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1、传感器与传感器技术课后答案传感器与传感器技术计算题答案第1章 传感器的一般特性15 某传感器给定精度为2%FS，满度值为50mV，零位值为10mV，求可能出现的最大误差 (以mV计)。当传感器使用在满量程的1/2和1/8时，计算可能产生的测量百分误差。由你的计算结果能得出什么结论 解：满量程（FS）为5010=40(mV)可能出现的最大误差为： m40 2%=(mV)当使用在1/2和1/8满量程时，其测量相对误差分别为：16 有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数 和静态灵敏度K。 （1） 式中, y输出电压，V；T输入温度，。 （2） 式中，

2、y输出电压， V；x输入压力，Pa。解：根据题给传感器微分方程，得（1） =30/3=10(s)， K= 10 5/3= 10 5(V/)；(2) =1/3(s)， K=( V/Pa)。17 已知一热电偶的时间常数 =10s，如果用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540至500之间接近正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度K=1。试求该热电偶输出的最大值和最小值。以及输入与输出之间的相位差和滞后时间。 解：依题意，炉内温度变化规律可表示为x(t) =520+20sin( t)由周期T=80s，则温度变化频率f=1/T，其相应的圆频率 =2 f=2 /80= /40； 温度传感器（热电偶）对炉

3、内温度的响应y(t)为y(t)=520+Bsin( t+ ) 热电偶为一阶传感器，其响应的幅频特性为因此，热电偶输出信号波动幅值为B=20A( )=15.7 由此可得输出温度的最大值和最小值分别为y(t)|=520+B=520+=535.7y(t)|=520B=504.3 输出信号的相位差 为 ()= arctan()= arctan(2 /80 10)= 相应的时间滞后为 t =18 一压电式加速度传感器的动态特性可以用如下的微分方程来描述，即式中，y输出电荷量，pC；x输入加速度，m/s2。试求其固有振荡频率 n和阻尼比 。解: 由题给微分方程可得19 某压力传感器的校准数据如下表所示，试

4、分别用端点连线法和最小二乘法求非线性误差，并计算迟滞和重复性误差；写出端点连线法和最小二乘法拟合直线方程。校准数据表压 力(MPa)输 出 值 (mV)第一次循环第二次循环第三次循环正行程反行程正行程反行程正行程反行程0解 校验数据处理（求校验平均值）：压 力(MPa)(设为x)输 出 值 (mV)第一次循环第二次循环第三次循环校验平均值(设为y)正行程反行程正行程反行程正行程反行程0（1）端点连线法设直线方程为y=a0+kx，取端点（x1，y1）=（0，）和(x6，y6)=（，）。则a0由x=0时的y0值确定，即a0=y0 kx=y1= (mV)k由直线的斜率确定，即（mV/MPa）拟合直线

5、方程为y= + 求非线性误差：压 力(MPa)校验平均值 (mV)直线拟合值(mV)非线性误差(mV)最大非线性误差(mV)000所以，压力传感器的非线性误差为 求重复性误差：压 力(MPa)输 出 值 (mV)正行程反行程123不重复误差123不重复误差0最大不重复误差为 mV，则重复性误差为 求迟滞误差：压 力(MPa)输 出 值 (mV)第一次循环第二次循环第三次循环正行程反行程迟滞正行程反行程迟滞正行程反行程迟滞00最大迟滞为，所以迟滞误差为（2）最小二乘法 设直线方程为y=a0+kx数据处理如下表所示。序号123456x0y x20xy0根据以上处理数据，可得直线方程系数分别为：所以

6、，最小二乘法线性回归方程为y= +求非线性误差：压 力(MPa)校验平均值 (mV)直线拟合值(mV)非线性误差(mV)最大非线性误差(mV)0所以，压力传感器的非线性误差为可见，最小二乘法拟合直线比端点法拟合直线的非线性误差小，所以最小二乘法拟合更合理。重复性误差 R和迟滞误差 H是一致的。110 用一个一阶传感器系统测量100Hz的正弦信号时，如幅值误差限制在5%以内，则其时间常数应取多少若用该系统测试50Hz的正弦信号，问此时的幅值误差和相位差为多解: 根据题意 （取等号计算）解出 =所以 = 当用该系统测试50Hz的正弦信号时，其幅值误差为相位差为 =arctan( )=arctan(

