《传感器及应用》电阻应变式传感器的测量转换电路、温度补偿、和应用（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》电阻应变式传感器的测量转换电路、温度补偿和应用-讲义 知识点一 测量转换电路 常规应变片的电阻变化范围很小，测量转换电路要能精确地测量出这些小的电阻变化。 在应变式传感器中，最常用的是桥式电路，按电源性质不同可有交流电桥、直流电桥两类；按桥臂工作数量可分为单臂工作桥、半桥和全桥。 以直流电桥为例分析电阻应变式传感器工作原理及特性。 图1所示为桥式测量转换电路，电桥的一条对角线接入电源电压Ui，另一条对角线为输出电压Uo 输出电压Uo为： 为了使电桥在测量前的输出为零，应该选择四个桥臂电阻使或，通常情况下远小于。 根据工作桥臂数量及位置不同，电桥可分为单臂桥、半桥和全桥，其中半桥又可分为第一类差动桥、第二类差动桥和对臂桥。 图1 桥式测量转换电路 各类电桥的灵敏度和非线性误差（线性度）如表1所示。当应变值较小时，非线性误差可忽略，而对半导体应变片，在测大应变时，非线性误差则不可忽略。 实际使用时，应尽量采用第一类差动桥和全桥。采用恒流源作为桥路电源也能减小非线性误差。 直流平衡：即电阻平衡，实际使用中，四个电阻不可能严格相等，所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定为零，设置调零电路，如图1-b 所示。调节，最终可以使电桥趋于平衡，Uo被预调到零位。 交流电桥：采用交流电（正弦波或方波）作为桥路电源。 交流平衡：即电容平衡，由于应变片引线电缆分布电容的不一致性将导致电桥的容抗及相位的不平衡。这时即使已做到电阻平衡，Uo仍然无法达到零位，所以增设及来平衡电容的容抗。 表1 各类电桥的性能比较 当电桥电路的输出电压为零时，说明什么（ ） A. 电桥平衡 B. 电阻应变片损坏 C. 电源故障 D. 传感器灵敏度为零 【答案】A 【解析】 对于电桥电路，电桥平衡时，输出电压为零；如果电阻应变片损坏，电桥的电阻关系会被破坏，一般不会恰好使输出电压为零，而是会出现异常的输出电压（非零且不符合正常工作时的数值关系）；如果电源故障，比如电源无输出电压，那么整个电桥都没有电压供应，不会出现输出电压为零这种正常电桥平衡时的特征性结果；传感器灵敏度为零与电桥输出电压为零没有直接的因果关系。电桥输出电压为零是由电桥桥臂电阻的关系决定的，而不是传感器灵敏度。 1. 电阻应变式传感器的基本工作原理是什么（ ） A. 通过应变引起电阻值的变化来测量应变 B. 通过电容的变化来测量应变 C. 通过电感的变化来测量应变 D. 通过电压的变化来测量应变 【答案】A 【解析】电阻应变式传感器的基本原理是利用应变片在受到外力作用时，其电阻值会发生变化的特性来测量应变。 2. 以下哪种电路可以将电阻应变式传感器的电阻变化转换为电压输出（ ） A. 电桥电路 B. 电流源电路 C. 电压跟随器电路 D. 共射放大电路 【答案】A 【解析】电桥电路是一种常用的电阻测量电路，它可以将电阻的变化转换为电压的变化。 3. 为了提高电阻应变式传感器的灵敏度，可以采取以下哪种措施（ ） A. 增加应变片的电阻值 B. 提高电源电压 C. 减小电桥电路的输出电阻 D. 使用更长的应变片 【答案】B 【解析】 提高电源电压可以增加电桥电路的输出电压，从而提高传感器的灵敏度。 1. 在电桥电路中，如果桥臂电阻的阻值不相等，会产生什么影响（ ） A. 输出电压为零 B. 输出电压不稳定 C. 产生零点漂移 D. 灵敏度降低 【答案】C 【解析】桥臂电阻的阻值不相等会导致电桥不平衡，从而产生零点漂移。 2. 电桥电路的灵敏度主要取决于什么因素（ ） A. 电源电压 B. 桥臂电阻的阻值 C. 应变片的电阻变化率 D. 输出电阻 【答案】C 【解析】应变片的电阻变化率直接反映了被测量的变化情况。电桥电路的作用就是将应变片的电阻变化转换为电压或电流输出。应变片电阻变化率越大，在相同的电桥结构和电源条件下，电桥输出的变化就越大，电桥的灵敏度也就越高。 3. 在选择电阻应变式传感器的测量转换电路时，哪种电路更适合于远距离传输（ ） A. 电桥电路 B. 差分电路 C. 电压跟随器电路 D. 电流源电路 【答案】D 【解析】电流源电路输出的是电流信号，电流在传输过程中受线路电阻等因素的影响较小，具有较强的抗干扰能力和远距离传输能力。因为电流信号在传输过程中，只要线路的总电阻在一定范围内变化，电流大小基本保持不变，能够稳定地将传感器信号传输到较远的距离。 · 电桥电路是常用形式，能将电阻变化转换为电压输出。 · 直流电桥需考虑平衡条件和灵敏度。 · 交流电桥要注意分布电容和电感影响。 · 测量电路需具备高稳定性和高精度，以保证测量准确。 知识点二 温度补偿 1、 补偿块补偿法： 如图2，测量试件上表面某一点的应变：采用单臂半桥测量，采用两片型号、初始电阻值和灵敏度都相同的应变片和，贴在试件的测试点上，（温度补偿片）贴在试件的零应变处（图中试件的中线上），或贴在补偿块（材料、温度与试件相同，但不受力）上。 图2 补偿块温度补偿示意图 当和处于相同的温度场中，并接成双臂半桥形式时，此时 式中：——试件受力后应变片产生的电阻增量； ——由温度变化引起的的电阻增量。 由于且所处的温度场相同，所以，故上式可演化为 即Uo不受温度的影响，只与被测试件的应变有关。 2、 .桥路自补偿法： 当测量桥路处于双臂半桥和全桥工作方式时，与补偿块补偿法的工作原理相似。 电桥相邻两臂受温度影响，同时产生大小相等、符号相同的电阻增量而互相抵消，从而达到桥路温度自补偿的目的。 电阻应变式传感器在温度变化时，会产生哪种误差（ ） A. 零点漂移 B. 灵敏度下降 C. 线性度变差 D. 以上都是 【答案】D 【解析】 选项 A：温度变化会使电阻应变片的电阻值发生改变，即使没有被测量的变化，传感器的输出也会偏离初始零点，即产生零点漂移。 选项 B：温度变化会影响电阻应变片的灵敏系数，使其灵敏度下降。不同材料的应变片在温度变化时，其电阻相对变化量与应变的关系会改变，导致传感器对被测量的敏感程度降低，即灵敏度下降。 选项 C：温度变化还可能使弹性敏感元件的弹性模量发生改变，从而导致传感器输出与被测量之间的线性关系被破坏，线性度变差。 1. 温度补偿的主要目的是什么（ ） A. 提高传感器的灵敏度 B. 减小温度对传感器输出的影响 C. 增加传感器的测量范围 D. 延长传感器的使用寿命 【答案】B 【解析】温度补偿是为了减小温度变化对传感器输出的影响，提高测量的准确性。 2. 以下哪种方法可以实现电阻应变式传感器的温度补偿（ ） A. 使用热敏电阻 B. 增加应变片的数量 C. 提高电源电压 D. 增大桥臂电阻的阻值 【答案】A 【解析】热敏电阻的电阻值随温度变化而变化，可以与应变片的电阻变化相抵消，实现温度补偿。 3. 温度补偿电路的设计应考虑哪些因素（ ） A. 温度系数的匹配 B. 传感器的灵敏度 C. 电源电压的稳定性 D. 所有上述选项 【答案】D 【解析】 选项 A：补偿元件（如热敏电阻）的温度系数需要与传感器中受温度影响的部分（如应变片）相匹配。当温度变化时，补偿元件的电阻变化抵消因温度导致的传感器测量误差，从而实现有效的温度补偿。 选项 B：温度变化可能导致传感器的灵敏系数改变，使传感器对被测量的响应发生变化。 选项 C：电源电压波动可能会改变补偿电路中各元件的工作状态，进而影响补偿效果。若电源电压不稳定，即使补偿元件的温度系数与传感器匹配良好，也可能因为电源电压的变化导致补偿不准确。 1. 在没有温度补偿的情况下，电阻应变式传感器的输出可能会受到什么影响（ ） A. 零点漂移 B. 灵敏度下降 C. 线性度变差 D. 所有上述选项 【答案】D 【解析】 选项 A：温度变化会使电阻应变片的电阻值改变，即使没有被测量的变化，传感器输出也会偏离初始零点，产生零点漂移。 选项 B：温度变化会影响电阻应变片的灵敏系数，使其灵敏度下降。不同材料应变片在温度变化时，电阻相对变化量与应变的关系改变，降低传感器对被测量的敏感程度。 选项 C：温度变化还可能改变弹性敏感元件的弹性模量，破坏传感器输出与被测量的线性关系，使线性度变差。 2. 在进行温度补偿时，为什么需要对传感器进行标定 ( ) A. 确定传感器的灵敏度 B. 验证温度补偿电路的效果 C. 消除传感器的非线性误差 D. 所有上述选项 【答案】B 【解析】对传感器进行标定可以验证温度补偿电路的效果，确保传感器在温度变化时能够保持稳定的输出。同时，标定也有助于确定传感器的灵敏度和消除非线性误差，但这些通常是标定过程中的附加好处，而不是进行温度补偿的直接原因。因此，最直接和相关的答案是验证温度补偿电路的效果。 3. 当温度补偿电路工作时，以下哪种情况可能发生（ ） A. 输出电压随温度变化而保持稳定 B. 输出电压随温度变化而波动 C. 输出电压随温度变化而增大 D. 输出电压随温度变化而减小 【答案】A 【解析】温度补偿电路的目的是使输出电压随温度变化而保持稳定。 · 自补偿法，选择特定电阻材料，使应变片自身温度影响减小。 · 线路补偿法，利用电桥特性，接入补偿电阻。 知识点三 电阻应变式传感器的应用 1、 力和扭矩传感器: 图3所示为几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。 拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图3-a、b所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。 弯曲梁和扭转轴上的应变片均可构成差动式，如图3-c 、d所示。 环状弹性敏感元件测拉（压）力，如图3-e所示。 图3 粘贴式应变片力和扭矩传感器简图 2、 压力传感器： 应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量，测量压力范围是Pa。 图4中给出了组合式压力传感器示意图。图中应变片R粘贴在悬臂梁上，悬臂梁的刚度应比压力敏感元件更高，这样可降低这些元件所固有的不稳定性和迟滞。 图4 组合式压力传感器示意图 图5所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔，使筒发生变形，工作应变片贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。 图5 筒式压力传感器 3、 加速度传感器： 加速度传感器：是一种测量力的装置，如图6所示。 测量时，将基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力而使悬臂梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变值，而应变值是与加速度成正比。 图6 加速度传感器 电阻应变式传感器在测量中主要利用了什么原理（ ） A. 压阻效应 B. 热电效应 C. 光电效应 D. 霍尔效应 【答案】A 【解析】电阻应变式传感器主要利用应变效应，即导体或半导体在受力产生机械变形时，其电阻值发生变化。这与压阻效应紧密相关，对于金属导体，主要是因受力导致几何尺寸变化而改变电阻；对于半导体，除几何尺寸变化外，压阻效应（因受力导致电阻率变化）起主要作用。 1. 以下哪个选项不是电阻应变式传感器的优点（ ） A. 高精度 B. 高灵敏度 C. 低成本 D. 稳定性好 【答案】C 【解析】然电阻应变式传感器具有高精度、高灵敏度和稳定性好等优点，但其成本通常较高，不是低成本传感器。 2.电阻应变式传感器主要应用于哪种类型的测量（ ） A. 位移 B. 温度 C. 湿度 D. 光照 【答案】A 【解析】选项 A：电阻应变式传感器可以通过弹性敏感元件将位移转换为应变，进而通过应变片将应变转换为电阻变化进行测量。 选项 B：电阻应变式传感器本身并非用于直接测量温度，测量温度常用的是热电偶、热电阻等基于热电效应或电阻随温度变化特性的传感器。 选项 C：湿度测量一般使用基于湿敏材料（如氯化锂、陶瓷等）的湿度传感器。 选项 D：光照测量主要利用光电效应，使用如光敏电阻、光电二极管等光电传感器，电阻应变式传感器与光照测量原理不相关，无法用于光照测量。 3. 电阻应变式传感器在哪些领域中得到了广泛应用（ ） A. 航空航天 B. 工业自动化 C. 医疗设备 D. 所有上述选项 【答案】D 【解析】电阻应变式传感器因其高精度、稳定性和可靠性，在航空航天、工业自动化、医疗设备等多个领域都有广泛应用。 1. 在汽车制造中，电阻应变式传感器常用于测量什么（ ） A. 发动机转速 B. 车轮转速 C. 车身应力 D. 油门开度 【答案】C 【解析】在汽车制造中，电阻应变式传感器常用于测量车身应力，以评估车辆的结构完整性和安全性。 2. 电阻应变式传感器在桥梁监测中的主要作用是什么（ ） A. 测量桥梁的振动频率 B. 监测桥梁的应变状态 C. 评估桥梁的承载能力 D. 所有上述选项 【答案】D 【解析】电阻应变式传感器在桥梁监测中可以测量桥梁的振动频率、监测应变状态，并据此评估桥梁的承载能力。 3. 在飞机结构健康监测中，电阻应变式传感器用于监测什么（ ） A. 发动机温度 B. 机翼应力 C. 燃油消耗 D. 飞行速度 【答案】B 【解析】飞机结构健康监测中，电阻应变式传感器常用于监测机翼等关键部件的应力状态，以确保飞行安全。 · 广泛用于力和压力测量，如称重系统和机械应力检测。. · 力传感器能精确测量物体所受的外力，扭矩传感器用于测量旋转轴的扭矩。 · 压力传感器工作原理多样，常见有电阻式、电容式、压电式等。 · 加速度传感器工作原理基于惯性原理，通过检测质量块的位移或力来测量加速度。 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 $$