傳感與檢測技術清華大學出版社(周杏鵬)課后習題答案(共13頁)

1、1-2自動檢測系統(tǒng)通常(tngchng)由幾個部分組成?其中對轉感器的一般要求是什么? 首先先由各種傳感器將非電被測物理或化學成分參量轉化成電參量信號，然后經信號調理，數據采集，信號處理后，進行顯示(xinsh)，輸出，加上系統(tǒng)所需的交，直流穩(wěn)壓電源和必要(byo)的輸入設備，便構成了一個完整的自動檢測系統(tǒng)。 對傳感器通常有如下要求:1，準確性2,穩(wěn)定性3，靈敏度4其他:如耐腐蝕性，功耗，輸出信號形式，體積，售價等。1-3試述信號調理和信號處理的主要功能和區(qū)別，并說明信號調理單元和信號處理單元通常由哪些部分組成。 信號調理在檢測系統(tǒng)中的作用是對傳感器輸出的微弱信號進行檢波，轉換，濾彼，放大等，

2、以便檢測系統(tǒng)后續(xù)處理或顯示。 信號處理模塊是自動檢測儀表，檢測系統(tǒng)進行數據處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)，其作用和大腦相類似。 信號調理電路通常包括濾波、放大、線性化等環(huán)節(jié)。信號處理模塊通常以各種型號的嵌入式微控制器、專用高速處理器(D5P)和大規(guī)?？删幊碳呻娐?，或直接采用工業(yè)控制計算機來構建。2-1隨機誤差，系統(tǒng)誤差，粗大誤差產生的原因是什么?對測量結果的影響有什么不同?從提高測量準確度看，應如何處理這些誤差? 隨機誤差主要是由于檢測儀器或測量過程中某些未知或無法控制的隨機因素綜合作用的結果。 系統(tǒng)誤差產生的原因大體上有:測量所用的儀器木身性能不完善或安裝，布置，調整不當;在測量過程中溫度，濕度

3、，氣壓，電磁干擾等環(huán)境條件發(fā)生變化;測量方法不完善，或者測量所依據的理論本身不完善;操作人員視讀方式不當等。 粗大誤差一般由外界重大干擾或儀器故障或不正確的操作等引起的。減小和消除系統(tǒng)誤并的方法1.針對產生系統(tǒng)誤差的主要原因采取相應措施2.采用修止方法減小恒差系統(tǒng)誤差3.采用交叉讀書法減小線性系統(tǒng)誤差4.采用半周期法減小周期性系統(tǒng)誤差隨機誤差的處理可以用數理統(tǒng)計的方法，對其分布范圍做出估計，得到隨機影響的不確定度。粗大誤差的處理拉伊達準則和格拉布斯準則2-2工業(yè)儀表常用(chn yn)的精度等級是如何定義的?精度等級與測量誤差是什么關系? 人為(rnwi)規(guī)定:取最大引用誤差百分數的分子作為檢

4、測儀器(系統(tǒng))精度等級的標志，即用最大引用誤差去掉正負號的數字來表示精度等級。精度等級常用符號G表示。0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七個等級是我國工業(yè)檢測儀器(系統(tǒng))常用精度等級。 檢測儀器(系統(tǒng)(xtng)的精度等級由生產商根據其最大引用誤差的大小并以選大不選小的原則就近套用上述精度等級得到。2-3已知被測電壓范圍為0-5V,現有(滿量程)20V. 0.5級和150V. 0.1級兩只電壓表，應選用哪只電表進行測量?兩者比較，通常選用A表進行測量所產生的測量誤差較小。即選用20V, 0.5級3.2什么是儀表的靈敏度和分辨力?兩者間存在什么關系? 靈敏度是指測量系統(tǒng)在靜態(tài)

5、測量時，輸出量和輸入量的增量之比。 能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量稱為傳感器或檢測系統(tǒng)的分辨力。 靈敏度與分辨力關系:傳感器的分辨力主要由敏感元件本身特性決定，提高靈敏度的措施，如提高放大倍數以及降低信噪比在一定程度有助于提高系統(tǒng)分辨力，但這種手段的作用在于充分發(fā)揮敏感元件的性能，因此其最大效果受限于敏感元件本身，若敏感元件本身分辨力有限，則靈敏度的提高也不會影響傳感器的分辨力。(靈敏度大則分辨率小)3.3 判斷線性度的方法有哪幾種？哪一種精度最高？那一種精度最低？最小二乘法、端基線法、理想線性度法。通常最小二乘法精度最高，理想線性度法精度最低。3.7傳感器與檢測系統(tǒng)靜態(tài)校準的條件與

