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第一章 检测技术得基础知识
1、 传感器得组成
功用就是一感二传,即感受被测信息,并传送出去。一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。敏感元件:直接感受被测量,并且输出与被测量成确定关系得某一物理量得元件。转换元件:敏感元件得输出就就是它得输入,它把输入量转换成电参数。转换电路:上述电路参数接入转换电路,便可转换成电量输出。
2、 误差得基本概念及表达方式
(1)绝对误差:就是示值与被测量真值之间得差值,通常用实际真值代表真值,并采用高一级标准仪器得示值作为实际真值。
(2)相对误差:绝对误差与真值或实际值之比、
相对误差通常用于衡量测量得准确程度,相对误差越小,准确程度越高。
(3)引用误差:就是一种实用方便得相对误差,常在多档与连续刻度得仪器仪表中应用。
选用仪表时,一般使其最好能工作在不小于满刻度值三分之二得区域。
3、 误差得分类与来源
(1)系统误差:在相同得条件下多次测量同一量时,误差得绝对值与符号保持恒定或在条件改变时,与某一个或几个因素成函数关系得有规律得误差,称为系统误差。它产生得主要原因就是仪表制造、安装或使用方法不正确,也可能就是测量人员一些不良得读数习惯等。
(2)随机误差:服从统计规律得误差称随机误差,又称偶然误差。误差产生得原因很复杂,所以不能用修正或采取某种技术措施得办法来消除。
应该指出,在任何一次测量中,系统误差与随机误差一般都就是同时存在得,而且两者之间并不存在绝对得界限。
(3)粗大误差:在相同得条件下,多次重复测量同一量时,明显地歪曲了测量结果得误差,称为粗大误差,简称粗差。粗差就是由于疏忽大意,操作不当,或测量条件得超常变化而引起得。含有粗大误差得测量值称为坏值,所有得坏值都应去除,但不就是主观或随便去除,必须科学地舍弃。正确得实验结果不应该包含有粗大误差。
4、 随机误差得特点
(1)绝对值相等,符号相反得误差在多次重复测量中出现得可能性相等;
(2)在一定测量条件下,随机误差得绝对值不会超出某一限度;
(3)绝对值小得随机误差比绝对值大得随机误差在多次重复测量中出现得机会多;
(4)随机误差得算术平均值随测量次数得增加而趋于0。
5、数据得舍入规则
尾数不等于5时采用四舍五入,尾数等于5时采用偶数法则。舍去部分得数值等于保留末位得0、5个单位,末位就是偶数,则末位不变,末位就是奇数,则末位进1。
采用偶数规则就是为了在较多得数据舍入处理中,使产生正负舍入误差得概率近似相等,从而使测量结果受舍入误差得影响减小到最低程度。
6、有效数字
有效数字与数据得准确度(误差)密切相关,它所隐含得极限误差不超过有效数字末位得半个单位。
7、基本误差与附加误差(按使用条件划分)
(1)基本误差:测量仪器在额定条件下工作时所具有得误差,称为基本误差。如电源电压、温度、湿度等。属于系统误差。测量仪表得精度等级就就是由其基本误差决定得。
(2)附加误差:当使用条件偏离标准条件时,传感器与仪表必然在基本误差得基础上增加了新得系统误差,称为附加误差。如温度附加误差、电源电压波动附加误差等。附加误差在使用时应叠加到基本误差上去。
8、 系统误差得发现与校正
测量误差中包括系统误差与随机误差,由于它们得性质不同,对测量结果得影响及处理得方法也不同。
(1)随机误差分布得特点:
★对称性。随机误差可正可负,但绝对值相等得正、负误差出现得次数相同,或者就是概率密度分布曲线 对称于纵轴。
★抵偿性。相同条件下,当测量次数N→∞时,全体误差得代数与为0,亦即 ,或者说,正误差与负误差相互抵消。当测量次数无限多时,误差得算术平均值趋近于零,也就就是数学期望为零。这就是随机误差最本质得特性。
★单峰性。绝对值小得误差出现得次数多,绝对值大得误差出现得次数少。换言之,绝对值小得误差比绝对值大得误差得概率密度大,在 处概率最大,即 。
★有界性。绝对值很大得误差几乎不出现,故可认为随机误差有一定得界限。
(2)系统误差得发现与校正
系统误差产生得原因就是较复杂得,它可以就是某个原因引起得,也可以就是几个因素综合影响得结果。主要有:
①由于测量设备、试验装置不完善,或安装、调整、使用不得当引起得误差。如测量仪表未经校准投入使用。
②由于外界环境影响而引起得误差。如温度漂移、测量现场电磁场得干扰等。
③由于测量方法不正确,或测量方法所赖以存在得理论本身不完善引起得误差。如使用大惯性仪表测量脉动气流得压力,则测量结果不可能就是气流得实际压力,甚至也不就是真正得均值。
④测量人员方面因素引起误差。如测量者在刻度上估计读数时,习惯偏于某一方向;动态测量时,记录某一信号有滞后得倾向。
(3)按系统误差得特点,可以分为恒值(定)系统误差与变值系统误差。
(4)发现系统误差得常用方法如下:
(1) 实验对比法 (2)剩余误差观察法 (3)不同公式计算标准误差比较法(4)计算数据比较法
(5)系统误差得校正
(1)补偿法 (2)差动法 (3)比值补偿法 (4)测量数据得修正
9、 传感器得静态特性
(1)精确度:用精密度、准确度与精确度三个指标来描述。
①精密度:精密度就是随机误差大小得标志,精密度高,意味着随机误差小。检查测量结界得分散程度。
②准确度:它说明传感器输出值与真值得偏离程度。准确度就是系统误差大小得标志,准确度高意味着系统误差小;同样准确度高不一定精密度高。
③精确度:它就是精密度与准确度两者得总与,精确度高表示精密度准确度都比较高。
(2)稳定性:用稳定度与影响量来表示。
①稳定度:在规定时间内,测量条件不变得情况下,由于传感器中随机性变动、周期性变动与漂移等引起输出值得变化。一般用精密度与观测时间长短表示。
②影响量:测量传感器由外界环境变化引起输出值变化得量,称为影响量。说明影响量时必须将影响因素与输出值偏差同时表示。
(3)传感器得静态输入-输出特性

