全部整合《传感器基本知识及工程应用》第四版(郁有文)课后答案解析

_第一章传感与检测技术的理论基础1．什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。引用误差是绝对误差（在仪表中指的是某一刻度点的示值误差）与仪表的量程之比。_2．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。测量误差可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。感谢阅读在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。谢谢阅读采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。谢谢阅读引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。精品文档放心下载3．用测量范围为-50～+150kPa的压力传感器测谢谢阅读_量140kPa压力时，传感器测得示值为142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。感谢阅读解：绝对误差 1421402kPa精品文档放心下载实际相对误差142140100%1.43%140标称相对误差142140100%1.41%142引用误差142140100%1%150（50）4．什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。精品文档放心下载随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人精品文档放心下载_员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。谢谢阅读对于测量列中的某一个测得值来说，随机误差的出现具有随机性，即误差的大小和符号是不能预知的，但当测量次数增大，随机误差又具有统计的规律性，测量次数越多，这种规律性表现得越明显。所以一般可以通过增加测量次数估计随机误差可能出现的大小，从而减少随机误差对测量结果的影响。精品文档放心下载5．什么是系统误差？系统误差可分哪几类？系统误差有哪些检验方法？如何减小和消除系统误差？答：在同一测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。精品文档放心下载系统误差可分为恒值（定值）系统误差和变值系统_误差。误差的绝对值和符号已确定的系统误差称为恒值（定值）系统误差；绝对值和符号变化的系统误差称为变值系统误差，变值系统误差又可分为线性系统误差、周期性系统误差和复杂规律系统误差等。感谢阅读在测量过程中形成系统误差的因素是复杂的，通常人们难于查明所有的系统误差，发现系统误差必须根据具体测量过程和测量仪器进行全面的仔细的分析，这是一件困难而又复杂的工作，目前还没有能够适用于发现各种系统误差的普遍方法，只是介绍一些发现系统误差的一般方法。如实验对比法、残余误差观察法，还有准则检查法如马利科夫判据和阿贝检验法等。由于系统误差的复杂性，所以必须进行分析比较，感谢阅读尽可能的找出产生系统误差的因素，从而减小和消除系统误差。1.从产生误差根源上消除系统误差；2.用修正方法消除系统误差的影响；3.在测量系统中采用感谢阅读_补偿措施；4.可用实时反馈修正的办法，来消除复杂的变化系统误差。谢谢阅读6．什么是粗大误差？如何判断测量数据中存在粗大误差？感谢阅读答：超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，粗大误差又称疏忽误差。此误差值较大，明显歪曲测量结果。精品文档放心下载在判别某个测得值是否含有粗大误差时，要特别慎重，应作充分的分析和研究，并根据判别准则予以确定。通常用来判断粗大误差的准则有：3准则（莱以特准则）；肖维勒准则；格拉布斯准则。精品文档放心下载7．什么是直接测量、间接测量和组合测量？答：在使用仪表或传感器进行测量时，测得值直接与标准量进行比较，不需要经过任何运算，直接得到被测量，这种测量方法称为直接测量。谢谢阅读_在使用仪表或传感器进行测量时，首先对与测量有确定函数关系的几个量进行直接测量，将直接测得值代入函数关系式，经过计算得到所需要的结果，这种测量称为间接测量。若被测量必须经过求解联立方程组求得，如：有若干个被测量y，y，，…，y，直接测得值为x,x,,x,12m12n把被测量与测得值之间的函数关系列成方程组，即xf(y,y,,y)1112mxf(y,y,,y)2212mxf(y,y,,y)nn12m（1-6）方程组中方程的个数n要大于被测量y的个数m，用感谢阅读最小二乘法求出被测量的数值，这种测量方法称为组合测量。8．标准差有几种表示形式？如何计算？分别说明它们的含义。_答：标准偏差简称标准差，有标准差、标准差的估计值及算术平均值的标准差。感谢阅读sx标准差的计算公式2n222i(n)12ni1nn式中为测得值与被测量的真值之差。i标准差的估计值的计算公式s

