自动检测技术 马西秦主编 第三版 思考与习题
思考题与习题解马西芹
第一章、思考题与习题
1、检测系统由哪几部分组成?说明各部分的作用。
答：1、检测系统由：传感器、测量电路、显示记录装置三部分组成。
2、传感器部分的作用：是把被测量变换成另一种与之有确定的对应关系，并且便于测量
的量的装置。
测量电路部分的作用：是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
显示记录装置部分的作用：是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。
2、非电量的电测法有哪些优点?
答：P3
3、测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法?如何进行?
答：1）、采用微差式测量；
2）、微差式测量是综合零位式测量和偏差式测量的优点而提出的一种测量方法。
基本思路是：将被测量x的大部分作用先与已知标准量N的作用相抵消，剩余部分即两者差值Δ=x-N。这个差值再用偏差法测量。
微差式测量中：总是设法使差值Δ很小，因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量之。即使差值的测量精度不高，但最终结果仍可达到较高的精度。
例如：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，输出电压U。可表示为U0=U+ ΔU，其中ΔU是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U来讲为一小量。如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U。的要求，因此对ΔU这个小量造成的U0的变化就很难测准。当然，可以改用零位式测量，但最好的方法是采用如图1-3所示的微差式测量。
微差式测量：
⑴、微差式测量电路图中；
①、使用了高灵敏度电压表：毫伏表和电位差计；
②、Rr和E分别表示稳压电源的内阻和电动势；
③、RL表示稳压电源的负载；
④、E1、R1和Rw表示电位差计的参数。
⑵、微差式测量过程
①、在测量前调整R1，使电位差计工作电流I1为标准值。
②、然后使稳压电压负载电阻RL为额定值，调整RP的活动触点，使毫伏表指示为零，这相
当于事先用零位式测量出额定输出电压U。
③、正式测量开始后，只需增加或减小负载电阻RL的值，负载变动所引起的稳压电压输出
电压U0的微小波动值ΔU即可由毫伏表指示出来。
根据Uo=U+ΔU，稳压电源输出电压在各种负载下的值都可以准确地测量出来。
⑶、微差式测量法的优点：是反应速度快，测量精度高，特别适合于在线控制参数的测量。
图1-3微差式测量
4、某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至
2.5V，求该仪器的灵敏度。
解：s= Δy/Δx=(2.5-3.5)V/(5.0-4.5)mm=-2V/mm
5、某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下:
铂电阻温度传感器: 0.35Ω/℃
电桥: O.OlV/Ω
放大器: 100(放大倍数)
笔式记录仪: O.lcm/V
求: (1)测温系统的总灵敏度;
(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。
解：(1)、 s1=0.35Ω/℃ s2= O.OlV/Ω s3=100 s4= O.lcm/V
s=s1s2s3s4=0.35Ω/℃× O.OlV/Ω×100× O.lcm/V =0.035cm/℃
(2)、Δt=x×s=4cm/0.035cm/℃=114.28℃
6、有三台测温仪表，量程均为0～600℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量
500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理?
解：2.5级测温仪表:2.5=(δm/L)100％=(δm/600)100％；δm=15℃
r=δm/500=(15/500)100％=3％
2.0级测温仪表:2.0=(δm/L)100％=(δm/600)100％；δm=12℃
r=δm/500=(12/500)100％=2.4％
1.5级测温仪表:1.5=(δm/L)100％=(δm/600)100％；δm=9℃
r=δm/500=(9/500)100％=1.8％
选2.0级测温仪表合理
7、什么是系统误差和随机误差?正确度和精密度的含义是什么?它们各反映何种误差?
答：1）、在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。
在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，
这种误差称为随机误差。
2)、正确度：系统误差的大小表明测量结果的正确度。正确度说明测量结果相对真值有
一恒定误差，或者存在着按确定规律变化的误差。系统误差愈小，则测量
结果的正确度愈高。
精密度：随机误差的大小表明，测量结果重复一致的程度，即测量结果的分散性。通常，用精密度表示随机误差的大小。
随机误差大，测量结果分散，精密度低。
测量结果的重复性好，精密度高。随机误差大。
精确度：是测量的正确度和精密度的综合反映。精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。精确度有时简称为精度。
8、服从正态分布规律的随机误差有哪些特性?
答：(1)、对称性：随机误差可正可负，但绝对值相等的正、负误差出现的机会相等。也就是说f(δ)-δ曲线对称于纵轴。
(2)、有界性：在一定测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的范围，即绝对值很
大的随机误差几乎不出现。
(3)、抵偿性：在相同条件下，当测量次数n →∞时，全体随机误差的代数和等于零，即
lim∑δi=0
(4)、单峰性：绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差出现的机会多，即前者比后者
的概率密度大，在δ=0处随机误差概率密度有最大值。
9、等精度测量某电阻10次，得到的测量值如下:
R1=167.95ΩR2=167.45Ω
R3=167.60ΩR4=167.60Ω
R5=167.87ΩR6=167.88Ω
R7=168.00ΩR8=167.85Ω
R9=167.82ΩR10=167.60Ω
(1)求10次测量的算术平均值/ R，测量的标准误差ζ和算术平均值的标准误差s；
(2)若置信概率取99.7%，写出被测电阻的真值和极限值。
解：(1)
①、10次测量的算术平均值/ R
/R=（∑Ri）/n=（ R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8+R9+R10）/n
=（167.95+167.45+167.6+167.6+167.87+167.88+168+167.85+167.82+167.6）/10
=167.762Ω
②、测量的标准误差ζ
ζ=lim√∑（Ri-R0）2/n = lim√∑（δi）2/n
标准误差ζ的估算值：
ζ=lim√∑（Ri- /R）2/（n-1） = lim√∑（vi）2/n =
∑Vi2=（R1-/R）2+（R2-/R ）2+（R3-/R ）2+（R4-/R ）2+（R5-/R ）2+（R6-/R ）2
+（R7-/R ）2+（R8-/R ）2+（R9-/R ）2+（R10-/R ）2
=（167.95-167.762）2+（167.45-167.762）2+（167.6-167.762）2+（167.6-167.762）2 +167.87-167.762）2+（167.88-167.762）2+（168-167.762）2+（167.85-167.762）2 +（167.82-167.762）2+（167.6-167.762）2
=（0.188）2+（-0.312）2+（-0.162）2+（-0.162）2+（0.108）2
+（0.118）2+（0.238）2+（0.088）2+（0.058）2+（-0.162）2
=0.0361+0.0961+0.0256+0.0256+0.0121+0.0144+0.0576+0.0081+0.0036+0.0256=0.3047 标准误差ζ：ζ=√∑（vi）2/(n-1)=√0.3047/9=0.184Ω
算术平均值的标准误差s：s=ζx=ζ/ √ n =0.184/√10 =0.0582Ω
置信概率取99.7%，K=3，置信区间为±3S,
测量结果真值为:R0=/R±Ks=167.762±3×0.0582=(167.762±0.175) Ω
测量电阻的极限值：Rm=/R±Kζ=167.762±3×0.184=(167.762±0.552) Ω
168.314Ω～167.210Ω：测量数据中无坏值
测量结果真值为:R0=/R±KS=167.762±3×0.0582=(167.762±0.175) Ω
测量电阻的极限值：Rm=/R±Kζ=167.762±3×0.184=(167.762±0.552) Ω
168.314Ω～167.210Ω：测量数据中无坏值
10.用BASIC语言编写一个程序，用于完成类似第9题中所要求的计算任务。
第二章、思考题与习题
l.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?
答：金属电阻应变片电阻应变效应主要由几何尺寸的改变影响金属金属电阻应变片电阻应变效应。
半导应变片电阻应变效应主要由材料的电阻率随应变引起的变化是影响半导应变片电阻应变
效应的主要因素。
2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?
