辽宁二本大学排名-创业项目可行性报告

力传感器的组成是什么
答：力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量、显示电路组成。
弹性敏感元件的作用是什么其分类有几种各有何特点
答：
作用：弹性敏感元件的作 用是把力或压力转换为应变或位移，然后再
转换电路将应变或位移转换为电信号。
分类：（1）力转换为应变或位移的变换力的弹性敏感元件
（2）压力转换为应变或位移的变换压力的弹性敏感元件
特点：
变换力的弹性敏感元件 < br>圆柱式：结构简单，可承受较大的载荷，便于加工，实心圆柱形可测
量大于10kN的力，空心圆 柱形可测量1~10kN的力，且应力变化均
匀。
圆环式：圆环式的敏感元件比圆柱式输出的 位移大，因而具有较高的
灵敏度，适用于测量较小的力。
悬臂梁式：它的一端固定，一端自由 ，结构简单，加工方便，应变和
位移较大，适用测量1~5kN的力。
压力的弹性敏感元件
弹簧管：C形弹簧管的一端密封但不固定，成为自由端，另一端连接
在管接头上且固定，流体压 力通过管接头进入弹簧管后，在压力F作
用下，弹簧管的横截面力图变成圆形截面，截面的短轴力图伸长 。使
弹簧管趋向伸直，一直伸展到管弹力与压力的作用相平衡为止。这样

自由端 便产生了位移。通过测量位移的大小，比可得到压力的大小。
波纹管：波纹管的轴向在流体压力作用极易变形，有较高的灵敏度。
波纹膜片和膜盒：线性度好，灵敏度高及各种误差小。
薄壁圆筒：筒壁均匀受力，并均匀向外扩张，所以在管壁的轴线方向
产生拉伸力和应变力。
3、电阻应变式传感器的工作原理是什么它是如何测量试件的应变的
答：
工作原理 ：通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然
后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再 通过测量电路进一步将
电阻的改变转换成电压或电流信号输出。
测试原理：测试时，将应变片 用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面
上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而 使
其电阻随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此
如果通过一定的测量线路 将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，
然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件 应变量
的大小。
4、电阻应变式传感器的测量电路有哪些各有何特点
答：
恒压源供电的直流电桥
特点：当被测量无变化时，电桥平衡，输出为零。当测量发生变化时，
电桥平衡被打破，有电压输出，输出的电压与被测量的变化成比例。
恒流源供电的直流电桥

特点：当桥臂电阻发生变化时，电桥有输出，输出大小与桥臂电阻变
化成正比。
5、电阻应变片为什么要进行温度补偿补偿方法有哪些
答：
电阻应变片传感 器是靠电阻值来来度量应变的，所以希望它的电
阻只随应变而变，不受其它因素的影响。但实际上，虽然 用作电阻丝
材料的铜、康铜温度系数很小(大约在=～×10-5℃)， 但与所测应变
电阻的 变化比较，仍属同一量级。如不补偿，会引起很大误差。这种
由于测量现场环境温度的变化而给测量带来 的误差，称之为应变片的
温度误差。
补偿方法：（1）线路补偿。
（2）应变片自补偿。
6、应变片的粘贴、固化和检查工艺有哪些
答：
去污 < br>试件表面的处理粘贴之前，应先将试件表面清理干净，用细砂纸将试
件表面打磨平整，再用丙酮、 四氯化碳或氟利昂彻底清洗试件表面的
灰尘、油渍，清理面积约为应变片的3～5倍。
粘贴
在清理的试件表面上均匀涂刷一薄层粘接剂作为底层，待其干燥固化
后，再在此底层及应变片基 地的地面上均匀涂刷一薄层粘接剂，等粘
接剂稍干，即将应变片贴在画线位置，用手指滚压，把气泡和多 余的

粘接剂挤出。注意，应变片的底面也要清理。
粘贴后测量
从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，寻找端子折断和
损坏的应变片。
焊接
将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。
（5）固定
焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片
7、图2-88为一直流 应变电桥
U
i
5V
，
R
1
R
2
R
3
R
4
120
，试求：
（1）
R< br>1
为金属应变片，其余为外接电阻，当
R
1
变化量为
R1
1.2
时，
电桥输出电压
U
0
为多少
（2）
R
1
、R
2
都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小 都相同，
其余为外接电阻，电桥的输出电压
U
o
?

