1、习题集自动检测自动检测技术复习J第1章测量基本理论1.传感器由哪儿部分组成？各部分的作用是什么？敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。转换电路：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。2.根据测量的具体手段可将测量分为哪三种方式？每种方式的优点和缺点。1偏位式一一被测量作用于仪表内部的比较装置，使该装置产生偏移量，直接 以仪表的偏移量表示被测量的测量方式。容易灵敏度漂移和零点漂移，精度较低2.零位式一一被测量与仪表内部的标准量进行比较，当测量系统达到平衡时， 用己知标准量的值决定被测量的值。精度高
2、，但平衡过程复杂。3.微差式一一预先使被测量与装置内部的标准量相平衡，当被测量有微小变化 时，测量装置将失去平衡，再釆用偏位式仪表指示出其变化部分的数值。 综合了偏位式速度快和零位式精度高3.传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标來描述？迟滞性的现象及其产生 的原因。静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输 出与输入之间的关系。主要包括：灵敏度、分辨力、分辨率、线性度、稳定 度、电磁兼容性、可靠性等。迟滞性的现象指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。公式：4.测量误差的分类。静态系统误差合成的两种方法。粗大误差一明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。系统误差一在
3、重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值 与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者， 均属于系统误差。随机误差一测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果 的平均值之差称为随机误差。（集中性对称性有界性）绝对值合成法 方均根合成法5.台精度为0.5级、量程范围6001200C的温度传感器，它最大允许绝对误 差是多少？检验时某点最大绝对误差是4C,分析此表是否合格？第2章电阻式传感器1.什么是金属材料的电阻应变效应？什么是半导体材料的压阻应变效应？对金属材料來说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2 U的值要比(dp/p)/e大 得多，显
4、然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。金属材料的电阻相 对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。半导体材料的(dp/p)/e项的值比1+2 U大得多。2.金属电阻应变片、半导应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？金属导体应变片的电阻变化是利用机械形变产生的应变效应，对于半导体而言，应变传 感器主要是利用半导体材料的压阻效应。金属电阻丝的灵敏系数可近似写为 心心1 + 2“， 即心.52；半导体灵敏系数近似为kQNp!p)/8= 100。3.直流电桥是如何分类的？各类桥路输出电压与电桥灵敏度关系如何？4.为什么全桥能起到温度的自补偿？5.下图为用电阻应变式传感器测量金属材
5、料的弯曲变形的原理图，简支梁在力 F的作用下发性弯曲，在梁的上下表面各贴一片应变片，试说明这个测量系统的 原理。要求：a.画出测试电路的原理图，并给出计算公式.b.图中用两个应变片有什么好处？R2国 3-316.右图为一直流电桥，负载电阻兄趋于无穷。图中 E=V, RlR：二Q ,试求：尿为金属应变片， 其余为外接电阻，当尽的增量为凡=1.2Q时，电 桥输出电压R.、尼为金属应变片，感应应变 大小变化相同，其余为外接电阻，电桥输出电压弘却 &、尺为金属应变片，如果感应应变大小相反， 且丘=尼二 1.2Q,电桥输出电压 因为只有尺为应变片,电桥输贱单臂电桥计算，=|t=0010V 因为两应变片变
6、化大小相同，相互抵消无输出，uQ = ov因为心R应变吋大小变化相反，电桥输岀按半桥计算，Uq=- = 0.02V2 R7.釆用四片相同的金属丝应变片（阻2）,将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。 如图2-2（a）所示，力/lOOOkgo圆柱断面半径r=lcm,弹性模量E2X 10N/cm, 泊松比“二0.3。求（1）画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图;（2）各应变片的应变&二？电阻相对变化量（3）若电桥电压U = 6K, 求电桥输出电压弘二？ （4）此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？说明 原因。 F图2-2第3章电容式传感器1.根据电容传感器的工作原理说明它的类型。电容式传
7、感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。实际应用 时，常常仅改变矗、$和巧之中的一个参数来使发生变化。所以电容式传感器可分为三 种基本类型：变极距（变间隙）（矗）型，变面积型（巧型和变介电常数（）型2电容式传感器有哪几类测量电路？各有什么特点？变压器电桥该电路在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性双T二极管交流电桥特点，电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地； 二极管D1、D2工作于高电平下，因而非线性失真小；其灵敏度与电源频率有关,因此电源频率需要稳定；将DI、D2、Rl、R2安装在Cl、C2附近能消除电缆 寄生电容影响；线路简单；输出电压较高。脉冲调宽电路 该电路只釆用直流电源
8、，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定 度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。运算放大器电路配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传 感器的非线性。3为什么高频工作时的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变化？低频时容抗较人，传输线的等效电感乙和电阻R可忽略。而高频时容抗X,减小， 等效电感和电阻不可忽略，这时接在传感器输出端相当于一个串联谐振，有一个谐振频率人存在，当工作频率ffQ谐振频率时，串联谐振阻抗最小，电流最人，谐振对传感器的输 出起破坏作用，使电路不能正常工作。通常工作频率10MHz以上就要考虑电缆线等效电感 厶的影响。4图3-1 (a)为二极管环形检波测量电路
9、。C1和C2为差动式电容传感器，C3为滤波电容，RL为负载电阻。RO为限流电阻。UP是正弦波信号源。设RL很大, 并且 C3Cl,C3C2o(1)试分析此电路工作原理;(2)画出尬出端电压UAB在C1二C2、C1C2、(3)推导6 = )的数凸表达式。rT St f-iCJZ ZPC1C25 图3-2所示平板式电容位移传感器。已知极 板尺寸a=b=4mm，间隙dO =0. 5mm, 极板间介质 为空气。求：(1)沿横向x移动时该传感器灵敏度；(2)沿纵向d (极板前后方向)移动0. 2mm时的 电容量；(3)提供一个标准电容C。请设计一个测量电路, 使输出电压与动极板位移dx板成线性关系。do
10、图3-26 现有一只电容位移传感器，其结构如图3-3 (a)所示。已知L二25mm，R二6mm, r=4 5mm。其中圆柱C为内电极，圆筒A B为两个外电极，D为屏蔽套筒，Cbc构成一个固定电容Cr, S是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容Cxo并釆用理想运放检测电路如图3-3（b）所示，其信号源电压有效值Use二6V。问： 在要求运放输出电压Use与输入位移x成正比时，标出G和Cx在（b）图 应连接的位置；（2） 求该电容传感器的输出电容一一位移灵敏度Ke是多少？（3） 求该电容传感器的输出电压一一位移灵敏度K、是多少？固定电容G的作用是什么？（注：同心圆筒电容沖Use第4章 电感式传
11、感器1何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪儿类？各有何特点？电感式传感器是一种机-电转换装置，电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电 量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再 由测量电路转换为电压或电流的变化量的输出。变磁阻式传感器一一自感式间隙 变化时，引起气隙磁阻的改变，导致线圈电感的变化 差动变压器式传感器互 感式把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器，测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠。工作原理：自感、互感、涡流、压磁。2请比较自感式传感器和变压器式传感器的异同。自感式传感器、灵敏度高但出错率也高。差动式传感器、灵敏度稍低但工作稳定。3为什
12、么螺管式电感传感器比变隙式电感传感器有更大的位移范围？螺线管式差动变压器传感器利用互感原理，结构是：塑料骨架中河绕一个初级线圈，两次级线圈分别在初级线圈两边，铁心在骨架中间可上下移动，根据传感器尺寸大小它可测量范I制内的机械位移。变间隙式电感传感器是利用自感原理，衔铁的与铁芯之间位 移（气隙）与磁阻的关系为非线性关系，可动线性范围很小，因此测量范I制受到限制。 4差动变压器中，何谓零点残余电压？说明该电压产生的原因及消除方法差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压 U。，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。产生零点残余电压 的主要原因是由于两
13、个次级线圈绕组电气系数（互感M、电感L、内阻R）不完全相同， 几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。零点残余电压主要是由传感器的两次级 绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：串联电 阻；并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量：加反馈支路，初、次 级间加入反馈，减小谐波分量；相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。5分析差动变压器式张力测量控制系统是如何工作的？（控制系统见PPT）6电涡流式转速传感器工作原理。电涡流式转速传感工作原理图上图所示为电涡流式转速传感器工作原理图。
14、在软磁材料制成的输入轴上 加工一键槽，在距输入表面dO处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相 连，请分析其工作原理。 电涡流效应一一块状金属导体置于变化的磁场中或 在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流。第5章压电式传感器1.什么是压电效应？压电效应的分类。某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上 产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷 的极性随着改变。2.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？由压电传感器的等效电路可见，要保证输出信号与输入作用力间的线性关系，只有在负 载