答：直流测量电桥采用直流电源供电，
交流测量电桥采用交流电源供电；
3.热电阻测温时采用何种测量电路?为什么要采用这种测量电路?说明这种电路的工作原理。
答：采用三导线四分之一电桥电路：
在该电桥中热电阻的两根引线被分配在两个相邻的桥臂中；消除引线电阻因温度变化引起的阻值变化而产生的误差。
4.采用阻值为120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V.并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1με和1000με时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。
解：一个微应变：1με=1μm/m=1×10-6
因为R1=R2=R3=R4=R；是等臂电桥；U=4V；
1）、应变片上的应变为1με:s=U0/ΔR=[U(ΔR/R)/4]/ΔR=(U Kε)/4
电阻应变片的相对变化量：ΔR/R=Kε=2×10-6
电阻应变片的变化量：ΔR=R×Kε=120×2×10-6=0.24×10-3Ω
⑴、单臂工作电桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0=U(ΔR/R)/4=U Kε/4=2×10-6V
灵敏度： s=U0/ΔR=2×10-6V /0.24×10-3Ω=8.33×10-3V /Ω
⑵、双臂工作电桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0=U(ΔR/R)/2=（U/2）Kε=4×10-6V
灵敏度： s=U0/ΔR=4×10-6V /0.24×10-3Ω=16.66×10-3V /Ω
⑶、及全桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0= U(ΔR/R)=UKε=8×10-6V
灵敏度： s=U0/ΔR=8×10-6V /0.24×10-3Ω=33.33×10-3V/Ω
2）、应变片上的应变为1000με
电阻应变片的相对变化量：ΔR/R=Kε=2×10-3
电阻应变片的变化量：ΔR=R×Kε=120×2×10-3=0.24Ω
⑴、单臂工作电桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0=U(ΔR/R)/4=UKε/4=2×10-3V
灵敏度： s=U0/ΔR=2×10-3V /0.24Ω=8.33×10-3V/Ω
⑵、双臂工作电桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0=U(ΔR/R)/2=UKε/2=4×10-3V
灵敏度： s=U0/ΔR=4×10-3V /0.24Ω=16.66×10-3V/Ω
⑶、及全桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0=U(ΔR/R)=UKε/=8×10-3V
灵敏度： s=U0/ΔR=8×10-3V /0.24Ω=33.33×10-3V/Ω
5.采用阻值R=120Ω，敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R= 120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000με时，若要使输出电压大于10mV。则可采用何种接桥方式(设输出阻抗为无穷大)?
解：应变片上的应变为1000με=10-3
电阻应变片的相对变化量：ΔR/R=Kε=2×10-3
电阻应变片的变化量：ΔR=R×Kε=120×2×10-3=0.24Ω
⑴、单臂工作电桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0=U(ΔR/R)/4=UKε/4=10×2×10-3V/4=5mV
灵敏度： s=U0/ΔR=5×10-3V /0.24Ω=20.833×10-3V/Ω
⑵、双臂工作电桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0=U(ΔR/R)/2=UKε/2=10×2×10-3V/2=10mV
灵敏度： s=U0/ΔR=10×10-3V /0.24Ω=41.67×10-3V/Ω
⑶、等臂全桥工作时的输出电压、灵敏度。
输出电压: U0=UKε/=10×2×10-3V=20mV
灵敏度： s=U0/ΔR=20×10-3V /0.24Ω=83.33×10-3V/Ω
输出电压:U0=UKε=10×103mv×2×10-3=20mv
综上所述:若要使输出电压大于10mV。则可采用等臂全桥接桥方式。
6.图2-43所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V. R3=R4= 100Ω。 R1和R2为相同型号的
电阻应变片，其电阻均为50Ω。灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5000με试求此时电桥输出端电压U
o。
解：受力时:R1=r+ΔR 、R2=r-ΔR 、R3=R4=R=100Ω
U0=（R2R4-R1R3）U/[（R4+R3）（R1+R2）]=R （R2-R1）U/[2R （R1+R2）] =-2R ΔRU/2R2r=-（U/2）（ΔR/r ）=-（U/2）（K ε）=-1.5×2×5×10-3
=-1.5×10-2
V=-15mv
第三章、思考题与习题
1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容传感器的灵敏度?为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题?
答: 1) 对变面积式电容传感器
设初始电容为: C0=0εr εA/d=εab/d 为初始电容。 当动极板相对定极板沿长度a 方向平移Δx 时，则电容为 C=0εr εb （a －Δx ）/ d=（0εr εab/ d ）－（0εr εb Δx/ d ）
=C0－εb Δx/d （3-2） C=C0－ΔC
ΔC= C －C0=－εb Δx/d=- C0Δx/a 电容的相对变化量为：ΔC/C0=Δx/a
显然传感器的输出特性呈线性。适合于测量较大的直线位移和角位移。
灵敏度为：K=ΔC/Δx=－ε b /d
可见：①、灵敏度是个常数；
②、增大b 值、减小d 值，可增大灵敏度；
③、但极板的长度b 不易过小，否则边缘效应增大，使非线性误差也增大。
④、与变极距型相比，变面积型电容传感器的灵敏度较低。因此，在实际应用中，也
采用差动式结构，以提高灵敏度。
2) 对变间隙式电容传感器
若传感器的ε和A =ab 为常数，初始的极距为d ，其初始电容量（静态电容为）：C0=0εr εA/d=
εA/d
当动极板移动x 后，其电容为： C=εA/（d-x ）
=（ε A /d ）×[d/（d-x ）] = C 0 d /（d-x ）
= C 0 [（1+x/d ） /（1-x 2/d 2）] 当x < 则：C= C 0（1+x/d ） 由式（3-5）可知：电容C 与x 不是线形关系；只有当x< 要提高灵敏度，应减小起始间隙d ；但当d 过小时，易引起击穿。 一般在极板间添加介电常数高的物质（云母、塑料膜），且可以改善电容器的耐压性能。 2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特性? 答:对变间隙式电容传感器 若传感器的ε和A =ab 为常数，初始的极距为d ，其初始电容量（静态电容为）：C0=0εr εA/d= εA/d 当动极板移动x 后，其电容为： C=εA/（d-x ） =（ε A /d ）×[d/（d-x ）] = C 0 d /（d-x ） = C 0 [（1+x/d ） /（1-x 2/d 2）] 当x < 则：C= C 0（1+x/d ） 由式（3-5）可知：电容C 与x 不是线形关系；只有当x< 3.有一平面直线位移型差动电容传感器其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图3-20所示。电容传感器起始时bl =b2=b=20mm ， al =a2=a=10mm ，极距d=2mm ，极间介质为空气，测量电路中ui= 3sin ωtV ，且u=ui 。试求动极板上输入一位移量Δx=5mm 时的电桥输出电压u 0。 图3-20题3图 解: 电桥的空载输出电压为： ù0=2ù[Z 2/（Z 1+Z 2）]-ù=ù[2Z 2/（Z 1+Z 2）-（Z 1+Z 2）/（Z 1+Z 2）] =ù（Z 2-Z 1）/（Z 1+Z 2） 其中：Z 1=1/j ωC 1，Z 2=1/j ωC 2，C 1、C 2，为差动电容传感器的电容量；带入，得 ù0=ù（Z 2-Z 1）/（Z 1+Z 2）=ù（1/j ωC 2-1/j ωC 1）/（1/j ωC 1+1/j ωC 2） =ù（1/C 2-1/C 1）/（1/C 1+1/C 2）=ù（C1-C2）/（C1+C2） 对变面积式电容传感器：设初始电容为：C0=0εr εA/d=εab/d 为初始电容。 