检测课后部分题答案.doc

检测系统由哪几部分组成，各部分的作用是什么？检测系统主要由敏感元件、信号的转换与处理电路、显示电路和信号传输电路组成。敏感元件：将非电量转换为电信号；信号处理电路：将代表被测量特征的信号变换成能进行显示或输出的信号；显示电路：将被测对象以人能感知的形式表现出来；信号传输电路：将信号从一点送另一点。程控增益放大器的量程可由软件自动切换，其工作原理是什么？可编程增益放大电路的增益通过数字逻辑电路由给定的程序来控制。其内部有多对增益选择开关,任何时刻总有一对开关闭合。通过程序改变输入的数字量，从而改变闭合的开关以选择不同的反馈电阻，最终达到改变放大电路增益的目的。传感器输入与输出之间的耦合方式有哪些？各有什么特点？输入与输出之间的隔离方式主要有：变压器耦合 (亦称电磁耦合)、光电耦合等。变压器耦合的线性度高、隔离性好、共模抑制能力强，但其工作频带窄、体积大、成本高，应用起来不方便。光电耦合的突出优点是结构简单、成本低、重量轻、转换速度快、工作频带宽，但其线性度不如变压器耦合。光电耦合目前主要用于开关量控制电路。信号传输过程中采用电压、电流和频率方式传输各有什么优缺优点？各适用于什么场合？采用电压信号传输，模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失真。由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。各适用于信号接收电路的输入阻抗是高阻的（2）采用电流信号传输，电流源作为发送电路，它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻以及接触电阻无关，如果考虑到有电磁干扰比如电焊设备，传输距离又必须很长，电流信号传输的方法是合适的。（3）采用频率信号传输，可将电压信号变换为数字信号进行传送，可以很好地提高其抗干扰能力。频率信号传输广泛应用于数据测量仪器及遥测遥控设备中。非线性硬件校正方法有哪几种？各自的工作原理是什么？有3大类。第一种方法是插入非线性器件，即在非线性器件之后另外插入一个非线性器件，使两者的组合特性呈线性关系。第二种方法是采用非线性A/D转换器。对于逐次比较型，可以利用按非线性关系选取的解码电阻网络；对双积分型A/D转换器，可以通过逐次改变积分电阻值或基准电压值来改变第二次反向积分时间，从而获得非线性A/D转换电路。第三方法是采用标度系数可变的乘法器。由于A/D转换器和乘法器通常是多路测试系统中所有通道的共同通道，很难做到使所有非线性传感器都线性化，因此不常用。 简述传感器的组成及其各部分的功能？通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源， 因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。 传感器静态特性性能指标及其各自的意义是什么？传感器的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移等，其中，线性度、灵敏度、迟滞和重复性是四个较为重要的指标。线性度：传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量与引起输出量增量的相应输入量增量之比。迟滞：传感器在输入量由小到大及输入量由大到小变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度分辨力：分辨力是用来表示传感器或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力，通常以最小量程的单位值来表示。漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移稳定性：稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分，对于传感器，常用长期稳定性来描述其稳定性，即传感器在相当长的时间内仍保持其性能的能力。阈值：阈值是指传感器产生可测输出变化量时的最小被测输入量值。压电传感器为什么只适用于动态测量？压电传感器可以看作是一个带电的电容器，当外接负载时，只有外电路负载无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压才能长期保存下来，若负载不是无穷大，则电路以时间常数RLCa按指数规律放电，无法测量。所以不能测量频率低或静止的参数。常见的压电元件的组合形式有哪些？这些组合形式各适用于哪些场合？常见的压电元件的组合形式有串联和并联两种方式。其中并联接法输出电荷大，本身电容也大，时间常数大，适用于测量慢变信号，当采用电荷放大器转换压电元件上的输出电荷q时，并联方式可以提高传感器的灵敏度，所以并联方式适用于以电荷作为输出量的地方。串联接法的输出电压大，本身电容小，当采用电压放大器转换压电元件上的输出电压时，串联方法可以提高传感器的灵敏度，所以串联方式适用于以电压作为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的地方。压电传感器为什么要接前置放大器？常用的前置放大电路有几种？各有什么特点？由于压电传感器的输出信号非常微弱，一般将电信号进行放大才能测量出来。