15、电阻较人，工作频率较高时，传感器电荷才能得以保存补充，需要测量电路具有无限犬的 输入阻抗。但实际上这是不可能的，故压电传感器只能作动态测量，不宜作静态信号测量, 只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。3.试说明压电式传感器中，压电片并联和串联后输出电压、输出电荷、输出电容 的关系以及各自适用的场合。1）在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片 压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可 分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。2）如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电容为单片电
16、容的一 半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍；若按不同极性粘贴，相当两个压电 片（电容）并联，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单 片相等。4.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？电压放大器乂称阻抗变换器。它的主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传 感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。电荷放大器实质上是负反馈放大器电荷放大器的输出电压仅于输入电容量和反 馈电容有关，若保持CF数值不变，输出电压正比于输入电荷量。5.压电式传感器中釆用电荷放大器有何优点？电压灵敏度与电缆长度有关吗？ 与电荷灵敏度呢？为什么？电荷放大器的输
17、出电压仅于输入电容量和反馈电容有关，若保持CF数值不变， 输出电压正比于输入电荷量。当（l+A）CF10（Ca + Cc+Ci）时，认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换 电缆或使用较长的电缆时，不用重新校正传感器的灵敏度 第6章光电传感器1.光电效应有哪几种?与之对应的光电元件各有哪些?内光电效应 光敏电阻光电池和光敏晶体管等。外光电效应一般是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管2.何谓光电池的开路电压及短路电流？为什么作为检测元件时要采用短路电流 输出形式？1）光生电动势与照度之间关系为开路电压曲线，短路电流是指外接负载电阻相 对于光电池内阻很小时的光电流值。2）短路电流曲线在很人
18、范闱内与光照度成线性关系，因此光电池作为检测元件使用时, 一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。而开路电压与光照度关系在照度为20001X 以上趋于饱和呈非线性关系，因此适于作电压源使用。3.分析右图原理。用光敏二极管控制的交流电压供电的明通及暗通直流电磁控制原理图。第7章温度测量和热电偶1.解释热电偶的热电效应：产生接触电势和温差电势的原因。热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。由两种不同材料的导体A和B组成 闭合回路，如图81所示。当两个结点温度不同时，回路中将产生电动势。如 果将回路中接入一个毫安表，则毫安表的指针将发生偏转。这种现象即称为热电 效应或塞贝克效应。两种不同材料的导体
19、所组成的回路称为“热电偶”。热电偶产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A 和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散 到密度小的金属B,使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势 将两种不同的金属互相接触，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A 和B的接触处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到 密度小的金属B,使A失去电子带正电，B得到电子带负电，直至在接点处建立 起充分强大的电场，能够阻止电子的扩散，从而达到动态平衡。这种在两种不同 金属的接点处
20、产生的电动势称为珀尔帖电动势，乂称接触电动势。它的数值取决 于两种导体的自由电子密度和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。2.比较热电偶和热电阻温度计的异同点。热电偶测温的主要优点1、 它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、 测温范围广：下限可达-270 C ,上限可达1800 C以上；3、 各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。1.信号的性质，热电阻本身是电阻，温度的变化，使电阻产生正的或者是负的阻值变化； 而热耦，是产生感应电压的变化，他随温度的改变而改变。二、 两种传感器检测的温度范闱不一样，热阻一般检测0-150度温度范怜|,最高测量范 围可
21、达600度左右（当然可以检测负温度）。热耦可检测0-1000度的温度范围（甚至更高）所以，前者是低温检测，后者是高温检测。三、 从材料上分，热阻是一种金属材料，具有温度敏感变化的金属材料，热耦是双金属 材料，既两种不同的金属，由于温度的变化，在两个不同金属丝的两端产生电势差。四、 PLC对应的热电阻和热电偶的输入模块也是不一样的五、 PLC也有热电阻模块和热电偶模块，可直接输入电阻和电偶信号六、 热电阻测温原理是根据导体（或半导体）的电阻随温度变化的性质來测 量的，测量范围为负00500度。热电偶测温原理是基于热电效应来测量温度的3.热电阻与测量线路有几种连接方式，常用的是哪一种？为什么釆用？