当动极板相对定极板沿长度a 方向平移Δx 时，则电容为 C=0εr εb （a ±Δx ）/ d=（0εr εab/ d ）±（0εr εb Δx/ d ） =C0±εb Δx/d=C0±ΔC C1=C0－ΔC ； C2=C0+ΔC ； U0=U （C1-C2）/（C1+C2）=-U ΔC/C0=-U （εb Δx/d ）/（εab/d ）=-U Δx/a =-（3sin ωtV ）×（5/10）=-（3/2）sin ωtV=-1.5sin ωtV 4、变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图3-21所示。传感器的起始电容量Cx0=20pF ， 定动极板距离do=1.5mm ，Co=10pF ，运算放大器为理想放大器(即K →∞，Zi→∞)， Rf 极大，输入电压 ui=5sin ωtV ，求当电容传感器动极板上输入一位移量Δx=0.15mm 使d0减小时，电路输出电压u0为多少? 解: 对于变间隙电容传感器,当动极板移动Δx 后，其电容为： C X =εA/（d 0-Δx ）=（εA/d 0）×[d 0/（d 0-Δx ）] = C x0d 0 /（d 0-Δx ）=C x0/（1-Δx/d 0）=20/（1-0.15/1.5）pf =（20/0.9）pf=（200/9）pf=22.22 pf 对于理想运放，其输入阻抗和开环放大倍数都很高（Zi →∞，A →∞），因此其输出端输出电压 u 0与C X 成反比，即： u 0＝－u i C 0/C X =－[10pf/（200/9）pf]×5sin ωtV =－(90/200)×5sin ωtV =－2.25sin ωtV 当动极板移动Δx=0mm 后，其电容为: u 0＝－u i C 0/C X =－(10pF/20Pf)5sin ωtV =－2.5sin ωtV Cx=Cx 0(1+Δx/d)=20 pF(1+0.15/1.5)=22 pF Cx ’=εA/（d 0-Δx ）=Cx 0/(1-Δx/d)=20pF/(1-0.15/1.5)=22.22pF δ=∣(Cx ’-Cx)/Cx ∣=∣(20/0.9-20×1.1)/(20/0.9)∣=∣1-0.99∣=10﹪ u 0=-uiC 0/Cx=-5sin ωtV(10pF/22pF)=-2.273 sin ωtV u 0’=-uiC 0/Cx ’=-5sin ωtV[(10pF/(20pF/0.9)]=-2.25sin ωtV δ=∣(u 0’-u 0)/u 0∣=∣(-2.25+5×10/22)/(5×10/22)∣ =∣-0.99+1∣=10﹪ 5.如图3-22所示正方形平板电容器，极板长度a=4cm.极板间距离δ=0.2mm 。若用此变面积型传感器测量位移x.试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质为空气。ε0=8.85 X 10－12F/m 。 解:C=εA/δ=ε4b(a-x)/δ=[ε4ba/δ-ε4bx/δ]=C0-4εbx/δ ΔC=C-C0=-4εbx/δ 该传感器的灵敏度为： K=ΔC/x=-4εb/δ=-4×8.85×10-12F/m ×4×10-2m/2×10-4m=-7.08×10-9F/m 解:变面积型传感器测量位移x 前的面积为：A0=4ab=4a 2 C0= 0εr εA 0/d=ε4ab/d=ε4aa/d=ε4a 2/d 变面积型传感器测量位移x 后的面积为：A=4（a-x ）b=4（a-x ）a=4a 2 -4xa= A0-4xa C=0εr εA/d=ε（A0－4xa ）/d=C0－ε4xa/d ΔC=－ε4xa/d=－8.85×10－12F/m ×4×4cm/0.2mm =－x ×80×8.85×10－12F/m ×x =－x ×7.08×10－10F/m=14.16×10－12F=14.16pF 电容的相对变化量为：ΔC/C0=（－ε4xa /d ）/（4εaa/d ）=－x/a 灵敏度为：K=ΔC/x=－4ε a /d =－4×8.85×10－12F/m ×4cm/0.2mm =－7.08×10－9F/m ΔC=Kx 第四章、思考题与习题 1、影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？ 答：影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是；零点残余电动势E 0的存在；造成差动变 压器输出线性度和灵敏度在零点附近不灵敏，输出线性度受影响，引起测量误差。 2、电涡流传感器的灵敏度主要受那些因素影响？它的主要优点是什么？ 答：电涡流传感器的灵敏度主要受到被测体大小影响。 被测体是平板型时：则要求被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。 被测物体是圆柱体时：被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才 不受影响。 优点：电涡流式传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强，特别是有非接触测量的优点。 3、试说明图4-12所示的差动相敏检波电路的工作原理。 答：1）、衔铁处于中间位置时：在ui1=ui2时： 比较电压在正半周时：D1、D3导通；D2、D4截止；ub=u2、ua=u2/2=vc 比较电压在负半周时：D2、D4导通；D1、D3截止；ud=u2、ue=u2/2=vc 2）、在ui1≠ui2时：Vg≠0；则电流表通过的电流和不为0； ①、衔铁上移：在u11＞u12时： 正半周时：va＞ve；电流经：a、D3、u22、V、g、e、u12。 负半周时：ve＞va；电流经：e、D2、u21、V、g、a、u11。 电流总是从电表的右边流向左边。 ②、衔铁下移：在u11＜u12时： 正半周时：ve＞va；电流经：e、g、V、u21、b、D1、a、u11。 负半周时：va＞ve；电流经：a、g、V、u22、d、D4、e、u12。 电流总是从电表的左边流向右边。 图4-12差动相敏检波电路 1移相器 4、图4-31所示的差动电感式传感器的桥式测量电路，L1、L2为传感器的两差动电感线圈的电感，其初值均为L 0。R1、R2为标准电阻，u 为电源电压。试写出输出电压u 0与传感器变化量ΔL 间的关系。 图4-31 题4 解:设:ù0=ùR1/（Z1+R1）-ùR2/（Z2+R2）=ù[R1/（R1+Z1）-R2/（R2+Z2）] =ù[R1（R2+Z2）- R2（R1+Z1）]/（R1+Z1）（R2+Z2） =ù（R1Z2- R2Z1）/（R1+Z1）（R2+Z2） 设：R1=R2=R ； Z1=Z0+ΔZ=j ω（L0+ΔL ）； Z2=Z0-ΔZ=jω（L0-ΔL） ù0=ù（R1Z2- R2Z1）/（R1+Z1）（R2+Z2）=ùR（-2ΔZ）/（R+Z0+ΔZ）（R+ Z0-ΔZ ）=-2ùRΔZ/[（R+Z0）2 -（ΔZ ）2 ]≈-2ùRΔZ/[（R+Z0）2 u0=-2uRjωΔL/（R+ jωL0）2 5.如图4-32所示为一差动整流电路，试分析电路的工作原理。 图4-32题5图 第五章、思考题与习题 1.为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量? 2.压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题? 3.一压电式传感器的灵敏度K1 = 10pC/mPa ，连接灵敏度K2=0.008V/pC的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K3=25mm/V，当压力变化Δp=8mPa时，记录笔在记录纸上的偏移为多少? 解：S=K1K2K3=10pC/mPa×0.008V/pC×25mm/V=2mm/mPa Δx=S×Δp=2mm/mPa×8mPa=16mm 4.某加速度计的校准振动台，它能作50Hz和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K=10amV/g，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。 自动检测技术复习题 1、 检测系统由那几部分组成？说明各部分的作用。 答： 传感器：它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律转换成一个相应的便于传递的输出 信号. 信号调理：作用是对传感器输出的微弱信号进行检波,转换,滤波,放大,等,以方便检测系统后续处 理或显示. 记录、显示：被测参量数值大小由光指示器或指针在标尺上的相对位置来表示和记录的或以数字 形式直接显示和记录出被测参量数值的大小，主要作用是使人们了解检测数值的大 小或变化的过程。 2、 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？各有什么用途？ 答：1. 测量结果与测量的真值之间的差异，称为测量误差。 2.⑴绝对误差：它反映测量值偏离真值的大小，： ⑵相对误差：它是绝对误差与测量值或多次测量的平均值的比值， ⑶引用误差：仪表某一刻度点读数的绝对误差Δ比上仪表量程上限，并用百分数表示。 ⑷标称误差：标称误差=（最大的绝对误差）/量程 x 100% ⑸附加误差：计量器具在非标准条件下所增加的误差 3、 测量误差按其出现的规律可分为几种？ 