nv2sii1式中v为残余误差，是测得值与算术平均值之差，该谢谢阅读i式又称为贝塞尔公式。算术平均值的标准差的计算公式xsx由于随机误差的存在，等精度测量列中各个测得值一般皆不相同，它们围绕着该测量列的算术平均值有一定的分散，此分散度说明了测量列中单次测得值的不可靠性，标准差是表征同一被测量的n次测量的感谢阅读_测得值分散性的参数，可作为测量列中单次测量不可靠性的评定标准。而被测量的真值为未知，故不能求得标准差，在有限次测量情况下，可用残余误差代替真误差，从而得到标准差的估计值，标准差的估计值含义同标精品文档放心下载s s准差，也是作为测量列中单次测量不可靠性的评定标准。若在相同条件下对被测量进行m组的“多次重复测量”，每一组测量都有一个算术平均值，由于随机误差的存在，各组所得的算术平均值也不相同，它们围绕着被测量的真值有一定分散，此分散说明了算术平均值的不可靠性，算术平均值的标准差则是表征同谢谢阅读x一被测量的各个独立测量列算术平均值分散性的参数，可作为算术平均值不可靠性的评定标准。9．什么是测量不确定度？有哪几种评定方法？_答：测量不确定度定义为表征合理赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。测量不确定度意味着对测量结果的可靠性和有效性的怀疑程度或不能肯定的程度。谢谢阅读测量不确定度按其评定方法可分为A类评定和B类评定。感谢阅读10．某节流元件（孔板）开孔直径d 尺寸进行15谢谢阅读20次测量，测量数据如下（单位：mm）：120．42 120．43 120．40 120．42感谢阅读120．43 120．39 120．30 120．40感谢阅读120．43 120．41 120．43 120．42精品文档放心下载120．39 120．39 120．40试检查其中有无粗大误差？并写出其测量结果。解：按测量顺序，将所得结果列表。测量

按15个数据测得值计算

按14个数据计算顺序D/mmi1120.42120.43120.40120.42120.43120.39120.30120.40120.43

_vddvddv2104ii15ii14iv2104i0.0162.560.810.0266.760.0093.61-0.0040.161.210.0162.560.0190.810.0266.763.61-0.0141.96-0.0114.41（-0.104108.1已剔）60.009除-0.0040.161.210.0266.760.0193.610.0060.360.010.0266.76-0.0213.610.0162.56已剔0.81-0.0141.96除4.41-0.0141.964.41-0.0040.16-0.0111.210.019120.41 -0.001_120.43120.42120.39120.39120.40d15d15i120.404i1d14d14i120.411i1

15 v20.01496i10.014960.033151

0.0190.009-0.021-0.021-0.0112v0.003374i10.0033740.0161411、判断有无粗大误差（1）按3准则从表中数据可知，第7个测得值可疑。v70.104； 3=3×0.033=0.099精品文档放心下载v73故可判断d=120.30mm含有粗大误差，应予剔除。感谢阅读7_剔除后按14个数据计算（见表中右方）。3=3×0.016=0.048所有14个v值均小于3，故已无需剔除的坏值。i（2）按肖维勒准则以n=15查肖维勒准则中的Zc值（见教材表1-3），得Zc=2.13。Zc=2.13×0.033=0.07<v7d7应剔除，再按n=14查表1-3得Zc=2.10。感谢阅读Zc=2.10×0.016=0.034所有v值均小于Zc，故已无坏值。i（3）按格拉布斯准则n=15取置信概率Pa=0.99，查格拉布斯准则中精品文档放心下载G值（见传感器原理及工程应用教材表1-4），得G=2.70。G=2.7×0.033=0.09<v7_故d7应剔除，再按n=14取置信概率Pa=0.99，查表感谢阅读1-4得G=2.66。G=2.66×0.016=0.04所有v值均小于G，故已无坏值。i2、测量结果0.0160.0043xn14故最后测量结果可表示为3120.410.0043120.410.013mm精品文档放心下载Pa=99.73%11.对光速进行测量，得到四组测量结果如下：第一组 C1=2.98000×108 m/s感谢阅读=0.01000×108m/sx1第二组 C2=2.98500×108 m/s精品文档放心下载=0.01000×108m/sx2第三组 C3=2.99990×108 m/s谢谢阅读_=0.00200×108m/sx3第四组 C4=2.99930×108 m/s精品文档放心下载=0.00100×108m/sx4求光速的加权算术平均值及其标准差。解：其权为p：p：p：p1：1：1：11：1：25：10012342222x1x2x3x4故加权算术平均值为（2.9800012.9850012.99990252.99930100）1082.99915108m/s谢谢阅读1125100p加权算术平均值的标准差1(2.980002.99915)21(2.985002.99915)225(2.999902.99915)2100(2.99930(41)(1125100)xp=0.00127×108m/s12．用电位差计测量电势信号Ex（如图所示），已知：谢谢阅读I1=4mA，I2=2mA，R1=5Ω,R2=10Ω,Rp=10Ω,rp=5Ω，电路中电阻R1、R2、rp的定值系统误差分别为谢谢阅读_R1=+0.01Ω，ΔR2=+0.01Ω，Δrp=+0.005Ω。设检感谢阅读流计G、上支路电流I1和下支路电流I2的误差忽略不感谢阅读计；求消除系统误差后的Ex的大小。测量电势Ex的电位差计原理线路图解：根据电位差计的测量原理，当电位差计的输出电Uab与被测电势Ex等时，系统平衡，检流计指零，此时有谢谢阅读I（Rr）IRE1 1 p 2 2 x当rp=5Ω系统平衡时,被测电势E I（Rr）IR4（55）21020mv感谢阅读x 1 1 p 2 2由于R1、R2、rp（Rp的一部分）存在误差，所以在检谢谢阅读测的过程中也将随之产生系统误差，根据题意系统误_差是用绝对误差表示，因此测量Ex时引起的系统误差感谢阅读为EExRExrExIExRExIxR1rpI1R2I21p122IRIrRIrIIRRI111p11p1222240.0140.00520.010.04mv谢谢阅读计算结果说明，R1、R2、rp的系统误差对被测电势精品文档放心下载Ex的综合影响使得Ex值20mv大于实际值Ex，故消除精品文档放心下载系统误差的影响后，被测电势应为=20-0.04=19.96mvx13.测量某电路的电流I=22.5，电压U=12.6V，标准差分别为I=0.5mA，U=0.1V，求所耗功率及其标准谢谢阅读差。解.功率 P0=UI=22.5×12.6=283.5mw精品文档放心下载标准差