但因压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的，通常，传感器的输出信号先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。前置放大器有两种形式：电压放大器和电荷放大器。电压放大器的输出电压与输入电压成比例，电荷放大器的输出电压与输入电荷成比例。这两种放大器的主要区别是：使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其是连续电缆长度变化更为明显；而使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计。什么是自感传感器？为什么螺管式自感式传感器比变气隙式的测量范围大？自感式传感器是把被测量转换成线圈的自感变化，通过一定的电路转换成电压或电流输出的装置。由于转换原理的非线性和衔铁正、反方向移动时自感变化的不对称性，变气隙式自感传感器(包括差动式结构)，只有工作在很小的区域，才能得到一定的线性度。而差动螺管式自感传感器的自感变化量与衔铁的位移量成正比，其灵敏度比单线圈螺管式提高一倍，线性范围和量程较大。在使用自感式传感器时，为什么电缆长度和电源频率不能随便改变？等效电感变化量表明自感式传感器的等效电感变化量与传感器的电感、寄生电容及电源角频率有关。因此在使用自感式传感器时，电缆长度和电源频率不能随便改变，否则会带来测量误差。若要改变电缆长度或电源频率时，须对传感器重新标定。什么是互感传感器？为什么要采用差动变压器式结构？，把被测位移转换为传感器线圈的互感变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级线圈绕组采用差动式结构，故称为差动变压器。当衔铁处于中间位置时，由于两个次级线圈完全对称，通过两个次级线圈的磁力线相等，互感，感应电势，总输出电压为0。当衔铁向左移动时，总输出电压。当铁芯向右移动时，总输出电压。两种情况的输出电压大小相等、方向相反。大小反映衔铁的位移量大小，方向反映衔铁的运动方向，其特性曲线为形特性曲线。为什么说涡流式传感器也属于电感传感器？涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的，即利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行能量转换的原理工作的。被测对象以某种方式调制磁场，从而改变激励线圈的电感。因此，电涡流式传感器也是一种特别的电感传感器。被测材料的磁导率不同，对涡流式传感器检测有哪种影响？试说明其理由。线圈阻抗的变化与金属导体的电阻率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流以及线圈到金属导体之间的距离等参数有关。假设金属导体是匀质的，则金属导体与线圈共同构成一个系统，其物理性质用磁导率、电阻率、尺寸因子、距离、激励电流强度和角频率等参数来描述，某些参数恒定不变，只改变其中的一个参数，就构成了阻抗的单值函数，由此就可以通过阻抗的大小来测量被测参数。穿透深度与线圈的激励频率、金属导体材料的导电性质有关，当激励频率一定时，电阻率越大，磁导率越小，穿透深度越大。电容式传感器的寄生电容是怎样产生的？对传感器的输出特性有什么影响？寄生电容CP主要指电缆寄生电容，它与传感器电容C相并联。电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，一般电容量都很小，几个皮法到几十皮法，属于小功率、高阻抗器件，极易受外界干扰，尤其是电缆寄生电容。寄生电容比电容传感器的电容大几倍至几十倍，且具有随机性，又与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没传感器的有用信号，使传感器无法使用。因此消灭寄生电容的影响，是电容式传感器实用化的关键。电容式传感器能否用来测量湿度？试说明其工作原理。采用变介电常数型的电容传感器即可测量湿度。被测物质作为介质处于电容的两个因定极板之间，湿度改变时，介电常数发生变化，电容相应发生变化，通过检测电路检测电容的变化，即可反映湿度的变化。磁电式传感器的基本原理是什么？磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。磁电感应传感器的工作原理可认为是发电机原理。磁电传感器以导体和磁场发生相对运动而产生电动势为基础。根据电磁感应定律。具有匝的线圈，其内的感应电动势e的大小取决于贯穿该线圈的磁通的变化速率磁电式传感器产生非线性误差的原因是什么？由于传感器线圈内有电流i经过时，将产生一定的变化磁通，这种交变磁通使得永久磁铁所产生的工作磁通减弱。当传感器线圈相对于永久磁铁的运动速度增大时，将产生较大的感应电势u 和较大的电流i，因此减弱磁场的作用也将加强，从而使得传感器的灵敏度随被测速度数值的增加而降低。当动圈的运动速度与原方向相反时，感应电势u、线圈电流i及磁通都反向，因此传感器的灵敏度将随被测速度v数值的增大而增大。其结果是使传感器灵敏度在动圈速度的不同方向上具有不同的数值，因而传感器输出的基波能量降低而谐波的能量增加，既这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？