6、步驟是什么? 靜態(tài)標準條件是指沒有加速度，振動，沖擊(除非這些參數本身就是被測物理量)及環(huán)境溫度一般為室派(20士5) ，相對濕度不大于85%，大氣壓力為(101士7 )KPa的情況。靜態(tài)校準的步驟如下: 1，根據標準的情況，將傳感器或檢測儀器全量程(測量范圍)分成若干(rugn)等間距點(一般至少均勻地選擇五個以上的校準點，其中應包括起始點和終點); 2，然后由小到大逐一增加輸入標準(biozhn)量值，并記錄下被校準(jio zhn)傳感器或檢測儀器與標準器相應的輸出值; 3，將輸入值由大到小逐一減小，同時記錄下與各輸入值相應的輸出值; 4，按2,3所述過程，對傳感器進行正，反行程往復循環(huán)

7、多次測試，將得到的輸出-輸入測試數據用表格列出或作出曲線; 5，對測試數據進行必要的處理，根據處理結果就可以確定被校準傳感器或檢測儀器的線性度，靈敏度，滯后和重復性等靜態(tài)特性指標。4.1什么是金屬電阻絲的應變效應和靈敏度系數? 金屬材料的電阻相對變化與其線應變成正比。這就是金屬材料的應變電阻效應。Km=(1 +2u)+C(1-2u)為金屬電阻絲的應變靈敏度系數，它由兩部分組成:前半部分為受力后金屬絲幾何尺存變化所致，后半部分為因應變而發(fā)生的電阻率相對變化。4.3試述電阻應變片溫度誤差的慨念，產生的原因和補償方法。 由溫度變化引起應變計輸出變化的現象，稱為應變片的溫度效應(也稱溫度誤差)。產生的

8、原因: 1,溫度變化引起應變片敏感柵電阻變化而產生附加應變; 2,試件材料與敏感材料的線膨脹系數不同，使應變片產生附加應變;溫度補償:應變片自補償法;橋路補償法;熱敏電阻補償法4.4什么是直流電橋?若按不同的橋臂工作方式，可分為哪幾種?各自的輸出電壓如何計算?4.5如果(rgu)將100電阻應變片貼在彈性試件上，若試件受力橫截面積S=0.510-4平方米，彈性模量(tn xn m lin)E=0.5105N的拉力引起應變(yngbin)電阻變化為1，試求應變片的靈敏度系數。4.7擬在一個等截面的懸臂梁上粘貼四個完全相同的電阻應變片，并組成差動全橋電路，試問:四個應變片應如何粘貼?試畫出相應的電

9、橋電路圖，試說明如何克服溫度誤差？ 在梁的固定端附近的上下表面順著梁L的方向各粘貼兩片應變片。為了(wi le)好理解，我解釋一下:就是說從上往下看順著力的方向(fngxing)，上面有兩個并排(bngpi)的應變片，同樣下面也有兩個并排的應變片。這樣，上而受拉時，下而受擠壓，兩者發(fā)生極性相反的等量變化，4個應變電阻片就組成了全橋電路圖在書本p113圖4-654.9電容式傳感器的測量電路主要有哪幾種?各自特點是什么?使用這些測量電路時應注意哪些問題? 調頻電路;調頻測量電路具有較高的靈敏度，可以測量0.01m級位移變化量。 運算放大器式電路;運算放大器的輸出電壓與極板間距離dx成線性關系，從而

10、克服了變間隙式電容傳感器的非線性問題!運算放大器雖解決了單個變極距式電容傳感器的非線性問題，但要求放大器具有足夠大的放大倍數，而且輸入阻抗很高。雙T二極管型電路;(1)電源、傳感器電容、負載均可同時在一點接地; (2)二極管D1, D2工作于高電平下，因而非線性失真小; (3)其靈敏度與電源頻率有關，因此電源頻率需要穩(wěn)定; (4)將D1, D2, R1、R2安裝在C1, C2附近能消除電纜寄生電容影響，線路簡單; (5)輸出電壓較高; (6)輸出阻抗與電容C1和C2無關，而僅與R1, R2及RL有關; (7)輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻RL，可用于動態(tài)測量; (8)傳感器的頻率響應取決于