U22I

I22U

12.62

0.52

22.52

0.12

6.69mw14．交流电路的电抗数值方程为xL1c，当角频率1=5Hz，测得电抗x1为0.8Ω；精品文档放心下载_2=Hz，测得电抗x2为0.2Ω；3=Hz，测得电抗x3为-0.3Ω，试用最小二乘法求L、C的值。解：令C1CC0.8(5L)v51C0.2)v(2L220.3(LC)v正规方程：30L3C4.13L1.29C0.04由此解得L=0.182HL=0.182HC=0.455C=2.2F15．用x光机检查镁合金铸件内部缺陷时，为了获得感谢阅读最佳的灵敏度，透视电压y应随透视件的厚度x而改精品文档放心下载变，经实验获得下列一组数据（如下表所示），试求透视电压y随着厚度x变化的经验公式。_X/12131415161820222426mmY/k52 55 58 61 65 70 75 80 85 91谢谢阅读．0．0．0．0．0．0．0．0．0．0解：作x，y散点图，属一元线性回归。回归方程为：谢谢阅读yˆbbx0方法一：用平均值法求取经验公式的b0和b时，将n对测量数据（x，y）分别代入ˆbx式，并将此测量方iiyb0程分成两组，即52.0(b12b)70.0(b18b)013b)020b)55.0(b75.0(b0058.0(b80.0(b22b)14b)015b)061.0(b85.0(b24b)0065.0(b16b)91.0(b26b)00291.05b70b401.05b110b将两组方程各0自相加，得两个方程式后，即可解出b0和b。精品文档放心下载291.05b70b0 401.05b110b019.702.75b故所求的经验公式为yˆ19.72.75x_方法二：应用最小二乘法求取经验公式的b0和b时，应使谢谢阅读各测量数据点与回归直线的偏差平方和为最小，见教材图1-10。误差方程组为yyˆ52.0(b12b)v1101yyˆ55.0(b13b)v2202yyˆ58.0(b14b)v3302yyˆ61.0(b15b)v4402yyˆ65.0(b16b)v5502yyˆ70.0(b18b)v6602yyˆ75.0(b20b)v7702yyˆ80.0(b22b)v8802yyˆ85.0(b24b)v9902yyˆ91.0(b26x)v10100nn（1-46）正规方程：3450b1806920b2.74b019.8所求的经验公式为yˆ19.82.74x第二章传感器概述_2-1什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？精品文档放心下载答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。感谢阅读通常传感器有敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部份；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部份。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须要有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部份。精品文档放心下载2-2 什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？分别说明这些性能指标的含义。_答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态(被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量)时的输出输入关系。精品文档放心下载传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，有灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。精品文档放心下载①灵敏度是指传感器输出量增量△y与引起输出量增量△y的相应输入量增量△x的之比。用S表示灵敏度，即S=△y/△x精品文档放心下载②传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值L满量程输出值谢谢阅读maxYFS之比。线性度也称为非线性误差，用rL表示，即LY。rLmax100%FS③迟滞是指传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。即传感器在全量程范围内最大的_迟滞差值 Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误精品文档放心下载差，用r 表示，即：rHYHmax100%精品文档放心下载L FS④重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用均方根误差计算，也可谢谢阅读用正反行程中最大重复差值计算，Rmax即:R(2~3)100%YFS2-3 什么是传感器的动态特性？有哪几种分析方法？它们各有哪些性能指标？答：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。谢谢阅读主要的分析方法有：瞬态响应法（又称时域分析法），相应的性能指标有时间常数τ、延迟时间td、上感谢阅读升时间tr、超调量σ和衰减比d等；频率响应法，相谢谢阅读应的性能指标有通频带ω0.707、工作频带ω0。95、时间感谢阅读_常数τ、固有频率ωn、跟随角φ0。70等。2-4某压力传感器测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。输出值/mV压力第一循环第二循环第三循环/MPa正行反行正行反行正行反行程程程程程程0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690.020.560.660.610.680.640.690.043.964.063.994.094.034.110,067.407.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.1014.4214.4214.4714.4714.4614.46答：表2-1最小二乘法各项数据压迟正反最小二乘直力平均值滞行程子样方差线（（V）值平均平方根y=-2.77+17×值1.5x_105ΔH非线yPa）正反（iV正反理论性x（V））行行值误行行程程y差程程SjISjD(V)ΔL(V)0-2.70-2.69-0.01-2.70.020.015-2.770.0763334930.00.600.67-0.070.640.040.0150.66-0.02237330410.03.994.08-0.094.040.030.0254.09-0.05437335120.07.427.51-.0087.470.020.0207.52-0.05663675280.010.910.9-0.0510.90.030.03010.9-0.0280357333215550.114.414.4014.40.020.02614.30.07055564481．先求出一些基本数值1)求出各个校准点正，反行程校准数据的算术平均值和迟滞值，列于表2-1中。_算术平均值迟滞值

