专题六 应变式传感器（讲义） 山东省（春季高考）《传感器及应用》（高教版）考纲讲练测

编写说明：本套资料严格依据山东省（春季高考）电子技术类专业考试标准（知识模块 传感器应用技术）及《传感器及应用》编写，围绕“考点解读—思维导图—知识梳理—背诵—常考题—高考模拟—课堂练习—课堂小结”组织内容。题目范围不超出考纲，讲解突出中职学生的识记、辨析、计算和综合应用能力。 山东省电子技术类 《传感器及应用》考纲讲练测 专题六 应变式传感器 讲义 [环节1 考点解读] 一、考纲再现 理解弹性敏感元件在力敏传感器中的作用。 掌握刚度、灵敏度的含义及二者关系。 了解常见结构形式、材料要求和力/压力/位移变换应用。 二、微目标拆解 能根据受力变形和输出变化判断弹性元件的工作特点。 能比较结构形式并按测量任务选择合适的弹性敏感元件。 三、考情提示 常以概念辨析、结构识别和选型情境命题，重点考查刚度与灵敏度、受力方向和应用对象。 易错点是把刚度当成灵敏度、认为刚度越大越灵敏，以及忽略材料弹性、温度稳定性和疲劳等选用条件。 [环节2 思维导图] [环节3 知识梳理] 知识点1 弹性敏感元件的作用 【知识再现】弹性敏感元件是传感器中直接感受力、压力等被测量并产生弹性变形的元件，常把力或压力变换为位移、应变等后续环节能够检测的量。 【讲解】在力敏传感器中，弹性敏感元件承担‘感受—变形—传递’任务。外力作用下产生的变形应与被测量有稳定关系，后续可由应变片等转换为电信号。 图6-1 电阻丝应变片结构示意图 【易错提醒】【易错提醒】弹性敏感元件本身主要完成力学量变换，不等于完整的电阻应变片或信号调理电路。 要点：直接感受力或压力 要点：把力学量变为位移/应变 要点：为后续电量转换提供载体 1. 压力传感器中，直接承受压力并发生变形的部件属于什么元件？ 【答案】弹性敏感元件。 【解析】它直接感受压力并产生弹性变形，是力学量变换的第一环节。 2. 为什么弹性敏感元件的变形要与被测力保持稳定关系？ 【答案】便于由变形量准确反推出被测力，保证测量重复性和线性。 【解析】稳定的输入—变形关系是后续转换和标定的基础。 知识点2 刚度与灵敏度 【知识再现】刚度表示弹性敏感元件抵抗变形的能力，常用外力与变形量之比表示；灵敏度表示单位外力引起的变形量，二者在简单线性情况下互为倒数。 【讲解】设外力为、变形量为，刚度可写为，灵敏度可写为。刚度大，单位力引起的变形小；灵敏度高，单位力引起的变形大。 图6-2 常见的几种应变片 【易错提醒】【易错提醒】刚度大不等于灵敏度高；在线性关系下二者相反，不能把‘抗变形能力’和‘变形容易程度’混为一谈。 要点：刚度看抵抗变形 要点：灵敏度看单位力变形 要点：线性情况下 3. 某元件受力100 N产生0.5 mm变形，求刚度。 【答案】。 【解析】代入。 4. 在相同外力下，元件甲变形量大于元件乙，谁的灵敏度更高？ 【答案】元件甲。 【解析】灵敏度是单位力引起的变形量，相同外力下变形越大灵敏度越高。 知识点3 材料与选用要求 【知识再现】弹性敏感元件材料应具有良好的弹性、较小的弹性滞后和蠕变、较高的疲劳强度，并尽量具有较小的温度系数和稳定的机械性能。 【讲解】材料和工艺决定元件能否长期、重复地工作。选用时还要考虑量程、过载能力、工作温度、腐蚀、振动以及加工和安装条件。 图6-3 桥式测量转换电路 【易错提醒】【易错提醒】只看初始灵敏度而忽略疲劳、温度和过载能力，可能导致长期漂移或失效。 要点：弹性恢复好 要点：滞后、蠕变和温度影响小 要点：强度与量程匹配 5. 高温环境选用弹性敏感元件时，除强度外还应重点关注什么？ 【答案】温度稳定性和温度系数。 【解析】温度变化会改变弹性参数，影响输出准确性。 6. 为什么弹性敏感元件要有足够的疲劳强度？ 【答案】因为测量中常反复受力，疲劳强度不足会使性能漂移甚至断裂。 【解析】重复载荷下的寿命取决于抗疲劳能力。 知识点4 常见结构形式 【知识再现】常见弹性敏感元件有柱式、筒式、梁式和扭转式等。柱式和筒式常用于压力或较大载荷测量，梁式结构简单、便于产生位移或应变，扭转式适于转矩测量。 【讲解】结构形式决定受力方式、变形方向和安装方式。