计量仪器设计与维护考试题目及答案

计量仪器设计与维护考试题目及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.下列哪个单位是频率的国际单位制（SI）单位？()A.赫兹（Hz）B.奥斯特（Oe）C.法拉（F）D.摩尔（mol）2.在计量仪器中，用来确定被测量量与已知标准量之间关系的基准是？()A.传感器B.测量链C.参考标准D.数据处理器3.下列哪种误差属于随机误差？()A.由于仪器零点漂移引起的误差B.读数时由于视线倾斜产生的误差C.仪表内部元器件老化引起的误差D.按下按钮时动作不一致引起的误差4.设计计量仪器时，选择传感器需要考虑的首要因素通常是？()A.传感器的成本B.传感器的外观尺寸C.传感器的测量范围和精度D.传感器的品牌5.提高计量仪器测量精度的常用方法之一是？()A.减小随机误差B.消除系统误差C.增大测量次数取平均值D.以上都是6.在金属应变片式传感器中，应变片粘贴在被测物体上，其主要工作原理是利用了材料的什么特性？()A.电阻率随温度变化B.电阻值随应变发生改变C.电容随压力变化D.磁阻随磁场变化7.计量仪器中的信号调理电路通常不包括以下哪项功能？()A.信号放大B.信号滤波C.信号转换D.数据存储8.下列哪种方法不属于计量仪器定期维护的内容？()A.清洁仪表外壳B.校准或检定仪器C.更换仪器内部的元器件D.检查仪器的连接线路9.使用量块进行仪器校准时，其主要目的是什么？()A.提高仪器的测量效率B.检查仪器的示值误差C.降低仪器的测量成本D.增加仪器的功能10.在设计需要高精度的计量仪器时，通常对哪个环节的要求最为严格？()A.仪器外壳设计B.传感器选型与安装C.信号传输线路设计D.人员操作界面设计二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.计量仪器的设计应遵循__________、__________和__________的基本原则。2.衡量一个计量仪器质量好坏的核心指标是__________和__________。3.误差按其性质和特点可分为系统误差、__________和__________三大类。4.传感器通常由敏感元件、__________和转换元件（或辅助变换元件）等部分组成。5.在电路中，运算放大器常被用作__________、__________和__________等。6.计量仪器的维护保养主要包括__________、__________和故障排除三个方面。7.为了减小环境因素对计量仪器测量结果的影响，常采取的措施有__________、__________和__________等。8.国际单位制（SI）中的七个基本单位分别是米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、开尔文（K）、摩尔（mol）和__________。三、判断题（每小题1分，共10分。请将“正确”或“错误”填在括号内）1.计量就是测量。（）2.任何计量仪器都只能测量一种特定的物理量。（）3.系统误差可以通过多次测量求平均值来消除。（）4.传感器的灵敏度越高越好，没有限制。（）5.信号调理电路中的滤波器只能滤除高频信号。（）6.计量仪器的检定和校准是同一个概念。（）7.仪器设计时，只需要考虑测量精度，成本可以忽略。（）8.维护计量仪器时，可以随意拆卸仪器内部构件。（）9.随机误差是可以通过改进仪器设计来完全避免的。（）10.量程是计量仪器能测量的最大值，分辨率是计量仪器能显示的最小变化量。（）四、简答题（每小题5分，共20分）1.简述计量仪器设计的一般流程。2.简述影响计量仪器测量精度的主要因素有哪些。3.简述传感器进行温度补偿的常用方法有哪些。4.简述进行计量仪器维护保养的重要意义。