《传感器及应用》传感器中的弹性敏感元件（举一反三考点练）- 课后自测（卷2）答案+原卷版

举一反三考点练 《传感器及应用》传感器中的弹性敏感元件-课后自测 知识点一 应力与应变的概念 1. （简答题）简述应力与应变的定义，并说明它们的区别。 【答案】 应力是指物体由于受到外力作用、不均匀加热或永久变形等原因，在其内部各部分之间产生的相互作用力，从微观角度看，是单位面积上所承受的内力。应变是指在外力和非均匀温度场等因素作用下，物体局部的相对变形，它反映了物体内部各点的变形程度。 区别：应力的单位是帕斯卡，反映的是物体内部的受力情况；而应变是无量纲的，体现的是物体的变形程度。应力描述的是内力分布，应变描述的是物体变形的量化情况。 2. （分析题）分析并解释在弹性范围内，材料的应力与应变之间的关系。 【答案】 在弹性范围内，材料的应力与应变之间存在线性关系，即胡克定律。具体来说，应力与应变之比是一个常数，这个常数被称为弹性模量。胡克定律表明，当材料受到外力作用时，其应变与应力成正比，且方向相同（对于拉伸应力）或相反（对于压缩应力）。 3. （简答题）分析并解释正应力与切应力的区别与联系。 【答案】 正应力是垂直于材料截面的力，它会导致材料的拉伸或压缩变形；而切应力则是平行于材料截面的力，它会导致材料的剪切变形。 正应力与切应力的主要区别在于它们的作用方向和引起的变形类型不同。正应力垂直于截面，主要引起拉伸或压缩变形；而切应力平行于截面，主要引起剪切变形。 正应力与切应力的联系，即在某些情况下，正应力和切应力可能同时存在于同一材料中，并共同影响材料的变形和破坏。 4. （简答题）分析并解释塑性变形与弹性变形的区别与联系。 【答案】 塑性变形是指材料在受到外力作用后，其形状和尺寸发生永久改变的现象；而弹性变形则是指材料在受到外力作用后，其形状和尺寸发生暂时改变，但当外力撤去后，材料能够恢复到原始状态的现象。 塑性变形与弹性变形的主要区别在于它们是否可逆。弹性变形是可逆的，即当外力撤去后，材料能够恢复到原始状态；而塑性变形则是不可逆的，即当外力撤去后，材料无法恢复到原始状态。然而，它们之间也存在联系，即在某些情况下，弹性变形和塑性变形可能同时存在于同一材料中，并共同影响材料的性能。 5. （填空题）当材料受到外力作用时，在材料内部会产生一种抵抗变形的力，单位面积上所受到的这种内力称为______，其国际单位制单位是______；而材料在外力作用下所发生的相对变形称为______，它是一个______（填 “有单位” 或 “无单位”）的量。 【答案】 应力；帕斯卡（Pa）；应变；无单位 知识点二 弹性敏感元件的基本特性 1. （简答题）简述弹性敏感元件的灵敏度的定义及意义 【答案】 弹性敏感元件的灵敏度是指单位外力作用下产生的弹性变形量。意义在于反映了弹性敏感元件对输入物理量变化的响应能力。灵敏度高的弹性敏感元件能够对微小的外力变化产生明显的弹性变形，便于后续的测量和信号转换。在传感器应用中，高灵敏度的弹性敏感元件有助于检测到更微弱的信号，提高传感器的测量精度和分辨率。 2. （简答题）什么是弹性敏感元件的线性度。 【答案】 弹性敏感元件的线性度是指其输出的弹性变形与输入外力之间的线性关系程度。理想情况下，弹性敏感元件的输出与输入应呈严格的线性关系，但实际中往往存在一定偏差。线性度通常用非线性误差来衡量，即实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与满量程输出值之比的百分数。 3.（简答题）弹性敏感元件的刚度与哪些因素有关。 【答案】 弹性敏感元件的刚度与材料的弹性模量、几何形状和尺寸等因素有关。一般来说，材料的弹性模量越大，刚度越大；相同材料下，增加弹性敏感元件的横截面积、减小长度等，都可以提高其刚度。 4.（分析题）已知该振动加速度的频率范围在 50 - 100Hz 之间，分析弹性敏感元件的固有频率和灵敏度应如何选择，以及这两个特性之间可能存在的矛盾与解决方案。 【答案】 固有频率选择：为避免谐振现象，弹性敏感元件的固有频率应远离振动加速度的频率范围。由于该振动频率在 50 - 100Hz，固有频率应设计得远高于 100Hz 或远低于 50Hz。一般来说，选择远高于振动频率范围更合适，这样在振动测量时，弹性敏感元件不易因外界激励而发生大幅度的谐振振动，保证测量的准确性和稳定性。 灵敏度选择：因为要测量微小振动加速度，需要高灵敏度的弹性敏感元件，以便能将微小的振动信号转化为可检测的明显弹性变形。高灵敏度有助于检测到微弱的振动变化，提高传感器对微小振动的分辨能力。 矛盾与解决方案：通常情况下，提高灵敏度可能会降低固有频率。例如，增加弹性敏感元件的弹性系数（使它更易变形）可提高灵敏度，但这可能会降低其刚度，从而降低固有频率。解决方案是在材料选择和结构设计上进行优化。选择高强度、高弹性模量的材料，在保证灵敏度的同时，通过合理设计结构（如增加支撑、优化形状等）来提高刚度，进而提高固有频率。 5.