7、25010 3)=111一只二阶力传感器系统，已知其固有频率f0=800Hz，阻尼比 =，现用它作工作频率f=400Hz的正弦变化的外力测试时，其幅值比A( )和相位角 ( )各为多少；若该传感器的阻尼比 =时，其A( )和 ( )又将如何变化解: 所以，当=时 当=时112 用一只时间常数 =的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值相对误差为多少解：由一阶传感器的动态误差公式 = 113 已知某二阶传感器系统的固有频率f0=10kHz，阻尼比 =，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。解：由f0=10kHz，根据二阶传感器误差公式，有将 =代

8、入，整理得 114 设有两只力传感器均可作为二阶系统来处理，其固有振荡频率分别为800Hz和，阻尼比均为。今欲测量频率为400Hz正弦变化的外力，应选用哪一只并计算将产生多少幅度相对误差和相位差。解：由题意知则其动态误差 =%相位差 = (rad)= 第2章 电阻应变式传感器25 一应变片的电阻R0=120，K=，用作应变为800m/m的传感元件。(1)求R与R/R；(2)若电源电压Ui=3V，求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压U0。 解：由 K=，得则R=10 3 R=10 3 120= 其输出电压为=(mV)26 一试件的轴向应变x=，表示多大的微应变()该试件的轴向相对伸长率为百分之几解

9、： x =150010-6 =1500( ) 由于x =l/l所以l/l=x =%27 某120电阻应变片的额定功耗为40mW，如接人等臂直流电桥中，试确定所用的激励电压。 解：由电阻应变片R=120，额定功率P=40mW，则其额定端电压为U= 当其接入等臂电桥中时，电桥的激励电压为Ui =2U=2=4V28 如果将120的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件的截面积S=10-4m2，材料弹性模量E=2101lN/m2。若由5104N的拉力引起应变片电阻变化为，求该应变片的灵敏系数K。 解：应变片电阻的相对变化为 柱形弹性试件的应变为 应变片的灵敏系数为210 以阻值R=120，灵敏系数K=的电阻

10、应变片与阻值120的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2和2000时，分别求出单臂、双臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。解：依题意单臂：差动： 灵敏度：可见，差动工作时，传感器及其测量的灵敏度加倍。211 在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的金属应变片R1和R2，把这两应变片接人差动电桥(参看习题图211)。若钢的泊松比=，应变片的灵敏系数K=2，电桥的电源电压Ui=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值R=，试求电桥的输出电压U0；若柱体直径d=10mm，材料的弹性模量E=21011N/m2，求

11、其所受拉力大小。 习题图2-11 差动电桥电路 解：由 R1/R1=K 1，则 2= 1= = 所以电桥输出电压为当柱体直径d=10mm时，由 ，得212 一台采用等强度梁的电子称，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片，做成称重传感器，如习题图212所示。已知l=10mm，b0=llmm，h=3mm，E=104N/mm2，K=2，接入直流四臂差动电桥，供桥电压6V，求其电压灵敏度(Ku=Uo/F)。当称重0.5kg时，电桥的输出电压Uo为多大 (a) (b)习题图2-12 悬臂粱式力传感器解：等强度梁受力F时的应变为当上下各贴两片应变片，并接入四臂差动电桥中时，其输出电压：则其电压灵敏度为 =1

