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《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:它们都是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。

(2对于金属材料,灵敏系数K0=Km=1+2u+C1-2n前部分为受力后金属几何尺寸变化,一般u

亡0.3,因此E+2u=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。

对于半导体材料,灵敏系数K0=Ks=1+2y+nEo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nE»1+2u,因此KO=Ks=JiE,半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。

22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?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?

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。

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。工作温度变化较大时,会产生温度误差。

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

2、桥路补偿法双丝半桥式;2(补偿块法

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。

U△凡A/?/IA/?A/?A/?3

答:原因:

4R凡/2RR

22

上式分母中含△Ri/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ARi/Ri呈非线

性关系。

措施:1差动电桥补偿法:差动电桥呈现相对臂“和”,相邻愣••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。

2恒流源补偿法:误差主要由于应变电阻ARi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。

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?

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。

要求:非线性误差要小(00・5%0.1%E0,力学性能参数受环境温度影响小,并与弹性元件匹配。

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%。欲用来测曷泊松比u

=03・3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

答:应选用栅长为5mm的应变计。

由公式生=(1+24)%+虫和竺=[(1+2〃)+。(1-2〃)]*二心4知应力大小是通过测量应变片

RpR

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1相对较大加上电阻率

随应变而变的部分(相对较小.一般金属口心03・,因此1+2口16・;后部分为电阻率随应变而变的部

分,以康铜为例,C-1,C1-2u20.4,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。

2-7现选用丝栅长10mm的应变计检测弹性模量E=2x10“N/〃/

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