傳感器試題和答案

傳感器試題和答案已知一等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)，Rx為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2，未受應(yīng)變時(shí)，Rx=100?。當(dāng)試件受力F時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變?chǔ)?1000μm/m，求：（1）應(yīng)變片電阻變化量?Rx和電阻相對(duì)變化量?Rx/Rx。（2）將電阻應(yīng)變片Rx置于單臂測(cè)量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。（3）若要使電橋電壓靈敏度分別為單臂工作時(shí)的兩倍和四倍，應(yīng)采取哪些措施？分析在不同措施下的電橋輸出電壓及電橋非線性誤差大小。解：（1）（2）將電阻應(yīng)變片Rx置于單臂測(cè)量電橋，取其他橋臂電阻也為Rx。當(dāng)Rx有?Rx的變化時(shí)，電橋輸出電壓為：非線性誤差：（3）要使電橋電壓靈敏度為單臂工作時(shí)的2倍，則應(yīng)該在等強(qiáng)度梁的正反面對(duì)應(yīng)貼上兩個(gè)相同的應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，形成半橋差動(dòng)電橋，且取其他橋臂電阻也為Rx。此時(shí)，，要使電橋電壓靈敏度為單臂工作時(shí)的4倍，則應(yīng)該在等強(qiáng)度梁的正反面對(duì)應(yīng)貼上四個(gè)相同的應(yīng)變片，2個(gè)受拉應(yīng)變，2個(gè)受壓應(yīng)變，形成全橋差動(dòng)電橋。此時(shí)，，有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器（見下圖）。其中a=16mm,b=24mm,兩極板間距為4mm。一塊極板分別沿長(zhǎng)度和寬度方向在原始位置上平移了5mm，求：（1）極板未移動(dòng)時(shí)，電容的初始電容值。（2）極板沿不同方向移動(dòng)時(shí)，傳感器的位移靈敏度K（已知空氣相對(duì)介電常數(shù)，真空的介電常數(shù)）。解：（1）（2）當(dāng)一塊極板沿長(zhǎng)度方向在原始位置上平移時(shí)，有當(dāng)一塊極板沿寬度方向在原始位置上平移時(shí)，有或：或：4、一個(gè)以空氣為介質(zhì)的平板電容式傳感器結(jié)構(gòu)如右圖所示，其中a=10mm，b=16mm，兩極板間距d=1mm。測(cè)量時(shí)，若上極板在原始位置(Δx=0mm）上向左平移了2mm（即Δx=2mm），求該傳感器的電容變化量、電容相對(duì)變化量和位移相對(duì)靈敏度K0（已知空氣的相對(duì)介電常數(shù)εr=1F/m，真空時(shí)的介電常數(shù)ε0=8.854×10-12F/m）解：電容變化量為：即電容減小了電容相對(duì)變化量為：位移相對(duì)靈敏度為：5、鎳鉻—鎳硅熱電偶，工作時(shí)冷端溫度為30℃，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)E(t,t0)=38.560mv，求被測(cè)介質(zhì)實(shí)際溫度。(E(30,0)=1.203mv)工作端溫度(℃)0204060708090熱電動(dòng)勢(shì)(mv)90037.32538.12238.91539.70340.09640.48840.897解：由已知條件可知：t0=30℃，E（t,t0）=38.560mv∴根據(jù)中間溫度定律:E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=E(t,0)-E(30,0)=38.560∴E(t,0)=38.560+E(30,0)=38.560+1.203=39.763(mv)∵39.703<39.763<40.096∴EM=39.763,EL=39.703,EH=40.096tL=960,tH=970∴被測(cè)介質(zhì)實(shí)際溫度為：（℃）6、有一臺(tái)變間隙非接觸式電容測(cè)微儀，其傳感器的極板半徑r=5mm，假設(shè)與被測(cè)工件的初始間隙d0=0.5mm。已知試真空的介電常數(shù)等于8.854×10-12F/m，求：（1）如果傳感器與工件的間隙變化量增大△d=10μm，電容變化量為多少？（2）如果測(cè)量電路的靈敏度Ku=100mV/pF,則在間隙增大△d=1μm時(shí)的輸出電壓為多少？解：①電容式傳感器的電容量：則初始電容量：間隙變化后的電容量：則電容變化量：②靈敏度，所以則：7、使用鎳鉻-鎳硅熱電偶，其基準(zhǔn)接點(diǎn)為30℃，測(cè)溫接點(diǎn)為400℃時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為多少？