《传感器及应用》电阻应变式传感器的组成、应变效应和应变片的种类、结构与粘贴（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组成、应变效应和应变片的种类、结构与粘贴-讲义 知识点一 电阻应变式传感器的组成 电阻应变式传感器是利用应变效应工作的，由弹性敏感元件、电阻应变片和转换电桥组成，如图1所示。 图1 电阻应变式传感器原理框图 电阻应变片粘贴在弹性敏感元件或被测弹性构件上，把弹性敏感元件或构件的应变转换成电阻的微小变化，再通过电桥把电阻变化变换成电压输出。 图2所示为电阻应变式角位移传感器的结构图。 图2 电阻应变式角位移传感器结构图 电阻应变式传感器的测量范围较小，其测量精度小于2％，线性度为0.1%~0.5%。因此，它主要与弹性敏感元件一起构成测量力、荷重、压 力、加速度等物理量的传感器。 电阻应变式传感器的核心元件是什么（ ） A. 电桥电路 B. 电阻应变片 C. 信号放大器 D. 数据采集卡 【答案】B 【解析】电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它负责将应变转换为电阻变化。 1. 电阻应变片在电阻应变式传感器中的主要功能是（ ） A. 放大信号 B. 将应变转换为电阻变化 C. 提供稳定的电源 D. 滤波噪声 【答案】B 【解析】电阻应变片的主要功能是将应变（如机械应力或压力）转换为电阻值的变化。 2. 电阻应变片通常由什么材料制成（ ） A. 塑料 B. 陶瓷 C. 金属合金 D. 玻璃 【答案】C 【解析】电阻应变片通常由金属合金制成，如康铜合金，因为它具有良好的应变-电阻特性。 3. 电阻应变式传感器的基本工作原理是基于哪种物理效应（ ） A. 电阻应变效应 B. 压电效应 C. 霍尔效应 D. 热电效应 【答案】A 【解析】 电阻应变式传感器是利用电阻应变效应来测量应变的，即当材料受到外力作用发生变形时，其电阻值会发生变化。 1. 在电阻应变式传感器中，电桥电路的主要作用是（ ） A. 放大信号 B. 转换应变为电阻变化 C. 将电阻变化转换为电压或电流输出 D. 提供稳定的电阻值 【答案】C 【解析】电桥电路用于将电阻应变片的电阻变化转换为可测量的电压或电流输出。 2. 在电阻应变式传感器的信号处理流程中，信号放大器通常位于哪个环节。（ ） A. 电阻应变片之后 B. 电桥电路之前 C. 电桥电路之后 D. 数据采集卡之后 【答案】C 【解析】信号放大器通常位于电桥电路之后，用于放大由电桥电路产生的微弱信号。 3. 在电阻应变式传感器的测量系统中，数据采集卡的主要功能是（ ） A. 将模拟信号转换为数字信号 B. 放大信号 C. 转换应变为电阻变化 D. 提供稳定的电阻值 【答案】A 【解析】数据采集卡用于将模拟的电压或电流信号转换为数字信号，以便进行进一步的数据处理和分析。 · 弹性敏感元件，感受被测量并转化为自身变形。 · 电阻应变片，将弹性元件应变转化为电阻变化，有箔式、丝式。 · 测量电路，把应变片电阻变化转换为电信号输出，如电桥电路。 知识点二 应变效应 应变效应：导体或半导体材料在外界力作用下产生机械变形，其电阻值发生变化的现象。电阻应变片就是利用这一现象而制成的。 用应变片测试时，将应变片粘贴在试件表面，当试件受力变形后，应变片上的电阻丝也随之变形，从而使应变片电阻值发生变化，再通过测量转换电路转换成电压或电流的变化。 电阻丝应变片是目前应用很广的一种电阻应变片由两形体以平面的方式相互接触称为相接。图3所示是电阻丝应变片结构示意图。是用直径约为0.025 mm 的具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的电阻值，电阻丝排成栅网状，并粘贴在绝缘基片上，线栅上面粘贴有覆盖层，电阻丝两端焊有引出线。图中l称为应变片的标距或工作基长，b称为应变片基宽，应变片规格一般以使用 面积或电阻值表示。 图3 电阻丝应变片结构示意图 金属丝电阻R 可用下式表示： 式中：； ； 。 当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，上式中都将发生变化，导致电阻值发生变化。 电阻应变片的电阻应变与电阻应变片的纵向应变的关系在很大范围内是线性的，即 式中：； 。 式中的代表了被测件在应变片处的应变。 