1、自动检测技术章节复习资料 第一章 l.检测系统由哪几部分组成 ? 说明各部分的作用。 答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。下图给出了检测系统的组成框图。 被测量传感器测量电路电源指示仪记录仪数据处理仪器 检测系统的组成框图 传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传 感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
2、测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。 显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。 2.某线 性位移测量仪，当被测位移由 4.5mm 变到 5.0mm 时，位移测量仪的输出电压由 3.5V 减至2.5V，求该仪器的灵敏度。 解：该仪器的灵敏度为 25.40.5 5.35.2 S mV/mm 3.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器： 0
3、.45 / 电桥： 0.02V/ 放大器： 100(放大倍数 ) 笔式记录仪： 0.2cm/V 求： (1)测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移 4cm 时，所对应的温度变化值。 解： （ 1）测温系统的总灵敏度为 18.02.01 0 002.045.0 S cm/ （ 2） 记录仪笔尖位移 4cm 时，所对应的温度变化值 为 22.2218.0 4 t 4.有 三台测温仪表，量程均为 0800 ，精度等级分别为 2.5 级、 2.0 级和 1.5 级，现要测量 500 的温度，要求相对误差不超过 2.5 ，选那台仪表合理 ? 解： 2.5 级时的最大绝对误差值为 20 ，测量 500
4、时的相对误差为 4； 2.0 级时的最大绝对误差值为 16 ，测量 500时的相对误差为 3.2； 1.5 级时的最大绝对误差值为 12 ，测量 500时的相对误差为 2.4 。因此，应该选用 1.5 级 的测温仪器。 5.什么是系统误差和随机误差 ?正确度和精密度的含义是什么 ? 它们各反映何种误差 ? 答： 系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。随机误差则是指在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。正确度是指测量结果与理论真值的一致程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的分散程
5、度，它反映了随机误差的大小。 6. 某压力传感器的测量范围为 010MPa，校验该传感器时得到的 最大绝对误差为 0.08MPa，试确定该传感器的精度等级。 解：该传感器的精度为： 由于国家规定的精度等级中没有 0.8 级仪表，而该传感器的精度又超过了 0.5 级仪表的允许误差，所以，这只传感器的精度等级应定为 1.0级。 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的精度等级值应选不小于由校验结果所计算的精度值 7. 某测温传感器的测量范围为 01000，根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过 7，试问应如何选择传感器的精度等级才能满足以上要求 ? 解：根据工艺要求，传 感器的精度应满足：
6、此精度介于 0.5 级和 1.0 级之间，若选择精度等级为 1.0 级的传感器，其允许最大绝对误差为10，这就超过了工艺要求的允许误差，故应选择 0.5级的精度才能满足工艺要求。 根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的精度等级值应不大于工艺要求所计算的精度值 填空 1 测量 是借助 专用技术 和 设备 ，通过 实验 和 计算 ，取得被测对象的某个量的大小或符号；或者取得 一个变量 与 另一个变量 之间的关系。 3 直接测量是从事先 分度好的表盘 上读出被测量的大小。间接测量是利用 被测量 与 某种中间量 之间的函数关系，先测出 中间量 ，再通过相应的函数关系， 中间量 被测量的数值。 4 直
7、接测量方法中，又分 零位法 ， 偏差法 和 微差法 。 5 零位法 是指 被测量 比较； 与 已知标准量 在比较仪器中进行 已知标准量 ，让仪器指零机构 达到平衡（指零） ，从而确 定被测量等于 已知标准量 。该方法精度 较高 。 6 偏差法 是指测量仪表用 相对于 ，直接指出被测量的大小。该法测量精度一般不高。 7 微差法 是 和 的组合。先将被测量与一个 进行 ，不足部分再用 测出。 8 测量仪表指示值 程度的量称为精密度。测量仪表指示值有规律地 程度的量%8.0%1 0 0010 08.01 0 0m a xm a x 量程%7.0%1 0 001 0 0 0 7%1 0 0m a xm
8、 a x 量程称为准确度。 9 测量仪表的 精确度 简称 ，是 和 的总和，以测量误差的 来表示。 10 显示仪表能够监测到被测量 的能力称 分辨力 。 第二章 1.金 属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同 ? 答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。 2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别 ? 答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件。 3.采用 阻值为 120 灵敏度系数 K=2.0 的金属电阻 应变片和阻值为 120 的固定电阻组成
9、电桥，供桥电压为 4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为 1 和 1 000 时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 解：单臂时 40 UKU ，所以应变为 1 时 660 1024 10244 UKU /V，应变为 1000 时应为 330 1024 10244 UKU /V ；双臂时 20 UKU ，所以应变为 1 时660 1042 10242 UKU /V ， 应 变 为 1000 时应为330 1042 10242 UKU /V；全桥时 UKU 0 ，所以应变为 1 时 60 108 U /V，应变为 1000 时应为 30 108 U /V