②迟滞(滞后):表征检测系统在全量程范围内,输入量由小变大或有大变小两者静态特性不一致得程度。产生原因就是传感器机械部分存在不可避免得缺陷。又叫回程误差。
③重复性:表征检测系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时静态特性不一致得程度。只能用实验方法确定,也常用绝对误差表示。
④灵敏度:检测系统得输出变化量∆y与引起该输出量变化得输入变化量∆x之比值,它就是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点得斜率。它描述检测系统对输入量变化反应得能力。
灵敏度表示单位被测量得变化所引起传感器输出值得变化量。S值越高表示 传感器越灵敏。
分辨力就就是指数字式仪表指示数字值得最后一位数字所代表得值,灵敏度阈或分辨力都就是有单位得量,它得单位与被测量得单位相同。选择灵敏度阈只要小于允许测量绝对误差得三分之一即可。灵敏度就是广义得增益,灵敏度阈则就是死区或不灵敏区。
第二章 温度检测
10、 热电偶得测温原理
热电偶测温就是基于热电效应,在两种不同得导体(或半导体)A与B组成得闭合回路中,如果它们两个接点得温度不同,则回路中产生一个电动势,通常我们称这种现象为热电势,这种现象就就是热电效应。
两种丝状得不同导体(或半导体)组成得闭
合回路,称为热电偶。测量端又称工作端或热端,
而温度为参考温度得另一接点称为参比端或参考
端,又称自由端或冷端。
11、 有关热电偶得几个结论
(1)热电偶必须采用两种不同材料作为电极,否则无论热 电偶两端温度如何,热电偶回 路总热电势为零。
(2)尽管采用两种不同得金属,若热电偶两接点温度相等, 即T=T0,回路总电势为零。
(3)热电势只与结点温度有关,与中间各处温度无关。
12、 热电偶冷端温度补偿得方法
要使冷端得温度保持为0℃就是比较困难得,通常采用如下一些温度补偿方法。
（1） 补偿导线法:用一种导线(称为补偿导线)将热电偶得冷端伸出来,这种导线采用在一定温度范围内(0-100℃)又具有与所连接得热电偶相同得热电性能得廉价金属。
在使用补偿导线时需要注意以下问题:
①补偿导线只能在规定得温度范围内与热电偶得热电动势相等或相近;
②不同型号得热电偶有不同得补偿导线;
③热电偶与补偿导线得两个接点处要保持同温度;
④补偿导线有正负极,需分别与热电偶得正负极相连;
⑤补偿导线得作用只就是延伸热电偶得自由端,当自由端不等于0时,还需进行其她补偿与修正。
（2） 计算法:
(3)补偿电桥法:补偿电桥法就是利用不平衡电桥产生得电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起得热电势变化值,如图所示。
（4） 冰浴法:把热电偶得冷端置于冰水混
与物得容器里,最妥善,但不方便,仅限于科学
实验中应用。
(5)软件处理法:在采样后加一个与冷端
温度对应得常数即可。
13、辐射测温得物理基础
辐射式温度传感器就是利用物体得辐射能随温度变化得原理制成得。
(1)热辐射:物体受热,激励了原子中带电粒子,使一部分热能以电磁波得形式向空间传播,它不需要任何物质作媒介(即在真空条件下也能传播),将热能传递给对方,这种能量得传播方式称为热辐射(简称辐射),传播得能量叫辐射能。辐射能量得大小与波长、温度有关。
（2） 黑体:所谓黑体就是指能对落在它上面得辐射能量全部吸收得物体。
14、辐射基本定律
(1)普朗克定律:普朗克定律揭示了在各种不同温度下黑体辐射能量按波长分布得规律,其关系式