（3）题（2）中，如果
R
1
、R
2
感受应变的极性相反，
且
R
1
R
2
1.2
，电桥的输出电压< br>U
o
?

（4）由题（1）～（3）能得出什么结论与推论


答：（1）当
R
1
为金属应变片，其余为外接电阻时，
电桥为单臂工作电桥，当
R
1
变化量为
R
1
1 .2
时，
图 2-88 直流应变电桥
电桥输出电压：
U
1 R
0

4R
U
11.2
i

4

120
5=0.0125（V）=12.5mV

（2） 当
R
1
、R
2
都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相
同，其余为外接电阻时，根据电桥的输出总公式
U
0

U
i

R
1
R
2
R
3
R
4



4

R
1
R
2< br>R
3
R
4

可知，此时
R
1
 R
2
=R
，
R
3
R
4
=0
。
电桥的输出：
U
0

U
i

R
1
R
2
R
3
R
4

5
RR00

=


=04

R
1
R
2
R
3
R
4
4

12


（3）题（2）中，如果
R< br>1
、R
2
感受应变的极性相反，且
R
1
R2
1.2

也就是
R
1
-R
2=1.2
，此时电桥为差动双臂电桥（半桥），
电桥输出电压：
桥。 （4）由题（1）～（3）可知双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍，
电桥的相邻两个桥臂为应变 片工作桥臂时，感受的应变必须是一个受
拉，一个受压，电桥才有输出。
8.压电式传感器的工作原理是什么压电材料有哪些
答：
原理：某些晶体受一定方 向外力作用而发生机械变形时，相应的在晶
体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失，力的方 向改变
时，电荷的方向也随之改变，这种现象称为压电效应。
材料：（1）石英晶体
（2）压电陶瓷
（3） 高分子压电材料
9.试用石英晶体为例说明压电效应产生的过程。
U
0

1R1 1.2
U
i
5=0.025（V）=25（mV）
2R2120
此时电

答：石英晶体是一种应用广泛的压电晶体，它是二氧化硅单晶体 ，
为规则的正六角棱柱体，石英晶体的每一个晶体单元中，有3个硅离
子和6个氧离子，正负离子分布在正 六边形的顶角上。当无外力作用
时，正负电荷中心重合，对外不显电性。当在x轴向施加压力时，如图a所示，正电荷中心向B面移动，负电荷中心向A面移动，所以B
面呈现正电荷，A面呈现负点荷 。当在x轴施加拉力时，如图b所示，
各晶格上的带电粒子沿x轴向外产生位移，因而A面呈现正电荷， B
面呈现负电荷。在y轴上施加压力时，如图c所示，晶格沿y轴被向
内压缩，A面呈现正电荷 ，B面呈现负电荷。在y轴上施加拉力时，
如图d所示，晶格在y轴被拉长，x向缩短，B面呈现正电荷 ，A呈
现负电荷。沿z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称
的平移，故在表面没 有电荷出现，因而不产生压电效应，这就是石英
晶体的压电效应产生的过程。

10.压电陶瓷有何特点
答:压电陶瓷是人工制造的一种多晶体电体，它由无数的单晶组成, 各

单晶的自发极化方向是任意排列的，因此每个单晶具有强的压电性
质，但组成 单晶后，各单晶的压电效应却互相抵消了，所以，原始的
压电陶瓷是一个非压电体，不具有压电效应。为 了使压电陶瓷具有压
电效应，就必须进行极化处理。所谓的极化处理就是在一定的温度的
条件下 ，对压电陶瓷施加强电场，使极性轴转动到接近电场的方向，
规则排列。这个方向就是压电陶瓷的极化方 向，这时压电陶瓷就具有
了压电压电性，在极化电场去除后，留下很强的剩余极化强度。当压
电 陶瓷受到力的作用时，极化强度就发生变化，在垂直于极化方向上
就会出现电荷，所以采用压电陶瓷的压 电式传感器灵敏度较高。
11.压电传感器的测量电路是什么各有何特点为什么压电传感器不能
测量静态的力
答：
电压放大器

