检测与转换技术思考题习题.ppt

第1章绪论 1 检测技术概念 检测系统组成各组成部分作用 2 传感器概念 传感器组成各组成部分作用 3 对学过的传感器 知道传感器组成和各部分作用 教学要求 1 检测 检测装置 检测技术 第1章思考题与习题 检测 生产工艺流程中含有检查 测量 测试等比较宽广意义的参数测量 如刚件质量检查 温度测量 汽车性能参数测试等 检测装置 系统 为实现参数检测组建的系统或装置 检测技术 以研究信息的获取 转换及信息处理等理论和技术为主要内容的一门应用型学科 2 传感器概念 组成及各组成部分功能 概念 能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 组成 敏感元件 转换元件 转换电路 敏感元件 直接感受被测量 按一定关系将其转换为易于被转换元件接收的另一种非电量 如应变传感器中的悬臂梁 柱体 将力转变为应变 转换元件 将敏感元件输出的非电量或直接将被测非电量信号转换为电量的元件 如应变片将应变转换为电阻的变化 3 基本型检测系统与控制型检测系统组成框图 各环节的作用 转换电路 将转换元件的输出电量信号转换为便于后续处理电路处理的电信号 如应变传感器中的电桥电路 将电阻的变化转换为电压或电流输出 基本型检测系统组成框图 传感器 信号提取 信号调理 弱信号的转换 放大 滤波 补偿等 A D转换 信号采集 离散 微机 信号处理 计算出被测量 输出 信号显示 打印 传输 报警等 控制型检测系统组成框图 单回路闭环控制系统 传感器位于测控系统的反馈通道 负责将被控参数提取并转换为电量 实际测量值 4 图1热电偶 光电池 压电传感器 热敏电阻原理图画出它们的组成框图 mV d 热敏电阻传感器 5 由图2上水箱液位控制系统工艺流图画出其单回路控制系统组成框图 控制型组成框图 L 水箱液位控制 过程控制 第2章检测装置基本特性 教学要求 1 检测装置的静态特性及静态特性指标 概念 公式 计算 2 一阶检测装置的动态特性及动态特性指标 3 检测装置的标定及标定方法 第2章思考题与习题 1 静态特性概念及其性能指标 线性度 重复性 迟滞 灵敏度 性能指标的概念 公式 计算 线性度 检测装置的输出与输入之间数量关系的线性程度 校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比 称为传感器的非线性误差 线性度的计算公式 重复性 指传感器在输入量按同一方向 增大或减小 作全量程连续多次变化时 所得特性曲线不一致的程度 重复性误差的计算公式 迟滞 检测装置在正 输入量增大 反 输入量减小 行程期间其输出 输入特性曲线不重合的现象称为迟滞 滞差计算式 灵敏度 输出变化量与输入变化量比值 灵敏度计算式 2 压力传感器 测量压力范围为0 100kPa 输出电压范围为0 1000mV 实测压力值 传感器输出电压为512mV 标准传感器输出电压为510mV 假设此点测量误差最大 1 非线性误差 2 若重复10次测量 最大误差为3mV 重复性误差 3 若正反行程各10次测量 正反形成间最大误差为4mV 求迟滞 4 设传感器为线性传感器 求灵敏度 非线性误差 重复性误差 迟滞 灵敏度 4 何为检测装置的标定 标定的目的及方法 静态标定的目的确定检测装置的输入和输出关系 确定静态性能指标 线性度 迟滞 重复性 灵敏度等 检测检测装置的质量 在标准条件下 由标准器具给出一系列已知输入量 对待测装置输入输出关系进行测量处理过程 标定 对测试数据进行处理 根据处理结果就确定传感器的线性度 灵敏度 滞后和重复性等静态特性指标 静态特性标定的方法 5 传感器动态特性及其研究方法 定义传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性 