检测与过程控制技术三答案

模拟试题C 答案

1. 用某电压表测量电压，测得值为6.32V 。改用标准电压表测量，其示值为6.50V ，试求前一只电压表的绝对误差和相对误差。

答：

绝对误差：

Δx =A x -A 0

式中，Δx 为绝对误差；A x 为示值，具体应用中可以用测量结果的测量值、标准量具的标称值代替；A 0为被测量的真值。

真值A 0一般很难得到，所以通常用实际值A 代替被测量的真值A 0 ， 因而绝对误差更有实际意义的定义是

Δx =A x -A

相对误差：

(1) 实际相对误差。 实际相对误差定义为绝对误差Δx 与实际值A 的百分比值， 即

100%A x r A ?=? (2) 示值相对误差。 示值相对误差定义为绝对误差Δx 与示值x 的百分比值， 即 100%x x r x

?=? (3) 满度相对误差。满度相对误差定义为仪器量程内最大绝对误差Δx m 与测量仪器满度值x m 的百分比值，即

m m m 100%x r x ?=? 按照定义带入数值即可。

2. 什么叫应变效应？什么叫霍尔效应？

答：

应变效应是基于金属电阻片在外力作用下产生机械变形，从而导致其电阻发

生变化的电阻应变效应。

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。

3. 简述电容式传感器测量压力的原理。

答：

以电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器称为电容式传感器。电容式传感器在力学量的测量中占有重要地位，它可以对荷重、压力、位移、振动、加速度等进行测量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好等许多优点，因此在自动检测技术中得到普遍的应用。

在电容式压力传感器中常使用变间隙式电容传感器，通过检测两个物体之间的静电容变化，测量出它们之间的距离变化，从而得到对应的压力值，可测量范围为0.098～98kPa，精度在0.2％左右。

4. LED显示接口与LCD显示接口有哪些相同点和哪些不同点？试举例说明。答：

LED显示器是由发光二极管组成的显示字段的显示器件，分为共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示器是将发光二极管的阴极连在一起作为公共端，使用时该端接低电平；共阳极LED显示器是将发光二极管的阳极连在一起作为公共端，使用时该端接高电平。常用的七段LED显示器中有八个发光二极管，也称八段显示器。

LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。所谓静态显示就是需要显示的字符的各字段连续通过电流，因此所显示的字段连续发光。所谓动态显示就是需要显示的字符的各字段断续通过电流，因此所显示字段的发光是不连续的。

LCD显示器分为段式和点阵式两种

与LED很相似，段式LCD也是七段（或八段）显示结构，也有七个（或八个）段选端。

LCD与LED不同之处在于每个字形段要由频率为几十赫兹到数百赫兹的节拍方

波信号驱动，该方波信号加到LCD的公共电极和段驱动器的节拍信号输入端。

5. RS-232C标准的接口信号有哪几类？说明常用的几根信号线的作用。

答：

信号含义如下：

(1) 从计算机到MODEM的信号：

RTS：请求发送，高电平有效，告诉MODEM现在要发送数据。

DTR：数据终端（DTE）准备好，告诉MODEM计算机已接通电源并准备好了。

(2) 从MODEM到计算机的信号：

DSR：数据设备（DCE）准备好，告诉计算机MODEM已接通电源并准备好了。

CTS：为发送清零，告诉计算机MODEM已经作好了接收数据的准备。

DCD：数据信号检测，告诉计算机MODEM已与对端的MODEM建立连接了。

RI：振铃指示器，告诉计算机对端电话已在振铃了。

(3) 数据信号：

RXD：接收数据。

TXD：发送数据。

6. RS-232C与RS-485有什么区别？

答：

对于RS-232C，若不采用调制解调器，其数据传送速率不高（≤20 000 b/s）、传输距离较近（≤15 m），当传输距离较远时，可采用RS-422/423/485串行通信接口。也就是说，RS-232C最大传输距离15m ,RS-485/RS-422标准规定采用平衡驱动差分接收电路,提高了数据传输速率(最大位速率为10Mb/s),增加了传输距离(最大传输距离1200m).其中，RS-485接口采用二线差分平衡传输，当采用＋5 V电源供电时，其信号定义如下：若差分电压信号为-2500～-200 mV时，为逻辑“0”；若差分电压信号为＋2500～＋200 mV 时，为逻辑“1”；若差分电压信号为-200～＋200 mV时，为高阻状态。

7. 多路模拟量输入通道一般应包含哪些环节?各环节有何作用?

答：

模拟量输入通道是微机测控系统中被测对象与微机之间的联系通道。因为微机只能接收数字信号，而被测对象常常是一些非电量，所以输入通道的作用是：将被测非电量转换为电信号；将转换后的电信号经滤波、放大、隔离、变换以及线性化处理后得到适合A/D转换的电压信号，即信号调理；将处理后的电压信号经A/D转换器转换为数字信号。

由模拟量输入通道的作用可知，模拟量输入通道一般由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成。

8. 什么情况下需要设置低噪声前置放大器？为什么？

答：

设置前置放大器的理论依据。由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，其输出端仍然存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。如果加在该电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端必须加入低噪声前置放大器。前置放大器的增益大于1，且放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。

9. 在模拟输入通道中，采样/保持器有什么作用？是否模拟输入通道中必须采用采样／保持器？为什么？

答：

信号采集电路的作用就是实现模拟量信号的数字化，以便于计算机（或微处理器）进行加工处理，其组成核心是S/H和A/D。由于任何一种A/D转换器都需要有一定时间来完成量化及编码操作，因此，在转换过程中，模拟量不能发生变化，否则，将直接影响转换精度，S/H就是为实现这一功能而设置的。但是，当输入模拟量信号的变化速率较慢时，也可省去S/H。但在工程实际中需要注意的是：若被测模拟信号为恒定或变化缓慢的大信号，则可以直接进行A/D转换；若被测模拟信号为动态瞬变信号，则必须在多路转换开关与A/D之间设置S/H；若被测模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很大，就必须在S/H 与多路转换开关之间设置程控增益放大器等作为主放大器。

10. 监控程序包括哪些部分？简述主要几个部分的作用。

答：

测控系统监控程序的组成主要取决于测控系统的组成规模，以及系统的硬件配备与功能。它通常由监控主程序、初始化管理、键盘管理、显示管理、中断管理、时钟管理、自诊断和自动/手动切换等模块组成

各部分的作用：

①监控主程序是整个监控程序的管理程序，它起到引导测控系统进入正常工作过程，并根据测控要求来协调系统各软件模块的工作，从而实现控制系统硬件的作用。

②初始化管理

i).可编程器件初始化

可编程器件初始化是指对可编程硬件接口电路的工作模式的初始化。

ii).参数初始化

参数初始化是指对测控系统的整定参数（如PID算法的K P、T I、T D的初值）、报警值以及过程输入通道的数据与过程输出通道的数据初始化。

③自动/手动切换

自动/手动切换实质是系统工作方式的变换，即系统是采用自动方式连续运行，还是采用步进方式断续运行。所谓自动方式连续运行，是指测控系统在监控程序的控制下，实现自动测量、自动控制的过程。它的特点是在不改变测控初始参数或测控对象的情况下，无需人为干涉。而步进方式断续运行是指测控系统在系统调试或测试阶段，实现单步测量、单步控制的过程。它的特点是必须在人的参与下完成既定测控任务。

11. 增量式PID算法与位置式PID算法有何区别？各用在什么场合？

答：

增量式算式与位置式算式相比，具有以下优点：

（1）增量式算式不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差的采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量计算的影响较小。而位置式算式要用到过去的误差累加值，容易产生大的累积误差。

（2）增量式算式得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会

严重影响系统的工况。

（3）采用增量式算式，易实现手动到自动的无冲击切换。

12. 模拟输出通道有哪几种基本结构？各有何特点？

答：

1）数据分配分时转换结构

数据分配分时转换结构的特点是每个通道配置独立的数据寄存器和D/A转换器，数据经微机处理后通过数据总线分时地送给各通道数据寄存器，当控制逻辑选通某路数据寄存器的同时，该路D/A即实现数字信号到模拟信号的转换。一般各通道在D/A转换之后都设有信号调理电路，使输出模拟信号满足执行机构的要求。这种分时输出结构由于各通道输出的模拟信号存在时滞，因此，不适于多参量同步控制执行机构的系统。