答：可分为系统误差、疏忽误差、随机误差； 4、 产生系统误差的常见原因有那些？常用的减少系统误差的方法有那些？ 答：产生系统误差的常见原因：由于测量设备、测量方法的不完善和测量条件的不稳定而引起的。 系统误差的消除方法： (1)对测量仪表进行校正 在准确度要求较高的测量结果中，引入校正值进行修正。 (2)消除产生误差的根源 即正确选择测量方法和测量仪器，尽量使测量仪表在规定的使用条件下工作，消除各种外界因素造成的影响。 采用特殊的测量方法 如正负误差补偿法、替代法等。例如，用电流表测量电流时，考虑到外磁场对读数的影响，可以把电流表转动180度，进行两次测量。在两次测量中，必然出现一次读数偏大，而另一次读数偏小，取两次读数的平均值作为测量结果，其正负误差抵消，可以有效地消除外磁场对测量的影响。 5、被测介质的实际温度为300℃，现用一台量程为0-400℃的仪表测量，示值为298℃，求得测量的绝对误差？ 解： 298-300=-2℃ 引用误差为 ?--04002 100%=-0.5% 《测试技术与信号处理》习题答案 第二章 信号分析基础 1、请判断下列信号是功率信号还是能量信号： （1）)()(10cos 2 ∞<<-∞=t e t x t π （2）)()(||10∞<<-∞=-t e t x t 【解】（1）该信号为周期信号，其能量无穷大，但一个周期内的平均功率有限，属功率信号。 （2）信号能量：? ∞ ∞ -= =10 1 )(2dt t x E ，属于能量信号。 2、请判断下列序列是否具有周期性，若是周期性的，请求其周期。)8 ()(π-=n j e n x 【解】设周期为N ，则有：8 )8 8()()(N j N n j e n x e N n x ?==+-+π 若满足)()(n x N n x =+，则有1)8/sin()8/cos(8/=-=-N j N e jN 即：k N π28/=，k N π16=，k = 0，1，2，3，… N 不是有理数，故序列不是周期性的。 3、已知矩形单脉冲信号x 0(t)的频谱为X 0(ω)=A τsinc(ωτ/2) ，试求图示三脉冲信号的频谱。 【解】三脉冲信号的时域表达式为：)()()()(000T t x t x T t x t x -+++= 根据Fourier 变换的时移特性和叠加特性，可得其频谱： )]cos(21)[2 ( sin )()()()(000T c A e X X e X X T j T j ωωτ τωωωωωω+=++=- 4、请求周期性三角波（周期为T ，幅值为0—A ）的概率分布函数F(x)与概率密度函数p(x) 。 【解】在一个周期T 内，变量x (t )小于某一特定值x 的时间间隔平均值为：T A x t i = ? 取n 个周期计算平均值，当∞→n 时，可有概率分布函数：A x nT t n x F i n =?=∞→lim )( 概率密度函数：A dx x dF x p 1 )()(== t -τ/2 0 τ/2 -T T 1．测量系统的静态特性是输入量和输出量不随时间变化或变化缓慢时，输出和输入之间的 关系。 2．电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值随着所受机械变形 (伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。3．测量误差按性质分为系统误差、随机误差和粗大误差。 4．在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路中形成光电流的现象称为外光电效应； 在光照作用下，物体导电性能发生改变的现 象称为内光电效应。 5．现代测试系统基本型结构包括传感器、信号调理、数据采集、计算机及输出显示、打印等 环节。 6．请列举2个超声波传感器可以测量的物理量：厚度、无损探伤、计数、距离等 7．为利用电桥的和差特性，提高系统的灵敏度，应使相对桥臂上电阻应变极性相同，相邻桥 臂上电阻应变极性相反。 8．GPS卫星导航系统由3部分组成，分别是空间星座部分；地面支撑系统；用户设备； 9．线性度是指系统输入输出特性和拟合直线的不一致程度，也称非线性误差，常用的直线 拟合方法有理论拟合、最小二乘拟合；端点 连线拟合等。 10．常用的应变片有金属电阻应变片和半导体两大类，其中灵敏度较高的是半导体应变片， 线性度较好的是金属应变片。 11．为了加强居民小区的安全，可以在小区围墙上加装红外图像（红外摄像仪）传感器进行昼 夜监控。 三. 简答题（共35分，每题5分） 1.检测系统的基本任务是什么？ 获取有用的信息，即借助专门的设备、仪器、设计合理的实验方法和必需的信号分析及数据处理，获得和被测对象有关的信息，最后将结果进行显示或输入到其它信息处理装置、控制系统。 2.根据电容传感器的工作原理说明它的分类以及能够测量哪些物理参量？ 根据电容式传感器的工作原理，可分为变间距式、变面积式和变介电常数式，利用极板间距和极板覆盖面积的变化，可以测量直线位移或角位移；通过弹性元件也可以测量力、压力、振动或加速度等；利用介电常数的变化还可以进行一些特殊量的测量，如液位、浓度、厚度、湿度等 3.为什么不能用压电传感器测量变化比较缓慢的信号？ 压电式传感器只有在负载阻抗无穷大、内部也无漏电时，受力后产生的电压（电荷）才能长期保存下来，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于测量缓变信号极为不利，必将造成测量误差。（而在动态测量时，电荷量可以不断得到补充，）因此压电式传感器适于动态测量，而不能用来测量变化比较缓慢的信号。 4.简述霍尔传感器的特点及可能的使用场合。 霍尔式传感器转换效率较低，受温度影响大，但其结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围 第1章测试技术基础知识 1.4常用的测呈结果的表达方式有哪3种？对某量进行了8次测量，测得值分别为：8 2.40、 82.43、82.50、82.48、82.45、82.38、82.42、82.46 0试用3 种表达方式表示其测量结果。 解：常用的测量结果的表达方式有基于极限误差的表达方式、基于/分布的表达方式和基于不确怎度的表达方式等3种 1）基于极限误差的表达方式可以表示为 均值为 因为最大测量值为82.50,最小测量值为82.38,所以本次测量的最大误差为0.06.极限误差戈m取为最大误差的两倍，所以 忑=82.44 ±2x 0.06 = 82.44 ±0.12 2）基于/分布的表达方式可以表示为 一A = X ± S = 0.014 自由度“8-1 = 7,置信概率0 = 0.95,查表得f 分布值0 = 2.365,所以 x （） = 82.44 ± 2.365 x 0.014 = 82.44 ± 0.033 3）基于不确定度的表达方式可以表示为 所以 X O =82.44±O.O14 解題思路：1）给岀公式；2）分别讣算公式里而的各分项的值；3）将值代入公式，算岀结 果。 第2章信号的描述与分析 2.2 一个周期信号的傅立叶级数展开为 含有正弦项的形式。 解^基波分量为 2JT T I 120JT . n ——cos —r + sin —r 10 4 30 4 所以：1)基频 co {} = - (rad / s) 4 2）信号的周期7 = —= 8（5） 5 — A — =X±(7x = X± 求: 曲)=4 + ￡( /I-1 2 K /? rm os —1 + 10 4 120”兀.fin ---- sin ——/) 30 4 （/的单位是秒） 1） ^（）： 2）信号的周期：3）信号的均值; 4）将傅立叶级数表示成只 y(r)h ?]= 检测技术知识点总结 一、填空、选择 1、检测包括定性检查和定量测量两个方面。 2、检测系统的原理：被检测量----》传感器------》信号处理电路----》输出执行 3、测量的表现方式有数字、图像、指针标记三个方式 4、测量方法有零位法、偏差法和微差法 5、真值包括理论真值（三角形内角和180度）、约定真值（π 3.14）和相对真值（℃273K） 6、误差的表达方式有绝对误差、相对误差和引用误差 7、误差分类为系统误差（装置误差）、随机误差（偶然误差；多次测量，剔除错误数据） 和粗大误差（过失误差；改正方法：当发现粗大误差时，应予以剔除） 8、传感器是一种把非电输入信号转换成电信号输出的设备或装置。 9、传感器的组成有敏感元件、转换元件和转换电路 10、弹性敏感元件的基本特性有：刚度（k=dF/dX刚度越大越不易变形）、灵敏度（刚性的倒数）、弹性滞后、弹性后效 P25★2）电阻式传感器：（电阻应变片式传感器、电位器式传感器、测温热电阻式传感器；热敏电阻式、湿敏电阻式、气敏电阻式传感器） Def：将被测电量（如温度、湿度、位移、应变等）的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器 11、电阻应变片式传感器（电阻应变片、测量电路）的结构：引出线、覆盖层、基片、敏感栅和粘结剂 电阻应变片式传感器：电阻应变片是一种将被测量件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件；测量电路进一步将该电阻阻值的变化再转换成电流或电压的变化，以便显示或记录被测的非电量的大小。 