11、振蕩器的頻率。 差動脈沖調寬電路;差動脈沖調寬電路不需要載頻和附加解調線路，無波形和相移失真，輸出信號只需要通過低通濾波器引出，直流信號的極性取決于C1和C2;對變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。這種脈寬調制線路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾大大減小4.19變間隙式電容傳感器的輸出特性與哪些因素有關(yugun)？怎么改善其非線性？如何提高其靈敏性度？4.20比較(bjio)差動式自感傳感器和差動變壓器在結構(jigu)及工作原哩上的異同之處。 結構:都有完全對稱的鐵芯、銜鐵和線圈結構。但差動式電感傳感器至少只有一對自感線圈，沒有原副線圈之分;而差動變壓器則至少由一對原

12、線圈和一對副線圈組成，原線圈端需采用激勵電源，輸出電壓自副線圈引出。 工作原理:相同點是都利用銜鐵位置的改變實現差動檢測。 不同點差動式電感傳感器是通過改變銜鐵的位置來改變兩個差動線圈磁路的磁阻而使兩個差動結構的線圈改變各自的自感系數實現被測量的檢測，而差動變壓式傳感器則是通過改變銜鐵的位置改變兩個原副線圈的自感系數來檢測相關的物理量。4.23電渦流式傳感器有何特點?畫出應用于測板材厚度的原理框圖。 從應用來講，電渦流式傳感器的最大特點是能相對位移，振動，厚度，轉速，表而溫度，硬度，材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，具有結構簡單，體積小，靈敏度高，頻響范圍寬，不受油污等介質影響的特點。 原理框圖

13、5.1什么是壓阻效應?什么是壓阻系數? 表示壓阻系數。半導體電阻率隨應變所引起的變化稱為半導體的壓阻效應。5.2什么是正壓電效應和逆壓電效應？什么叫縱向壓電效應和橫向壓電效應？ 某些(mu xi)晶體或多晶陶瓷，當沿著一定(ydng)方向受到外力作用時，內部就產生極化現象(xinxing)，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷;當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài):當作用力方問改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。上述現象稱為正壓電效應。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應。通常把沿電軸x方向的力作用下產

14、生的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸Y方向的力作用下產生的壓電效應稱為“橫向壓電效應”5.3簡述石英體的結構特點，其X,Y,Z軸的名稱是什么？每個軸分別具有什么特點? 石英晶體是一個正六角形的晶柱。 縱向軸Z稱為光軸，也稱為中性軸，當光線沿此軸通過石英晶體時，無折射; x軸稱為電軸，在垂直于此軸的面上壓電效應最強; Y軸稱為機械軸，在電場的作用下，沿該軸方向的機械變形最明顯5.6簡述壓電式加速度傳感器的結構組成和工作原理 壓電式加速度傳感器主要由壓電原件，質量塊，預壓彈簧，基座及外殼等組成。 工作原理一當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第

15、二定律，此慣性力是加速度的函數，既F=ma，此慣性力與物體質量m及加速度a成正比，此時力F作用在壓電元件上，因此而產生電荷Q，當傳感器一旦確定，則電荷與加速度成正比。因此通過測量電路測得電荷的大小，即可知道加速度的大小。5.7什么是光電效應？光電效應有幾種?并舉例說出與光電效應相對的光電器件的名稱。 囚為吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量而產生的電效應就稱為光電效應。光電效應可分為外光電效應，內光電效應和阻擋層光電效應三種類型?；谕夤怆娦砉ぷ鞯墓怆娖骷泄怆姾凸怆姳对龉?基于內光電效應原理工作的光電器件仃光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管和光敏三極管;基于阻擋層光電效應原理工作的

