《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1—5 某传感器给定精度为2%F ·S ，满度值为50mV ，零位值为10mV ，求可能出现的最大误差δ(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（F ▪S ）为50﹣10=40(mV) 可能出现的最大误差为：∆m ＝40⨯2%=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：%4%10021408.01=⨯⨯=γy(t)=520+Bsin(ωt+ϕ)℃热电偶为一阶传感器，其响应的幅频特性为xydtdydtyd1010322100.111025.2100.3⨯=⨯+⨯+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ωn和阻尼比ζ。

解: 由题给微分方程可得()()sradn/105.11/1025.2510⨯=⨯=ω3差；写出端点连线法和最小二乘法拟合直线方程。

解 校验数据处理（求校验平均值）：（1）端点连线法 设直线方程为y=a 0+kx ，取端点（x 1，y 1）=（0，-2.70）和(x 6，y 6)=（0.10，14.45）。

则a 0由x=0时的y 0值确定，即a 0=y 0-kx=y 1=-2.70 (mV)k 由直线的斜率确定，即5.171010.0)70.2(45.141616=---=--=x x y y k （mV/MPa ）拟合直线方程为y =-2.70+171.5x♦求非线性误差：所以，压力传感器的非线性误差为%7.0%100)70.2(45.1412.0±=⨯--±=L δ♦求重复性误差：最大不重复误差为0.08 mV ，则重复性误差为%47.0%100)70.2(45.1408.0±=⨯--±=R δ♦求迟滞误差：最大迟滞为0.10mV ，所以迟滞误差为%58.0%100)70.2(45.1410.0±=⨯--±=H δ（2）最小二乘法设直线方程为y =a 0+kx数据处理如下表所示。

根据以上处理数据，可得直线方程系数分别为：()mV)(77.2042.08826.076626.03.0022.06942.23.083.34022.02222-=-=-⨯⨯-⨯=-⋅-⋅=∑∑∑∑∑∑x x n xy x y x a())MPa /mV (5.1713.0022.0683.343.0942.26222=-⨯⨯-⨯=-⋅-=∑∑∑∑∑x x n y x xy n k所以，最小二乘法线性回归方程为y =-2.77+171.5x求非线性误差：所以，压力传感器的非线性误差为%41.0%100)77.2(38.1407.0±=⨯--±=L δ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。

R H ()0526.112===+ωτ所以，当ξ=0.14时31.1=()()()()6.101845.05.015.014.02arctan12arctan22-=-=-⨯⨯-=--=rad n n ωωωωξωφ当ξ=0.7时()()975.05.07.045.0112222=⨯⨯+-=ωA()()4375.05.015.07.02arctan2-=-=-⨯⨯-=rad ωϕ1—12 用一只时间常数τ=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()1112-+=ωτγτ=0.318s(32313)()()()()()()%8.1633%3.295.022%2.551318.02112111,318.03221-=→=→=→=-=→=→=→=-=-⨯+=→=→=→==γπωγπωπγπωτrad Hz f s T rad Hz f s T rad Hz f s T s1—13 已知某二阶传感器系统的固有频率f 0=10kHz ，阻尼比ζ=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范围。

解：由f 0=10kHz ，根据二阶传感器误差公式，有()[]()%nn 314112222≤-ωωξ+ωω-=γ ()[]()069103141122222..nn =≤ωωξ+ωω-将ζ=0.1代入，整理得()()00645.096.124=+-n n ωωω⎩⎨⎧=⇒⎩⎨⎧=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0.183(388.10335.0927.12舍去）n nωωωω()kHz f f f f f f o oo n 83.110183.0183.0183.022=⨯==⇒===ππωω1—14 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⎩⎨⎧===3/11200/4005.0800/400n ωω则其动态误差()4.0=ξ()[]()141122221-+-=n nωωξωωγ[]%6.1715.04.045.0112222=-⨯⨯+-=()[]()1314.04311122222-⨯⨯+-=γ =7.76%相位差()()212n 115.015.04.02tan / 1/2tan -⨯⨯-=--=--ωωωωξϕn ()︒-=-=9.2749.0rad ()()2123/11314.02tan -⨯⨯-=-ϕ= -0.29(rad)= -16.6°361064.1m10m80005.2K R R -⨯=μμ⨯=ε=∆则ΔR=1.64×10-3 ×R=1.64×10-3 ×120Ω=0.197Ω2—7 某120Ω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=120Ω，额定功率P=40mW ，则其额定端电压为U=V PR 19.210401203=⨯⨯=-当其接入等臂电桥中时，电桥的激励电压为U i =2U=2×2.19=4.38V ≈4V2—8 如果将120Ω的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件的截面积S=0.5×10-4m 2，材料弹性模量E=2×101l N/m 2。

若由5×104N 的拉力引起应变片电阻变化为1.2Ω，求该应变片的灵敏系数K 。

解：应变片电阻的相对变化为 01.010011202.1===∆R R柱形弹性试件的应变为；005.0102105.01051144=⨯⨯⨯⨯===-SE F E σε应变片的灵敏系数为2005.001.0/==∆=εRR K2—10 以阻值R=120Ω，灵敏系数K=2.0的电阻应变片与阻值120Ω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2µε和2000µε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：⎩⎨⎧=⇒⨯=⇒⨯=⨯⨯==--μεεμεεεε2000)(1032)(1030.243436i o V V k U U差动：⎩⎨⎧=⇒⨯=⇒⨯=⨯⨯==--μεεμεεεε2000)(1032)(1030.223236i o V V k U U灵敏度：⎩⎨⎧==差动）单臂）(2/(4/i i oKU KU U K u ε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120Ω的金属应变片R 1和R 2，把这两应变片接人差动电桥(参看习题图2—11)。

若钢的泊松比µ=0.285，应变片的灵敏系数K=2，电桥的电源电压U i =2V ，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R 1的电阻变化值△R=0.48Ω，试求电桥的输出电压U 0；若柱体直径d=10mm ，材料的弹性模量E=2×1011N/m 2，求其所受拉力大小。

习题图2-11 差动电桥电路解：由∆R 1/R 1=K ε1，则002.02120/48.0/11==∆=K R R εε2= -με1= -0.285⨯0.002= -0.00057所以电桥输出电压为()2)V (00257.0)00057.0002.0(2424210==+⨯⨯=-=εεK U U i当柱体直径d=10mm时，由 E S F E ⋅==σε1，得 ))N (1014.341010102002.0423111⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==-πεES F2—12 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 ，b 0=llmm ，h=3mm ，E=2.1×104N/mm 2，K=2，接入直流四臂差动电桥，供桥电压6V ，求其电压灵敏度(K u =U o /F)。

当称重0.5kg 时，电桥的输出电压U o 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E b h Fl026=ε 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：E b h Fl KU K U U i i O 02644==ε则其电压灵敏度为 422101.21136100626⨯⨯⨯⨯⨯⨯===︒Eb h l K F U K io u υ =3.463×10-3 (V/N)=3.463(mV/N)当称重 F=0.5kg=0.5×9.8N=4.9N 时，输出电压为U 0 =K u F=3.463×4.9=16.97(mV)2—13 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： λ=v/f =5000/（10⨯103）=0.5(m)l 0=10mm 时%066.0118050010sin 105001sin 001-=-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=-︒πλππλδl l ＝l 0=20mm 时 %26.0118050020sin 205002-=-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=︒πδ 由此可见，应选用基长l 0=10mm 的应变片.2—14 有四个性能完全相同的应变片(K=2.0)，将其贴在习题图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µ=0.285，弹性模量E=2.0×1011N/m2。