金属丝应变片具有精度高、测量范围大、能适应各种环境、便于记录和处理等一系列优点，但灵敏度低。 应变效应是指当物体受到外力作用时，其内部的什么物理量会发生变化。 A. 长度 B. 电阻 C. 质量 D. 体积 【答案】B 【解析】应变效应是指当物体受到外力作用（如拉伸或压缩）时，其内部的电阻值会发生变化的现象。这是由于物体内部的电阻丝或电阻膜在受到应变时，其长度、截面积或电阻率会发生变化，从而导致电阻值的变化。 1. 以下哪项不是影响电阻应变片灵敏度的主要因素（ ） A. 材料的电阻率 B. 应变片的尺寸 C. 测量电路的类型 D. 应变片的颜色 【答案】D 【解析】应变片的颜色对其灵敏度没有影响，而材料的电阻率、应变片的尺寸以及测量电路的类型都是影响灵敏度的关键因素。 2. 应变效应的测量通常依赖于什么原理。（ ） A. 电磁感应 B. 压电效应 C. 电阻变化 D. 热电效应 【答案】C 【解析】应变效应的测量主要依赖于电阻变化原理。当应变片受到外力作用时，其内部的电阻值会发生变化，这种变化可以通过电桥电路等电路进行测量和放大，从而得到应变的大小和方向。 3.  在应变测量中，为了消除温度变化对测量结果的影响，可以采取什么措施（ ） A. 使用热敏电阻进行补偿 B. 使用温度稳定的材料制作应变片 C. 对测量结果进行温度校正 D. 以上都可以 【答案】D 【解析】在应变测量中，为了消除温度变化对测量结果的影响，可以采取多种措施。例如，可以使用热敏电阻进行补偿，通过测量温度变化并调整电阻值来抵消其对应变测量的影响；也可以使用温度稳定的材料制作应变片，以减少温度变化对电阻值的影响；还可以对测量结果进行温度校正，通过计算温度对测量结果的影响并进行修正来得到更准确的应变值。 1. 以下哪种类型的传感器利用了应变效应（ ） A. 热电偶传感器 B. 压电传感器 C. 电阻应变式传感器 D. 霍尔传感器 【答案】C 【解析】电阻应变式传感器是利用应变效应进行测量的传感器之一。当应变片受到外力作用时，其内部的电阻值会发生变化，这种变化可以被用来测量应变的大小和方向。而热电偶传感器是利用热电效应进行测量的传感器；压电传感器是利用压电效应进行测量的传感器；霍尔传感器则是利用霍尔效应进行测量的传感器。 2. 在应变测量中，为什么通常需要使用电桥电路( ) A. 为了提高测量精度 B. 为了降低测量成本 C. 为了简化测量过程 D. 为了增加测量范围 【答案】A 【解析】应变测量中，使用电桥电路可以提高测量精度。电桥电路可以将应变片电阻值的变化转换为电压或电流信号输出，从而方便进行后续的信号处理和分析。此外，电桥电路还可以减少温度变化等外界因素对测量结果的影响，进一步提高测量精度。 3. 以下哪种方法可以用于校准应变测量系统（ ） A. 使用已知应变的物体进行校准 B. 使用标准电阻进行校准 C. 使用温度计进行校准 D. 以上都可以（但需根据具体情况选择） 【答案】A 【解析】校准应变测量系统的方法取决于具体的测量需求和条件。例如，可以使用已知应变的物体进行校准，通过比较测量结果与已知应变值来评估测量系统的准确性；也可以使用标准电阻进行校准，通过测量标准电阻的电阻值并与应变片的电阻值进行比较来校准测量系统；在某些情况下，还可以使用温度计进行校准，以消除温度变化对测量结果的影响。因此，以上方法都可以用于校准应变测量系统，但需根据具体情况选择最适合的方法。 · 应变效应：导体或半导体受力变形时，其电阻值改变。 · 电阻公式，受力使材料长度、截面积、电阻率改变，致电阻变化。 · 半导体应变效应显著，金属相对较弱。 知识点三 应变片的种类、结构与粘贴 1、 应变片的结构类型： 应变片可分为金属应变片和半导体应变片。 金属应变片可分为金属丝式、箔式、薄膜式三种，图4为几种不同类型的电阻应变片。 图4 常见的几种应变片 金属丝式应变片：使用最早，有纸基、胶基之分. 金属箔式应变片：采用光刻、腐蚀等工艺制成的一种箔栅，箔的厚度一般为0.003~ 0.01mm。散热好、允许通过较大电流、横向效应小、疲劳寿命长、柔性好，可做成基长很短或任意形状、工艺上适于大批量生产。 金属薄膜应变片：采用真空蒸镀技术，在薄的绝缘基片上蒸镀金属材料薄膜，最后加保护层形成。 半导体应变片：用半导体材料作敏感栅而制成的。主要优点是灵敏度高，横向效应小，易集成，与计算机接口方便；主要缺点是灵敏度的热稳定性差，电阻与应变间非线性严重，在使用时，需要采用温度补偿及非线性补偿措施。 