16、光電器件有光電池5.10簡述光敏電阻，光敏二極管，光敏晶體管和光電池的工作原理。光敏電阻光敏電阻又稱為光電管，沒有極性，純粹是一個電阻器件，阻值隨光照增加而 減小，無光照時，光敏電阻(un mn din z)阻值（暗電阻(dinz)）很大，電路(dinl)中電流燈（暗電流）很 小;當受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中的 電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻具 有高的靈敏度。光敏二極管在電路中光敏二極管一般是處于反向工作狀態(tài)，處于反向偏置的PN結，在 無光照時具有高阻特性，反向暗電流很小。在有光照時，在結電場作用下，電 子向N區(qū)運動，空穴向

17、P區(qū)運動，形成光電流，方向與反向電流一致。光的 照度愈大，光電流愈大。由于無光照時的反偏電流很小，因此光照時的反向電 流基本上與光強成正比。光電池光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的PN 結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現電動勢。硅和硒是光電池的最常 用的材料，在一塊N型硅片上用擴散方法滲入一些P型雜質，從而形成一個 面積PN結，P層極薄能使光線穿透到PN結上。光電池與外電路的連接方式 有兩種，一種是開路電壓輸出，開路電壓與光照度之間呈非線性關系;另一種 是把PN結的兩端通過外導線短接，形成流過外電路的電流，也稱為光電池的 短路輸出電流，其大小與光強成正比;

18、光照度大于1000lx時呈現飽和特性。6.2什么是霍爾效應，霍爾電勢與哪些因索有關？ 一塊長為l寬為b、厚為d的半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場(磁場方向垂直于薄片)中，當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢Un。這種現象稱為霍爾效應霍爾電勢與霍爾元件的靈敏度KH,控制電流I和磁感應強度B6.4什么是霍爾元件(yunjin)的不等位電勢和不等位電阻？分析(fnx)不等位電勢(dinsh)和不等位電陰的關系。不等位電勢當霍爾元件通以額定激勵電流Ib，時，如果所處磁感應強度為零，它的 霍爾電勢應該為零，但實際不為岑。這時測得的空載電勢Uo稱為不等 位電勢，或者叫零位電勢。不等位

19、電阻r=Uo/Ih6. 10簡述濕度的定義和表示方法。 濕度是表示大氣中水汽含量的物理量，它有兩種最常用的表示方法，既絕對濕度和 相對涅度。 絕對濕度:指單位體積大氣中水汽的質最，可用表達式V=MV/V表示，單位為，絕對 濕度也可稱為水汽濃度或水汽密度。 絕對濕度也可用水的蒸汽壓來表示。待測空氣可視為一種由水蒸汽和干燥空 氣組成的二元理想混合氣體，根據道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，空氣的水汽密度V表示為: 相對濕度:指某一被測氣體的絕對濕度V與在同一溫度T下水蒸汽已達到飽和的氣體的絕對濕度w之比，常用“%RH”表示，這是一個無量綱的值。6. 12氣敏元件的工作原理是什么?半導體氣敏傳感器是

20、利用待測氣體與半導體主要是金屬氧化物)表面接觸時產生的電導率等物性的變化來檢測氣體。6.13氣敏元件用的元件的加熱器的作用是什么? 加熱器用以將附著(fzhu)在敏感元件表面上的塵埃，油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提高(t go)器件的靈敏度和響應速度。7.2分析紅外測溫儀的結構(jigu)組成和工作原理。結構組成:紅外源，傳輸紅外的光學系統(tǒng)和接受紅外的探測器，以及信號調理等組成部 分工作原理:利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射后引起溫度升高，進而 使有關物理參數發(fā)生相應變化，通過測量相關物理參數的變化來確定探測器 所吸收的紅外輻射。7.5光是如何在光纖中傳輸的？對光纖和入射角有

21、什么要求？光在纖芯和包層的界面上反復多次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯向前傳播，最后從光纖的另一端射出，從而實現了光在光纖內的傳輸。為了滿足光在光纖內的全反射，光入射到光纖斷面的入射角應滿足:7.6光纖數值孔針NA的物理意義是什么? 入射到光纖端面的光并才能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。8. 3彈簧管壓力計的測壓原埋是什么?試述彈簧管壓力計的主要組成及測壓過程。1彈簧(tnhung)管;2扇形(shn xn)齒輪;3拉桿(lgn):4底座;5中心齒輪:6游絲;7表盤;8指針;9接頭;10彈簧管橫截面;11調節(jié)開口槽 被測壓力由接口引入，迫使彈簧