五、计算题（共10分）已知一个电阻应变片，在未受力时电阻值为R₀=120Ω，当受到应变时，电阻值变化了ΔR=0.6Ω。如果该应变片接入惠斯通电桥（四臂电桥，其他三臂电阻均为R₀），电桥供电电压为U=5V。请计算：（1）当电桥平衡时，应变片所在桥臂的电阻值是多少？（2）此时电桥的输出电压U₀是多少？（假设电桥初始状态不平衡）六、设计/论述题（共15分）设需设计一个用于测量室温变化的简易计量仪器。请简述该仪器可能采用的核心元器件（至少包括传感器和信号调理部分），并说明选择这些元器件的基本依据。同时，简要说明该仪器在使用过程中可能受到的主要环境干扰因素以及相应的应对措施。试卷答案一、选择题1.A(赫兹是频率的国际单位)2.B(测量链是连接被测量和测量基准的链条)3.D(随机误差由不确定因素引起，如操作不一致)4.C(测量范围和精度是传感器选择的首要考虑因素)5.D(A、B、C都是提高精度的方法)6.B(应变片的核心原理是电阻值随应变改变)7.D(数据存储通常由微处理器或存储芯片完成，非信号调理电路直接功能)8.C(更换内部元器件属于修理，非定期维护)9.B(量块用于提供标准量，主要目的是检定/校准示值误差)10.B(传感器是测量的基础，其精度直接影响仪器最终精度)二、填空题1.准确性、可靠性、经济性2.精度、可靠性3.系统误差、随机误差4.信号调理元件5.信号放大、信号滤波、信号转换6.清洁、校准/检定、故障排除7.隔热/恒温、减振、防磁/防电8.坎德拉（cd）三、判断题1.正确(计量本质上是一种测量活动)2.错误(许多仪器是多参数测量仪)3.错误(系统误差需用修正方法处理)4.错误(灵敏度需与测量范围、线性度等综合考虑)5.错误(滤波器可滤除特定频率范围信号，包括低频)6.错误(检定有法定意义，校准是确定示值误差)7.错误(设计需综合考虑精度、成本、功耗、体积等)8.错误(拆卸需按规范操作，避免损坏)9.错误(随机误差是随机出现的，只能减小不能完全避免)10.正确(定义明确)四、简答题1.简述计量仪器设计的一般流程：需求分析（确定测量对象、范围、精度等）->方案设计（选择测量原理、传感器、电路等）->元器件选型（根据性能、精度、成本选择）->电路与结构设计（绘制电路图、结构图）->样机制作与测试（制作原型，进行性能测试）->样机改进（根据测试结果优化设计）->小批量试产->最终定型。2.简述影响计量仪器测量精度的主要因素：传感器精度、测量原理误差、环境因素（温度、湿度、振动、电磁干扰等）、仪器内部噪声、标尺分度误差、读数误差、连接导线引入的误差、数据处理误差、时间漂移等。3.简述传感器进行温度补偿的常用方法：选择具有低温度系数的敏感元件材料、采用惠斯通电桥结构（利用元件匹配变化减小影响）、利用二极管或热敏电阻等元件构成补偿电路、软件算法补偿（通过校准数据拟合建立补偿模型）。4.简述进行计量仪器维护保养的重要意义：保持仪器处于良好工作状态，确保测量结果的准确可靠；延长仪器的使用寿命；及时发现并排除潜在故障，避免意外停机；符合计量法规要求，保证量值的传递准确；降低长期运行成本。五、计算题（1）当电桥平衡时，根据平衡条件(R₁/R₂=R₃/R₄)，假设R₁为应变片电阻，R₂=R₃=R₀=120Ω，设平衡时应变片电阻为R_eq。则R_eq/R₀=R₀/R₀，即R_eq=R₀=120Ω。*（解析思路：利用惠斯通电桥平衡条件，当R₁/R₂=R₃/R₄时，U₀=0。若R₂=R₃=R₀，则R₁需等于R₄。题目未说明初始平衡，但计算ΔU₀需知初始状态，通常假设R₁为初始值R₀，R₄为固定电阻，此时ΔR在R₁位置引起不平衡，计算输出电压变化。但更标准的做法是，若ΔR发生在R₀上，则平衡点会移动。不过，若题目意图是求加入ΔR后的输出，可视为R₁变为R₀+ΔR，R₄为R₀，则平衡条件变为(R₀+ΔR)/R₀=R₀/R₀，此时平衡电阻需变为R₀²/(R₀+ΔR)。但题目问平衡电阻值，通常指初始或特定配置下的值。根据常见教例，可能隐含R₁为初始值，R₄为固定值，ΔR加入R₁后计算输出。为符合逻辑，假设平衡点移动后新的R₁（即应变片电阻）仍满足桥路关系，即R_eq=R₀²/(R₀+ΔR)=120²/(120+0.6)≈119.04Ω。但此值非题目所给R₀。若题目简单化处理，可能认为平衡点附近小变化近似线性，或题目本身设置有简化。根据标准电桥公式U₀=U*ΔR/(4*R₀)，当R₁=R₀+ΔR,R₂=R₃=R₀时，U₀=U*ΔR/(4*(R₀+ΔR))=5*0.6/(4*(120+0.6))=0.3/480.6≈0.000625V。此为输出电压，非平衡电阻值。此题描述可能存在歧义。若按标准平衡条件推导，需知道另一臂配置。假设题目意在考察基础知识，且平衡点移动后新的应变片电阻值R_eq满足原比例关系，即R_eq/R₀=R₀/R₀，则R_eq=R₀，此结论与初始值相同，似乎不合常理。更可能的解析是，题目意在考察惠斯通电桥原理应用，但表述不够严谨。若理解为：初始状态R₁=R₀=120Ω，R₂=R₃=R₄=R₀=120Ω，此时U₀=0（平衡）。当R₁变化为R₁'=R₀+ΔR=120.6Ω时，计算输出电压U₀'。此时U₀'=U*(R₁'-R₀)/(4*R₀)=5*(120.6-120)/(4*120)=5*0.6/480=0.00625V。此为非平衡输出。但题目问“平衡时”电阻值，若理解为“加入ΔR后，重新调整使桥路达到新的平衡状态时的电阻值”，则需解方程(R₀+ΔR)/R₂=R₃/(R₀+ΔR)，若R₂=R₃=R₀，则(120.6)/120=120/(120.6)，此方程显然不成立。若理解为新的平衡点对应的应变片电阻值R_eq满足原比例关系，即R_eq/R₀=R₀/R₀，则R_eq=R₀，此结论不合理。因此，此题计算部分可能基于特定假设或存在表述问题。按标准电桥公式计算加入ΔR后的输出电压为最直接的应用。为给出一个明确的计算答案，采用R_eq=R₀²/(R₀+ΔR)的思路，虽然推导依据需明确。R_eq=120²/(120+0.6)=14400/120.6≈119.04Ω。此为假设平衡点移动后满足原桥路比例关系的新电阻值。）（2）按标准电桥公式计算加入ΔR后的输出电压U₀=U*ΔR/(4*(R₀+ΔR))=5*0.6/(4*(120+0.6))=3/486≈0.00617V。*（解析思路：当应变片电阻从R₀变为R₀+ΔR时，电桥产生不平衡，输出电压U₀可通过U₀=U*ΔR/(4*(R₁+R₂))计算，其中U为供电电压，ΔR为电阻变化量，R₁、R₂为相邻桥臂电阻。在此例中，假设应变片在R₁位置，变化量为ΔR，其他三臂为R₀。代入数值计算即可。）六、设计/论述题设计一个用于测量室温变化的简易计量仪器：核心元器件：1.传感器：可选择铂电阻温度传感器（如Pt100或Pt1000），其电阻值随温度呈近似线性变化，精度较高，稳定性好，且易于集成。2.信号调理电路：采用电桥电路（如三臂电桥，其中一臂为铂电阻传感器，其他两臂为固定电阻，第三臂为可调电阻用于校准），将电阻变化转换为电压信号输出。可能需要一个运算放大器构成的仪表放大器来放大微弱的电压信号，并可能需要一个滤波电路（如RC低通滤波器）去除噪声。选择依据：铂电阻温度传感器具有较好的测量范围（通常-200°C至850°C）和精度（A级或B级），响应时间适中，且成本相对可控。电桥结构能有效地将电阻变化转换为易于处理的电压信号，放大器则用于提升信号幅度以便后续处理。环境干扰因素及应对措施：1.温度：环境温度变化会影响传感器自身和电路元件性能。应对措施：将传感器和关键电路部分进行适当隔热或恒温设计；在电路设计中选用温度系数小的元器件；进行温度补偿校准（如多点校准，建立温度-电阻/电压关系模型