12、0-3 (V/N)=(mV/N) 当称重 F=时，输出电压为U0 =Ku F=(mV)213 现有基长为10mm与20mm的两种丝式应变片，欲测钢构件频率为10kHz的动态应力，若要求应变波幅测量的相对误差小于，试问应选用哪一种为什么解： =v/f=5000/（10 103）=(m)l0=10mm时l0=20mm时 由此可见，应选用基长l0=10mm的应变片.214 有四个性能完全相同的应变片(K=，将其贴在习题图214所示的压力传感器圆板形感压膜片上。已知膜片的半径R=20mm，厚度h=0.3mm，材料的泊松比=，弹性模量E=1011N/m2。现将四个应变片组成全桥测量电路，供桥电压Ui=6

13、V。求：(1)确定应变片在感压膜片上的位置，并画出位置示意图；(2)画出相应的全桥测量电路图；(3)当被测压力为时，求各应变片的应变值及测量桥路输出电压U0；(4)该压力传感器是否具有温度补偿作用为什么(5)桥路输出电压与被测压力之间是否存在线性关系习题图2-14 膜片式压力传感器解：（1）四个应变片中，R2、R3粘贴在圆形感压膜片的中心且沿切向；R1、R4粘贴在圆形感压膜片之外沿径向，并使其粘贴处的应变r与中心切向应变tmax相等。如下图(a)所示。（2）测量电桥电路如上图(b)所示。 (a) (b)题解2-14图(a)应变片粘贴示意图；(b)测量电桥电路（3）根据（1）的粘贴方式，知 1

14、=4 = tmax = 10 3则测量桥路的输出电压为（4）具有温度补偿作用；（5）输出电压与被测力之间存在线性关系，因此，由（3）知217 线绕电位器式传感器线圈电阻为10K，电刷最大行程4mm，若允许最大消耗功率为40mW，传感器所用激励电压为允许的最大激励电压。试求当输入位移量为1.2mm时，输出电压是多少解：最大激励电压当线位移x=时，其输出电压218 一测量线位移的电位器式传感器，测量范围为010mm，分辨力为0.05mm，灵敏度为mm，电位器绕线骨架外径d=5mm，电阻丝材料为铂铱合金，其电阻率为=10-4mm。当负载电阻RL=10k时，求传感器的最大负载误差。解：由题知，电位器的

15、导线匝数为N=10/=200则导线长度为l=N d=200 d， (d为骨架外径) 电阻丝直径与其分辨力相当，即d丝=0.05mm 故电阻丝的电阻值 Lm 15m%=15%=% 第3章 电感式传感器315 某差动螺管式电感传感器(参见习题图3-15)的结构参数为单个线圈匝数W=800匝，l=10mm，lc=6mm，r=5mm，rc=1mm，设实际应用中铁芯的相对磁导率r=3000，试求： (1)在平衡状态下单个线圈的电感量L0=及其电感灵敏度足KL= (2)若将其接人变压器电桥，电源频率为1000Hz，电压E=，设电感线圈有效电阻可忽略，求该传感器灵敏度K。 (3)若要控制理论线性度在1以内，

16、最大量程为多少 解：（1）根椐螺管式电感传感器电感量计算公式，得 习题图3-15 差动螺管式电感传感器 差动工作灵敏度： (2) 当f=1000Hz时，单线圈的感抗为 XL =L0 =2f L0 =21000=2890() 显然XL 线圈电阻R0，则输出电压为 测量电路的电压灵敏度为 而线圈差动时的电感灵敏度为KL =mm，则该螺管式电感传感器及其测量电路的总灵敏度为 =mm 316 有一只差动电感位移传感器，已知电源电Usr=4V，f=400Hz，传感器线圈铜电阻与电感量分别为R=40，L= 30mH，用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，如习题图316所示，试求： (1)匹配电阻R3和R4的