10、。从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。 4.采 用阻值 R=120 灵敏度系数 K=2.0 的金属电阻应变片与阻值 R=120 的固定电阻组成电桥，供桥电压为 10V。当应变片应变为 1000 时，若要使输出电压大于 10mV，则可采 用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？ 解： 由于不知是何种工作方式，可设为 n，故可得： 1010102 30 nnUKU mV 得 n 要小于 2，故应采用全桥工作方式。 5.如图所示为一直流电桥，供电电源电动势 E=3V， R3=R4=100 ， R1和 R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为 50 ，灵敏度系数 K
11、=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为 5 000，试求此时电桥输出端电压 U0。 R 1 R 2R 3R 4R 1R 2题 6 图 解：此电桥为输出对称电桥，故 152 105322 30 UKU /mV 1. 电阻应变片有 、 、 和 等部分组成。其中 是应变片的核心部分。 2. 按 材料不同，电阻应变片可分为 和半导体应变片两大类。前者的敏感栅有 、 和 三种类型。 3. 当前，制作丝式敏感栅最理想的材料是 ，它的主要优点是： ； ； 和 。 4. 由于 而引起导电材料 变化的现象，叫 应变效应 。 5.应变片的初始电阻值 R0有 、 、
12、 、 和 等类型，其中最常用的是 。 6. 电阻应变片的温度补偿方法通常有 和 两大类。 7. 应变片线路补偿法最常用的是 电桥 补偿法 ，它是将 应变片和 应变片接到电桥的 桥臂，利用它们对电桥输出电压 这一原 理，而引起温度补偿作用。 8. 通常采用 或 作为电阻应变片桥路。该电路不仅没有 ，而且 也比单臂应变电桥时高，同时还能起 作用。 9. 应变式传感器是由 、 和 组成的装置。 10. 应变式传感器按用途的不同，可分为 、 、 传感器等等。 第三章 1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度 ?为了 提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题 ? 答： 如图所示是一直线
13、位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动 x 后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 C=b（ a- x） /d=C0-b x/d （ 1） 电容因位移而产生的变化量为 axCxdbCCC 00 其灵敏度为 dbxCK 可见增加 b 或减小 d 均可提高传感器的灵敏度。 bdax x直线位移型电容式传感器 2.为什 么说变间隙型电容传感器特性是非线性的 ?采取什么措施可改善其非线性特征 ? 答：下 图为变间隙式电容传感器的原理图。图中 1 为固定极板， 2 为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离 d 发生变化，从而改变了两极板之间的电容量
14、 C。 12d1 固 定 极 板 2-活 动 极 板 设极板面积为 A，其静态电容量为 dAC ，当活动极板移动 x 后，其电容量为 22011dxdxCxd AC (1) 当 xd 时 11 22 dx 则 )1(0 dxCC (2) 由式（ 1）可以看出电容量 C 与 x 不是线性关系，只有当 xd 时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙 d 过小时。但当 d 过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此 ,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。 1按工作原理的
15、不同，电容式传 感器可分为 、 、和 三种类型。第一种常用于测量 ，第二种常用于测量 ，第三种常用于测量 。 2变间隙式店容传感器的初始间隙 d0 越小，传感器的灵敏度 K0 、非线性误差 0 ，以上说明，提高 K0 与减小 0 。在实际应用中，为使传感器具有足够大的 K0 值，通常使 ，如果还必须使 0 具有足够小的值，则还应满足 ，这就是它只能用于测量 的原理。 3解决变间隙式电容传感器提高 K0 与非线性误差 0 间的矛盾，可采用 电容传感器，后者与前者相比，不仅灵敏度 ，而且非线性误差也 。但是，它还受电容极板间 的限制，为此，常采用 的变间隙式电容传感器。 4变面积式 电容传感器的电
16、容增量 C 与动极板位移量 X 的关系为 C X ，其灵敏度 XCK 。因此，该传感器具有 输出特性，即具有测量线位移的 和灵敏度 K 为 等优点。 5 极板长度、 极板间间隙、选介电常数 介质，都可以提高变面积式电容式传感器的灵敏度。另外，采用 的变面积式电容传感器，也可以达到提高灵敏度的目的。 第四章 1.影 响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？ 答： 影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是 ： 传感器几何尺寸、线圈电气参数的对称性、磁性材料的残余应力、测量电路零点残余电动势等。 2.电涡 流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？ 答： 电涡流式传感器的