若仍使用該熱電偶，測(cè)得某接點(diǎn)的溫差電動(dòng)勢(shì)為10.275mV，則被測(cè)接點(diǎn)的溫度為多少？鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表（參考端溫度為0℃）工作端溫度/℃0102030405060708090熱電動(dòng)勢(shì)/mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.476解：由分度表查得E（30℃，0℃）=1.203mV，E（400℃，0℃）=16.395mV。由中間溫度定律E（t,t0）=E(t,tc)+E(tc,t0)有：E（400℃，30℃）=E（400℃，0℃）-E（30℃，0℃）=16.395-1.203=15.192mV由分度表查得E（250℃，0℃）=10.151mV，E（260℃，0℃）=10.560mV。由插值法得：=253℃8、電阻應(yīng)變片阻值為120，靈敏系數(shù)，沿縱向粘貼于直徑為的圓形鋼柱表面，鋼材的彈性模量，，（1）求鋼柱受拉力作用時(shí)應(yīng)變片電阻的變化量和相對(duì)變化量；（2）又若應(yīng)變片沿鋼柱圓周方向粘貼，問受同樣拉力作用時(shí)應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量為多少？解：（1）（2）9、已知分度號(hào)為S的熱電偶冷端溫度為t0=20℃，現(xiàn)測(cè)得熱電勢(shì)為11.710mV，求被測(cè)溫度為多少度？(E(20,0)=0.113mv)工作端溫度(℃)0204060708090熱電動(dòng)勢(shì)(mv)110010.75410.99111.22911.46711.58711.70711.827解：E（t,t0）=11.710E（t,0℃）=E(t,t0)+E(t0,0℃)11.710=E(t,0℃)-E(20℃,0)=E(t,0℃)-0.113所以E（t,0℃）=11.823mV查表：E(1180℃,0℃)=11.707mV,E(1190℃,0℃)=11.827mV所以=1180℃+×10℃=1470℃10、有一吊車的拉力傳感器如右圖所示。其中電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4貼在等截面軸上。已知R1、R2、R3、R4標(biāo)稱阻值均為120Ω，橋路電壓為2V，物重m引起R1、R2變化增量為1.2Ω。

1)畫出應(yīng)變片組成的電橋電路。計(jì)算出測(cè)得的輸出電壓和電橋輸出靈敏度。說明R3、R4起到什么作用？解：①應(yīng)變片組成半橋電路：②③R3、R4可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償。11、有一臺(tái)變極距非接觸式電容測(cè)微儀，其極板間的極限半徑r=4mm，假設(shè)與被測(cè)工件的初始間隙δ=0.3mm，試求：

1)若極板與工件的間隙變化量Δδ=2μm時(shí)，電容變化量為多少?2)若測(cè)量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S1＝5格/mv,則在Δδ=2μm時(shí),讀數(shù)儀表的示值變化多少格?解：1）設(shè)電容變化量為,由題意可知：解得：2）=格綜合設(shè)計(jì)分析題若要你需要用差動(dòng)變壓器式加速度傳感器來測(cè)量某測(cè)試平臺(tái)振動(dòng)的加速度。請(qǐng)你：（1）設(shè)計(jì)出該測(cè)量系統(tǒng)的框圖，并作必要的標(biāo)注或說明；（2）畫出你所選用的差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的原理圖，并簡(jiǎn)述其基本工作原理；解：（1）測(cè)試平臺(tái)振動(dòng)加速度的測(cè)量系統(tǒng)框圖（2）差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的原理圖綜合設(shè)計(jì)分析題ttR2,R4R1,R3Flx如上圖所示為一懸臂梁式測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，在其中部的上、下兩面各貼兩片電阻應(yīng)變片。已知彈性元件各參數(shù)分別為：；；；；；電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，且初始電阻阻值（在外力為0時(shí)）均為。