3V。 (1) 若只用1个电阻应变片构成单臂测量电桥，求电桥输出电压及电桥非线性 误左。 (2) 若要求用2个电阻应变片测量，且既要保持与单臂测量电桥相同的电压灵 敏度，又要实现温度补偿，请画图标出2个应变片在悬臂梁上所贴的位 置，

9、绘出转换电桥，标明这 2个应变片在桥臂中的位置？ (3) 要使测量电桥电压灵敏度提高为单臂工作时的4倍，请画图标出各个应变 片在悬臂梁上所贴的位置，绘出转换电桥，标明各应变片在各桥臂中的位 置，并给出此时电桥输出电压及电桥非线性误差大小？ 解：(1)设用电阻应变片R作测量电桥的测量臂，其他桥臂电阻初值为100?。 设当R有?R1的变化时，电桥输出电压为 U1 : 非线性误差： R1/2R1100% 0.1% 1 R/2R (2)应该在悬臂梁的正(反)面沿梁的长度方向轴向贴测量应变片，沿与梁的 长度方向轴垂直的方向贴温度补偿应变片，使得测量应变片和温度补偿应变片处于 同一温度场中，如图所示。 应变片粘测量电桥 要使电桥电压灵敏度为单臂工作时的 R2) 四个相同的