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1 自动检测技术复习题自动检测技术复习题 第第 1 1 章章 测量基本理论测量基本理论 1 传感器由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 答： 传感器一般由敏感元件、 转换元件、 基本转换电路三部分组成感受到被测量的信息， 并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输 出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求 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。答：偏位式测 量、零位式测量和微差式测量 3 传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标来描述？迟滞性的现象及其产生的原因。 答：传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相 互关系。 表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出 特性曲线不重合的现象成为迟滞；迟滞可能是由仪表元件存在能量吸收或传动机构的摩 擦、间隙等原因造成的。 4 测量误差的分类。静态系统误差合成的两种方法。 答：系统误差、随机误差、粗大误差；静态系统误差合成的两种方法包括：绝对值合成 法，方均根合成法 5 一台精度为 0.5 级、 量程范围 6001200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，分析此表是否合格？ 答：a=(x/满度值)100。其中 a 是准确度（精确度）等级, x 为最大允许绝对 误差； 不合格 2 第第 2 章章 电阻式传感器电阻式传感器 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？ 答： 金属导体在外力作用下发生机械变形时， 其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短) 的变化而发生变化 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应 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？ 答： 对于金属材料来说,电阻应变效应是主要的.由于压阻系数很小,电阻率的变化可以忽 略不计；对于半导体材料来说,其压阻效应远大于其应变效应。 和金属电阻应变片相比,半导体应变片具有灵敏度系数大,横向效应小,机械滞后小,尺寸 小等优点,但是,半导体应变片多数用薄硅片制成,容易断裂,其测试时的可测应变范围通 常限制在 3000 左右,而金属电阻应变片的可测应变值达 40000 .另外,半导体应 变片的温度稳定性差,测量较大应变时非线性严重,所以其应用仍然受到一定的限制. 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？ 答：直流电桥主要分为单臂电桥（惠斯通电桥（1 -106 ） ） 、双臂电桥（开尔文电桥 （ 0， 3 0； r2、 r4沿圆周方向贴则产生负应变2c1,c3c2。 （1）试分析此电路工作原理； （2）画出输出端电压 uab 在 c1=c2、c1c2、c1 c2 uab t 0 abu c1 c2 uab t 0 abu (a) (b) 图 3-1 7 5 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 d0 = 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 c0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。 x d0 a b 图 3-2 2 0 11 2 11 4*4* 0.707(/) *3.6* 4*3.6*3.14*0.5* 2*4* 0.142() 3.6* 4*3.6*3.14*0.5* 10 1010 10 1010 r r s kpf cm aad s cpf d c 8 6 现有一只电容位移传感器，其结构如图 3-3(a)所示。已知=25mm，r=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 cf， cac是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容cx。 并采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 usc=6v。问： 在要求运放输出电压 usc与输入位移 x 成正比时，标出 cf和 cx在（b）图应连接的位 置； 求该电容传感器的输出电容位移灵敏度 kc是多少？ 求该电容传感器的输出电压位移灵敏度 kv是多少？ 固定电容 cf的作用是什么？（注：同心圆筒电容)( )/ln(8 . 1 . pf rr l c r 中：l、r、 r 的单位均为 cm；相对介电常数 r ，对于空气而言 r =1） r a b c d r l l x - + d a usc usr cx cf (b) （a） 图 3-3 9 第第 4 章章 电感式传感器电感式传感器 1 何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？ 答： 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感大变化， 从而导致线圈电感量改 变来实现测量的。主要分为自感式、互感式和电涡流式。 自感式亦称差动式传感器，可以改善非线性、提高灵敏度，对电源电压、频率的波动及温度 变化等外界影响也有补偿作用；对电磁吸力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性； 互感式传感器实际上是一个具有可动铁芯和两个次级线圈的变压器， 亦称差动变压器式电感 传感器。 电涡流式传感器能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测 量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点。 2 请比较自感式传感器和变压器式传感器的异同。 答： 都是利用被测量的变化引起线圈自感或互感的变化， 从而导致线圈电感量改变来实现测 量的 差动式电感传感器是通过改变衔铁的位置来改变两个差动线圈磁路的磁阻而使两个差动 结构的线圈改变各自的自感系数实现被测量的检测，而差动变压器式传感器则是通过改 变衔铁的位置改变两个原副线圈的互感系数来检测相关物理量的。 差动式电感传感器是利用改变线圈的自感系数来工作的；而差动变压器式是利用改变原 线圈与两个次级差动式副线圈的系数来工作的 3 为什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？ 螺管式电感传感器作用原理是基于线圈漏磁路径的磁阻变化，其磁路的磁阻较大，因此 灵敏度较低， 适用于测量比较大的位移。 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。 答：当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当 使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几 mv 到数十 mv)存在，称为零 点残余电压。 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。 （基波、高次谐波） r c w1 w2 输出 图 1 零点残余电压的补偿（直接补偿） 10 消除方法： 1o 从设计和工艺上保证结构对称性 2o 选用合适的测量线路 3o 采用补偿线路 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） 差动变压器在力平衡电路中作为零位检测元件使用。当杠杆受到被测力作用是就绕支点偏 转，使差动变压器铁芯相对系安全产生位移，于是差动变压器输出电压信号；此电压经放大 器放大后，在经整流便产生一相应的直流电流。该电流流过力平衡线圈，变换成电磁力作用 于杠杆；使杠杆处于力矩平衡状态。这是流过力平衡线圈的电流则与被测力成比例。 6 电涡流式转速传感器工作原理。 答：当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为 d0+ d。由于涡流效应，使 传感器线圈阻抗随 d 的变化而变化，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化， 它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的 信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。 该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然 后经整形电路输出频率为 fn 的脉冲信号。 该信号经电路处理便可得到被测转速。 输出 r c w1 w2 交流输入 图 2 零点残余电压补偿的另一种方法（间接补偿） 11 第第 5 章章 压电式传感器压电式传感器 1.什么是压电效应？压电效应的分类。 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格 产生变形，表面产生正电荷，电荷 q 与所施加的力 f 成正比 ，这种现象称为： “压电效应” 分类：正压电效应，逆压电效应 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? 