（1）設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，畫出相應(yīng)電路圖；（2）分析說明該傳感器測(cè)力的工作原理（配合所設(shè)計(jì)的測(cè)量電路）；（3）當(dāng)懸臂梁一端受一向下的外力作用時(shí)，試求此時(shí)四個(gè)應(yīng)變片的電阻值（提示：）；（4）若橋路供電電壓為直流10v時(shí)，計(jì)算傳感器的輸出電壓及其非線性誤差。解：（1）采用全橋電路：UUiR4R3R2R1U0(2)當(dāng)傳感器彈性元件懸臂梁受到外力作用時(shí)，將產(chǎn)生一定形變從而引起粘貼在其上的四個(gè)應(yīng)變片（兩個(gè)受拉，另兩個(gè)受壓）發(fā)生相應(yīng)應(yīng)變，致使其中兩個(gè)應(yīng)變片阻值增加，另兩個(gè)應(yīng)變片阻值減小。將四個(gè)應(yīng)變片接入所設(shè)計(jì)的全橋電路中，從而將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成為電橋電壓輸出，輸出電壓的大小間接反映了被測(cè)外力的大小，如此實(shí)現(xiàn)了對(duì)外力的測(cè)量。（3）∴∴電阻變化量（Ω）∴四個(gè)應(yīng)變片的電阻值變?yōu)椋海é福é福?）當(dāng)橋路供電電壓為直流10v時(shí)，則輸出電壓為：(v)非線性誤差為：綜合設(shè)計(jì)分析題FFR1R2R3R4如上圖所示為一彈性元件為圓柱型的應(yīng)變式測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。已知彈性元件橫截面積為S，彈性模量為E，應(yīng)變片初始電阻值（在外力F=0時(shí)）均相等，電阻絲靈敏度系數(shù)為K0，泊松比為μ。1、設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路（要求采用全橋電路），畫出相應(yīng)電路圖，并推導(dǎo)橋路輸出電壓U0和外力F之間的函數(shù)關(guān)系式。（提示：ΔR<<R，推導(dǎo)過程中可做適當(dāng)近似處理）2、分析說明該傳感器測(cè)力的工作原理（配合所設(shè)計(jì)的測(cè)量電路）。UiUiR4R3R2R1U0∴電橋輸出電壓為：初始狀態(tài)（）時(shí)，，∴當(dāng)時(shí)，，，，∴∵<<∴對(duì)上式作近似處理，略去分母中項(xiàng)及分子中高次項(xiàng)，則設(shè)軸向應(yīng)變?yōu)椋瑒t徑向應(yīng)變?yōu)?，由傳感器結(jié)構(gòu)示意圖可知，當(dāng)傳感器受力時(shí)，應(yīng)變片和產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋憾鴳?yīng)變片和的應(yīng)變?yōu)椋河帧邞?yīng)力∴應(yīng)變∴∴代入計(jì)算式中可得：2、工作原理：當(dāng)傳感器彈性元件受到沿軸向的外力作用時(shí)，將產(chǎn)生一定形變從而引起粘貼在彈性元件上的四個(gè)應(yīng)變片（兩個(gè)沿軸向粘貼，另兩個(gè)沿徑向粘貼）發(fā)生相應(yīng)應(yīng)變，致使其中兩個(gè)應(yīng)變片阻值增加，另兩個(gè)應(yīng)變片阻值減小。將四個(gè)應(yīng)變片接入所設(shè)計(jì)的全橋電路中，經(jīng)推導(dǎo)，測(cè)量電路輸出電壓由上式可見，當(dāng)、、、及橋路電源電壓一定時(shí)，輸出電壓與外力成正比，即輸出電壓的大小反映了被測(cè)外力的大小，如此實(shí)現(xiàn)了對(duì)外力的測(cè)量。綜合設(shè)計(jì)分析題在如圖所示的懸臂梁測(cè)力系統(tǒng)中，可能用到4個(gè)相同特性的電阻應(yīng)變片,,,，各應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2，初值為100?。當(dāng)試件受力F時(shí)，若應(yīng)變片要承受應(yīng)變，則其平均應(yīng)變?yōu)棣?1000μm/m。測(cè)量電路的電源電壓為直流3V。（1）若只用1個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成單臂測(cè)量電橋，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。（2）若要求用2個(gè)電阻應(yīng)變片測(cè)量，且既要保持與單臂測(cè)量電橋相同的電壓靈敏度，又要實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，請(qǐng)畫圖標(biāo)出2個(gè)應(yīng)變片在懸臂梁上所貼的位置，繪出轉(zhuǎn)換電橋，標(biāo)明這2個(gè)應(yīng)變片