17、灵敏度主要受 导体的电导率、磁导率、几何形状，线 圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离等因素影响。电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。 3.如图所示为一差动整流电路，试分析电路的工作原理。 答： 这是简单的电压输出型，动铁芯移动时引起上下两个全波整流电路输出差动电压，中间可调整零位，输出电压与铁芯位移成正比。这种电路由二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响较大。 VU 01螺线管式差动变压器主要由 、 和 三部分组成。 2螺线管式差动变压器的
18、线圈绕组按排列方式的不同可分为 、 、 、 以及 等类型，通常采用的是 和 。 3差动变压器在 输出电压称为零点残余电压，其频谱主要包括 和 。该电压会造成传感器再零点附近的灵敏度 、分辨率 和测量误差 。 4差动整流式差动变压器常用的 ，它是先把差动变压器两各次级线圈的 分别整流，再将整流后的电流 成通路差动输出。 5基于法拉第电磁感应现象，块状金属导体置于 磁场中或在磁场中的作 运动时，导体将产生呈 的感应电流，此电流叫电涡流。 6电涡流式传感器测量系统由 和 两部分组成，两者利用 来实现测试任务。 7当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在 x/ras= 的范围内，才能得到较好的 和较高的
19、 。 8填写下表： 电感式传感器类型 工作原理 变隙式 差动变压器式 电涡流式 第五章 1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：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。 2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：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。 3一压电式传感器的灵敏度 K1 10pC MPa，连接灵敏度 K2=0.008V pC 的电 荷
20、放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度 K3=25mm V，当压力变化 p=8MPa 时，记录笔在记录纸上的偏移为多少 ? 解： 记录笔在记录纸上的偏移为 S=10 0.008 25 8=16mm 1石英晶体和压电陶瓷多晶体具有 、 效应，利用它们的 效应制成了电势型传感器。 2石英晶体的右旋直角坐标系统中， Z轴称 ，该方向上 压电效应； X 轴称 ， 晶面上的压电效应 ； Y 轴称 ，沿 Y 轴方向上的 。 3沿石英晶片 X 轴加力，在力作用的 上，产生 电荷，承纵向压电效应。石英晶体压电式传感器中主要用 效应。它的特点是晶面上产生的 与 呈正比，而与 和 无关。 4若沿石英晶体 Y 轴方向加压
21、力，在 不出现电荷，电荷出现在 上，只是 相反，称横向压电效应。 5压电陶瓷是一种人工制造的 压电材料 ,它是由无数细微的单晶组成 ,他们都有自发形成的 。压电陶瓷又叫 。 极化处理前的压电陶瓷材料对外不显 ，各向 ，不具有 。 极化处理后的压电陶瓷受到沿 的作用力时，其 随之改变，因而在 的平面上将出现电荷量的 。它的大小与压电陶瓷的 和 的大小成正比。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的 。所以采用压电陶瓷制作的压电是传感器，其 较高。但石英晶体的 性是其他压电材料无法比的。 压电元件是一个电压很大的信号源，它可以等效一个 和一个 并联的等效电路。测量中要求与其它配接的放大器具有 和 。 10
22、电荷放大器是一个 ，高放大倍数的 ，其输出电压与压电元件 和 有关。 11压电式传感器中，常把两片 的压电片叠在一起，其并联法是两压电片的 粘贴在一起， 在两边电极， 增加一倍，电容也增加一倍；其串联接法是两压电片的 粘在一起，因而上、下两极板的电荷量与 相同，总容量为 一半 ，输出电压 。 12压电式传感器不能测量 被测量，更不能测量 。目前多用于 和动态的力或压力的测量。 第 六 章 1 光电效应有哪几种 ?与之对应的光电元件各有哪些 ? 答：光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管
23、等；基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 2常用的半导体光电元件有哪些 ?它们的电路符号如何 ? 答：常用的半导体光电元件有光敏二极管 、光敏三极管和光电池三种。 它们的电路符号如下图所示： 光 敏 二 极 管 光 敏 三 极 管 光 电 池 4什么是光电元件的光谱特性 ? 答：光电元件的光谱特性是指 入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光电元件只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光电元件的光谱特性。 5 光电传感器由哪些部分组成 ?被测量可以影响光电传感器的哪些部分 ? 答： 光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图所示。图中 1是光源发出的光
24、信号， 2 是光电器件接受的光信号，被测量可以是 x1 或者 x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号 I。 Ix1x2 x312光 源 光 学 通 路 光 电 元 件6 模拟式光电传感器有哪几种常见形式 ? 答： 模拟式光电传感器主要有四种 。 一是 光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图 a 所示。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计；二是恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。如图 b 所示。可用于测量透明度 、混浊度；三是恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图 c 所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等；四是从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图 d 所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、
