传感器计算题详解

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1、word传感器与传感器技术计算题解题指导（供参考）第1章 传感器的一般特性1-5 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d(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：Dm402%=0.8(mV)当使用在1/2和1/8满量程时，其测量相对误差分别为：1-6 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t和静态灵敏度K。 （1） 式中，y为输出电压，V；T为输入温度，。 （2）

2、式中，y输出电压，mV；x输入压力，Pa。解：根据题给传感器微分方程，得(1) =30/3=10(s)，K10-510-5(V/)；(2) =1.4/4.2=1/3(s)，K=9.6/4.2=2.29(mV/Pa)。1-7 设用一个时间常数tx(t)=sin4tt的信号，试求其输出y(t)的表达式。设静态灵敏度K=1。解 根据叠加性，输出y(t)为x1(t)=sin4t和x2(tt单独作用时响应y1(t)和y2(t)的叠加，即y(t)= y1(t)+ y2(t)。由频率响应特性：所以y(t)= y1(t)+ y2(t)=0.93sin(4t-)+0.049sin(40t-)1-8 试分析传感器

3、系统的频率响应特性。解 传感器系统的时间常数t=A/B，灵敏度K=C/B。所以，其频率响应为相频特性为1-9 已知一热电偶的时间常数t=10s，如果用它来测量一台炉子的温度，炉温度在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，炉温度变化规律可表示为x(t) =520+20sin(wt)由周期T=80s，则温度变化频率f=1/T，其相应的圆频率 w=2pf=2p/80=p/40； 温度传感器（热电偶）对炉温度的响应y(t)为y(t)=520+Bsin(wt+j) 热电偶为一阶传感器，其响

4、应的幅频特性为因此，热电偶输出信号波动幅值为B=20A(w)=20 由此可得输出温度的最大值和最小值分别为y(t)|y(t)|=520 输出信号的相位差j为j()= -arctan()= -arctan(2p/8010)= -相应的时间滞后为Dt =1-10一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为输出电荷量，pC；x为输入加速度，m/s2。试求其固有振荡频率wn和阻尼比z。解: 由题给微分方程可得1-11 某压力传感器的校准数据如表1-5所示，试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。（最小二乘法线

5、性拟合原理和方法见末尾附录）表1-5 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，-2.70）和(x6，y6)=（0.10，14.45）。则a0由x=0时的y0值确定，即a0=y0-kx=y1=-2.70 (mV)k由直线的斜率确定，即（mV/MPa）拟合直线方程为y=-x求非线性误差：压

6、 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0.08 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0.10mV，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，最小二乘法线性回归

7、方程为y=-x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dR和迟滞误差dH是一致的。1-12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，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j=arctan(wt)=arctan(25010-3)=1-1

8、3一只二阶力传感器系统，已知其固有频率f0=800Hz，阻尼比z=0.14，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(w)和相位角j(w)各为多少；若该传感器的阻尼比z=0.7时，其A(w)和j(w)又将如何变化?解: 所以，当 当1-14用一只时间常数t=0.318s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t1-15已知某二阶传感器系统的固有频率f0=10kHz，阻尼比z=0.1，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围。解：由f0=10kHz，根据二阶传感器误差公式，有将z=0

9、.1代入，整理得1-16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1.2kHz，阻尼比均为0.4。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 =7.76%相位差= -0.29(rad)= -第2章 电阻应变式传感器2-5 一应变片的电阻R0=120，K=2.05，用作应变为800m/m的传感元件。(1)求DR与DR/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Uo。 解：由 K= ，得则R10-310-3120 其输出电压为=1.23(mV)2-6 一试件的轴向应变x=