12.电阻应变片的工作原理：电阻应变效应 电阻应变效应：导电材料的电阻和它的电阻率、几何尺寸（长度与截面积）有关，在外力作用下发生机械变形，引起该导电材料的电阻值发生变化 13．电位器式传感器：一种将机械位移（线位移或角位移）转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的机电传感元器件 14.电位器由电阻（电阻元件通常有绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等）和电刷等元器件组成 15.电位器优点：结构简单、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数 缺点：要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损 16.热电阻材料由电阻体（温度测量敏感元件——感温元件）、引出线、绝缘套管和接线盒等部件组成，电阻体是热电阻的主要部件 热敏电阻式传感器 17.热敏电阻是利用电阻值随温度变化的特点制成的一种热敏元件 18、温度系数可分为负温度系数热敏电阻为NTC（电阻的变化趋势与温度的变化趋势相反）和正温度系数热敏电阻PTC（电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同）。 19.热敏电阻优点：尺寸小、响应速度快、灵敏度高 20.差动电感传感器的优点（1）差动式比单线圈式的电感传感器的灵敏度提高一倍；（2）差动式的线性度明显的得到改善（3）由外界的影响，差动式也基本上可以相互抵消，衔铁承 第一章检测技术的基本概念思考题与习题答案 1.单项选择题 1）某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在0.4%~0.6%，该压力表的准确度等级应定为____C____级，另一家仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于 0.9%，应购买____B____级的压力表。 A. 0 .2 B. 0 .5 C. 1 .0 D. 1.5 2）某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，在这个例子中，产生此心理作用的主要因素是____B____。 A.绝对误差 B.示值相对误差 C.满度相对误差 D.准确度等级 3）在选购线性仪表时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。这时必须考虑到应尽量使选购的仪表量程为欲测量的____C____左右为宜。 A.3倍 B.10倍 C.1.5倍 D.0.75倍 4）用万用表交流电压档(频率上限仅为5kHz)测量频率高达500kHz、10V左右的高频电压，发现示值还不到2V，该误差属于____D____。用该表直流电压档测量5号干电池电压，发现每次示值均为1.8V，该误差属于____A____。 A.系统误差 B.粗大误差 C.随机误差 D.动态误差 5）重要场合使用的元器件或仪表，购入后需进行高、低温循环老化试验，其目的是为了____D____。 A.提高准确度 B.加速其衰老 C.测试其各项性能指标 D.提高可靠性 2.各举出两个非电量电测的例子来说明 1）静态测量；2）动态测量； 3）直接测量；4）间接测量； 5）接触式测量；6）非接触式测量； 7）在线测量；8）离线测量。 3.有一温度计，它的测量范围为0～200℃，准确度为0.5级，试求： 1）该表可能出现的最大绝对误差为____A____。 A. 1℃ B. 0.5℃ C. 10℃ D. 200℃ 2）当示值为20℃时的示值相对误差为____B____，100℃时的示值相对误差为____C____。 A. 1℃ B. 5％ C. 1％ D. 10％ 4.欲测240V左右的电压，要求测量示值相对误差的绝对值不大于0.6%，问：若选用量程为250V电压表，其准确度应选B级。若选用量程为300V，其准确度应选____C____级，若选用量程为500V的电压表，其准确度应选____C____级。 A. 0.25 B. 0.5 C. 0.2 D.1.0 检测方法：主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态。 静态特性：灵敏度（S=dy/dx ）与分辨率、线性度、迟滞、测量范围与量程、精度等级。 动态特性：幅频特性、相频特性。 ???? ??? ???? 系统误差 绝对误差静态误差表示方法出现的规律随机误差被测量与时间的关系相对误差动态误差粗大误差 绝对误差：（指示值与被测量的真值之差） 相对误差：（绝对误差与被测量真值之差） 引用误差：（绝对误差与仪表量程L 的比值） 最大引用误差不能超过允许值的划分精度等级的尺度。 系统误差的大小表明测量结果的正确度，系统误差越小，测量结果的正确度越高。 随机误差的大小表明精密度，随机误差大，测量结果分散，精密度低（精确度）。 粗大误差（过失误差）主要是人为因素造成的。 电阻应变片的工作原理：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻也想应发生变化的物理现象，电阻应变效应。 ?? ?? ?? ?? ?? ??金属电阻应变片 体型电阻应变片半导体应变片（压阻效应）薄膜型扩散型 △R/R=K0?（K0金属电阻丝的应变灵敏度系数） 金属材料：几何尺寸的改变影响K 0值得大小 半导体材料：电阻率相对变化决定K 0值得大小 传感器的功能：检测，转换 电桥平衡条件：电桥相对臂的阻值乘积相等 铂电阻作为复现温标的基准器（铂易于提纯，化学性质稳定，电阻率较大，耐高温） 热敏电阻类型：正温度系数，负温度系数，临界热敏电阻 电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器C=?A/d 变面积式、变间隙式、变介电常数式， 自感式电感传感器：变面积型、变间隙型、螺管型 可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移的大小又能反映位移的方向 差动变压器形式：变隙型，螺线管型 Z 轴（光轴）X 轴（电轴）Y 轴（机械轴） 当沿着Z 轴方向受力时不产生压电效应 压电传感器可以等效为与电流源并联或与电压源串联 热电偶基本组成部分：热电极 热电偶的基本定律：均质导体定律、中间导体定律、标准电极定律、中间温度定律。 光电效应分类: 外光电效应（光电管，光电倍增管） 内光电效应（光敏电阻，光敏晶体管） 光生伏特效应（光电池） 光电传感器类型：模拟式光电传感器、脉冲式光电传感器。 光敏二极管在电路中常处于反向偏置状态 抑制形成干扰的"三要素" 消除或抑制干扰源； 阻断或减弱干扰的藕合通道或传输途径； 削弱接收电路对干扰的灵敏度。 硬件抗干扰措施：屏蔽技术、接地技术、浮空技术、隔离技术、滤波器等； 软件抗干扰措施：数字滤波、冗余技术等微机软件的抗干扰措施。 干扰的来源： 外部干扰:检测装置周围的电气设备、电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、晶闸管整流装置等强电系统的影响。雷电、大气电离、宇宙射线、太阳黑子活动以及其他电磁波干扰。 内部干扰:内部干扰是由装置内部的各种元器件引起的。 干扰形成条件：干扰源、对干扰敏感的接收电路、干扰源到接收电路之间的传输途径。 02044 ()4444RR R U R U U U K R R R R U R U U K UK R εεε ??????=== ? ?+??????????? === ? ????????? 检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用？ 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息 现代化检测技术的应用与发展 The application and development of modern testing technology 【摘要】 自动检测技术是现代化领域中发展前景十分广阔的一门新兴技术，是将生产、科研、生活等方面的相关信息通过选择合适的检测方法与装置进行检查测量，以发现事物的规律性。随着社会经济的发展，自动检测技术不断进步，在机械制造、化工、电力、汽车、航空航天以及军事等领域有着不可或缺的作用，是自动化技术的四个支柱之一。 【关键词】自动检测传感器数据处理信号转换 【正文】 一、关于自动检测技术的基础知识 自动检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。其任务是寻找与自然信息具有对应关系的各种表现形式的信号，以及寻求最佳的采集、转换、处理、传输、存储、显示等方法和相应的设备。 信息采集是指从自然界诸多被检查与测量的量中提取所需要的信息。 信息转换是指将所提取出的有用信息向电量、幅值、功率等形式转换。 信息处理的任务是根据输出环节的需要，将转换后的电信号进行数字运算（求均值、极值等）以及模拟量、数字量转换等处理。 信息传输的任务是在排除干扰的的情况下经济地、准确无误地吧信息进行传输。 二、自动检测技术的核心—自动检测系统 自动检测系统是自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号等诸多系统的总称，其原理图如下所示： 图1.