对检测装置进行正 反行程全量程多点测试 将得到多对输出 输入测试数据 将数据用表格列出或画成曲线 研究方法时域瞬态响应法 标准的输入信号阶跃输入 频域频率响应法 标准的输入信号正弦输入 6 说明为何一阶检测装置只能用于测量慢变或低频信号 7 为何检测装置输入阻抗越大 输出阻抗越小越好 检测系统可看作是多个环节串联 当检测装置作为中间环节时 检测装置输入阻抗越大 前级的输出信号衰减越小 其输出阻抗越小 带负载能力越强 输出信号不衰减 第3章电参量检测装置 1 各种电参量传感器的结构 组成 工作原理 特性 转换电路及应用 2 电阻应变传感器工作原理 电阻丝应变片和半导体应变片 结构 特性 横向效应 温度效应及补偿 测量电路 单臂电桥 差动电桥 全等臂桥输出 针对柱式和悬臂梁式电阻应变传感器 能够正确布片接桥 教学要求 3 铂电阻传感器工作原理 热电特性 测量电路 两线 三线 四线制 及输入输出关系 4 热敏电阻传感器工作原理 热电特性 测量电路 应用 5 光敏电阻传感器工作原理 特性 应用 6 简单 差动电感传感器的工作原理 原理式 差动电感传感器优点 对电桥电路 带相敏检波的电桥电路会分析 7 互感传感器的工作原理 原理式 对电压输出型差动整流电路会分析 8 高频反射式涡流传感器的工作原理 知道定频调幅法测距电路的工作原理 9 低频透射涡流传感器的工作原理 影响感生电动势的因素 10 简单 差动电容传感器的工作原理 原理式 差动电容传感器优点 对电桥电路 双T型电桥电路 脉冲调宽电路会分析 1 金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别 各自有何优点和缺点 第3章思考题与习题 解答 相同点 都是将被测力转换为应变片的电阻变化 不同点 金属应变片是利用电阻应变效应 在外力的作用下发生机械变形 其电阻值发生变化 半导体应变片是利用压阻效应 受到作用力后其电阻率发生变化 半导体应变片的灵敏系数远大于电阻丝应变片的灵敏系数 优点 灵敏系数大 可测量微小应变 无横向效应 缺点 灵敏系数受温度影响较大 需要温度补偿 半导体应变片相对电阻丝应变片 2 一直流应变电桥 U 4V R1 R2 R3 R4 120 试求 1 R1为金属应变片 其余为外接电阻 当R1的增量为 R 1 2 时 电桥输出电压U 2 R1 R2都是金属应变片 且特性一致 感受应变的极性和大小相同 其余为外接电阻 电桥的输出电压U0为多少 3 第 2 问中 如果R2与R1的极性相反 且 R1 1 2 R2 1 2 电桥的输出电压U0为多少 C R1 R2 A A D R3 R4 U0 B 3 图2为一悬臂梁式电阻应变传感器 在悬臂梁上下表面轴向各贴两片特性一致的应变片 R1 R2贴在下表面 R3 R4贴在上表面 端部作用力向下 当R1 R2 R3 R4 且 Ri Ri 1 画出对应的全臂桥电路 2 写出受应力后应变电桥输出电压表达式 3 试用连线将图3 B 调零电阻接于电桥电路中 说明调零原理 4 说明电桥电路能否实现温度补偿 解答 1 电路如图 3 连线如图 微调R2与R4电阻 使调整后电桥达到平衡 4 能实现温度补偿 温度作为共模信号 差动消除 4 在材料为刚的实心圆柱形试件上 沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120 的金属应变片R1和R2 把这两片应变片接在电桥 若刚的泊松系数 0 285 应变片的灵敏系数K 2 电桥电源电压U 2V 当试件受轴向拉伸时 测得应变片R1的电阻变化值 R1 0 24 试求 1 轴向应变量 2 电桥的输出电压 5 单组式变面积型平板形线位移电容传感器 两极板相互覆盖的宽度为4mm 