2）数据分配同步转换结构

数据分配同步转换结构的特点是多路输出通道中D/A转换器的操作是同步进行的，因此，各信号可以同时到达执行部件。

3）模拟分配分时转换结构

模拟分配分时转换结构的特点是各通道共用一个D/A转换器和一个数据寄存器。微机处理后的数据通过数据总线按照通道顺序分时传送至数据寄存器并进行D/A转换，产生相应通道的模拟输出值。微机将某通道数据输出给D/A转换器进行D/A转换的同时，也命令该通道的S/H进入采样状态，当该通道完成D/A 转换并准备接收下一通道数据时，微机让该通道的S/H进入保持状态。显然，只有正在进行D/A转换的那一通道的S/H是采样状态，而其他通道的S/H都处于保持状态。

13. 试述开关量输出通道的基本组成及作用。

答：

开关量输出通道主要由输出锁存器、I/O电气接口电路（输出驱动电路）、输出口地址译码器等组成。

开关量输出通道各部分的作用如下：

(1)输出口地址译码器主要完成开关量输出通道的选通。

(2)输出锁存器的作用是锁存CPU的输出数据，在未刷新前保持稳定以供外部设备使用。输出锁存器可以使用各种可编程的外围接口电路，如8255、8155等，也可以使用简单的中小规模集成电路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。

(3)输出驱动电路主要完成电平转换、隔离和功率驱动等。

14. 交流伺服电动机可用哪几种方式进行控制？

答：

伺服电动机也称为执行电动机，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；信号消失之后，转子又能即时自行停转。由于这种“伺服”性能，因而将这种控制性能较好、功率不大的电动机称做伺服电动机。常用的伺服电动机有交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类。

交流伺服电动机不仅要具有启动和停止的伺服性，而且还要具有对转速大小和方向的可控性。根据不同的用途，可采用以下三种不同的控制方法：

(1)幅值控制：保持控制电压的相位不变，仅仅通过改变其幅值来进行控制。

(2)相位控制：保持控制电压的幅值不变，仅仅通过改变其相位来进行控制。

(3)幅相控制：同时改变控制电压的幅值和相位来进行控制。

15. 什么是“共模干扰”？什么是“差模干扰”？其抑制措施有哪些？

答：

差模干扰是指叠加在被测信号上的干扰。这种干扰可能是信号源的一部分，也可能是由长传输线引入的。由于它和被测信号在信号输入回路中电位相同，以电压源的形式与信号源串联，因此也称之为串模干扰，

共模噪声是相对于公共的电位基准点，在系统的接收电路的两个输入端上同时出现的噪声干扰。这种干扰可以是直流的，也可以是交流的，其幅值大小不等，取决于环境和设备的接地情况。

抑制干扰有下列三个基本原则：消除干扰源；远离干扰源；防止干扰窜入。

16. 研制一个微机测控系统大致分为几个阶段？试简要叙述各阶段的工作内容。答：

微机测控系统的研制大致上可以分为三个阶段：确定任务与方案拟制阶段、系统研制阶段、联机总调与性能测定阶段。

（1）确定任务与方案拟制阶段

该阶段的任务有两个：一是确定测控系统所要完成的任务和应具备的功能，深入了解用户对测控系统的内部结构、外形尺寸、面板布置等方面的要求及所设计系统的使用环境情况，以此作为测控系统硬、软件的设计依据；二是在对测控系统的功能、可靠性、可维护性及性能价格比进行综合考虑的基础上，提出测控系统设计的初步方案。

（2）系统研制阶段

系统研制阶段的主要任务是：组建项目研制小组、系统功能的软/硬件实现的权衡与划分、硬件和软件的细化设计、硬件和软件的调试、系统的组装等。在开发过程中，硬件和软件工作应该同时进行，即在设计硬件、研制功能模板的同时，应完成软件设计和应用程序的编制。这样做能使硬、软件工作相互配合，缩短研制周期。

（3）联机总调与性能测定阶段

系统研制阶段仅对硬件和软件分别进行了初步调试和模拟试验。样机装配好后，还必须进行联机试验，识别和排除样机中硬件和软件两方面的故障，使其能正常运行。待工作正常后，便可投入现场试验，使系统处于实际应用环境中，以考验其可靠性。在总调中还必须对委托任务书所要求的全部功能进行测试和评价，以确定测控系统是否符合预定性能指标，并写出性能测试报告。若发现某一项功能或指标达不到要求时，则应变动硬件或修改软件，重新调试，直至满足要求为止。