自动检测系统框图 自动系统一般由传感器、信号处理器、显示器、数据处理装置和执行机构等五部分构成。下面介绍每个部分的功能： ①传感器：传感器（sensor）是指一个能将被测的非电量转换成电量的敏感元 件，是连接北侧对象和检测系统的接口。通过它人们可以利用计算机实现自 信号部分 1 试判断下述结论的正误。 （ 1 ）凡频谱是离散的信号必然是周期信号。 （ 2 ）任何周期信号都由频率不同，但成整倍数比的离散的谐波叠加而成。（ 3 ）周期信号的频谱是离散的，非周期信号的频谱也是离散的。 （ 4 ）周期单位脉冲序列的频谱仍为周期单位脉冲序列。 （ 5 ）非周期性变化的信号就是随机信号。 （ 6 ）非周期信号的幅值谱表示的是其幅值谱密度与时间的函数关系。（ 7 ）信号在时域上波形有所变化，必然引起频谱的相应变化。 （ 8 ）各态历经随机过程是平稳随机过程。 （ 9 ）平稳随机过程的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计持征。（ 10 ）两个周期比不等于有理数的周期信号之和是周期信号。 （ 11 ）所有随机信号都是非周期信号。 （ 12 ）所有周期信号都是功率信号。 （ 13 ）所有非周期信号都是能量信号。 （ 14 ）模拟信号的幅值一定是连续的。 （ 15 ）离散信号即就是数字信号。 2 对下述问题，选择正确答案填空。 （ 1 ）描述周期信号的数学工具是( ) 。 A. 相关函数 B. 傅氏级数 C. 拉氏变换 D. 傅氏变换 （ 2 ）描述非周期信号的数学工具是( ) 。 A. 三角函数 B. 拉氏变换 C. 傅氏变换 D. 傅氏级数 （ 3 ）时域信号持续时间压缩，则频域中低频成分( ) 。 A. 不变 B. 增加 C. 减少 D. 变化不定 （ 4 ）将时域信号进行时移，则频域信号将会( ) 。 A. 扩展 B. 压缩 C. 不变 D. 仅有相移 （ 5 ）概率密度函数在( )域、相关函数是在( )域、功率谱密度函数是在( )域上来描述的随机信号 A. 时间 B. 空间 C. 幅值 D. 频率 3 指出题图 3 所示的信号时域波形时刻与时刻频谱（幅值谱）有无变化，并说明原因。 题 3 图题 6 图 4 判断下列序列是否是周期函数。如果是，确定其周期。 （ 1 ）；（ 2 ）。 5 有一组合信号，系由频率分别为 724Hz 、 44Hz 、 5005410Hz 及 600Hz 的相同正弦波叠加而成。求该信号的周期 T 。 6 求题 6 图所示，非对称周期方波信号的傅里叶级数，并绘出频谱图。 7 求题 7 图所示三角波信号的傅里叶级数，并绘出频谱图。 答案： 1. 判断题 1、检测仪表有哪几个基本的组成部分？各部分起什么作用。 答：检测仪表的组成：传感器+变送放大机构+显示器。1.传感器直接与被测量对象相联系，感受被测参数的变化，并将被测参数信号转换成相应的便于进行测量和显示的信号输出。2.变放大机构将感受件输出的信号直接传输给显示器或进行放大和转换，使之成为适应显示器的信号。 2、检测仪表的常用技术性能有哪些？ 答：精度、变差、灵敏度和灵敏限、线性度、死区 3、按误差的来源分类，有哪几类？各类有何特点？ 答：1检测系统误差 2随机误差 3 疏忽误差 系统误差的误差的特点是测量结果向一个方向偏离，其数值按一定规律变化。 随机误差的特点是相同条件下，对同一物理量进行多次测量，由于各种偶然因素，会出现测量值时而便大时而偏小的误差现象。随机误差既不能用实验方法消除，也不能修正，虽然他的变化无一定规律可循，但是在多次重复测量时，总体服从统计规律。 疏忽误差是指在一定的测量条件下，测得的值明显偏离其真值，既不具有确定分布规律，也不具有随机分布规律的误差，疏忽误差是由于测试人员对仪器不了解或因思想不集中，粗心大意导致错误的读数，使测量结果明显的偏离了真值的误差。 4 * 、说明弹簧管压力表的具体结构；使用中如何选择？ 答：弹簧压力表也由外壳部分、指针、刻度盘。弹簧管、弯管、和传动机构等六个主要部分主成。弹簧管的内腔为封闭形式，外界压力作用于弹簧管外侧，使弹簧管变形，由传动机构带动指针转动指出环境压力。 压力表的选用原则：主要考虑量程、精度和型 5 * 、常用热电偶有哪几种？比较说明其主要的特点。 答：常用热电偶有：S （铂铑— 铂）、K （镍铬—镍硅）、E （镍铬—铜镍）三种 S 型的特点是熔点高，测温上限高，性能稳定、精度高、100度以下热电势极小，所以可不必考虑冷端温度补偿，价昂，热电势小，线性差，只适合于高温域的测量；K 型特点是热电势大，线性好，稳定性好，价廉，但材料较硬、在1000度以上长期使用会引起热电势漂移，多用于工业测量；E 型特点，热电势比K 型热电偶大50% 左右，线性好，耐高湿度，价廉，但不能用于还原性气氛，多用于工业测量。 6*、热电偶使用中为何常用补偿导线？补偿导线选择有什么条件？ 答：使用补偿导线的作用，除了将热电偶的参考端从高温处移到环境温度相对稳定的地方外，同时能节约大量的价格较贵的金属和性能稳定的稀有金属，使用补偿导线也便于安装和线路铺设，用较粗直径和导电系数大的补偿导线代替电极，可以减少热电偶回路电阻以便于动圈式显示仪表的正常工作和自动控制温度。 条件：○ 1补偿导线的热电特性要与热电偶相同或相近；②材料价格比相应热偶低，来源丰富。 使用补偿导线注意问题：1、补偿导线只能在规定温度范围内与热电偶的热电势相等或相近2、不同型号的热电偶有不同的补偿导线3、热电偶和补偿导线的接口处要保持同温度4、补偿导线有正、负级，需分别与热电偶正、负极相连 5、补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端的温度不等于0时，还需进行其他补偿和修正。 7*、热电偶冷端温度有哪些补偿方法？ 答：冷端温度补偿的方法有：1、补偿导线法；2、计算修正法；3、自由端恒温法；4、补偿电桥法；5、仪表零点调整法 8*、常用热电阻有哪些？写出各分度号。 答：常用的热电阻有：铂电阻（Pt10、Pt100），铜电阻（Cu50、Cu100） 9、热电偶测温系统组成中需要注意哪些问题？ 答：使用热电偶组成一个温度检测系统，主要有两种情况，一是热电偶直接与显示仪表相连，显示仪表显示被测温度值，二是、热电偶先接到热电偶温度变送器，变送器输出的标准信号与被测温度呈线性对应关系，并送到显示仪表显示温度值。对于第一种情况，显示仪表必须要与热电偶配套使用。对于第二种情况，温度变送器也必须要和热电偶配套使用，必须包含与热电偶对应的自由端温度补偿器，补偿器产生的电势连同热电偶一齐作为显示仪表的输入信号，由于热电势与温度之间是一个非线性关系，因此显示表的标尺上的温度刻度也是非线性的。 10 * 、写出节流式流量计的流量公式，并说明公式中各符号表示什么？ 流量方程：P A q v ?=102ραε P A q m ?=102ραε α：流量系数 ε：可膨胀系数 ρ：节流前密度 0A ：接流体开孔面 P ?：差压 安徽机电职业技术学院－学年第学期《自动检测技术及应用》期终考试试卷五卷 班级姓名学号教师 一、填空题（每空 1.5 分，共42分） 1、误差产生的原因和类型很多，根据造成误差的不同原因，有不同的分类方法， 按照性质可分为系统误差、粗大误差、随机误差三种。 2、微差法是零位发和偏差发的组合。先将被测量与一个已知标准量进行对比，不足部分再用偏差法测出。 3、应变片丝式敏感栅的材料是金属。为确保应变片的性能，对此类材料的 主要要求是：应变灵敏系数高，且为常数；电阻率大；电阻温度系数小。 4、目前我国生产两种初始电阻值分别为R 0= 100 欧姆与R = 50欧姆的铜热电 阻，它们对应的分度号分别为 Cu100 与 Cu50 。 5、被测体的电阻率ρ越大，相对导磁率μ越小，传感器线圈的激磁频率越小，则电涡流的轴向贯穿深度越大。 6、当吧两种材料的金属组成回路，并且两端的温度不同时，回路中将会产生 一定的电动势并产生电流，这种现象称为热电效应。 热电动势是由接触电动势和温差电动势组成。 7、由A、B导体组成的热电偶，当引入第三导体C时，只要 c两端的温度相同，则C导体的接入对回路总热电动势无影响，这就是中间导体定律。 8、压电式传感器不能测量频率太低被测量，更不能测量静态量。目前多用于加速度和动态的力或压力的测量。 二、选择题（每空 1.5 分，共18分） 1、在选购线性仪器时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。这时必须考虑到应尽量使选购的仪表量程为欲测量的（ C ）左右为宜。 A．3倍 B．10倍 C．1.5倍 D．0.75倍 2、有一温度计，它的测量范围为0～200℃，精度为0.5级，试求： 1）该表可能出现的最大绝对误差为（ A ）。 A. 1℃ B. 0.5℃ C. 10℃ D. 200℃ 2）当示值为20℃时的示值相对误差为（B ），100℃时的示值相对误差为（ C ）。 A. 1℃ B. 5％ C. 1％ D. 10％ 3、湿敏电阻用交流电作为激励电源是为了（ B ）。 A. 提高灵敏度 B. 防止产生极化、电解作用 C. 减小交流电桥平衡难度 D. 节约用电 4、（ C ）的数值越大，热电偶的输出热电动势就越大。 A．热端直径 B．热端和冷端的温度 C．热端和冷端的温差 D．热电极的电导率 5、螺线管式自感传感器采用差动结构是为了（ B ）。 A. 加长线圈的长度从而增加线性范围 B. 提高灵敏度，减小温漂 C. 降低成本 D. 增加线圈对衔铁的吸引力 6、电涡流探头的外壳用（ B ）制作较为恰当。 A．不锈钢 B．塑料 C．黄铜 D．玻璃 7、利用湿敏传感器可以测量（B ）。 A. 空气的绝对湿度 B. 空气的相对湿度 C. 空气的温度 D. 纸张的含水量 8、霍尔元件采用恒流源激励是为了（ D ）。 电气测试技术第三版_课后习题答案(林德杰) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII l第一章思考题与习题 1－2 图1.6为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。 解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体 并释放出热量。当电石加入时，内部温度上升，温度 检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控 制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调 节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。 系统框图如下： 被控过程：乙炔发生器 被控参数：乙炔发生器内温度 控制参数：冷水流量 1－3 常用过程控制系统可分为哪几类? 答：过程控制系统主要分为三类： 1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。 2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。 3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。 3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容它们的定义是什么哪些是静态指标哪些是动态质量指标 答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。它是一个静态指标，对定值控制系统。希望余差越小越好。 2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第 一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即： n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。 衡量系统稳定性也可以用衰减率φ 4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。 5． 过程过渡时间ts ：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳 态值的±5%或±3％ （根据系统要求）范围内所需要的时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，t s 越小，过渡过程进行得越快。 6．峰值时间tp : 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。称为峰值时间tp 。它反映了系统响应的灵敏程度。 静态指标是余差，动态时间为衰减比（衰减率）、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。 第二章 思考题与习题 2－1 如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2，Q3，液位h 为被控参数，C 为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻，要求： （1） 列出过程的微分方程组； （2） 求过程的传递函数W 0（S ）＝H （S ）/Q 1（S ）； （3） 画出过程的方框图。 B B n ' = B B B '-= ? 第一章 绪论 一、填空题： 1、传感器由 敏感元件 、 转换元件 、 转换电路 组成 2、传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出 变化量 与输入 变化量 的比值。 3、从输出曲线看，曲线越陡，灵敏度 越高 。 4、下面公式是计算传感器的 线性度 。 9)-(1 %100min max max L L ?-=y y Δγ 5、某位移传感器的输入变化量为5mm ，输出变化量为800mv ，其灵敏度为 0.16V/mm 。 6、有一台测量仪表，其标尺范围0—500 KPa ，已知绝对误差最大值DP max=4 KPa ，则该仪表的精度等级 1级 。 7、传感器能感知的输入量越小，说明 分辨率 越高。 二、问答题 1、什么是传感器的静态特性，有哪些指标。 答：指传感器的静态输入、输出特性。有灵敏度、分辨力、线性度、迟滞、稳定性、电磁兼容性、可靠性 2、产生随机误差的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？ 答：是测量中独立的、微小的、偶然的因素引起的结果。既不能用实验的方法消除，也不能修正。可以通过增加测量次数，利用概率论的一些理论和统计学的方法进行数据结果处理，服从正态分布 3、什么是系统误差？怎样减小系统误差？ 答：分为恒值误差，例如刻度盘分度差错。变值误差，环境温度的影响、零点漂移等。系统误差有规律。可以通过实验的方法引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以剔除。 4、如何判断系统中存在粗大误差。 答：粗大误差是测量人员的粗心大意及电子测量仪器收到突然强大的干扰所引起的，粗大误差明显超过正常条件下的误差。 五、分析与计算题 1、有一温度计，它的测量范围为0—2000C ，精度为0.5级，求 1）该表可能出现的最大绝对误差。 2）当示值分别为200C 、1000C 的示值相对误差。 解：1）Δ=200×±0.5%=±10C 2）±1/20×100%=5% ±1/100×100%=1% 第1章软件测试概述 1、简述软件缺陷的含义。 答：软件缺陷是软件开发过程中潜在的缺陷，这些缺陷可能在软件运行后出现，因而使软件的性能和可靠性等方面与系统的设计需求不符。 2、说明软件缺陷、软件错误和软件失败的关系。 答：缺陷、缺点、偏差统称为缺陷，是软件故障的根源；错误、谬误、问题、异常、矛盾等统称为错误，软件错误出现的原因是软件缺陷所致；失败、事故、灾难统称失败，失败的直接原因是软件系统存在软件错误。 14、“软件测试是有风险的工作”，试解释这种说法的含义。 答：软件不测试，就会有风险；软件测试，同样也会有风险。因为，软件是个复杂的系统，其复杂性体现在软件实现的内容复杂性、开发过程的复杂性和组织工作的复杂性等方面。而软件测试的目的是为了发现故障，并加以排除。对一个复杂的软件系统来说，故障的排除往往可能又带来新的软件缺陷。所以，软件测试又会带来一定的风险。 第2章软件测试基础 2、条件覆盖是否高于判断覆盖的逻辑覆盖程度如果不是，请给出反例加以说明。 答：条件覆盖是高于判断覆盖的逻辑覆盖程度。 a 、用条件覆盖所设计的测试用例可使得程序中的每一个判断的每一个条件的可能 取值至少执行一次。 b、用判断覆盖所设计的测试用例可使被测程序中的每个判断的真分支和假分支至少经历 一次。 每个判断语句可能包含多个条件(比如，if (A>3&&B<7……)。条件覆盖针对判断语句的每一个条件的所有可能取值编写测试用例；判断覆盖只针对每一个判断语句整体的所有可能取值编写测试用例。所以，条件覆盖的逻辑覆盖程度高于判断覆盖。 4、已知某种计算机程序设计语言的标识符语法规则规定“标示符是由非数字开头的，有效 字符数为32个，最大字符数为128个的任意符号串”。试用等价类划分法设计测试用例。 《自动检测技术》课程期末考试试题A 一、填空（本题共39分，每空1.5分） 1、传感器由 敏感元件 、 传感元件 、 测量转换电路 三部分组成。 2、在选购线性仪表时，必须考虑应尽量使选购的仪表量程为欲测量的 1.5 倍左右为宜。 3、有一温度计，它的量程范围为0∽200℃，精度等级为0.5级。该表可能出现的最大误差为 +-1 ℃ ，当测量100℃ 时的示值相对误差为 +-1% 。 4、利用热敏电阻对电动机实施过热保护，应选择 NTC突变型 型热敏电阻。 X面 5、在压电晶片的机械轴上施加力,其电荷产生在。 6、霍尔元件采用恒流源激励是为了 。 7、用水银温度计测量水温,如从测量的具体手段来看它属于 测量。 8、已知某铜热电阻在0℃时的阻值为50Ω，则其分度号是 ，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是 。 9、压电材料在使用中一般是两片以上，在以电荷作为输出的地方一般是把压电元件 起来，而当以电压作为输出的时候则一般是把压电元件 起来。 10、热电阻主要是利用电阻随温度升高而 这一特性来测量温度的。 11、自动检测系统中常用的抗电磁干扰技术有 、 、 、 、 等。 12、金属电阻的 是金属电阻应变片工作的物理基础。 13、电磁干扰的形成必须同时具备的三项因素是 、 、 。 