电荷放大器

特点：由电压放大器的输
U
im

dF
m
C
i
C
c
C
a
出可以看出，放大器 输入电
压与电缆的电容Cc有关系，当改变连接传感器与前置放大器的电缆
长度时，Cc将改变 ，从而引起放大器的输出电压也发生变化。在设
计时，通常把电缆长度定为常数，使用时如要改变电缆长 度，则必须
重新校正电压灵敏度值。
电荷放大器输出电压
U
o

Q
C
f
， 可以看出电荷放大器输出电压与电
缆电容无关。因此电缆可以很长，可长达数百米，甚至上千米，灵敏< br>度却无明显损失。这是电荷放大器的一个突出优点。因此在测量时，
不必考虑传感器与放大器配套 的问题，放大器与传感器可以任意互
换。
为什么压电传感器不能测量静态的力由于外力作用在 压电元件上产
生的电荷只有在无泄露的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限
大的输入阻抗 ，这实际上是不可能的。因为在实际测量时，放大器的
输入电阻
R
i
和传感器 的泄漏电阻
R
a
不可能为无穷大，因此电荷就会通
过放大器的输入电阻
R
i
和传感器的泄漏电阻
R
a
漏掉，所以压电传感器
不能 用于静态力测量。 压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断
得到补充，可以供给测量电路以一定的电 流，故只适用于动态测量。

12.如图2-32b所示电荷放大器等效电路。压电元件 为压电陶瓷，压电
陶瓷的压电系数dzz=5x10-10CN，反馈电容Cf=，若输出电压Uo=，
求压电传感器所受力的大小
答：根据电荷放大器的输出
U
o
< br>Q
C
f
可知, 压电陶瓷上产生的电荷
QU
o
C
f
0.40.0110
6
410
9

根据
Q
zz
d
zz
F
z
，压电传感器所受的 力
Q
zz
Q410
9
F
z
=8(N)< br>10
d
zz
d
zz
510

2-32 电荷放大器等效电路
13.石英晶体的纵向压电系数
d
XX
2.310
12
CN
，晶体的长度是的宽2倍，是厚的3倍，求：（1） 当
4
C0.01

F
沿电轴方向施加
310N
的力时，用反馈电容 为
f
的电荷放大
器测量的输出电压是多少
（2） 当沿机械轴施加力
为3V，
F
y
F
y
时，用同样的电荷放大器测出的输出电压
为多少
答： （1）电荷放大器的输出
U
o

Q
d
XX
g
F
XX
2.310
12
310
4
6.9(V)
6
C
f
C
f
0.0110

(2) 根据题意，参考石英晶体的切片图，可以看出
a=3b

当沿机械轴施加力
根 据式
U
O

Q
C
f
F
y
时，产 生的由
Q
XY
d
XX
a
F
Y
b

得
QU
O
C
f
，即

QQ
XY
d
XX
a
F
YU
O
C
f
b

b1b1
F
YU
O
C
f
30.0110
6
4 348(N)
12
ad3b2.310
XX
求出
14. 用压 电式传感器测量一正弦变化的作用力，采用电荷放大器，压
电元件用两片压电陶瓷并联，压电系数dzz =190x10-12CN ，放大器
为理想运放，反馈电容Cf=3800pF ，实际测得放大器输出电 压为
Uo=10sinωt（V） ，试求此时的作用力F=
答： 根据题意压电元件是两片压电陶瓷并联，所以总电荷是单个压电
元件电荷的两倍，即
Q2Q< br>XX
,
根据电荷放大器的输出
U
O

Q
C
f
，得
QU
O
C
f
10sin

t380010
12
3.810
8
sin

t
Q
XX
d
ZZ
F
Z

1
Q
2
，
,得压电传感器受到的作用力

3.810< br>8
11
FF
Z
Qsin

t100 sin

t(N)
12
2d
ZZ
219010

15.电容式传感器的工作原理是什么可分成几种类型各有个特点
答：根据平行极板的电容器，如果不考虑其边缘效应，则电容器的电
容量为
C
A
d


0

r
A
d
由上式可知，电容C是A、
d
、ε的函数，即
Cf(

,d,A)
。当A、
d
、
ε改变时，电容量C也 随之改变。若保持其中两个参数不变，通过被
测量的变化改变其中的一个参数，就可把被测量的变化转换 为电容量
的变化。这就是电容传感器的基本工作原理。