y1(yy)j2jIjD|y y |jIjD上两式中，y1n，y1n，I表示正行程，yyjIni1jiIjDnjiDi1D表示反行程，n为重复测量序数，这里n=3，i=1、2、3。谢谢阅读2)由子样方差公式知S21(yy)2njIn1jiIji1S21(yy)2njDn1jiDji1上式中的n=3，j分别为0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5(×105Pa)压力。计算结果列于表2-1中。谢谢阅读2．按最小二乘法计算各性能指标：截距、斜率、方程式、理论值和非线性误差，由已知数据可以求出：6，x0.056xi0.3，yi34.83，y5.805，i1i16xiyi2.942，6xi2.210，6yi408.0895，222i1i1i1_2121lxx6xi(6xi)，lxy6xiyi6x6yiNNii1i1i1i1i1则方程式为

0lxy171.5、blbyb0x2.77xx2.77171.5x依此方程计算出的理论值，系统误差和非线性误差都列于表2-1中。①理论满量程输出|(xx)k|17.15(V)精品文档放心下载FS m 1②重复性取置信系数3，S0.0404maxvs100%0.707%RyFS③线性度yLmax100%0.408%LFS④迟滞误差1Hmax100%0.272%精品文档放心下载2yHFS_2-5当被测介质温度为t1，测温传感器示值温度为t2时，有下列方程式成立：感谢阅读dtt1t20 d2当被测介质温度从25℃突然变化到300℃，测温传感器的时间常数τ0=120s，试确定经过350s后的感谢阅读动态误差。答：由题可知该测温传感器为典型的一阶系统，则传感器的输出y(t)与时间满足如下关系：y(t)1et。谢谢阅读t1e3500.945y(t)1e120可知经过350s后，输出y(t)达到稳态值的94.5%。则精品文档放心下载该传感器测量温度经过350s后的动态误差为：(30025)(10.945)14.88℃精品文档放心下载2-6 已知某传感器属于一阶环节，现用于测量100Hz的正弦信号。如幅值误差限制在5%以内，则精品文档放心下载_时间常数τ应取多少？若用该传感器测量50Hz的正感谢阅读弦信号，问此时的幅值误差和相位差为多少？答：①若系统响应的幅值百分误差在5%范围内，即相当于幅值比A()应大于0.95，根据一阶系统的幅频特性，可计算的到的大小。感谢阅读A()10.951()2∴0.000523②在上面的时间常数及50Hz的正弦信号输入代入幅频特性方程可知振幅误差：A()110.9861()21(500.0005)2振幅误差为1-0.986=1.4%。相位差为：()arctg()9.332-7 有一个二阶系统的力传感器。已知传感器的固有频率为800Hz，阻尼比ξ=0.14，问使用该传感精品文档放心下载器测试400Hz的正弦力时，其幅值比A()和相位角φ感谢阅读_（ω）各为多少？若该传感器的阻尼比改为ξ=0.7，谢谢阅读A()和φ（ω）又将如何变化？答：讨论传感器动态特性时，常用无量纲幅值比A(ω)。当用f=800Hz、ξ=0.14的传感器来测量谢谢阅读0f=400Hz的信号时，A(ω)为A()1)2]2[2()2]2[1(0011.31[1(400)2]240.142(400)28008002()20.14(400)()tg1tg180010.57001()21(400)28000同理，若该传感器的阻尼比改为ξ=0.7，为A()0.97()430*2－8已知某二阶系统传感器的固有频率为10kHz，谢谢阅读阻尼比＝0.5，若要求传感器输出幅值误差小于3％，则传感器的工作范围应为多少？感谢阅读0.25频段为有用频段。由_已知210kHz，＝0.5，1A3%。感谢阅读n求：传感器的工作频率范围。解：二阶传感器的幅频特性为：A() 1 n