14、在动圈式表头中的动圈回路中串入由NTC 组成的电阻补偿网络，其目的是为了 。 1、在以二、选择题（本题共30分，每题2分） 下几种传感器当中 C 属于自发电型传感器。 A、电容式 B、电阻式 C、热电偶 D、电感式 2、 D 的数值越大,热电偶的输出热电势就越大。 A、热端直径 B、热电极的电导率 C、热端和冷端的温度 D、热端和冷端的温差 3、在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中 B 。 A、电容和电感均为变量 B、电容是变量，电感保持不变 4、在仿式传感器来检测工件尺寸，该加工检测装置是采用了 C、电感是变量，电容保持不变 D、电容和电感均保持不变 型机床当中利用电感 B 测量方法。 A、微差式 B、零位式 C、偏差式 5、热电阻测量转换电路采用三线制是为了 B A、提高测量灵敏度 B、减小引线电阻的影响 兼容性 6、C、减小非线性误差 D、提高电磁汽车衡所用的测力弹性敏感元件是 A 。 A、实心轴 B、弹簧管 C、悬臂梁 D、圆环 7、在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是 C 。 A、补偿热电偶冷端热电势的损失 B、起冷端温度补偿作用 D、提高灵敏度 8、考核C、将热电偶冷端延长到远离高温区的地方 计算机的电磁兼容是否达标是指 C 。 A、计算机能在规定的电磁干扰环境中正常工作的能力 规定数值的电磁干扰 B、该计算机不产生超出 C、两者必须同时具备 第一章检测技术的基础知识 一、填空题 1．传感器一般由、和三部分组成。（敏感元件；转换元件；转换电路） 2．传感器中的敏感元件是指被测量，并输出与被测量的元件。（直接感受；成确定关系的其它量） 3．传感器中转换元件是指感受由输出的、与被测量成确定关系的，然后输出的元件。（敏感元件；另一种非电量；电量）4、直接测量方法中，又分、和。（零位法偏差法微差法） 5、零位法是指与在比较仪器中进行，让仪器指零机构，从而确定被测量等于。该方法精度。（被测量已知标准量比较达到平衡/指零已知标准量较高） 6、偏差法是指测量仪表用相对于，直接指出被测量的大小。该法测量精度一般不高。（指针、表盘上刻度线位移） 7、微差法是和的组合。先将被测量与一个进行，不足部分再用测出。（零位法偏差法已知标准量比较偏差法）9、测量仪表的精确度简称，是和的总和，以测量误差的来表示。（精度精密度准确度相对值） 10、显示仪表能够监测到被测量的能力称分辨力。（最小变化）2．通常用传感器的和来描述传感器输出-输入特性。（静态特性；动态特性） 3．传感器静态特性的主要技术指标包括、、、、和。（线性度；灵敏度；灵敏度阈；迟滞；重复性） 5．传感器线性度是指实际输出-输入特性曲线与理论直线之间的与输出。（最大偏差；满度值之比） 6．传感器灵敏度是指稳态标准条件下，与之比。线性传感器的灵敏度是个。（输出变化量；输入变化量；常数） 7．传感器迟滞是指传感器输入量增大行程期间和输入量减少行程期间， 曲线。（输入-输出；不重合程度） 8．传感器的重复性是指传感器输入量在同一方向（增大或减小）做全程内连续所得输出-输入特性曲线。（重复测量；不一致程度/重复程度） 9．传感器变换的被测量的数值处在状态时，传感器的的关系称传感器的静态特性。（稳定；输入-输出） 第三章常用传感器与敏感元件 3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。 解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。 3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。 解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。 3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具 体情况来选用？ 解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。 电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。 半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。 选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。 3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g＝2，R＝120 。设工作时其应变为1000 ，问R＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变 时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？ 1.5V 图3-84 题3-4 图 解：根据应变效应表达式R/R= S g 得 R= S g R=2 1000 10-6 120=0.24 1）I1=1.5/R=1.5/120=0.0125A=12.5mA 2）I2=1.5/( R+ R)=1.5/(120+0.24) 0.012475A=12.475mA 3）=( I2-I1)/I 1 100%=0.2% 4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量 程不够，无法测量12.5mA 的电流；如果采用毫安表，无法分辨0.025mA 的电流变化。一般 需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。 3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取 这些措施会带来什么样后果？ 解答：以气隙变化式为例进行分析。 S d L d 2 N A 0 0 2 2 又因为线圈阻抗Z= L，所以灵敏度又可写成 第三章习题参考解 3.1 电阻式传感器有哪些重要类型？ 答：常用的电阻式传感器有电位器式、电阻应变式、热敏效应式等类型的电阻传感器。 3.2 说明电阻应变片的工作原理。它的灵敏系数K 与应变丝的灵敏系数K 有何差别，为什么？ 答：金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。 它的灵敏系数K 是指把单位应变所引起的电阻相对变化，即??????++=l dl d K ρρμ)21( 由部分组成：受力后由材料的几何尺寸变化引起的[])21(μ+；由材料电阻率变化引起的?? ????l dl d ρρ。 应变丝的灵敏系数K 为E K π=，指与材料本身的弹性模量有关。 3.3 金属电阻式应变片和半导体电阻应变片在工作原理上有何不同？ 答：金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指半导体材 料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。 3.4 假设电阻应变片的灵敏度K=2，R=120Ω。问：在试件承受600με时，电阻变化值ΔR=？若将此应变片与2V 直流电源组成回路，试分别求取无应变时和有应变时回路的电流。 解：因为x R R K ε?=，故有 Ω=??==?144.06001202R K R x ε 无应变时回路电流为 A R U i 0167.0120 21=== 有应变时回路电流为 A R R U i 0166.0144 .012022=+=?+= 3.5 题3.5图所示为一直流电桥，供电电源电动势3V E =，34100R R ==Ω ，1R 和2R 为相同型号的电阻应变片，其电阻均为100Ω，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5000με，试求此时电桥输出端电压0U 。 解：根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，如题3.5图所示。该电桥输出电压O U 为 因为100,100,432121====?=?R R R R R R ,则得 015.05000232 12121110=???==?=x EK R R E U εV 3.6 哪些因素引起应变片的温度误差，写出相对误差表达式，并说明电路补偿法的原理。 答：产生电阻应变片温度误差的主要因素有电阻温度系数的影响和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。 由温度变化引起应变片总电阻的相对变化量为 ()[]t K R R s g t ?-+=?ββα00 （0,R R t 分别为温度为C t 0和C 00时的电阻值；0α为金属丝的电阻温度系数；t ?为变化的温度差值；g s ββ,分别为电阻丝和试件线膨胀系数。） 最常用、最有效的电阻应变片温度误差补偿方法是电桥补偿法，其原理如图所示。 题3.5图 311112234()O R R R U E R R R R R R +?=-+?+-?+自动检测技术及应用期末模拟试题20
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