17、值； (2)当Z=10时，分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值；(3)用相量图表明输出电压与输入电压之间的相位差。 习题图3-16 解：（1） 线圈感抗 XL= L=2 fL=2 400 30 10 3=（ ）线圈的阻抗 故其电桥的匹配电阻(见习题图3-16)R3 = R4 =Z=（ ） （2）当Z=10 时，电桥的输出电压分别为单臂工作： 双臂差动工作： （3） 317 如习题图317所示气隙型电感传感器，衔铁截面积S=44mm2，气隙总长度=0.8mm，衔铁最大位移=0.08mm，激励线圈匝数W=2500匝，导线直径d=0.06mm，电阻率=10-6 .cm，当激励电源频率f=4000Hz

18、时，忽略漏磁及铁损，求：(1)线圈电感值；(2)电感的最大变化量；(3)线圈的直流电阻值；(4)线圈的品质因数；(5)当线圈存在200pF分布电容与之并联后其等效电感值。习题图3-17 气隙型电感式传感器（变隙式） 解：（1）线圈电感值（2）衔铁位移=+时，其电感值 =10-1(H)=131mH衔铁位移=时，其电感值 =10-1(H)=196(mH)故位移 =0.08mm时，电感的最大变化量为L=L L =196131=65(mH) (3)线圈的直流电阻设为每匝线圈的平均长度，则 (4)线圈的品质因数 (5)当存在分布电容200PF时，其等效电感值318 如图34（b）所示差动螺管式电感传感器

19、，其结构参数如下：l=160mm，r=4mm，rc=2.5mm，lc=96mm，导线直径d=0.25mm，电阻率=10-6cm，线圈匝数W1=W2=3000匝，铁芯相对磁导率r=30，激励电源频率f=3000Hz。要求：(1)估算单个线圈的电感值L=直流电阻R=品质因数Q=(2)当铁芯移动5mm时，线圈的电感的变化量L=(3)当采用交流电桥检测时，其桥路电源电压有效值E=6V，要求设计电路具有最大输出电压值，画出相应桥路原理图，并求输出电压值。解：（1）单位线圈电感值电阻值 （lcp=2 r，每匝导线长度） 则品质因数 (2)铁芯位移lc=5mm时，单个线圈电感的变化 (3)要使电桥输出最大，

20、须使电桥为等臂电桥，则相邻桥臂阻抗比值a=1；且将电感线圈L和平衡电阻R放置在桥路输出的两侧，则 =(/2)，这时电桥的灵敏度|K|=，差动工作时为其2倍，故其输出电压=(V)=544mV其电桥电路如下图所示，其中Z1、Z2为差动螺管式电感传感器、R1、R2为电桥平衡电阻。题3-18题解图第4章 电容式传感器42 试计算习题图4-2所示各电容传感元件的总电容表达式。 (a) (b) (c)习题图4-2 解：由习题图4-2可见（1）图(a)等效为三个平板电容器串联 ， ， 总电容量为故（2）图(ba)等效为两个平板电容器并联 （3）图(c)等效为两柱形电容器并联，总电容量为43 在压力比指示系统

21、中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路，如习题43图所示。已知：0=0.25mm；D=38.2mm；R=；Usr=60V(交流)，频率f=400Hz。试求： (1)该电容传感器的电压灵敏度Ku (V/m)； (2)当电容传感器的动极板位移=10m时，输出电压Usc值。习题图43 解：由传感器结构及其测量电路可知（1）初始电容由于 则 从而得 (2) U0 = Ku d= m10 m= 44 有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半径r=4mm，假设与被测工件的初始间隙d0=0.3mm。试求： (1)如果传感器与工件的间隙变化量d=10m，电容变化量为多少 (2)如果测量电路的灵敏度

22、足Ku=100mV/pF，则在d=1m时的输出电压为多少 解：由题意可求（1）初始电容：由 ，则当d=10um时 如果考虑d1=0.3mm+10m与d2=0.3mm10m之间的电容变化量C，则应为C=2|C|=2= (2) 当d=1m时由 Ku=100mV/pF=U0/C，则U0=KuC=100mV/pF(=45有一变间隙式差动电容传感器，其结构如习题图4-5所示。选用变压器交流电桥作测量电路。差动电容器参数：r=12mm；d1=d2=d0=0.6mm；空气介质，即=0=10-12F/m。测量电路参数：usr=u= 3sint (V)。试求当动极板上输入位移(向上位移) x=0.05mm时，电