1。2222n0时，A1，无幅值误差。当0时，A一般不等于1，即出现幅值误差。精品文档放心下载若要求传感器的幅值误差不大于3％，应满足0.97A1.03。解方程A() 1 n

10.97，得1.03；221n22n解方程A() 1 n

11.03，得0.25，222n22n0.97n

。由于＝0.5，根据二阶传感器的特性曲线可知，上面三个解确定了两个频段，即0～和～。前者在特征谢谢阅读2 3 1曲线的谐振峰左侧，后者在特征曲线的谐振峰右侧。对于后者，尽管在该频段内也有幅值误差不大于3％，但是该频段的相频特性很差而通常不被采用。所以，感谢阅读只有0～ 0.25210kHz可精品文档放心下载2 2 n_f2.5kHz，即工作频率范围为0～2.5kHz。第三章应变式传感器感谢阅读1．什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。答：在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化的现象，称为应变效应。其表达式为dRRK，式中K为材料的感谢阅读应变灵敏系数，当应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K为常数。金属电阻应变片的电阻相对变感谢阅读化量dRR与金属材料的轴向应变成正比，因此，利用精品文档放心下载电阻应变片，可以将被测物体的应变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。2．试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿办法。_答：由于测量现场环境温度偏离应变片标定温度而给测量带来的附加误差，称为应变片温度误差。谢谢阅读产生应变片温度误差的主要原因有：⑴由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，应变片的标称电阻值发生变化。⑵当试件与与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于温度的变化而引起的附加变形，使应变片产生附加电阻。感谢阅读电阻应变片的温度补偿方法有线路补偿法和应变片自补偿法两大类。电桥补偿法是最常用且效果较好的线路补偿法，应变片自补偿法是采用温度自补偿应变片或双金属线栅应变片来代替一般应变片，使之兼顾温度补偿作用。谢谢阅读3．什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？_答：如题图3-3所示电路为电桥电路。若电桥电路的工作电源谢谢阅读为直流电源，则该电桥称为直流电桥。题图3-3 直流电桥按应变所在电桥不同的工作桥臂，电桥可分为：⑴单臂电桥，R为电阻应变片，R、R、R为电桥谢谢阅读1 2 3 4ER固定电阻。其输出压为U04 R11⑵差动半桥电路，R、R为两个所受应变方向相反1 2的应变片，R、R为电桥固定电阻。其输出电压为：4RU02R11⑶差动全桥电路，R1、R2、R3、R4均为电阻应变片，精品文档放心下载且相邻两桥臂应变片所受应变方向相反。其输出电R压为：U0ER11_4．拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问：（1） 四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？（2） 画出相应的电桥电路图。答：①如题图3-4﹙ａ﹚所示等截面悬梁臂，在外力F精品文档放心下载作用下，悬梁臂产生变形，梁的上应变表片面受到拉应变，而梁的下表面受压应变。当选用四个完全相同的电精品文档放心下载阻应变片组成差动全桥电路，则应变片如题图3-4﹙ｂ﹚所示粘贴。谢谢阅读题图3-4（a）等截面悬臂梁 （b）应变片粘贴方式 （c）测量电路_②电阻应变片所构成的差动全桥电路接线如图3-4﹙ｃ﹚所示，R、R所受应变方向相同，R、R所受1423、应变方向相同，但与R、R所受应变方向相反。4图示为一直流应变电桥。图中E=4V，感谢阅读R=R=R=R=120，试求：1234（1）R为金属应变片，其余为外接电阻。当R的增11量为R1.2时，电桥输出电压U?10（2）R，R都是应变片，且批号相同，感应应变的12极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压?0（3）题（2）中，如果R与R感受应变的极性相反，21且RR1.2，电桥输出电压U?120答：①如题3-5图所示U0ER41.20.0111题图3-5 直流电桥_②由于R1，R2均为应变片，且批号相同，所受应变大小和方向均相同，则RRRRRR1212U0RRR224ERRRRRR112234RRR112042RRR3R42240③根据题意，设RRR RRR1 1 2 2U0RRR224ERRRR2RR41123RRR2241 2 3 4E2RR2421201.20.02精品文档放心下载图示为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.05,未受应变时，R1=120Ω。当试件受力感谢阅读题图6等强度梁测力系统示意图F时，应变片承受平均应变ε=800μm/m，求：（1）应变片电阻变化量 R1和电阻相对变化量_R1/R1。（2）将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压及电桥非线性误差。（3）若要减小非线性误差，应采取何种措施？并分析其电桥输出电压及非线性误差大小。解：①根据应变效应，有RR1K1已知K2.05，800mm，R1201代入公式则RKR1 12.058001061200.20感谢阅读R0.200.17••11②若将电阻应变片置于单臂测量桥路中R3U04R140.00171.25mV感谢阅读1_R1l2R0.0851非线性误差12R%11③若要减小非线性误差，可采用半桥差动电路，且选择RRRR120RR0.20123412R和R所受应变大小相等，应变方向相反。1 2此时RU02R12.50mV10L7.在题6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数精品文档放心下载11106/℃，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻感谢阅读g温度系数15106/℃，线膨涨系数14.9106/℃。当传s感器的环境温度从10℃变化到50℃时，引起附加电阻精品文档放心下载相对变化量RR为多少？折合成附加应变为多少？tt解：在题3-6的条件下，合金钢线膨胀系数为g=11×谢谢阅读10-6/℃。则50应变片敏感1t11110610g0g0_栅材质为康铜。电阻温度系数为 14.9106/℃。则谢谢阅读s610，当两者粘贴在一起时，s0s0电阻丝产生附加电阻变化R为：RKRt601gs2.05120111014.9105010=-0.03838当测量的环境温度从10℃变化到50℃时，金属电阻丝感谢阅读自身温度系数15106/℃。