半导体材料的电阻率、载流子浓度等都随温度而变化。因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、灵敏度等也将受到温度变化的影响，从而给测量带来较大的误差。为了减小测量中的温度误差、除了选用温度系数小的霍尔元件，或采取一些恒温措施外，也可使用以下的一些温度补偿方法；采用恒流源提供控制电流和输入回路并联电阻,合理选择负载电阻.采用热敏电阻进行温度补偿.具有温度补偿及不等位电势补偿的典型电路简述霍尔式压力传感器的工作原理。首先由弹性元件将被测压力变换成位移，由于霍尔元件固定在弹性元件的自由端上，因此弹性元件产生位移时将带动霍尔元件，使它在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电势。弹性元件可以是波登管或膜盒或弹簧管。图中弹性元件为波登管，其一端固定，另一自由端安装霍尔元件之中。当输入压力增加时，波登管伸长，使霍尔元件在恒定梯度磁场中产生相应的位移，输出与压力成正比的霍尔电势。光敏电阻、光电二级管和光电三极管是根据什么原理工作的？光电特性有何不同？光敏电阻是一种基于半导体光电导效应、由光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称为光导管。光电二级管根据反偏电压pn结光伏效应工作的探测器；光电三极管是根据无偏压pn结光伏效应工作的探测器；光敏电阻用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配，要防止光敏电阻受杂散光的影响；光电三极管有电流放大作用，它的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。概括光纤弱导条件的意义。从理论上讲，光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。所以弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。构成CCD的基本单元是MOS电容器。正如其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当表面存在势阱时，如果有信号电子来到势阱及其邻近，它们便可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷。耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生的载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的基本原理。三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。简述光栅式传感器的基本工作原理。分析为什么光栅式传感器有较高的测量精度。主要由标尺光栅和指示光栅组成。二者刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化。利用光电接收元件接受莫尔条纹亮暗变化的光信号，并转换成电脉冲信号，经电路处理后用计数器计数可得到标尺光栅移过的距离。可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向判定主光栅的位移量和位移的方向。另外莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，将计数单位变成比一个周期更小的单位,例如变成记一个数，这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。此外莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，而光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹。因此对光栅的刻划误差有平均作用，从而可以在很大程度上消除刻线的局部误差和短周期误差的影响。工业上铂热电阻为什么要采用三线制接线? 工业上铂热电阻电阻本体引线和连接导线电阻会给测量带来误差，常采用三线制接线来消除这种误差。热电阻用三根导线、和引出,与指示仪表串联，分别串入测量电桥的相邻两臂。在测量过程中，当环境温度变化时，导线电阻发生变化。然而的电阻变化不影响电桥的平衡，和的电阻变化可以相互平衡而自动抵消。电桥调零时，应使，其中为热电阻在参考温度(如0)时的电阻值。热电阻传感器有哪儿种?各有何特点及用途?热电阻传感器按电阻温度特性的不同通常分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。金属热电阻传感器主要用于对温度和与温度有关的参量进行测量。热电阻传感器广泛用来测量-120500的温度。其特点是准确度高。在检测中、低温时输出信号比热电偶大的多，灵敏度高，可实现远传、自动记录和多点检测。半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度而变化的性质制成的温度敏感元件。半导体和金属具有完全不同的导电机理。金属的电阻值随温度的升高而增大，而大多数半导体的电阻值随温度升高而急剧地下降。