两极板的间隙为0 5mm 极板间介质为空气 试求其静态灵敏度 若极板相对移动2mm 求其电容变化量 已知 第4章电量检测装置 教学要求 1 各种电量传感器的结构 工作原理 特性 测量电路 2 电偶工作原理 基本定律 冷端补偿方法 3 由中间温度定律测量计算温度方法 4 压电传感器工作原理 压电元件等效电路连接形式 5 电压放大器与电荷放大器作用及输入输出关系 6 电压放大器与电荷放大器作用及输入输出关系 7 恒磁通与变磁通磁电传感器测量原理 8 霍尔传感器工作原理 影响霍尔传感器测量精度的因素及消除方法 9 光电池工作原理及光电特性 第4章思考题与习题 1 热电偶工作原理热电效应 展开 2 用热电偶工作原理证明热电偶回路的几个基本定律 定律1若A B材料相同 热电势为0 定律2若T T0 则热电势为0 定律3中间温度定律热电偶的热电势只取决于两个接点温度 与中间温度无关 EAB T T0 EAB T Tn EAB Tn T0 中间温度定律为制定分度表奠定了基础 定律4中间导体定律 定律5标准电极定律EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 定律4证明 回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和 EABC T T0 eAB T eBC T0 eCA T0 当T T0时 有eBC T0 eCA T0 e T0 T T0 eAB T eAB T0 EAB T T0 3 为何要对热电偶进行冷端温度补偿 常用温度补偿方法 说明冷端补偿导线的作用 电桥补偿原理 解答 1 热电偶热电势为两接点温度函数 只有T0恒定 热电势与温度T成线性关系 冷端温度受环境影响变化 造成测量误差 2 常用冷端温度补偿方法 补偿导线法 电桥法和冰浴法 3 将原受环境温度影响的冷端通过补偿导线引到环境温度恒定的新冷段 保证测量精度 要求 采用与热电偶热电特性相同或相近的补偿导线 4 补偿原理利用电桥的不平衡输出电压补偿因热电偶冷端温度变化热电势变化 4 用铂铑 铂热电偶测温 当冷端为tn 20 时 在热端温度为t时测得热电势E t 20 5 351mV 求被测对象的真实温度 已知E 20 0 0 113mV 由中间温度定律 5 纵向与横向压电效应的相同点和不同点 相同点 工作原理都是基于压电效应 都是将机械能转换为电能 都是在垂直于X轴平面上产生电荷 不同点 纵向压电效应产生的电荷与压电片的几何尺寸无关 横向压电效应产生的电荷与压电片的几何尺寸有关 它们产生电荷的极性相反 6 压电传感器前置放大器的作用 将压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗 放大传感器输出的微弱信号 前置放大器的作用 7 为何电压输出型压电传感器不宜测量静态力 传感器的灵敏度为 所以传感器不宜测量静态物理量 宜测高频动态量 8 在测量高频动态力时 电压输出型压电传感器连接电缆长度为何要定长 而电荷输出型压电传感器连接电缆长度无此要求 电缆长度变化 CC变化 使传感器的电压灵敏度变化 会造成测量误差 需要重新调整灵敏度 9 霍尔元件不等位电势的产生原因及消除方法 产生主要原因 霍尔电极 激励电极焊接问题 使控制极或输出极不在同一等位面上 材料不均匀 不等位电势补偿方法 在输出极与控制极之间加补偿电位器 使霍尔元件控制极与输出极之间的电参数一致 等效电桥电路平衡 10 说明霍尔元件温度补偿原理 采用恒流源供电和输入回路并联电阻 适当选择并联电阻 使霍尔电势输出在一温度段不变 11 变磁通磁电传感器测量轴的转速原理 当被测轴转动带动测量齿轮旋转时 引起磁路磁阻的交替变化 使磁通变化 在线圈中感应出交变电动势 