22、管1的自山端B產生彈性變形，拉桿3帶動扇形齒輪2逆時針偏轉并使與其嚙合的中心齒輪5順時針偏轉，與中心齒輪5同軸的抬針8將同步偏轉，在表盤7的刻度標尺上指出被測壓力p的數值，彈簧管壓力計的刻度標尺是線性的。扇形齒輪2的一端有調節(jié)開口槽11,通過調整螺釘可以改變拉桿3與扇形齒輪2的結合點位置，從而可.以改變傳動機構的傳動比，調整儀表的量程。游絲6一端與中心輪5連接，另一端固定在底座4上，用以消除扇形齒輪與中心齒輪之間的嚙合間隙，減小測最誤差。直接改變指針8套在轉動軸上的角度，可以調整彈簧壓力計的示值零點。8.4提高彈簧管壓力計靈敏度有哪些途徑？ 為提高測壓靈敏度，可以采用多圈彈簧管8.7簡述測壓儀

23、表的選擇原則。1、類型選擇 要考慮被測介質的物理、化學性質(如溫度高低、粘度大小、腐蝕性、易燃易 爆性能等)，以選擇相應的儀表。 要根據生產工藝對壓力儀表的要求和用途，選擇壓力儀表。 要考慮壓力儀表使用現場環(huán)境條件。 還要考慮被測壓力的種類(壓力、負壓、絕對壓力、差壓等)、變化快慢等情況， 選擇(xunz)壓力儀表。2、量程選擇(xunz) 壓力儀表的量程要根據(gnj)被測壓力的大小及在測量過程中被測壓力變化的情況等條件來選取，為保證測壓儀表安全可靠地工作，選擇量程時必須留有足夠的余地。測量穩(wěn)定壓力時，正常操作壓力應小于滿量程的2/3；測量脈動壓力時，正常操作壓力應小于滿量.程的1/2;測量

24、高壓時，下常操作壓力應小于滿一最程的3/5。被測壓力的最小值，不應低于滿量程的1/3。量程系列:(1、1, 6、 2.5、 4. 6)*10nMPa其中n為正或負整數。3.精度等級選擇 壓力檢測儀表的精度等級應根據生產過程對壓力測量所允許的最大誤差。選擇時應堅持經濟的原則，在能滿足生產要求的條件下，不應追求使用過高精度的儀表:8.8如果被測壓力變化范圍為0.51.4MPa，要求被測誤差不大于壓力示值的5%，可供選擇的壓力變化表量程規(guī)格為01.6、02.5、04MPa，精度等級有1.0、1.5、2.5三種。試選擇合適的量程和精度儀表。解:由題意知，被測對象的壓力比較穩(wěn)定，設彈簧管壓力表的量程為A

25、，則根據最大工作壓力有: A1. 42/3=2. 1MPa根據最小工作壓力有: A0.51/3=1.5MPa故根據儀表的量程系列，可選用量程范圍為01。0MPa的彈簧管壓力表。由題意，被測壓力允許的最大絕對誤差為: max=0. 45%=0.02MPa儀表精度等級的選取應使得其最大引用誤差不超過允許測量誤差。對于測量范圍01.0MPa的壓力表，其最大引用誤差為: =0.02MPa100%/1.0MPa.=2%故應選取1.6級的壓力表 8. 11要實現準確的壓力測量需要注意那些環(huán)節(jié)?要保證壓力測量準確，只是壓力儀表本身準確是不夠的，系統(tǒng)安裝的正確與否也有很大的影響。應根據被測介質，管路和環(huán)境條件，選擇適當的取壓點，正確安裝引壓管和測最儀表。9.4溫度的測量方法有哪兩大類？各自有什么特點？根據傳感器的測溫方式，溫度基本測量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。接觸式溫度(wnd)測量的特點是感溫元件直接(zhji)與被測對象相接觸。兩者進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，此時(c sh)感溫元件的溫度與被測對象的溫度必然相等，溫度計就可根據此測出被測對象的溫度。 非接觸式溫度測量特點是感溫元件不與被