自動檢測技術(shù)及應(yīng)用.docx

設(shè)計題：P58 12題：2-12.酒后駕車易出事故，但判定駕駛員是否喝酒過量帶有較大的主觀因素。請你利用學(xué)過的知識，設(shè)計一臺便攜式、交通警使用的酒后駕車測試儀?？傮w思路是：讓被懷疑酒后駕車的駕駛員對準(zhǔn)探頭（內(nèi)部裝有多種傳感器）呼三口氣，用一排發(fā)光二級管指示呼氣量的大小（呼氣量越大，點亮的LED越多）。當(dāng)呼氣量達到允許值之后，“呼氣確認”LED亮，酒精蒸氣含量數(shù)碼管指示出三次呼氣的酒精蒸氣含量的平均百分比。如果呼氣量不夠，則提示重新呼氣，當(dāng)酒精含量超標(biāo)時，LED閃亮，蜂鳴器發(fā)出“滴滴”聲。根據(jù)以上設(shè)計思路，請按以下要求操作。1） 上網(wǎng)查閱有關(guān)酒精蒸汽測試儀以及燃料電池型呼氣酒精測試傳感器的資料；2）說明燃料電池型呼氣酒精傳感器與MQN型氣敏電阻的區(qū)別；3）畫出你構(gòu)思中的便攜式酒后駕車測試儀的外形圖、包括一根帶電纜的探頭以及主機盒。在主機盒的面板上必須畫出畫出電源開關(guān)、呼氣指示LED若干個、呼氣次數(shù)指示LED（3個）、酒精蒸氣含量數(shù)字顯示器、報警LED、報警蜂鳴器發(fā)聲孔等；4）畫出測量呼氣流量的傳感器簡圖；5）畫出測量酒精蒸氣含量的傳感器簡圖；6）畫出測試儀的電路原理框圖；7）簡要說明幾個環(huán)節(jié)之間的信號流程；8）寫出該酒后駕車測試儀的使用說明書。答：1、酒精測試儀 Alcohol tester：酒精濃度測試儀，又稱酒精檢測儀，是可供執(zhí)法交警作為檢測駕駛?cè)藛T呼氣酒精含量的具有法律效力的酒精測試儀，也可以用在需要控制人體酒精呼入量以確保安全的任何場合?？梢詫怏w中酒精含量進行檢測的設(shè)備有五種基本類型，即：燃料電池型（電化學(xué)）、半導(dǎo)體型、紅外線型、氣體色譜分析型、比色型。燃料電池是當(dāng)前全世界都在廣泛研究的環(huán)保型能源，它可以直接把可燃氣體轉(zhuǎn)變成電能，而不產(chǎn)生污染，酒精傳感器只是燃料電池的一個分支。燃料電池酒精傳感器采用貴金屬白金作為電極，在燃燒室內(nèi)充滿特種催化劑，使進入燃燒室內(nèi)的酒精充分燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，也就是在兩個電極上產(chǎn)生電壓，電能消耗在外接負載上，此電壓與進入燃燒室內(nèi)氣體的酒精濃度成正比。2、相比于半導(dǎo)體型酒精傳感器，燃料電池型酒精傳感器有如下優(yōu)點： 1、選擇性好；人的口氣中一般只有少量氣體對燃料電池有作用，也就是說能“燃燒”，尤其是口臭、煙油子、飯菜味，水蒸氣基本上對傳感器沒有影響。這是半導(dǎo)體比不了的。2、響應(yīng)快；新生產(chǎn)的半導(dǎo)體傳感器的響應(yīng)速度最快5秒左右，用一段時間后，這個響應(yīng)時間將達到30秒；而燃料電池型酒精傳感器，一般響應(yīng)速度0.5秒左右，不太好的傳感器3秒左右，且響應(yīng)速度不隨著器件的老化而變化；這也是半導(dǎo)體比不了的。3、計量準(zhǔn)確性好；由于燃料電池酒精傳感器的選擇性好，其響應(yīng)與酒精直接相關(guān)，而半導(dǎo)體酒精傳感器的信號，其實，只有參考作用！ 當(dāng)然，半導(dǎo)體型酒精傳感器也不是一無是處，它也有優(yōu)點：1、環(huán)境耐受力強，對氣溫變化不敏感。由于它是需要加熱才能工作的，因此，即使在-70的環(huán)境下，也可以用簡單的辦法讓酒精傳感器正常工作。而燃料電池傳感器，此時必須附加加熱裝置，否則傳感器會罷工！同時，對于高溫情況，即使100以上的環(huán)境，也不影響半導(dǎo)體氣體傳感器工作；但是，燃料電池型傳感器則會因為失水而失效，甚至毀壞。2、價格超級便宜。是燃料電池型的1/40!3、4、5、略6、如圖所示，7、呼出氣體經(jīng)管道傳至呼氣流量傳感器及酒精傳感器，呼氣流量傳感器檢測呼出氣體是否達到標(biāo)準(zhǔn)，若未達到，重新呼氣；酒精傳感器輸出直接反映酒精的濃度，從而達到測量目的。