则：R Rt1201510650100.07200谢谢阅读 1总附加电阻相对变化量为：RRR0.072000.038380.02802%t00折合附加应变为：RRt0.000280200.0001367mm136.7mtK2.05m3－8一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径为20mm，内径为18mm，在其表面粘贴八个应变片，四个沿轴向粘贴，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω，灵敏精品文档放心下载_度为2.0，泊松比为0.3，材料弹性模量E2.11011Pa。感谢阅读要求：①绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；②计算传感器在满量程时各应变片的电阻；③当桥路的供电电压为10V时，计算电桥负载开路时的输出。精品文档放心下载解：已知：F＝10kN，外径D20mm，内径d18mm，R＝120Ω，K＝2.0，0.3，2.1＝10V。E1011Pa，UiR5R6R7R8圆筒的横截面积为SRRRR6mm323414(c)弹性元件贴片位置及全桥电路如图所示。1357RRRR应变片1、2、3、4感受轴向应变：URRoRR68241234x应变片5、6、7、8感受周向应变：～U满量程时，a)(b)567(d)8yRRRRKRKFR2.010kN1200.1911234xSE59.7106mm32.11011PaRRRRKRR0.30.1910.05735678y1电桥的输出为：U0UiRRRRRRRR1133R6688RRRRRRRRRRRRRRR1133557766882244120.191120.191119.943119.94310mV10V120.191120.191119.943119.943119.943119.943120.191120.191_第四章电感式传感器说明差动变隙电压传感器的主要组成，工作原理和基本特性。感谢阅读答：差动变隙电压传感器结构如下图所示。主要由铁芯，衔铁，线圈三部分组题图4-1差动变隙 成。传感器由两个完全相同的电压线圈精品文档放心下载电压传感器合用一个衔铁和相应磁路。工作时，衔铁与被测件相连，当被测体上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等方向相反的变化。导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。其输出特性为：LLL2L241120000若忽略上式中的高次项，可得L2L 0 0为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的_两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。精品文档放心下载变隙试电感传感器的输入特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？谢谢阅读答：变隙试电压传感器的输出特性为：LL23100000其输出特性与初始电压量L，气隙厚度，气隙变化谢谢阅读0 0有关。当选定铁芯，衔铁材料及尺寸，确定线圈的匝数及电气特性，则Lf。感谢阅读从传感器的输出特性可以看出，L与成非线性关系，为改善其非线性，通常采用差动变隙式电感传感器，如题图4—1所示，输出特性表达式为；感谢阅读L2L2410000将上式与单线圈变隙式传感器相比，若忽略非线性项，其灵敏度提高一倍，若保留一项非线性项，则单线圈_L3式2，而差动式由于<<1，因此，LLL00000差动式的线性度得到明显改善。差动变压器式传感器有几种结构形式？各有什么特点？答：差动变压器式传感器有变隙式差动变压器式和螺线管式差动变压器式传感器二种结构形式。变隙式差动变压器传感器的输出特性为0WU，输出电压WiU210与W2W比值成正比，然而W2W比值与变压器的体积与11零点残余电压有关。应综合考虑；U0与0成反比关系，因此要求越小越好，但较小的使测量范围受到约精品文档放心下载0 0束，通常在0.5mm左右。螺线管式差动变压器式传感器的输出特性是激励电压U和激磁频率f的函数，理论上，灵敏度K与U、f感谢阅读成正比关系，而实际上由于传感器结构的不对称、铁_损、磁漏等因素影响，K与f不成正比关系，一般在感谢阅读400Hz～10KHz范围内K有较大的稳定值，K与U不论感谢阅读在理论上和实际上都保持较好的线性关系。一般差动变压器的功率控制在1瓦左右，因此U取值在3～8伏感谢阅读范围之内。为保证传感器有较好的线性度，其测量范围为线圈骨架长度的101到14。因此可以测量大位移范谢谢阅读围。差动变压器式传感器的等效电路包括哪些元件和参数？各自的含义是什么？感谢阅读答：差动变压器式传感器在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如题图4感谢阅读—4所示。其中U为初级线圈L的题图4-4差动变压器式传感11a器等效电路激励电压，r为初级线圈直流电阻，1L为初级线圈交流电感，r，r为两次级线圈直流电阻，精品文档放心下载1 2a 2b_，L为两次级线圈的交流电感。初级线圈与两次级2a 2b线圈的互感系数为M，M，线圈W的感应电势为E，谢谢阅读1 2 2a 2a线圈W的感应电势为E。2b 2b差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？谢谢阅读答：差动电压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。对零点残余电压进行频谱分析，发现其频谱主要由基波和三次谐波组成，基波产生的主要原因是传感器两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，三次谐波产生的原因主要是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和，磁滞）所造成的。消除或减小零点残余电压的主要方法有：①尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路的相互对称。②传感器设置良好的磁屏蔽，必要时再设置静电屏蔽。③将传感器磁回电路工作区域设计在铁芯曲线的线性段。④采用外电路精品文档放心下载_补偿。⑤配用相敏检波测量电路。6.简述相敏检波电路的工作原理，保证其可靠工作的条件是什么？答：相敏检波电路如题图4—6﹙ａ﹚所示。图题图4—6相敏检波电路中V，V，V，V为四个性能相同的二极管。以同一谢谢阅读D1 D2 D3 D4方向串联接成一个闭合回路，组成环形电桥。输入信号U（差动变压器式传感器输出的调谐波电压）通过2变压器T加入环形电桥的一个对角线上，参考信号U1 S通过变压器T加到环形电桥的另一个对角线上，为保2证相敏检波电路可靠工作，要求U的幅值要远大于输S入信号U2态，且US