命题时应根据题干给出的受力对象与输出需求进行匹配，而不是只按外形判断。 【易错提醒】【易错提醒】梁式元件并非只能测位移；粘贴应变片后也可用于力、压力等测量，关键看受力与转换方式。 要点：柱/筒：压力、载荷 要点：梁：位移、力、应变 要点：扭转：转矩 7. 需要测量轴上的转矩，优先考虑哪种弹性结构？ 【答案】扭转式弹性敏感元件。 【解析】扭矩使元件产生扭转变形，适合转矩测量。 8. 梁式元件常见的优点是什么？ 【答案】结构简单、加工安装方便，容易获得较明显的位移或应变。 【解析】梁式结构便于在受力处产生可检测变形。 知识点5 力、压力与位移变换应用 【知识再现】弹性敏感元件可按变换关系分为力—位移型和压力—位移型等形式。配合应变片、差动变压器等转换元件，可构成测力、测压和位移检测传感器。 【讲解】应用分析要先明确被测量，再判断弹性元件的受力和变形，最后确定后续转换元件及测量电路。完整链路是‘被测力学量—弹性变形—电量转换—信号处理’。 【易错提醒】【易错提醒】弹性元件只解决力学变换，不能省略电量转换和信号调理就直接得到电压输出。 要点：先确定被测量 要点：再分析受力与变形 要点：最后匹配电量转换 9. 用弹性膜片测量液体压力时，压力首先被变换成什么？ 【答案】膜片的弹性位移或应变。 【解析】压力作用在膜片上产生变形，随后再由应变片等转换为电信号。 10. 应变片通常粘贴在弹性元件的什么位置？ 【答案】应变明显且受力均匀、便于粘贴和引线的位置。 【解析】这样可获得稳定、代表性的应变输出并减少局部应力影响。 [环节4 背诵环节] 背诵条目（先遮盖答案背诵，再逐条核对） 1. 弹性敏感元件的主要作用是什么？ 【答案】直接感受力或压力并产生弹性变形，把力学量变为位移或应变供后续转换。 2. 什么是刚度？ 【答案】刚度是弹性元件抵抗变形的能力，简单线性情况下为外力与变形量之比。 3. 什么是灵敏度？ 【答案】灵敏度是单位外力引起的变形量，简单线性情况下为变形量与外力之比。 4. 刚度与灵敏度有什么关系？ 【答案】在线性关系下二者互为倒数；刚度越大，单位力变形越小。 5. 弹性材料应具备哪些主要性能？ 【答案】弹性好、滞后和蠕变小、疲劳强度高、温度系数小且性能稳定。 6. 柱式、梁式和扭转式元件分别适合什么测量？ 【答案】柱式常测压力或较大载荷，梁式常测力/位移，扭转式适合测转矩。 7. 弹性元件为什么不能直接等同于完整传感器？ 【答案】它只完成力学量到变形量的转换，还需电量转换和信号处理才能输出电信号。 8. 弹性敏感元件选型要考虑哪些因素？ 【答案】被测范围、量程和过载、结构形式、材料性能、温度振动环境、安装与疲劳寿命等。 [环节5 常考题（中档题）] 1. 弹性敏感元件直接感受的主要是（ ）。 A. 力或压力 B. 频率 C. 颜色 D. 程序指令 【答案】A 【解析】弹性敏感元件首先感受力学量并产生变形。 2. 刚度的定义可表示为（ ）。 A. B. C. D. 【答案】A 【解析】刚度是外力与变形量之比。 3. 在相同外力下，变形量越大的元件通常（ ）。 A. 灵敏度越高 B. 刚度越大 C. 量程越小 D. 疲劳越强 【答案】A 【解析】灵敏度为单位力引起的变形量。 4. 适合测量轴转矩的结构是（ ）。 A. 扭转式 B. 柱式 C. 筒式 D. 平膜片式 【答案】A 【解析】转矩引起扭转变形，扭转式结构与之匹配。 5. 刚度越大，单位外力产生的变形通常越大。 【答案】错误 【解析】刚度大表示抵抗变形能力强，单位力变形通常更小。 6. 弹性敏感元件可以把压力先变为位移或应变。 【答案】正确 【解析】这是其基本力学变换作用。 7. 说明选用弹性敏感元件时为什么要考虑疲劳强度。 【答案】元件在测量中会反复受力，疲劳强度不足会引起零点和灵敏度漂移，甚至发生断裂，影响寿命与安全。 【解析】答出反复载荷、性能漂移或失效及其影响即可。 8. 简述弹性敏感元件与应变片在测量系统中的分工。 【答案】弹性敏感元件把力或压力变成弹性变形；应变片感受该变形引起的应变并把它转换为电阻变化，后续电路再处理成可用信号。 【解析】应体现力学变换与电量变换的先后关系。 [环节6 高考模拟题] 以下题目按山东省职教高考常见命题方式编制，用于训练“关键词定位—概念对应—情境应用”。 1. 下列说法正确的是（ ）。 A. 刚度是抵抗变形的能力 B. 刚度越大灵敏度一定越高 C. 弹性元件直接输出数字量 D. 材料性能与温度无关 【答案】A 【解析】刚度描述抵抗变形能力，其余说法均不当。 2. 某元件外力增大时变形量按比例增大，说明其在该范围内具有较好的（ ）。 A. 线性关系 B. 绝缘性能 C. 抗电磁性 D. 数字接口 【答案】A 【解析】力与变形成比例体现线性输入—输出关系。 3. 测量较大压力时，常选用柱式或筒式结构，主要因为其（ ）。 A. 承载能力较强 B. 一定输出频率 C. 无需转换电路 D. 只能测温度 【答案】A 【解析】柱式、筒式结构适合承受较大载荷或压力。 4. 下列因素中不属于弹性材料选用重点的是（ ）。 A. 颜色 B. 疲劳强度 C. 温度系数 D. 弹性滞后 【答案】A 【解析】颜色不是决定弹性测量性能的主要因素。 5. 梁式弹性元件只能用于测量位移，不能测力。 【答案】错误 【解析】梁式元件可通过受力变形并配合应变片测力，具体取决于结构和转换方式。 6. 弹性滞后和蠕变越小，通常越有利于重复测量。 【答案】正确 【解析】滞后和蠕变小有助于减小加载历史和时间引起的误差。 7. 写出刚度与灵敏度的表达式，并说明符号含义。 【答案】设外力为、变形量为，则，；k为刚度，K为灵敏度。 【解析】表达式、符号和物理含义均正确即可。 8. 某测力元件在100 N作用下产生0.20 mm变形。若要求变形达到0.50 mm，说明应如何选择刚度，并计算原元件刚度。 【答案】原元件刚度为。在相同外力下要获得更大变形，应选择刚度较小、灵敏度较高的元件。 【解析】先用计算；相同外力下变形增大意味着刚度降低。 [环节7 课堂练习] 课堂练习建议用时15—25分钟。先独立作答，再核对答案与解析。 1. 弹性敏感元件的变形主要供后续环节转换为（ ）。 A. 电信号 B. 颜色 C. 文字字体 D. 机械润滑 【答案】A 【解析】变形经应变片等转换为电阻、电压等电信号。 2. 若=60 N、=0.30 mm，则刚度为（ ）。 A. 200 N/mm B. 20 N/mm C. 0.005 N/mm D. 180 N/mm 【答案】A 【解析】。 3. 灵敏度可理解为单位外力引起的变形量。 【答案】正确 【解析】这是灵敏度的基本物理含义。 4. 选型时量程越小越好，不需要考虑过载。 【答案】错误 【解析】必须先满足量程和过载安全，再兼顾灵敏度。 5. 列出弹性敏感元件材料的四项选用要求。 【答案】弹性好、弹性滞后和蠕变小、疲劳强度高、温度系数小、机械性能稳定等任选四项。 【解析】答出与重复性、稳定性和寿命相关的要求即可。 6. 说明扭转式弹性元件适合测量转矩的原因。 【答案】转矩作用会使元件产生扭转变形，扭转角或表面应变可被后续转换元件检测并与转矩对应。 【解析】需写出转矩—扭转变形—检测的关系。 7. 某压力膜片在0.5 MPa压力下产生0.10 mm位移。求其等效刚度（以压力为输入量时写出比值），并说明提高测量灵敏度的方向。 【答案】等效比值为；若要提高灵敏度，应使单位压力产生更大的位移，即降低等效刚度。 【解析】按给定压力—位移数据求比值；灵敏度是位移与压力之比，与刚度相反。 8. 某设备存在高温和周期振动，比较两种材料：甲弹性好但温度系数大、疲劳强度低；乙弹性略低但温度系数小、疲劳强度高。说明选择建议。 【答案】优先考虑乙，并结合量程和灵敏度校准；因为高温和周期振动下温度稳定性、抗疲劳能力直接影响长期可靠性。 【解析】选型需综合环境适应性和寿命，不能只看初始弹性或灵敏度。 [环节8 课堂小结] 复习建议：复习建议：先记住‘力学量—弹性变形—电量转换’链路，再用刚度与灵敏度公式分析结构和选型。 记忆主线：刚度看抗变形，灵敏度看单位力变形；柱筒测压载，梁式易测力，扭转测转矩。 课堂小结：能解释作用、计算刚度、比较材料和结构并说明选型依据，即达到本专题核心目标。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $