1、1第 1 章 传感器与检测技术基础思考题答案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
2、息并且不易消除传感器所引入的误差。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.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?依次为主称（传感器） 被测量转换原理序号主称传感器，代号 C；被测量用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表 2；转换原理用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表 3；序号用一个阿拉伯数字
3、标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母 A、B、C 等， （其中 I、Q 不用） 。例：应变式位移传感器： C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ -2。3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量。此时输出电压认可表示为U0，U 0=U+U ，其中U 是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对 U 来讲为一小量。如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足 U0 的要求，因此对U
4、 ，这个小量造成的 U0 的变化就很难测准。测量原理如下图所示：图中使用了高灵敏度电压表毫伏表和电位差计，R r 和 E 分别表示稳压电源的内阻和电动势，凡表示稳压电源的负载，E 1、R 1 和 Rw 表示电位差计的参数。在测量前调整 R1 使电位差计工作电流 I1 为标准值。然后，使稳压电源负载电阻 R1 为额定值。调整 RP 的活动触点，使毫伏表指示为零，这相当于事先用零位式测量出额定输出电压U。正式测量开始后，只需增加或减小负载电阻 RL 的值，负载变动所引起的稳压电源输出电压 U0 的微小波动值U，即可由毫伏表指示出来。根据 U0=U+U，稳压电源输出电压在各种负载下的值都可以准确地测
5、量出来。微差式测量法的优点是反应速度快，测量精度高，特别适合于在线控制参数的测量。2E E1R1RPwRmRLRr用微差式测量方法测量稳压电源输出电压随负载的变化4.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mV/mm25.403S5.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： 0.45/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
6、温系统的总灵敏度为cm/18.020.5S（2）记录仪笔尖位移 4cm 时，所对应的温度变化值为.218.t6.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。7.什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
7、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度，它反映了随机误差的大小。8.服从正态分布规律的随机误差有哪些特性? 答：服从正态分布规律的随机误差的特性有：对称性 随机误差可正可负，但绝对值相等的正、负误差出现的机会相等。也就是说 f()- 曲线对称于纵轴。有界性 在一定测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的范围，即绝对值很大的随机误差几
8、乎不出现。抵偿性 在相同条件下，当测量次数 n时，全体随机误差的代数和等于零，3即 。单峰性 绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差出现的机会多，即前者比后者的概率密度大，0lim1ni在 =0 处随机误差概率密度有最大值。9.等精度测量某电阻 10 次，得到的测量列如下：R1167.95 R2167.45 R3167.60 R4167.60 R5167.87 R6167.88 R7168.00 R8167.850 R9167.82 R10167.61(1)求 10 次测量的算术平均值 ，测量的标准误差 和算术平均值的标准误差 s。(2)若置信概率取 99.7，写出被测电阻的真值和极限值。解：
9、(1)求 10 次测量的算术平均值 ，测量的标准误差 和算术平均值的标准误差 s。 763.1 10 61.782.15.670.8.678.6.170.45.9.102i n 1824.0 )153.07.08.237.108.7.163.023.7(99) 222222212ininii vvx5.ns(2)若置信概率取 99.7，被测电阻的真值为： )173.06.(376.10sR极限值为： )54.763.1(376.1mR10.试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系。答：如图所示，电桥各臂的电阻分别为 R1、 R2、R 3、R 4。U 为电桥的直流电源电压。当四臂电阻R1=R2=
10、R3=R4=R 时，称为等臂电桥；当 R1=R2=R,R3=R4=R(RR )时，称为输出对称电桥；当 R1=R4=R，R 2=R3 =R(RR)时，称为电源对称电桥。R 1 R 2R 3R 4U 0UABCD直流电桥电路 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为4(1)URUo)(4321设电桥为单臂工作状态，即 R1为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当 R1感受被测量产生电阻增量 R1时，由初始平衡条件 R1R3=R2R4 得 ，代入式（1） ，则电桥由于 R1 产生不平衡引
11、起的输出电压为 34(2)()( 1211210 对于输出对称电桥，此时 R1=R2=R,R3=R4=R，当 R1 臂的电阻产生变化 R1=R，根据（2）可得到输出电压为(3)4)(20UU对于电源对称电桥，R 1=R4=R,R2=R3=R。当 R1臂产生电阻增量 R1=R 时，由式（2）得 (4)(20对于等臂电桥 R1=R2=R3=R4=R，当 R1 的电阻增量 R1=R 时，由式（2）可得输出电压为(5)(4)(20U由上面三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着变化。当 R t0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正
12、电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。3简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。答：一是匀质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。二是中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。三是标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来。