10、0.0015，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： x =0.0015=150010-6 =1500(m) 由于x =l/l所以l/l=x =0.0015=0.15%2-7 假设惠斯通直流电桥的桥臂1是一个120W的金属电阻应变片（K=2.00，检测用），桥臂1的相邻桥臂3是用于补偿的同型号批次的应变片，桥臂2和桥臂4是120W的固定电阻。流过应变片的最大电流为30mA。（1）画出该电桥电路，并计算最大直流供桥电压。（2）若检测应变片粘贴在钢梁（弹性模量E1011N/m2）上，而电桥由5V电源供电，试问当外加负荷s=70kg/cm2时，电桥的输出电压是多少？（3）假定校

11、准电阻与桥臂1上未加负荷的应变片并联，试计算为了产生与钢梁加载相同输出电压所需的校准电阻值。解 （1）电桥电路如图所示；最大供桥电压Uim=30mA(120+120)W（2）s =70kg/cm2=686N/cm2106N/m2，则e=s/E106101110-5=32.7 (me)电桥输出为（3）为了使输出电压相同，只要应变e对应的电阻变化相同即可（这里取负应变对应电阻减少输出相同负电压）。 解题2-7图应变e对应的电阻变化为DR10-5R110-510-3W并联电阻RPRP/R1=120-10-3=119.99215(W)RPW1834kW2-8 如果将120的应变片贴在柱形弹性试件上，该

12、试件的截面积S10-4m2，材料弹性模量E=2101lN/m2。若由5104，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2-10 以阻值R=120，灵敏系数K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。2-11 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2-11)。若钢的泊松

13、比=0.285，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DR，试求电桥的输出电压Uo；若柱体直径d=10mm，材料的弹性模量E=21011N/m2，求其所受拉力大小。习题图2-11 差动电桥电路 解：由DR1/R1=Ke1，则 e2= -me1= -0.002= -所以电桥输出电压为当柱体直径d=10mm时，由 ，得2-12 若用一R=350W的应变片（K=2.1）粘贴在铝支柱（支柱的外径D=50mm，径d=47.5mm，弹性模量E1011N/m2）上。为了获得较大的输出信号，应变片应如何粘贴？并计算当支柱承受1000kg负荷时应变片阻值

14、的相应变化。解 应变片应沿支柱的轴向粘贴。应变片阻值的相应变化为DR=KeR= KRs/E= KR(F/S) /E 由于S=p(D2-d2)/4=p(502-2)/4=191(mm210-4m2F=1000kg=9800N所以DR35010-41011=0.52(W)2-13一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2-12所示。已知l=10mm，b0=llmm，h=3mm，E104N/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

15、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 10-3 (V/N)=3.463(mV/N)当称重 F9.8N=4.9N时，输出电压为Uo =KuF4.9=16.97(mV)2-14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0.5，试问应选用哪一种?为什么?解： l=v/f=5000/（10103）=0.5(m)l0=10mm时l0=20mm时 由此可见，应选用基长l0=10mm的应变片.2-15 有四个性能完全相同的应变片(K=2.0)，将其贴在习题

16、图2-14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=0.285，弹性模量E1011N/m2。现将四个应变片组成全桥测量电路，供桥电压Ui=6V。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0.1MPa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

17、，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)应变片粘贴示意图 (b)测量电桥电路题解2-14图（3）根据（1）的粘贴方式，知1 =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2-18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=1.2mm时，其输出电压2-19一测量线位移的电位器式传感

18、器，测量围为010mm，分辨力为0.05mm，灵敏度为2.7V/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，电位器的导线匝数为N=10/0.05=200则导线长度为l=Npd=200pd， (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 Lm15m%=150.052%=0.78% 第3章 电感式传感器3-15 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

19、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=1.8V，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，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 =2fL0 =210000.46=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 =151.6mH/mm，则该

20、螺管式电感传感器及其测量电路的总灵敏度为3-16 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3-16所示，试求： (1)匹配电阻R3和R4的值； (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=wL=2pfL=2p4003010-3=75.4（W）线圈的阻抗 故其电桥的匹配电阻(见习题图3-16)R3 = R4 =Z=85.4（W） （2）当Z=10W时，电桥的输出电压