在齿轮的齿数已知 测得频率 可由公式计算转速 r min 12 在选择光电池作为检测元件时 应注意那些问题 由于光电池的短路输出电流与光照度成线性关系 做检测元件时 使其工作在短路电流状态 根据光电池的光谱特性 合理选择光源和光电池 使光电池在峰制值波长附近工作 13 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动 已知加速度计灵敏度为5PC g 电荷放大器灵敏度为50mv PC当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V 试求该机器的振动加速度 第5章思考题与习题 1 用光电转速传感器测轴的转速 若传感器一周开缝数为600 5秒内测得计数值为5000个 求轴的转速 2 光栅尺栅距为0 02mm 主光栅与指示光栅相对位移 计数器计得脉冲数为500 求位移 3 光电编码器为何采用循环码盘 若要求码盘能分辨角度0 36度 应至少用几位二进制码盘 2 0 301 采用循环码盘目的是防止出现错码 5 实现增量式光电码盘辨向的方法 采用两个光电元件 保证它们产生的信号在相位上相差1 4周期 将它们接于辨向电路 光电元件1输出信号作为计数信号 光电元件2作为控制信号 当码盘顺时针转动时 设计使光电元件1输出信号超前光电元件2输出信号1 4周期 控制辨向电路进行加计数 当码盘逆时针转动时 设计使光电元件1输出信号滞后光电元件2输出信号1 4周期 控制辨向电路进行减计数 达到辨向目的 6 一个12位二进制光电码盘 若光电元件测得信号编码是000011000011 试确定转轴的转角 7 莫尔条纹形成原理 有何特点 光栅传感器测量位移原理 莫尔条纹是由于指示光栅与标尺光栅刻线之间的遮光和透光效应形成的 即在刻线重叠处 形成亮条纹 在刻线完全错开处形成暗条纹 两条亮 暗 条纹之间的距离为莫尔条纹的宽度 莫尔条纹对光栅的栅距具有放大作用 莫尔条纹对光栅的栅距具有误差平均效应 标尺光栅随被测件移动 光电元件受光感受莫尔条纹的变化 由于标尺光栅移动一个栅距 光电元件变化一个周期 相当移过一个莫尔条纹数 后接电路 计出移动莫尔条纹的条数 由公式X NW即可测出位移 如果需要辨别位移方向 需要加辨向电路 如果需要提高光栅传感器的分辨率 需要加细分电路 8 为何在光栅传感器中加细分电路 目的是进一步提高光栅传感器测量分辨率 细分思想 在一个光栅栅距 莫尔条纹周期 内 内插N个计数脉冲 每个计数脉冲代表W N位移量 具体实现在一个栅距内生成N个新函数 移过一个栅距 新函数分别过零 产生N个脉冲 四细分 电阻链细分和电桥细分等 利用两个平面形印刷电路绕组的互感随相对位置不同而变化的原理 将直线位移或角位移转换成电信号 感应电势 感应电势的幅值或相位是滑尺与定尺的位置函数 鉴相式电路 同频同幅不同相 9 感应同步器的工作原理 鉴相与鉴幅式测量电路对激励信号的要求 感应同步器测位移方法 鉴幅式电路 同频同相不同幅 感应同步器测位移方法 均设计成相位自动跟踪系统 10 说明CCD图象传感器电荷的存储 转移及输出的过程 在MOS的金属电极加正压 产生电子的 势阱 采取光注入或电注入方式 将光像信号转换为电像信号 采取相位差为120 的三相时钟脉冲驱动 通过控制MOS下势阱深浅 使电荷的定向转移 通过输出装置 将电荷信号变为电压或电流信号输出 11 光纤传感器光传输原理 测量原理 传输原理 光的全反射 条件 测量原理 被测量的变化来调制光纤中的光波 使光纤中的光波参量随被测量的变化而变化 从而测得被测量信号的大小 被测量引起光的强度E0 偏振态 E0矢量的方向 频率 相位 t 波长 变化 12 红外热探测器与光子探测器相比 各自的特点 红外热探测器工作机理 红外辐射引起转换元