8、說明書：讓被懷疑酒后駕車的駕駛員對準(zhǔn)探頭（內(nèi)部裝有多種傳感器）呼三口氣，用一排發(fā)光二級管指示呼氣量的大小（呼氣量越大，點亮的LED越多）。當(dāng)呼氣量達到允許值之后，“呼氣確認”LED亮，酒精蒸氣含量數(shù)碼管指示出三次呼氣的酒精蒸氣含量的平均百分比。如果呼氣量不夠，則提示重新呼氣，當(dāng)酒精含量超標(biāo)時，LED閃亮，蜂鳴器發(fā)出“滴滴”聲。P78 8題：3-8. 請上網(wǎng)查閱有關(guān)差動變壓器的資料，并參考圖3-27的原理，構(gòu)思一個測量向日葵日生長量（高度）的測量儀器。請你畫出向日葵、3只導(dǎo)向滑輪、1只動滑輪、細線及固定點、差動變壓器、銜鐵（代替圖3-27中的砝碼）、測量轉(zhuǎn)換電路、指針式毫伏表等元器件，應(yīng)使讀者能看清他們之間的安裝關(guān)系，并簡要說明其工作原理。（注：可利用滑輪將向日葵的向上生長量轉(zhuǎn)換為銜鐵的向下位移量，圖中不應(yīng)出現(xiàn)“電動機”之類的電動元器件）。答：1、由于植物生長是緩慢的，因此采用能測量微位移的差動變壓器式位移傳感器是較合適的。 2、觀察向日葵的生長姿態(tài)，再考慮質(zhì)量塊(銜鐵)、導(dǎo)向輪、細繩及與差動變壓器的相對位置及傳動過程是該裝置的關(guān)鍵。 3、由于向日葵的生長是單方向的，因此測量轉(zhuǎn)換電路的信號輸出可以采用直流電壓表指示。 4、指針式毫伏表可將向日葵的生長量轉(zhuǎn)換成指針的擺動幅度，儀表刻度可預(yù)先用卡尺標(biāo)定。5、若進一步深化研究本題，可考慮將差動變壓器的輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換電路和接口電路輸入到計算機處理系統(tǒng)。計算機定時采集向日葵生長量的信息，經(jīng)運算，在屏幕上顯示或打印向日葵的生長趨勢的曲線，則該測量裝置就更完善和先進P96 9題4-9. 某一火力發(fā)電廠發(fā)現(xiàn)，運輸?shù)皆撾姀S的煤炭中混雜有未爆炸的雷管和其他金屬。現(xiàn)打算在磨煤機傳送帶的適當(dāng)位置安裝若干個傳感器，當(dāng)檢測到雷管和其他金屬時報警，并快速將該段傳送帶上的煤塊自動推下傳送帶。請按以上要求，設(shè)計一臺雷管檢測裝置。具體要求是：1）畫出該裝置的簡圖；2）畫出系統(tǒng)框圖；3）簡要說明檢測原理。P118 7題：5-7. 糧食部門在收購、存儲谷物等時，需測定這些糧食、種子的干燥程度，以防霉變。請根據(jù)已學(xué)過的知識，設(shè)計一臺糧食含水量測試儀，要求：1）能顯示在標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量（100g）條件下糧食的含水量（一般為10%20%）；2）能進行糧食品種的選擇（能輸入不同的糾正系數(shù)）；3）糧食易于倒入及倒出（內(nèi)極柱應(yīng)為圓錐頂，將圖5-6b的內(nèi)圓筒倒置）；4）外殼對操作者有靜電屏蔽作用（可減少手的影響），引線從下方中心接 出，并考慮與周邊接地外殼絕緣；5）畫出傳感器結(jié)構(gòu)簡圖、信號調(diào)理框圖，并說明其工作原理及優(yōu)、缺點。（可參考圖5-6b的原理，但結(jié)構(gòu)必須按題意，在工藝和尺寸等方面作適當(dāng)?shù)男薷模┐穑簜鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡圖如下：糧食的水分不同，其導(dǎo)電率也不同，本測量儀的傳感器是由兩根金屬探頭組成的，將探頭插入糧食內(nèi)，測量兩探頭間糧食的電阻。由于糧食是高阻物質(zhì)，因此，兩探頭不能相距太遠，以相距2mm左右為宜。要保證相距2mm，又不能相碰，要用絕緣材料相隔離。因此，探頭要安裝在一起，用截面2x2mm的不銹鋼即可。長度在300500mm為宜。探頭要安裝絕緣手柄，插入糧食的深度在200400mm左右。由于電容量C為放入介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)，而介電常數(shù)又隨介質(zhì)的水分含量而變化，因此只要能測出傳感器輸出電容的變化，也就可以得到介質(zhì)的水分合量。為保證水分測量的精度，在將被測介質(zhì)放入傳感器內(nèi)時應(yīng)注意裝料的一致性，為此，介質(zhì)要從專門的整流器內(nèi)以自由落體的方式，有規(guī)律的流入傳感器內(nèi)P141 8題：6-8某計算機生產(chǎn)廠商欲測量電腦硬盤的振動數(shù)據(jù)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。請你上網(wǎng)查閱知名公司的硬盤數(shù)據(jù)，選擇合適的測量傳感器型號，寫出測量方案。一道類似的題目：6-8. 某機床生產(chǎn)廠商欲測量金屬切削機床的振動數(shù)據(jù)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。請你上網(wǎng)查閱典型機床的數(shù)據(jù)，說明振動對金屬切削準(zhǔn)確度的危害性。選擇合適的測量傳感器型號，寫出測量方案。答：切削過程中，刀具與工件之間經(jīng)常會產(chǎn)生自由振動、強迫振動或自激振動（顫振）等類型的機械振動。自由振動是由機床零部件受到某些突然沖擊所引起，它會逐漸衰減。強迫振動是由機床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力（如不平衡的機床運動件、斷續(xù)切削等）所引起，它對切削產(chǎn)生的影響取決于干擾力的大小及其頻率。自激振動是由于刀具與工件之間受到突然干擾力（如切削中遇到硬點）而引起初始振動，使刀具前角、后角和切削速度等發(fā)生變化，以及產(chǎn)生振型耦合等，并從穩(wěn)態(tài)作用的能源中獲得周期性作用的能源，促進并維持振動。通常，根據(jù)切削條件可能產(chǎn)生各種原生型自激振動，從而在加工表面上留下的振紋，又會產(chǎn)生更為常見的再生型自激振動。上述各種振動通常都會影響加刀表面質(zhì)量，降低機床和刀具的壽命，降低生產(chǎn)率，并引起噪聲，極為有害，必須設(shè)法消除或減輕。計算分析題1、不平衡電橋輸出電壓計算 當(dāng)每個橋臂電阻變化值RiRi，且電橋的輸出端的負載電阻為無窮大、全等臂形式工作（初始值R1=R2=R3=R4），電橋輸出電壓可近似表示為：電橋平衡U0=0P94 4題：4-4. 用某電渦流式測振儀測量某機器主軸的軸向竄動如圖4-25a所示。已知傳感器的靈敏度為K=25mV/mm。最大線性范圍(優(yōu)于1%）為5mm。現(xiàn)將傳感器安裝在主軸的右側(cè)，使用計算機記錄下的振動波形如圖4-25b所示。問: 1）軸向振動Apsinwt(單位為mm）的振幅Ap為多少? 2）主軸振動的基頻f是多少? 3）振動波形不是正弦波的原因有哪些? 4）為了得到較好的線性度與最大的測量范圍，傳感器與被測金屬的安裝距離l為多少毫米為佳? 5）上網(wǎng)查閱電渦流測振儀的資料，寫出其中一種的技術(shù)指標(biāo)和使用方法。答: 1、1.6mm 2、T=20ms，f=50Hz 3、多次諧波的合成 4、2.5mm5、技術(shù)指標(biāo)：型號 電渦流測振動系統(tǒng)量程mm 0.560測量距離mm 060測量頻率Hz 5000 分辨率um 0.1被測體：導(dǎo)電、非導(dǎo)磁(可測導(dǎo)磁體，但有效分辨率較低)，被測體表面積不可太小，被測體表面連續(xù) 使用方法：對于自動啟動和停機的高速汽輪機、離心式壓縮機機組，異常振動將會促使機械材料疲勞、強度擇低、零件過早地損壞或造成動、靜件的摩擦，使機組運行條件惡化。除可采用電渦流式軸向位移儀的探頭以外，還可采用在機組上安裝測振儀傳感器。測振儀的種類有機械式、電動式和電子式。其中非接觸型的電渦流式測振儀已得到廣泛應(yīng)用。其原理、結(jié)構(gòu)與電渦流式軸向位移儀基本相同，所不同的是探頭測定位置緊靠近軸承的部位，而且在測振時要求該處的軸徑與軸頸的同心度在0.013mmn以內(nèi)，且探頭端面垂直于軸線，也就是說通過測定軸承體的振動值來反映轉(zhuǎn)子的振動。由于產(chǎn)生振動的原因是多方面的,有來自轉(zhuǎn)子本身的動不平衡，也有對中不良、驅(qū)動機振動的干擾。