分类：电容式传感器根 据工作原理不同，可分为变间隙式、变面积式、
变介电常数式三种；按极板形状不同有平板形和圆柱形两 种。
特点：变间隙式电容传感器：只能测量微小位移（微米级）；
变面积式电容传感器：可以测量较大位移的变化，常为厘米级位移量。
变介电常数式电容式传 感器。可用来测量物位或液位，也可测量位移，
可以测量较大位移的变化。
16.试说明差动式电容传感器结构是如何提高测量灵敏度，减小非线
性误差的
答：以变间隙式电容传感器为例来分析。当
d
变化时，电容量的相对
变化约为

Cd


C

d

0
（2-35）
为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，实际应用时常 采用差动式
结构。如图2-44所示，两个定极板对称安装，中间极板为动极板。
当中间极板不 受外力作用时，由于
d
1
d
2
d
0
，所以C
1
C
2
。当中间极
板向上移动x时，
C
1
增加，
C
2
减小，总电容的变化量
C
为
C C
1
C
2

C2d

C
0
d
0
2d
C
0
d
0

（2-37）
图2-44 差动式电容器结构
式（2-37）与式（2-35）相比，输出灵敏度提高了一倍。
17.电容式传感器的测量转换电路主要有哪些
答: 常见的电容式传感器测量转换电路有桥式电路、调频电路、充放
电脉冲电路、运算放大器电路等。

18.有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器，如图2-45a所
示，其中 a=8mm， b=12mm，两极板间距为d=1mm。当动极板在原
始位置上平移了5mm后，求传 感器电容量的变化ΔC及电容相对变
化量ΔCCo 。
Cx

a
可得当答：根据变面积型平板式电容传感器的电容表达式：
C
0
动极板在原始位置上 平移了
5mm
，也就是公式中
x5mm
后，电容的相
Cx5=-=-0.625
a8
对变化量为
C
0

传感器 电容量的变化

r
g

0
g
a
g
b
xx18.85410
12
8125
C=C
0531.24pF
ada18

19.电感传感器的基本原理是什么可分成几种类型
答：电感传感器的基本原理是电磁感应原 理。利用电磁感应将被测非
电量(如压力、位移等)转换成电感量的变化输出，再经测量转换电路，将电感量的变化转换为电压或电流的变化，来实现非电量电测的。
电感传感器的分类：根据信号的转换原理，电感式传感器可以分为自
感式和互感式两大类。
20.电感传感器的常用的测量电路有哪些
答：自感式传感器常用的测量转换电路有桥式测量 电路、调幅、调频、
调相电路，在自感式传感器中，用得较多的是桥式测量电路和调幅电
路。
差动变压器输出电压可直接用交流电压表接在反相串联的两个二次
绕组上测量，此时空载输出电 压为
U
O
E
21
E
22
，也可采用电桥电路来

测量。
21.电涡流传感器的工作原理是什么形成电涡流的两个必备条件是什
么
答：电涡流 传感器的工作原理是电涡流效应。即块状金属导体置于变
化的磁场中或在磁场中做切割磁力线运动时，导 体内将产生感应电
流，这种电流的流线在金属体内自行闭合，类似于水中的漩涡，所以
称为电涡 流。电涡流的存在必然要消耗一部分磁场的能量，从而使激
励线圈的阻抗发生变化，这种现象称为电涡流 效应。根据电涡流效应
制成的传感器称为电涡流传感器。
要形成电涡流必须具备两个条件：（1）存在交变磁场；（2）导体处于
交变磁场中。
22.压阻式压力传感器的工作原理是什么主要应用是什么
答：压阻式压力传感器的工作原理 是基于压阻效应工作的。所谓压阻
效应就是指半导体材料的受外力或应力作用时，其电阻率发生变化的< br>现象。
主要应用是：用于压力、加速度、重量、应变、拉力、流量等参数的
测量