检测复习题答案

1、现代检测技术基础试题2010年11月一、阐述仪器线性度的概念，说明有哪些直线拟合方法。阐述回程差、灵敏度和分辨力的概念。答:仪器线性度指检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度，亦称非线性误差。直线拟合方法有最小二乘法、端点连线法、最佳直线法。回程误差指检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度，亦称空程误差、滞后。分辨力指能够检测出的被测量的最小变化量，表征测量系统的分辨能力。灵敏度指测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比，即K=Y/X。二、仪表的精确度等级是怎样规定的？写出计算公式。某测温仪表的测温范围为0-600，准确度等级为2.5级；另一测温仪表的测温范围为0-1200

2、，准确度等级为1.5级。现欲测量温度为500的设备温度，问选哪种测温仪表会更好？计算说明为什么？答: 在工业实际中,为了表示测量结果的可靠程度, 引入了精确度(精度)等级规定, 用A表示，A值是指仪器在规定条件下, 其允许的最大绝对误差值A与满量程输出YF.S之比的百分数, 即:A=AYF.S100% A1=15 A2=18,因而选第一种仪表。三、（1）假设你开发一台称重仪，在实验室完成了传感器、放大电路和单片机系统的设计制作，但是没有条件施加标准砝码或标准力对传感器和你的系统进行实际标定，你只有一块可用来测量电压和电流的表(或万用表), 在这种条件下你应该首先对仪器的那些指标进行测定?从误差

3、的角度出发,你对你使用的表有何要求?（2）设传感器误差为0.1%；测量放大电路误差为0.03%；系统采用的A/D转换器为10位，试分析仪器最后能达到的最好精度等级是多少？（P5-7）答: A可以对该称重仪的重复性、回程误差和零点漂移进行测定； 零点漂移：输入为零时，输出偏离零值的变化。产生这种现象的原因是晶体三极管的参数受温度的影响、电源电压的波动以及运算放大器前后级的电位配合问题等。在多数放大器中，前级的零点漂移影响最大，级数越多和放大倍数越大，零点漂移越严重。解决措施是采用差动电路。本称重仪零点漂移的标定只用万用表就可完成。称重仪上不加任何重量，用万用表测量其输出值。如果输出值为零，说明该

4、称重仪没有零点漂移现象，输出值越大，零点漂移现象越严重。重复性：在同一工作条件下，同一方向连续多次对同一输入值进行测量所得到的多个输出值之间互相不一致的程度。重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证。对于称重仪来说，如果同一测量值，在不同时刻放上去测得的结果不一样或相差很大，显然不合要求。对重复性的标定中，其输入值不需要是标准数值，只要多次重复测量的输入值相同即可。本称重仪重复性的标定，可用普通砝码（如果没有砝码，可用大小、重量合适的任何物体所代替）和万用表来完成。找一个大小合适的砝码，重复多次放上再取下，由万用表读出每次的输出数值，在95%概率水平内测量结果的最大差值即可

5、用来判定该称重仪的重复性。注意，测量过程中要注意称重仪的量程，所加砝码不能超出量程范围。回程误差：检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度，亦称空程误差、滞后。仪表检测所得到的实际上升曲线和实际下降曲线出现不重合的情况，从而使仪表的特性曲线形成环状，称为“滞环”。 上升曲线和下降曲线之间最大的差值，称为回差(也称为变差、来回变差)。 产生原因是仪表内部的某些元件具有储能效应，例如弹性变形、磁滞现象等。对于称重仪，如果要测量出一定重量的物体，当物体重量超出要求值时，需要往回减少物体，这时由于回程误差的存在，就会引起很大的误差，显然不合乎要求。回程误差的标定，其输入值不需要是标准数值，找

6、一组砝码，标好记号，依次放在称重仪上，然后逆顺序依次取下，记录每次放上砝码后万用表的读数以及取下砝码后万用表的读数，绘出输入-输出曲线，上升和下降曲线不重合的程度即为回程误差，称其最大差值为回差。再现性：仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示。称重仪如果存在再现性，同样重量的物体就可能会因为放取的方式或时间不一样而测得不同的结果。再现性的标定，其输入值不需要是标准数值，找一组砝码，标好记号，依次放在称重仪上，然后逆顺序依次取下，记录每次放上砝码后万用表的读数以及取下砝码后万用表的读数，绘出输入-输出曲线，按照这种方法，测得多组测量曲线。用上升