配管系統(tǒng)中氣體共振的干擾等復(fù)雜因素的影響。而通過測振儀所測定的全振幅是綜合性的振動值，若具體分析產(chǎn)生振動故障的原因與影響大小，可在原有的接收和指示儀上增設(shè)帶變頻濾波器酌示波儀或振動頻譜分析裝置，以測定和記錄不同頻率的振動值?；钊綁嚎s機、離心機在運行中，由于種種原因也可能會發(fā)生異常振動，當(dāng)振幅超過允許極限值時，設(shè)置相應(yīng)的異常振動保護裝置，便可發(fā)出警報或自動停機。P116 2題：5-2光柱顯示編碼式液位計原理示意圖如圖5-22所示。玻璃連通器3的外圓壁上等間隔地套著n個不銹鋼圓環(huán),顯示器采用101線LED光柱（第一線常亮，作為電源指示）。 1）該方法采用了電容傳感器中變極距、變面積、變介電常數(shù)三種原理中的哪一種2）被測液體應(yīng)該是導(dǎo)電液體還是絕緣體？3）設(shè)n=32，分別寫出該液位計的分辨率（%）及分辨力（h2/n，幾分之一米），并說明如何提高此類液位計的分辨率。 4）設(shè)當(dāng)液體上升到第N個不銹鋼圓環(huán)的高度時,101線LED光柱全亮。則當(dāng)液體上升到第8個不銹鋼圓環(huán)的高度時，共有多少線LED被點亮？答：1、變介電常數(shù) 2、導(dǎo)電液體 3、1/N*100% 分辨力8m/N,增加不銹鋼圓環(huán)可以提高此類液位計的分辨力 4、100*8/32+1=25+1=26P140 2題：6-2用壓電式加速度計及電荷放大器測量振動加速度，若傳感器的靈敏度為70pC/g（g為重力加速度），電荷放大器靈敏度為10mV/pC，試確定輸入3g（平均值）加速度時，電荷放大器的輸出電壓U0（平均值，不考慮正負號），并計算此時該電荷放大器的反饋電容Cf。答：U0=70*10*3=2100mv Cf=Q/U0=3*70/2.1=100pFP140 5題：6-5. PVDF壓電電纜測速原理圖如圖6-31所示。兩根高分子壓電電纜（外形見圖6-7b）相距L=2m，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約50mm。它們可以用來測量車速及汽車的超重，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型?，F(xiàn)有一輛超重車輛以較快的車速壓過測速傳感器，兩根PVDF壓電電纜的輸出信號如圖6-31b所示，求：1）估算車速為多少km/h；2）估算汽車前后輪間的軸距d（可根據(jù)此判斷車型）；判斷軸距的主要因素有哪些？3）說明載重量m以及車速v與A、B壓電電纜輸出信號波形的幅度或時間間隔之間的關(guān)系。答：1、v=L/t=2m/0.07s=28.57m/s=28.57*3600/1000=102.86km/h2、汽車的前后輪以此速度沖過同一根電纜所花時間為4.2格，即：4.2*25ms/格=0.105s，則輪距d=v*t=28.57m/s*0.105s=3m。3、載重量m以及車速v越大，A、B壓電電纜輸出信號波形的幅度就越高。車速v越大，A、B壓電電纜輸出信號的時間間隔就越小。P161 2題：7-2. 在圖7-16的超聲波流量測量中，流體密度=900kg/m3，管道直徑D=1m，a = 45，測得f = 10Hz，求:1) 管道橫截面積A ；2）流體流速v；3）體積流量qV ；4）質(zhì)量流量qm；5) 1小時的累積流量q總。答：1、A=*D24=3.14*1/4=0.785m2 2、v=f*D/sin2=10*1/sin2*45=10m/s3、qv=A*v=0.785*10=7.85m3/s4、qm=*qv=900*7.85=7065kg/s5、q總=qm*3600=7065*3600=25434tP177 3題：8-3在圖8-7中，當(dāng)UGN3020感受的磁感應(yīng)強度從零增大到多少特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？此時第3引腳為何電平？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？這種特性在工業(yè)中有何實用價值