答：压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片 或多片石英晶片作压电元件。它刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。 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。 答：并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧 的电极上，传 感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷 量输出信号。 串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输 出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 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? 答：由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中， 经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路 的关键在于高阻抗输入的前置放大器。 ） 前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。 5. 压电式传感器中采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？ 答：电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容 cf 和高增益运算放大器构成。由于运 算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去 ra 和 ri 并联电阻 电荷放大器的输出电压 uo 只取决于输入电荷与反馈电容 cf， 与电缆电容 cc 无关， 且与 q 成正比， 因此， 采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特 点。 ccuuqq22 ； ccuuqq 2 1 2 ； 12 第第 6 章章 光电传感器光电传感器 1.光电效应有哪几种?与之对应的光电元件各有哪些? 答：光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 外光电效应：光电管；光电倍增管； 内光电效应：光敏电阻光电池；光敏晶体管； 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? 答：开路电压曲线。硅光电池在一定的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压 与入射光强照度 ee的特性曲线称为开路电压曲线，开路电压可直接用电位差计读出。 短路电流曲线。在一定光照条件下，光电池被短路(负载电阻 r=0)时，所输出的光电流值 称为短路光电流。光电流密度 je与照度 ee的特性曲线称为短路电流曲线 短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也 不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。 下图表示硒光电池在不同 负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻 rl 越小，光电流与强度的线性关系 越好，且线性范围越宽。 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。 答： 图中 v 为晶体三极管;d1 光电二极管;d2 整流二极管;vs 射极电位稳压管;k 直流继电器;c 滤 波电容;t 变压器;r 降压电阻;ld 被控电灯. 原理:当有足够的光线射到光敏二极管上时,其内阻下降,在电源变压器为正半周时,三极管 v 导通时 k 通电吸合,灯亮.无光照时则灯灭,故是一个明通电路.若图中光敏二极管 d1 与电 阻 r 调换位置,则可得到一个暗通电路. c vs d2 t v r k 13 第第 7 章章 温度测量和温度测量和热电偶热电偶 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。 答：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， 。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。 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产生的电动势称为珀尔帖电动势， 又称接 触电动势。两种不同的金属接触，如果两个触点间有一定温度差时，则产生温差电势。 2.比较热电偶和热电阻温度计的异同点。 答：热电阻温度计：粗糙的；高重复性；低老化；符合 din en 60 751 标准；等级 b；不 同的尺寸；2 线和 3 线配置 3.热电阻与测量线路有几种连接方式，常用的是哪一种？为什么采用？ 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。 答：必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足 t0=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 t0 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 。 补偿方法： 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 14 0 c 不变。此法也称冰浴法，它消除了 t0 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 t0 0 c 时，由于热端与冷端的温差随冷端的变 化而变化，所以测得的热电势 eab（t，t0）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，t0）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，t0）+eab（t0，0 c） 仪表机械零点调整法：指针被预调到室温（40 c ） 可补偿冷端损失 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现用一支镍镉铜镍热电偶测某换热器内温度，其冷端温度为 30，而显示仪表机械 零位为 0，这时指示值为 400，若认为换热器内的温度为 430，对不对？为什么? e（30，0）=1.203mv 镍铬镍硅热电偶分度表 不对。 因为仪表机械零位在 0与冷端 30温度不一致， 而仪表刻度是以冷端为 0刻 度 的，故此时指示值不是换热器真实温度 t。必须经过计算、查表、修正方可得到真实 温度 t 值。由题意首先查热电势表，得 e（400，0）=28.943mv， e（30，0）=1.801mv 实际热电势为实际温度 t与冷端 30产生的热电势， 即 e（t，30）=e（400，0）= 28.943mv 而 e（t，0）= e（t，30）+ e（30，0）= 28.943 mv +1.801 mv= 30.744 mv 查热电势表得 t = 422。 由以上结果说明，不能用指示温度与冷端温度之和表示实际温度。而是采用热电 势之和计 算，查表得到的真实温度。 6. 将一只灵敏度 0.08mv/的热电偶与电压表相连，电压表接线处温度为 50。电压表上 读数为 60mv，求热电偶热端温度。 答：由题意知，温度为 50c 时热电偶输出为 50*0.08=4mv ，以参考温度 0c 为基础 时的热电偶输 出为（60+4）mv=64mv， 故热电偶热端温度为 t=50+64/0.08=850 工作端温度c 400 410 420 430 440 热电动势 mv 16.395 16.818 17.241 17.664 18.088 15 第第 8 章章 霍尔传感器霍尔传感器 1 简述霍尔效应及霍尔传感器的工作原理。 答：半导体薄片置于磁感应强度为 b 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流 i 流过 薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 eh，这种现象称为霍尔效应。 电子在磁场中受洛伦兹力作用， 电子除了沿电流反方向作定向运动外, 还在 fl 的作用下 向上漂移, 结果使金属导电板上底面积累电子, 而下底面积累正电荷, 从而形成了附加 内电场 eh, 称霍尔电场。 2. 某霍尔压力计弹簧管最大位移1.5mm，控制电流 i= 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 = 1.2mv/mt。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采用哪些方法？为了减小霍尔元 件的温度误差应采用哪些补偿方法？ 答：当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片 c、d 方向的端面之间建立起霍尔电势。 4.将空调电源的“三芯护套线”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？ 钳