7、曲线和下降曲线间的最大偏差判定该称重仪的再现性。B从误差角度看，对使用的仪表有以下几点要求：线性度：检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度亦称非线性误差。 表达式为： 。 其中为输出值与理想直线的最大偏差值；为理论满量程输出值分辨力：能够检测出的被测量的最小变化量，表征测量系统的分辨能力。（不一定在输入零点附近）。希望所用仪表分辨率越小越好。注意：1、分辨力 - 是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms， 2、分辨率 - 是相对数值：能检测的最小被测量的变换量相对于 满量程的百分数，如： 0.1%, 0.02%3、阈值 - 在系统输入零点附近的分辨力灵敏度：测量系统在稳态下输出量的增

8、量与输入量的增量之比。线性检测系统，灵敏度为常数；非线性检测系统，灵敏度为变数。灵敏度系数为：希望所用仪表在较小的输入量变化的情况下即能引起较大的输出变化，即具有较高的灵敏度。精确度：反映测量结果的优良程度. 通常精确度用测量误差的相对值表示.。精确度高，则精密度和正确度均高。仪表的精确度通常是用允许的最大引用误差去掉百分号后的数字来衡量。按仪表工业规定，仪表的精确度化分成若干等级，简称精度等级，如0.1级、 0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级等。等级的数字越小，精度越高。希望所用仪表的测量结果分散程度以及偏离真值大小的程度越小越好，即精确度高。可靠度：表征仪表可靠性的尺度。衡量

9、仪表能够正常工作并发挥其功能的程度。希望所用的仪表平均无故障工作时间最短，而平均故障修复时间最短，即可靠度高。除了这些外，还包括A中所涉及的几种指标。希望所用仪表零点漂移小，重复性好，回程误差小以及再现性好，稳定度好，受外界电场及磁场、空气湿度等环境因素干扰小，测量范围合适（测量估算值在仪表整个量程的1/3至2/3为最佳），动态特性要好，输出能跟随输入变化做出快速变化。（2）设传感器误差为0.1%；测量放大电路误差为0.03%；系统采用的A/D转换器为10位，试分析仪器最后能达到的最好精度等级是多少？仪表的精确度通常是用允许的最大引用误差去掉百分号后的数字来衡量。e1=0.1% e2=0.03

10、%, e3=1/(210-1)=0.0975%A=0.143% 精度等级为0.2级三、画图并说明光电池的下列特性：（1） 开路电压、短路电流与光照度的关系；答:开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高 UOC=kTqln(IpIo+1)短路电流输出：线性好(电流-光强) ，灵敏度低 Isc=Ip（2） 输出电流与负载电阻及光照度的关系。负载RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。四、画图并说明光电二极管与放大器的电流放大连接法、电压放大连接法和阻抗变换连接法。说明各连接法适用于哪些测量情况。答

11、:1.电流放大型:图7-27(a)是电流放大型IC检测电路。光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗Zin是光电二极管的负载电阻，可表示为 Zin=Rf/（A+1)式中，A是放大器的开环放大倍数；Rf是反馈电阻。当A=104。Rf=100k时，Zin=10。可以认为光电二极管是处于短路工作状态，能取出近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压U0与输入短路光电流成比例，并有U0=IscRf=RfS即输出信号与输入光通量成正比。此外，电流放大器因输入阻抗低而响应速度较高并且放大器噪声较低，所以信噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中

12、。2电压放大型：图7-27(b)是电压放大型IC检测电路，光电二极管的正端接在运算放大器的正端，运算放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。当负载电阻RL取1M以上时，工作在光电池状态下的光电二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成比例的输出信号，即U0=AUOCAUTln(S/I0)式中A=R1+R2R1是该电路的电压放大倍数。3.阻抗变换型:反向偏置光电二极管或PIN光电二极管具有恒流源性质，内阻很大，且饱和光电流和输入光通量成正比 ，在有很高的负载电阻的情况下可以得到较大的信号电压。但如果将这种处于反向偏置状态下的光电二极管直接接到实际的负载电阻上，则会因阻抗的失配而削弱信

13、号的幅度。因此需要有阻抗变换器将高阻抗的电流源变换成低阻抗的电压源，然后再与负载相连。图7-27(c)中所示的以场效应管为前级的运算放大器就是这样的阻抗变换器。该电路中场效应管具有很高的输入阻抗，光电流是通过反馈电阻Rf形成压降的。电路的输出电压U0为U0=-IRf-IpRf=-RfS 即U0与输入光通量成正比。当实际的负载电阻RL与放大器连接时，由于放大器输出阻抗R0较小，RLR0，则负载功率P0为：P0=U20RL(R0+RL)2U20RL=R2fI2pRL 另一方面，由式(7 -12)计算光电二极管直接与负载电阻相连时负载上的功率 P1=I2pRL比较两种情况可见，采用阻抗变换器可以使功