21、分别为单臂工作： 双臂差动工作： （3） 3-17 如习题图3-17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10-6W.cm，当激励电源频率f=4000Hz时，忽略漏磁及铁损，求：习题图3-17 气隙型电感式传感器（变隙式）(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。 解：（1）线圈电感值（2）衔铁位移=+0.08mm时，其电感值10-1(H)=131mH衔铁位移=0.08m

22、m时，其电感值10-1(H)=196(mH)故位移Dd=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3-18 如图3-4（b）所示差动螺管式电感传感器，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

23、，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=2pr，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，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q =(/2)，这时电桥的灵敏度|K|=0.5，差动工作时为其2倍，故其输出电压=0.544(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-

24、18题解图第4章 电容式传感器4-2 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(b)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4-3 在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路，如习题4-3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

25、4-3 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 = Kudmm10mm=1.2V 4-4 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d210m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=Uo/C，则Uo

26、=KuC=100mV/pF(0.0049pF)=4-5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=010-12F/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=eS/d=e0pr2/d0 变压器输出电压其中Z1，Z2 分别为差动电容传感器C1，C2xR0，那么在被测温度处于非下限时有于是Uo=I(Rt-R0)=I(DRt)上式说明了可由不平

27、衡电桥的转换关系，通过改变桥路参数来实现标度变换。根据前面分析，有显然通过适当选取E或R便可得到I=0.234mA。当取R=20kW时，电源电压E为第8章 光电式传感器8-4 试述光电倍增管的结构和工作原理与光电管的异同点。若入射光子为103个(1个光子等效于1个电子电量)。光电倍增管共有16个倍增极，输出阳极电流为20A，且16个倍增极二次发射电子数按自然数的平方递增，试求光电倍增管的电流放大倍数和倍增系数。解：光电倍增管的结构是在光电管的阴极与阳极间增加若干倍增极，其工作原理除光电管的外光电效应外，主要是各倍增极的二次电子发射。倍增系数b=1222321621026；电流放大倍数M=20A

28、/1000e=20101910178-16 在自由空间，波长0=500m的光从真空进入金刚石(nd=2.4)。在通常情况下当光通过不同物质时频率是不变的，试计算金刚石中该光波的速度和波长。 解： v=c/ndc ，c为光速；=0 / nd =00mm ， 0为光速。8-17 利用Snell定律推导出临界角C的表达式。计算水与空气分界面(n水=1.33)的C值。 解：n水sinqc =n0 sinp/2=n0sinqc= n0 / n水qc8-18 求光纤n1=1.46，n2NA值；如果外部的n0=1，求光纤的临界入射角。解：当n0 =1时所以， qc =sin-18-19 一迈克尔逊干涉仪用平

29、均波长为634.8nm、线宽0.0013nm的镉红光光源，初始位置时光程差为零，然后，慢慢移动图8-52所示系统中的可移动四面体5，直到条纹再消失。求该镜子必须移动多少距离?它相当于多少个波长?解 初始光程差为零，则干涉条纹加强，为亮条纹。如果移动四面体使亮条纹消失，则光程差应为1/2波长，即634.8/2=317.4nm。由图8-52知，四面体移动距离S=317.4/2=158.7nm，考虑光源线宽0.00134nm，实际移动距离St=158.7nm+0.0013nm=158.7013nm。约相当于1/4个波长。 图8-52 迈克尔逊光纤位移干涉仪8-24 计算一块氧化铁被加热到100时，它能辐射出多少瓦的热量?(铁块的比辐射率在1002) 解：E=seT410-8 W/m2K43734 K40.9 m2第9章 磁电式传感器9-3 某霍尔元件lbd=101mm3，沿l方向通以电流I=1.0mA，在垂直于lb面方向加有均匀磁场B=0.3T，传感器的灵敏度系数为22V/AT，试求其输出霍尔