23、桥输出端电压Usc 习题图4-5解：由习题图4-5可求初始电容 C1=C2=C0= S/d= 0 r2/d0 变压器输出电压其中Z1 ,Z2 分别为差动电容传感器C1 ,C2 的阻抗.在Xd0时，C1 = C0 +C, C2 = C0 C，且 C/C0= d/d0，由此可得(V)46 如习题图4-6所示的一种变面积式差动电容传感器，选用二极管双厂网络测量电路。差动电容器参数为：a=40mm，b=20mm，dl=d2=d0=1mm；起始时动极板处于中间位置，Cl=C2=C0，介质为空气，=0=10-12F/m。测量电路参数：D1、D2为理想二极管；及R1=R2=R=10K；Rf=1M，激励电压U

24、i=36V，变化频率f=1MHz。试求当动极板向右位移x=10mm时，电桥输出端电压Usc 习题图4-6 解：由习题图4-6可求传感器初始电容 =10 12（F）= 当动极板向右移x=10mm时，单个电容变化量为（或 ）则 C1 = C0+C，C2 = C0 C，由双T二极管网络知其输出电压 USC = 2 k Ui fC 47 一只电容位移传感器如习题图4-7所示，由四块置于空气中的平行平板组成。板A、C和D是固定极板；板B是活动极板，其厚度为t，它与固定极板的间距为d。B、C和D极板的长度均为a，A板的长度为2a，各板宽度为b。忽略板C和D的间隙及各板的边缘效应，试推导活动极板刀从中间位置

25、移动x=a/2时电容CAC和CAD的表达式(x=0时为对称位置)。习题图4-7解：参见习题图4-7知CAC是CAB与CBC串联，CAD是CAB与CBD串联。 当动极板向左位移a/2时，完全与C极板相对（见题解4-7图），此时CAB=CBC=0ab/d则CAC=CAB/2=CBC/2=0ab/2d；CAD=0ab/(2d+t)。题解4-7图同理，当动极板向右移a/2时，与上相仿（见题解4-7图），有CAC =0ab/(2d+t)；CAD=0ab/2d48 已知平板电容传感器极板间介质为空气，极板面积S=aa=(2 2)cm2，间隙d0=0.1mm。求：传感器的初始电容值；若由于装配关系，使传感器

26、极板一侧间隙d0，而另一侧间隙为d0+b(b=0.01mm)，此时传感器的电容值。 解：初始电容当装配不平衡时（见题解4-8图(a)），可取其平均间隙计算（见题解4-8图(b)）=+2=(mm)则其电容为 =10-12(F)= (a) (b) (c) 题解4-8图或利用积分法计算传感器的电容，（见题解4-8图(c)），在位置x处，取宽度为dx、长度为a的两个狭窄长条之间的微电容为所以，总电容为 两种计算方法结果接近，但积分法更为严密。4-14 习题图4-14(a)所示差动式同心圆筒柱形电容传感器，其可动内电极圆筒外经d=9.8mm，固定电极外圆筒内经D=10mm，初始平衡时，上、下电容器电极覆盖长度L1=L2=L0=2mm，电极间为空气介质。试求：（1）初始状态时电容器C1、C2的值；（2）当将其接入习题图4-14(b)所示差动变压器电桥电路，供桥电压E=10 V（交流），若传感器工作时可动电极筒最大位移 x= 0.2mm，电桥输出电压的最大变化范围为多少 (a) (b)习题图4-14解 （1）初始状态时（2）当动电极筒位移 x= +0.2mm（向上）时，L1=2+=2.2mm，L2=2 =1.8mm，则差动变压器电桥输出为同理，当动电极筒位移 x= 0.2mm（向下）时，L1=2 =1.8mm，L2=2+=2.2mm，则差动变压器电桥输出为