的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状和差动变压器式传感器激励电压U1由同一振荡器供电。保证二者同频同相（或反相）。当x>0时，感谢阅读_U与U同频同相。V，V截止，V，V导通，则可得谢谢阅读2 S D1 D4 D2 D3题图4—6﹙ｂ﹚所示等效电路。其输出电压表达式为uRu，在与均为负半周时，、截止，、0L1UUnR2RVVV1L2SD2D3D1导通，则题图4—6﹙ｃ﹚所示为等效电路，其输4出电压表达式亦为u0Ru，这说明只要位移L1nR2R1Lx>0，不论U与U是正半周还是负半周，负载电阻R两2SL端得到的电压始终为正。当x<0时，采用上述相同方感谢阅读法可以得到输出电压的表达式为uRu。（为U0L2nR2Rn01L1变压器T的变比）。故题图4—6﹙ａ﹚所示相敏检波精品文档放心下载1电路输出电压u的变化规律充分反映了被测位移量的0变化规律，即电压数值反映了x大小，而u极性则反谢谢阅读0映了位移x的方向。7.已知一差动整流电桥电路如题题图4-7 差动整流电桥电路_图4-7所示。电路由差动电感传感器Z、Z及平衡电谢谢阅读1 2阻R、R（RR）组成。桥路的一个对角接有交流电谢谢阅读1 2 1 2源U，另一个对角线为输出端U，试分析该电路的工精品文档放心下载i O作原理。解：题图4—7为差动整流电桥电路，Z，Z为差动电精品文档放心下载1 2压传感器，RR为平衡电阻，为交流电源，C、C、U1212iR、R构成一型滤波电路，输出电压为。34U0当被测输入量为零时，传感器Z与传感器Z相等，精品文档放心下载1 2此时若为正半周，则V、V导通，V、V截止，UiD1D3D2D4电流I流经Z，V，R，电流I流经Z，V，R，如11D3222D11果四只二极管具有理想特性（导通时内阻为零，截止时内阻为无穷大），则UIR，UIR。且如R121R212题图4—7所示U与U方向相反，UUU0。若R1R20R1R2为负半周，则V、导通，、截止，电流流UVVVIiD2D4D1D31经，，，而电流流经，，，此时，RVZIRVZUIR1D2122D42R111_UIR，且如图所示U与U方向相反，R222R1R2。UUU00 R1 R2②当被测输入量不等于零，且Z>Z，若为正半周，U12i此时有<，>，>0。若IIUIRUIRUUUU12R121R2120R1R2i为负半周，此时UIR，UIR，I<I则R11R221212>0，即不论为正半周还是负半周，输UUUUU0RRi012出电压始终为正。③当被测输入量不等于零，且Z<Z时，采用相同的精品文档放心下载1 2分析方法同理可得：<0，即不论为正半UUUU0R1R2i周还是负半周，输出电压始终为负。U0所以该测量电路输出电压幅值反映了被测量的大小，而的符号则反映了该被测量的变化方向。U0已知变气隙电感传感器的铁芯截面积S1.5cm2，磁路长度L20cm，相对磁导率5000，气隙00.5cm，1精品文档放心下载0.1mm，真空磁导率4107H/m，线圈匝数0_3000，求单端式传感器的灵敏度L。若做成差动结构形式，其灵敏度将如何变化？感谢阅读解：LSW21.510441073000200169.6mH0220.51020SW241071.510430002L00169.63.5mH220.50.01102灵敏度：KL3.510335H0.1103m接成差动结构形式，则2L70Hm灵敏度提高一倍。9．何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？答：块状金属导体置于变化着的磁物中，或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，所产生电涡流的现象称为电涡流效应。_电涡流式传感器的测试系统由电涡流式传感器和被测金属两部分组成。当线圈中通以交变电流I时，1其周围产生交变磁物，置于此磁物中的导体将感应H1出交变电涡流I