14、率输出提高(Rf/RL)2倍。例如，当RL=1M，Rf=10M时，功率提高100倍。这种电路的时间特性较差，但用在信号带宽没有特殊要求的缓变光信号检测中，可以得到很高的功率放大倍数。此外，用场效应管代替双极性晶体管作前置级，其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的场合。五、（1）怎样测试光敏电阻的好坏？（2）比较光敏电阻、光电池、光电二极管、CCD的异同点。（3）说明选择光电检测器时应注意哪些问题。答:(1)光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。 (2) 相同点：(P12)都是应用了光电效应（光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变

15、化，或产生电动势等，这种因光照而引起的物体电学特性的改变统称为光电效应）不同点：光敏电阻(P18-19)：是根据光电导效应制成的将光能转换成导电率变化的一种器件，属于内光电效应（物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部）。工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也

16、就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光电特性：弱光时，光电流与照度成线性关系；强光时，光电流与照度成抛物线。光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。伏安特性：光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，在一定的光照下，其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压。频率特性：光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。响应特性：光敏电阻的时间响应特性较差温度特性：光敏电阻是多数载流子导电，温

17、度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件，属于外光电效应。(P19-21)PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压，半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。短路电流与入射光强度成正比；开路电压与入射光强度的对数成正比。伏安特性：无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。 反向电流随光

18、照度的增加而上升。时间和频率特性：与负载电阻有关，负载电阻越大，频率特性越差，要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻。光电池面积越大则响应时间越大温度特性：随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。光照特性：短路电流在很大范围内与光强成线性关系，灵敏度高；开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和，灵敏度低。线性范围随负载RL的增大而减小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。光电二极管(P22)：属于外光电

19、效应（物质受到光照后向外发射电子）光电二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用。频率响应为200KHz-10MHz，频率响应最好。直线特性、稳定度最好，价格最低。但输出信号最低。综上，可以看出：(P24+)动态性能(即频率响应)：光电二极管最好;光电特性(线性)：光电二极管和光电池;灵敏度：光敏电阻长期稳定性：光电二极管和光电池最好CCD即电荷耦合器件，由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成。(P2

20、8)工作原理：当在CCD栅极上施加一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压的变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。 (3)1.光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配;2.光电检测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配(器件的感光要和照射光匹配好);3.光电检测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配,以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应;4.光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配,以保证有有足够的线性范围、信噪比及快速的动态响应;5.为使器件具有长期工

21、作的可靠性,必须注意选好器件的规格和使用的环境条件.六、写出朗伯-比尔定律的数学表达式，说明各符号的含义。说明时间双光路红外线气体分析器检测原理。答:P=P0e-Kcd P：经厚度x衰减后的辐射通量 P0：初始辐射通量 K：吸收系数 c：浓度 d：均匀介质层厚度 时间双光路系统与空间双光路系统不同，它只有一支光源，一条光通道，一组气室。从光源发出的红外辐射光被安装在光路中的切光盘进行调制，切光盘上装有四组干涉滤光片。其中两组测量滤光片的投射波长与被分析气体的特征吸收峰的波长相同。另外两组参比滤光片的投射波长是被分析气样中任何气体均不吸收的波长。在切光盘上还有同步窗口，当参比滤光片对准气室时，同

22、步灯通过同步窗口使光敏管接收到信号，这样就可以区别是测量滤光片还是参比滤光片对准了气室。气室共有两个，一个为参比气室也即滤波气室，它里面密封着与被测气体有重叠吸收峰的干扰成分。被测气体连续地流过工作气室（也称为测量气室）。在切光盘的作用下，两种波长的红外光束交换地通过参比气室和工作气室，最后到达半导体锑化铟光电检测器上，并转化成与红外光强度相对应的电信号当测量气室中不存在被测组分时，锑化铟接收到的是未被吸收的红外光，测量信号和参比信号相等，两者之差为零。当测量气室中存在被测组分时，测量光束的能量被吸收，锑化铟检测到的信号要小于参比光束的信号，它们的差值送到放大器中，得到的输出信号与被测组分的浓

23、度成正比。在光路中，有测量滤光片和参比滤光片先后把红外线分成两组不同波长的红外光束，这样就使几何单光路的系统按时间不同形成两个光路，对于相同的影响因素都可以通过后面的自动增益控制电路而得到补偿。这种时间双光路系统与普通的空间双光路系统比较，具有更高的选择性和稳定性。同时具有结构简单、体积小、耐振、可靠性高以及对样气的预处理要求低等优点。七、用于测量输送皮带上粉粒物料的近红外水分仪为何要采用三个波长进行测量？它测量水分通常采用哪几个波长？为什么？他的测量原理是基于什么定律？答:三波长红外线水分仪比双波长水分仪增加了一个参比波长，位于测量波长另一侧。该仪器把水吸收波长和其两侧难于被水吸收的两个参比