（简答题）说明弹性敏感元件固有频率的概念及其在实际应用中的重要性 【答案】 弹性敏感元件的固有频率是指其在自由振动时的振动频率，它由弹性敏感元件的质量、刚度等自身特性决定。在实际应用中，固有频率非常重要。当外界激励频率接近弹性敏感元件的固有频率时，会发生谐振现象，此时弹性敏感元件的振动幅度会急剧增大，可能导致测量误差大幅增加，甚至损坏元件。例如，在振动测量中，如果弹性敏感元件的固有频率与被测振动的频率接近，测量结果将严重失真。所以在设计和使用弹性敏感元件时，需要合理选择其固有频率，使其远离可能遇到的外界干扰频率，以保证测量的准确性和稳定性。 知识点三 弹性敏感元件的形式及应用范围 1. （简答题）简述弹簧管作为弹性敏感元件的特点及主要应用场景。 【答案】 弹簧管特点是结构简单、性能稳定，能承受较大压力。其截面一般为椭圆形或扁圆形，当内部通入压力介质时，会因压力作用而发生变形，自由端产生位移。主要应用于压力测量领域，常见于各类压力表中。在工业生产过程中，如化工、电力、冶金等行业，用于测量管道内的液体、气体压力；在液压系统、气动系统中，也广泛使用弹簧管来监测系统压力。 2. （分析题）为什么膜盒常用于测量微小压力。 【答案】 膜盒由两片波纹膜片焊接而成，内部形成封闭腔体。其灵敏度较高，对微小压力变化能产生明显的变形。当外界压力变化时，膜盒会发生膨胀或收缩，这种变形易于检测。而且膜盒的结构相对紧凑，能适应对微小压力测量的精度要求和空间限制，所以常用于测量如环境气压的微小变化、气体的微小压力差等微小压力场景。 3. （分析题） 简述悬臂梁弹性敏感元件在加速度传感器中的工作原理及应用优势。 【答案】 工作原理是当加速度传感器随物体运动时，悬臂梁会因惯性力作用产生弯曲变形。根据牛顿第二定律，惯性力与加速度相关，通过测量悬臂梁的弯曲变形程度，可推算出物体的加速度。其应用优势在于结构简单，灵敏度较高，能对加速度的变化做出快速响应。在汽车安全气囊触发系统、智能手机的运动检测功能、航空航天飞行器的姿态控制等方面都有广泛应用，能准确测量物体的加速度变化情况。 4. （分析题）在汽车发动机的进气压力测量系统中，由于发动机工作时温度变化大、振动剧烈且空间有限，分析应选择何种弹性敏感元件。 【答案】 弹性敏感元件选择：选择硅微机械加工的膜片式弹性敏感元件较为合适。硅材料具有良好的机械性能和温度稳定性，通过微机械加工工艺可以精确控制膜片的尺寸和形状，实现高灵敏度和高精度的压力测量。 优势：尺寸小巧：适合汽车发动机舱内空间有限的环境，能够方便地安装在进气管道等位置；高灵敏度：对进气压力的微小变化能够产生明显的变形，便于精确测量；温度稳定性好：硅材料的物理性能在一定温度范围内相对稳定，能适应发动机工作时较大的温度变化，减少温度对测量精度的影响。 5. （填空题） 在测量微小力的生物医学实验中，常选用______弹性敏感元件，因其具有______的特点，能精确感知微小力的变化。 【答案】 悬臂梁；灵敏度高。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 举一反三考点练 《传感器及应用》传感器中的弹性敏感元件-课后自测 知识点一 应力与应变的概念 1. （简答题）简述应力与应变的定义，并说明它们的区别。 2. （分析题）分析并解释在弹性范围内，材料的应力与应变之间的关系。 3. （简答题）分析并解释正应力与切应力的区别与联系。 4. （简答题）分析并解释塑性变形与弹性变形的区别与联系。 5. （填空题）当材料受到外力作用时，在材料内部会产生一种抵抗变形的力，单位面积上所受到的这种内力称为______，其国际单位制单位是______；而材料在外力作用下所发生的相对变形称为______，它是一个______（填 “有单位” 或 “无单位”）的量。 知识点二 弹性敏感元件的基本特性 1. （简答题）简述弹性敏感元件的灵敏度的定义及意义 2. （简答题）什么是弹性敏感元件的线性度。 3.（简答题）弹性敏感元件的刚度与哪些因素有关。 4.（分析题）已知该振动加速度的频率范围在 50 - 100Hz 之间，分析弹性敏感元件的固有频率和灵敏度应如何选择，以及这两个特性之间可能存在的矛盾与解决方案。 5.（简答题）说明弹性敏感元件固有频率的概念及其在实际应用中的重要性 知识点三 弹性敏感元件的形式及应用范围 1. （简答题）简述弹簧管作为弹性敏感元件的特点及主要应用场景。 2. （分析题）为什么膜盒常用于测量微小压力。 3. （分析题） 简述悬臂梁弹性敏感元件在加速度传感器中的工作原理及应用优势。 4. （分析题）在汽车发动机的进气压力测量系统中，由于发动机工作时温度变化大、振动剧烈且空间有限，分析应选择何种弹性敏感元件。 5. （填空题） 在测量微小力的生物医学实验中，常选用______弹性敏感元件，因其具有______的特点，能精确感知微小力的变化。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$