，I

又产生新的交变磁物H

，H

的作用2

2

2

2将反抗原磁物H

，导致线圈阻抗Z

发生变化，Z

的变化1完全取决于导体中的电涡流效应，而电涡流效应既与导体的电阻率，磁导率，几何尺寸有关，又与线圈感谢阅读的几何参数、线圈中的激磁电流频率f有关，还与线圈和导体间的距离x有关，因此，可得等效阻抗Z的函感谢阅读数差系式为F（、、r、f、x）式中r为线圈与被测体的尺寸因子。以上分析可知，若保持，，r，f参数不变，而只改变x参数。则Z就仅仅是关于x单值函数。测量出等效阻抗Z，就可实现对位移量x的测量。感谢阅读_10．电涡流的形成范围包括哪些内容？它们的主要特点是什么？答：电涡流的形成范围包括电涡流的径向形成范围、电涡流强度与距离的关系和电涡流的轴向贯穿深度。电涡流的径向形成范围的特点为：①金属导体上的电涡流分布在以线圈轴线为同心，以（1.8～2.5）r为感谢阅读as半径的范围之内（r为线圈半径），且分布不均匀。②精品文档放心下载as在线圈轴线（即短路环的圆心处）内涡流密度为零。③电涡流密度的最大值在rras附近的一个狭窄区域内。精品文档放心下载电涡流强度与距离x呈非线性关系。且随着x的增精品文档放心下载加，电涡流强度迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在xras=0.05～0.15的范围内才具有较好的线性度和较高的灵敏度。精品文档放心下载电涡流的轴向贯穿深度按指数规律分布，即电涡流_密度在被测体表面最大，随着深度的增加，按指数规律衰减。感谢阅读11．电涡流传感器常用测量电路有几种？其测量原理如何？各有什么特点？答：电涡流传感器常用的测量电路有：调频式测量电路和调幅式测量电路二种。精品文档放心下载调频式测量电路如题图4—11﹙ａ﹚所示，传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变谢谢阅读时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率变化，该变化的频率是距离x的函数，即1f2LxC，该电路输出是频率量，固抗干扰性能较好，但f的表达式中有电容C参数存在，为避免传感器引线精品文档放心下载_的分布电容影响。通常 将题图4—11﹙ａ﹚电涡流传感器调频式测量电路L.C封装在传感器内，此时电缆分布电容并联在大电容上，因而对振荡频率f的影响大大减小。调幅式测量电路如题图4—11题图4—11﹙ｂ﹚电涡流传感器调幅式测量电路 ﹙ｂ﹚所示，精品文档放心下载石英晶体振荡器起恒流源作用，给谐振回路提供了一个激励频率f0稳定的激励电流i0，由传感器线圈L、电谢谢阅读容器C构成一个LC振荡电路，其输出电压U i fz，当精品文档放心下载0 0金属导体远离电涡流传感器或去掉时，LC并联谐振回谢谢阅读_路的谐振频率即为石英振荡频率f0，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近感谢阅读传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐而偏离了激励频率，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化，因此，输出电压也随x而变精品文档放心下载化。第五章1.根据工作原理可将电容式传感器分为那几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？答：根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有三种基本类型，即变极距(d)型（又称变间隙型）、变面积(A)型和变介电常数(ε)型。变间隙型可测量位移，变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸，变介电常数型可测量液体液位、材料厚度。电容式传感器具有以下特点：功率小，阻抗高，由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此，在信号检测过程中，只需要施加较小的作用力，就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出；动态特性良好，具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；本身的发热对传精品文档放心下载_感器的影响实际上可以不加考虑；可获取比较大的相对变化量；能在比较恶劣的环境条件下工作；可进行非接触测量；结构简单、易于制造；输出阻抗较高，负载能力较差；寄生电容影响较大；输出为非线性。2.如何改善单极式变极距型传感器的非线性？感谢阅读答：采用差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级。精品文档放心下载5－3图5—7为电容式液位计测量原理图。请为该测精品文档放心下载D量装置设计d匹配的测量