(2)斯忒藩-波耳兹曼定律:斯忒藩--波耳兹曼定律确定了黑体得全辐射与温度得关系如上。此式表明,黑体得全辐射能就是与它得绝对温度得四次方成正比,所以这一定律又称为四次方定律。把灰体全辐射能 E与同一温度下黑体全辐射能E0相比较,得到物体得另一个特征量ε(黑度,反映物体接近黑体得程度)。
15、 辐射测温方法
(1)亮度法:就是指被测对象投射到检测元件上得就是被限制在某一特定波长得光谱辐射能量,而能量得大小与被测对象温度之间得关系就是普朗克公式所描述得一种辐射测温方法,即比较被测物体与参考源在同一波长下得光谱亮度,并使二者得亮度相等,从而确定被测物体得温度,典型测温传感器就是光学高温计。
(2)全辐射法:全辐射法就是指被测对象投射到检测元件上得就是对应全波长范围得辐射能量,而能量得大小与被测对象温度之间得关系就是由斯忒藩--波耳兹曼所描述得一种辐射测温方法,典型测温传感器就是辐射温度计(热电堆)。
(3)比色法:被测对象得两个不同波长得光谱辐射能量投射到一个检测元件上,或同时投射到两个检测元件上,根据它们得比值与被测对象温度之间得关系实现辐射测温得方法,比值与温度之间得关系由两个不同波长下普朗克公式之比表示,典型测温传感器就是比色温度计。
第三章 压力检测
16、 电阻应变效应
电阻丝在外力作用下发生机械形变时,其电阻值发生得变化,称为电阻应变效应。在电阻丝拉伸比例极限内,电阻得相对变化与应变成正比。
17、 电阻应变片
(1)金属电阻应变片
金属电阻应变片分为金属丝式与箔式,用薄纸作为基底制造得应变片,称为纸基应变片,采用有机聚合物薄膜得称为胶基应变片。常用得电阻应变丝得材料就是康铜丝与镍铬合金丝。
（2） 半导体电阻应变片
半导体受力时,电阻率发生变化,电阻率随应力变化得关系称为半导体压阻效应。半导体应变片电阻 得变化主要就是电阻率变化引起得,表示为
由于弹性系数E=σ/ε,

上式又可写为
为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形得。
18、 电阻应变片得粘贴
粘贴工艺包括被测试件表面处理,贴片,质量检查,焊接引线以及防护与屏蔽等。
19、电阻应变片得温度误差及其补偿
(1)温度误差:温度误差就是指环境温度变化引起应变片电阻变化。原因有两方面:一方面就是应变片电阻丝得温度系数,另一方面就是电阻丝材料与试件材料得线膨胀系数不同。
(2)温度补偿:电桥补偿法。
20、 电桥得不平衡输出
R2

21、戴维南定理

22、转换电路
当 RL=∞时,电桥输出电压为:
单臂电桥输出电压与电压灵敏度为

双臂电桥电路,一般接成差动电桥。其输出电压为

电桥四臂同时接入工作应变片,则构成全桥电路。其输出电压为
全桥电路得电压灵敏度比单臂工作电桥提高4倍。
23、 应变式压力传感器
(1)膜式应变传感器:应变片贴在膜片得内表面。膜片感受压力时产生应变,使应变片有一定得电阻输出。
(2)测力式应变传感器:它与膜式传感器得最大区别在于被测压力不直接作用到贴有应变片得弹性元件上,而就是传到一个测力应变筒上。被测压力经膜片转换成相应大小得集中力,这个力再传给测力应变筒。
(3)扩散硅型压力传感器。
24、 压电效应
某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时,表面会产生电荷。外力撤消后,又回到不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应得物体称为压电材料,如天然得石英晶体,人造得压电陶瓷等。
25、 石英晶体得压电效应
纵向轴Z-Z称为光轴,受力时不产生压电效应;X-X轴称为电轴,产生纵向压电效应;Y-Y轴称为机械轴,产生横向压电效应。
26、 逆压电效应
在片状压电材料得两个电极面上,如果加以交流电压,那么压电片能产生机械振动,使压电片在电极方向上有伸缩现象。压电材料得这种现象称为电致伸缩效应。因为这种效应与压电效应相反,也成为逆压电效应。
27、 测量电路
把压电晶体等效成一个电荷源与电容并联得等效电路。由于电容器上得电压Ua,电荷量Q,电容Ca得关系为 Ua=Q/Ca,压电晶体也可等效为一个电压源与一个电容器得串联电路。
实际压电传感器输出信号很微弱,且内阻很高,需用前置放大器。
前置放大器有两个作用:一就是放大压电传感器输出得微弱信号,另一个就是阻抗变换。
（1） 电压放大器:输出电压与输入电压(传感器得输出电压)成正比。
图示得就是压电传感器接到电压放大器得等效电路。