24、波长与物料作用后的信号进行运算，借以消除被测物的质地（被测物的表面状态、颜色和组分等）变化而引起的测量误差。水的特征吸收波长：1.2微米、1.43微米、1.94微米、2.95微米，因在1.94微米处水对光的透过率最低，故通常使用1.94微米作为测量波长。红外线水分仪是基于水对近红外有特征吸收光谱，被吸收能量与物质含水量有关，吸收规律符合朗伯-比尔定律。八、（1）试对光电管、光电倍增管、光电阻、光电池、光电二极管和光电三极管的动态特性、灵敏度、长期稳定性以及光电特性的直线性进行比较。（2）设计光电检测系统时，对光电检测器件的选择要点是什么？答: (1)1.动态性能(即频率响应): 光电倍增管和光

25、电二极管最好;2.光电特性(线性): 光电倍增管、光电二极管和光电池;3.灵敏度:光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管;4.长期稳定性:光电二极管和光电池最好,其次是光电倍增管.(2)同五九、（1）何为热释电效应？热释电传感器的特点是什么？在热释电传感器前面加菲涅尔透镜的作用是什么？答: 某些电解质，再外加电压出去后人保持着极化状态，单红外辐 射照射到已经极化了的电介质上时，引起温度升高，导致表面电荷减少，相当于“释放”了一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压，这种现象称为热释电效应。特点:优点：速度方面，其工作频率可达几百千赫以上，接近兆赫兹，远远超过其他所有热电传感器

26、。其探测率高，仅实验室的气动探测器的低频比热释电传感器的稍高，但这一差距正在逐步缩小。工作不需外加偏执电压，且有均匀的大面积的灵敏面。受环境温度变化的影响较小。强度和可靠性比其他热电传感器好，且制作较容易。缺点：由于热释电检测器件材料属于压电类晶体，因而它比较容易受微振的影响，且不能以直流连续工作，只能做交流器件运用。菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能

27、以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号（3）光电检测中为什么大多采用交流放大器？光电系统中，光电检测器件所接收的光信号十分微弱，光电检测器件输出的信号，往往被深埋在噪声之中，要有效地利用这种信号，就必须对其进行放大。交流放大器是由基本运算放大器和反馈网络等组成，因有电容的隔直作用，可降低漂移和噪声。光电检测系统中，光电器件的输出端都紧密连接一个低噪声前置放大器，它的任务是：放大光电检测器件所输出的微弱电信号；匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。十、说明CCD玻管尺寸测控仪的组成，画出其CCD接收到的视频信号图。十一、（1）画出反向偏置光电二极管检测电路和

28、等效电路。说明高频段和低频段分别受哪些参数的制约？为什么？（2）相同n级级连放大器的高频截止频率和单级放大器的高频截止频率的关系是什么？低频截止频率呢？高频段（2=1/T2），在此频段内，频率特性可简化为WHj=KT0/T11+jT2 对应的对数频率特性曲线-20dB(10倍频程)的斜率下降，在2=1/T2处曲线数值比中频段下降3Db,2称作高频或上限截止频率。频率特性的高频衰减主要是因为电路中各电容给出抗 1jc0, 1jcj和 1jci随的增加而减少，电容分流作用的加大使输出信号变小的缘故。低频段(1=1/T1) 此频段内的频率特性可简化为 w1j=jKT01+jT1相应的对数频率特性曲线

29、以20dB(10倍频程)的斜率上升,在1=1/T1处曲线转平，曲线数值比中频段下降 3dB,1称作低频或下限截止频率，这是检测电路可能检测的低频信号的极限。频率特性低频衰减的物理原因是电路中串联耦合电容Cc的容抗l/jCc 随的减少而增大，信号在电容上压降的提高使输出信号变小。相同n级级联放大器的高频截止频率fnHC为fnHC=fHC21/n-1,低频截止频率fnLC为fnLC=fLC21/n-1,其中fHC和fLC分别是单级高频、低频截止频率。十二、写出阻容并联电路的热噪声表示式。答: 在电阻和电容c并联的情况下，电容c的频率特性使合成阻抗随频率的增加而减少，合成电阻可表示为Rf=R/1+(2fRC)2,则UT2=4KT0Rfdf=4KT0R1+(2fRC)2df, 变换积分变量使tan=2fRC，代入上式得UT2=4KTR2RC02d=KTC=4KTR4RC定义14RC为噪声等效带宽,并用表fe示，即fe=14RC,此式表明，并联RC电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等效噪声带宽fe ,它的物理意义表明，频带变窄后的噪声非均匀分布曲线所包围的图