22、二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很 简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r, r犬小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制， 这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常 用的引线电阻。四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根 引线为热电阻提供恒定电流I,把R转换成电压信号U,再通过另两根引线把U引至二次仪 表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。
23、4.简述热电偶冷端补偿的必要性，常用冷端补偿有几种方法？并说明补偿原理。 必要性：1、 用热电偶的分度表査毫伏数-温度时，必须满足to二0 C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样to不但不是0 C,而且 也不恒定，因此将产生误差。2、 一般情况下，冷端温度均高于0 C,热电势总是偏小。应想办 法消除或补偿热电偶的冷端损失。冷端恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在 0 C不变。此法也称冰浴法，它消除了 to不等于0 C而引入的误差，由于 冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。计算修正法当热电偶的冷端温度to 0 C时，由于热端与冷端的温差随冷
24、端的变化而变 化，所以测得的热电势EAB (t, tO)与冷端为0 C时所测得的热电势EAB (t, 0 C)不等。若冷端温度高于0 C,则EAB (t, tO) EAB (t, 0 C)。可以利用下式计算并修正测量误差：EAB (t, 0 C) =EAB (t, tO) +EAB (tO, 0 C)仪表机械零点调整法电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度 变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥5.现用一支線镉一一铜線热电偶测某换热器内温度，其冷端温度为30C,而显 示仪表机械零位为0C,这时指示值为400C,若认为换热器内的温
25、度为430C, 对不对？为什么？E (30, 0) =1. 203mV热电动势mV 16. 395 16.818 17. 241 17. 664 18. 088 線辂一線硅热电偶分度表6.将一只灵敏度0.08mV/C的热电偶与电压表相连，电压表接线处温度为50C。电压表上读数为60mV,求热电偶热端温度。第8章霍尔传感器1简述霍尔效应及霍尔传感器的工作原理。通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现彖称霍尔效应。当磁场中静止载流导体电流的方向与磁场不一致时，电流的平行于和磁场方向上的两个而上产生 电动势的现象称为霍尔效应。它是导体中的载流子再磁场中受
26、到洛伦兹力作用发生的横向漂移结 果。2.某霍尔压力计弹赞管最大位移1.5mm,控制电流1= 10mA,要求变送器输出电动势20mV,选用HZ3霍尔片，其灵敏度系数KH二1.2mV/mAT。求所要 求线性磁场梯度至少多大？3.霍尔片不等位电势是如何产生的？减小不等位电势可以釆用哪些方法？为了减小霍尔元件的温度误差应釆用哪些补偿方法？Q不均匀等原因。不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，减小不等位电势可以通过减小不等位电阻來实现热敏电阻补偿不等位电势补偿恒流源温度补偿4.将空调电源的“三芯护套线”
27、夹到霍尔钳形表的环形铁心中，钳形表的示值为多少？为什么？第9章其他1超声波测流量的方法分类。时间差法测量流量频率差法测量流量2.分析湿敏电容式和湿敏电阻式湿度传感器的工作原理。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿脸 上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的优点是 灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸 醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变 化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是
28、灵敏度高、3.半导体色敏传感器为什么不利用单个光敏二极管的光谱特性测量单色光谱，而 是用两个光敏二极管的短路电流比作为单色光谱的标定曲线？4.简述网络化智能传感器的特点，它由哪儿部分组成？标准化的接口和软硬件定义即插即用性，与具体网络无关自我表述和自识别能 力广泛的应用范围。网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。5.虚拟仪表由儿部分组成？与传统的仪表相比，虚拟仪器有何优点？计算机、模块化功能硬件和控制软件。操作人员通过友好的图形界面及图形化编 程语言控制仪器的运行，完成对被测量的釆集、分析、判断、显示、存储及数据 生成。优点：充分利用计算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传统仪器在数据处理、 表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。还可以把仪器 的三大功能全部放在计算机上实现。在计算机中插入数据釆集卡，然后，用软件在屏幕上生成仪器面板，用软件來 进行信号处理分析，实现传统仪器的功能，这就是虚拟仪器。