固态压阻式传感器：利用半导体的压阻效应进行工作，以单晶硅膜片作为敏感元件，在该膜片上采用集成电路工艺制作成4个电阻，并组成惠斯通电桥。当膜片受力后，4个电阻值发生相应变化，使电桥有输出。 2、 应变片的粘贴： 应变片是通过粘合剂粘贴到试件上的，粘合剂的种类很多，选用时要根据基片材料、工作 温度、潮湿程度、稳定性、粘贴时间，是否加温加压等多种因素合理选择粘合剂。 应变处的粘贴质量直接影响应变测量的精度。 应变片的粘贴工艺包括：试件贴片处的表面处理、贴片位置的确定、应变片的粘贴、固化等。 应变片引出线的选择取决于电阻率的大小、焊接方便程度、可靠性及耐腐蚀性。一般多是直径为0.15~0.3mm 的镀锡软铜线。应变片粘贴连接好后，常把引出线与连线电缆用胶布固定起来，以防止导体摆动时折断应变片引线，然后在应变片上涂一层防护层，以防止大气对应变片的侵蚀，保证应变片长期工作的稳定性。 电阻应变片按结构可分为哪两种基本类型（ ） A. 单丝式和双丝式 B. 箔式和丝式 C. 薄膜式和厚膜式 D. 环形和方形 【答案】B 【解析】电阻应变片按结构主要分为箔式和丝式两种。 1. 在将应变片粘贴到被测物体表面时，以下哪项不是重要的工艺要求（ ） A. 确保粘贴面清洁无油污 B. 使用高强度胶水 C. 应变片应与被测物体表面紧密贴合 D. 应变片的粘贴方向应与应力方向一致 【答案】B 【解析】虽然使用适当的胶水是重要的，但“高强度”并非首要考虑因素，更重要的是胶水的稳定性和对应变传递的影响。更重要的是确保粘贴面清洁、紧密贴合和正确的方向。 2. 应变片的粘贴工艺对电阻应变式传感器的性能有何影响（ ） A. 影响传感器的灵敏度 B. 影响传感器的精度 C. 影响传感器的稳定性 D. 以上都是 【答案】D 【解析】应变片的粘贴工艺对传感器的灵敏度、精度和稳定性都有重要影响。 3. 以下哪种材料最适合用于制作应变片，以利用应变效应（ ） A. 玻璃 B. 陶瓷 C. 金属合金 D. 塑料 【答案】C 【解析】金属合金是制作应变片的常用材料，因为它们具有良好的导电性和机械性能。当金属合金受到外力作用时，其电阻值会发生变化，这种变化可以被用来测量应变的大小。相比之下，玻璃、陶瓷和塑料等材料在应变效应方面的表现较差。 1.  以下哪个因素不会影响应变片的电阻值（ ） A. 应变片的长度 B. 应变片的截面积 C. 应变片的材料 D. 应变片的颜色 【答案】D 【解析】应变片的电阻值与其长度、截面积和材料有关。当应变片受到外力作用时，其长度和截面积会发生变化，从而导致电阻值的变化。而应变片的颜色对其电阻值没有影响。 2. 金属电阻应变片的核心敏感元件通常是由什么材料制成的（ ） A. 铜 B. 铝 C. 镍铬合金 D. 硅 【答案】C 【解析】镍铬合金具有电阻温度系数较小、应变灵敏系数较高且稳定等优点，能够在不同应变状态下稳定地改变电阻值，从而准确反映所受应变情况，是制作金属电阻应变片核心敏感元件的常用材料 。 3. 以下哪种结构是应变片常见的形式，用于提高测量的灵敏度和线性度（ ） A. 箔式应变片 B. 丝式应变片 C. 薄膜应变片 D. 以上都是 【答案】D 【解析】箔式应变片：箔式应变片敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成的，能制成各种复杂形状，与被测物体接触面积大，散热条件好，允许通过较大电流，输出信号较大，测量灵敏度较高。而且由于其尺寸和形状可精确控制，在一定程度上能提高测量的线性度 。 丝式应变片：丝式应变片制作简单，但其敏感栅直径较粗，在测量微小应变时，由于丝的弯曲等因素可能会带来一定非线性。不过在一些应用场景中，通过合理的结构设计和粘贴方式，也能满足一定的灵敏度和线性度要求。 薄膜应变片：薄膜应变片是采用真空蒸发或溅射等方法将电阻材料在基底上制成很薄的敏感栅。其厚度可精确控制，与基底结合紧密，能很好地跟随被测物体变形，具有较高的灵敏度和良好的线性度。 · 种类：有金属的箔式、丝式，以及半导体应变片。 · 结构：主要由敏感栅、基底、盖片和引线构成。 · 粘贴要点：保证粘贴面清洁，使用合适胶水，确保粘贴牢固且无气泡。 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 $$