在温度变化1时，金属电阻的阻值变化0.46，而半导体热敏电阻的阻他变化36。半导体热敏电阻随温度变化的灵敏度高，因此可用它来测量0.01或更小的温度差异。常用热电阻有几种?它们各是什么?它们的结构类型有几种?各是什么?常见的热电阻传感器有：铂热电阻、铜热电阻和铟电阻，锰电阻，碳电阻。工业用金属热电阻的结构通常有三种类型，即普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻。热敏电阻有几种类型?它们的性能有何区别?三种类型，分别为：负温度系数(NTC)型热敏电阻、正温度系数(PTC)型热敏电阻、临界温度系数(CTR)型热敏电阻。负温度系数(NTC)型热敏电阻的阻值随温度的升高而下降。PTC热敏电阻主要采用BaTiO3系材料制成。当温度超过某一数值(居里温度点)时，其电阻值随温度的升高而急剧增大，当温度低于居里温度点时，具有半导体特性。CIR热敏电阻采用VO3系列材料制成。从温度特性曲线可见，其电阻值随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，其主要用于温度开关使用。什么是金属导体的热电效应？热电势与导体的接触电势，温差电势之间有什么关系？两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。热电势是由接触电势和温差电势组成的。将两种电势综合起来研究，既由两种不同的金属导体A、B连接成闭合回路，两端的温度不同，且两金属导体的自由电子浓度也不同，则在这个回路中的两个接点处各产生一个接触电势，两金属导体中各产生一个温差电势。如何选用热电偶？在选用热电偶时应该注意些什么？为了保证热电偶可靠稳定地工作，对热电偶的结构有如下要求：热电偶的热电极接点焊接应牢固；热电偶的热电极必须有良好的绝缘，以防短路；导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护管应能保证热电极与有害介质相隔离；补偿导线的作用是什么？使用补偿导线应该注意些什么？采用补偿导线的方法作用是来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。应用延长线时必须注意：延长线只能与相应型号的热电偶配用；注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；延长线和热电极连接处两接点的温度必须相同，全不得超过规定范围（一般为0100），否则误差将显著增加。简述热电偶的几个重要定律，并分别说明其实用价值。两导体电极材料相同,其热电动势为零。如果组成电偶回路的两种导体相同（A=B），则无论两接点温度如何，其热电动势为零。因此必需由两种不同材料才能构成热电偶。热电偶两结点温度相同,其热电动势为零。如果两接点温度相同（），则尽管两导体材料不同，其热电动势为零。热电偶回路的热电动势只与两材料和两接点的温度有关，而与热电偶的尺寸形状及材料的中间温度无关。而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。热电偶越细，内阻越大。中间温度定律：热电偶AB在接点温度为时的电动势，等于热电偶在接点温度为和时的其热电动势总和。中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了理论基础。中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种材料导体两接点温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。利用热电偶来实际侧温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是十分重要的。在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。为什么采用超声波传感器测量各种状态下的物理量时应采用纵波?说明原因。声波的波形通常分为以下3种波形：纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波；横波质点振动方向垂直于传播方向的波；表面波质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播。纵波在固体、液体和空气中都能传播。表面波传播的特点是随深度增加衰减很快。因此，为了测量各种状态下的物理量，应采用纵波。超声波传感器常用的材料是什么?超声波传感器的工作原理是什么?常用的材料是压电晶体和压电陶瓷。传感器利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为高频机械振动，从而产生超声波，因此可作为超声波发射探头；也可利用其正压电效应，将超声振动波转换成电信号，用做超声波接收探头。超声波物位测量有几种方式，各有什么特点?超声波物位测量利用超声波在两种介质分界面上的反射特性制成的。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可求出分界面的位置。利用这个方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由个换能器完成。