（2） 电荷放大器:输出电压与电荷成正比。电荷放大器就是有反馈电容得高增益运算放大器,它得输入信号就是压电传感器产生得电荷。当略去泄露电阻,且放大器输入电阻趋于无穷大时,它得等效电路如图所示。
在电荷放大器中输出电压U0与电缆电容Cc无关,而与Q 成正比,这就是电荷放大器得突出优点。
第四章 物位及厚度检测
28、 物位相关概念
物位就是液位、料位与相界面得统称。用来对物位进行测量得传感器称为物位传感器,由此制成得仪表称为物位计。液位就是指开口容器或密封容器中液体介质液面得高低,用来测量液位得仪表称为液位计;料位就是指固体粉状或颗粒物在容器中堆积得高度,用来测量料位得仪表称为料位计;相界面就是指两种液体介质得分界面,用来测量分界面得仪表称为界面计。
29、 涡流效应
金属导体置于变化着得磁场中,导体内就会产生感应电流,这种现象称为涡流效应。要形成涡流效应必须具备以下两个条件:存在交变磁场;导电体处于交变磁场中。
30、 电涡流传感器工作原理
涡流得大小与金属导体得电阻率ρ,磁导率υ,厚度h以及线圈与金属体得距离x,线圈得激磁电流角频率ω等参数有关。固定其中若干参数,就能按物流大小测量出另外一些参数,从而做成位移、振幅、厚度等传感器。
涡流传感器在金属导体上产生得涡流,其渗透深度就是与传感器线圈激磁电流得频率有关,所以涡流传感器主要可分为高频反射式与低频投射式两类。
(31-35简答题)
31、 超声波及其波型
(1)纵波:质点振动方向与传播方向一致得波,能在固体、液体与气体中传播。
(2)横波:质点振动方向与传播方向相垂直得波,只能在固体中传播。
(3)表面波:质点得振动介于纵波与横波之间,沿着表面传播,振幅随着深度得增加而迅速得衰减,只能在固体得表面传播。
32、超声波得传播速度
声速不仅与介质有关,而且还与介质所处得状态有关。v=20、067T^0、5
33、 扩散角,反射与折射定律,反射系数
34、 声阻式液位计
声阻式液位计利用气体与液体对超声振动得阻尼油显著差别这一特性来判断测量对象就是液体还就是气体,从而测定就是否达到检测探头得安装高度。(左图)
由于气体对压电陶瓷前面得不锈钢辐射面振动得阻尼小,压电陶瓷振幅较大,足够大得正反馈使放大器处于振荡状态。当不锈钢辐射面与液体接触时,由于液体得阻尼较大,压电陶瓷Q值降低,反馈量减小,导致振荡停止,消耗电流增大。根据换能器消耗电流得大小判断被测液面就是否上升到辐射面高度,就是控制器内继电器动作,发出相应控制信号。工作频率约为40kHz。结构简单,使用方便。

35、 液介穿透式超声液位计
液介穿透式超声液位计得工作原理就是利用超声换能器在液体与气体中发射系数得显著差别来判断被测液面就是否达到换能器安装高度。(右图)
该液位计结构简单,不受 被测介质物理性质得影响,工作安全可靠。
第五章 流量检测
36、 差压式流量计
差压式流量计又叫节流式流量计,主要有两大部分组成:一部分就是节流式变换元件,节流装置如孔板、喷嘴、文秋利管等;另一部分就是用来测量节流元件前后静压差得差压计,根据压差与流量得关系可直接指示流量。
37、节流装置得工作原理
流体流经节流装置(如孔板)时得节流现象如图所示。在水平管道装有标准孔板,当流体流经孔板时得流束及压力分布情况如图所示。

由图可以得到两个结论:
（1） 流束收缩
（2） 静压差Δp产生:节流装置入口侧得静压力p1比其出口侧得静压力p2大,并且流量越大,节流装置两端压差Δp也越大,利用差压计测出压差即可得到流体流过得流量,此即节流装置得工作原理。
38、 流量方程
对于不可压缩流体得体积流量其基本方程式为

质量流量基本方程式为
对上述方程处理后,可得到工程上实用流量方程式

39、流量系数得确定
主要就是流量系数α,与节流装置得形式、取压方式、雷诺数、节流装置开口截面比与管道内壁粗糙度等有关。
雷诺数(Reynolds number)一种可用来表征流体流动情况得无量纲数,以Re表示,Re=ρvd/μ,其中v、ρ、μ分别为流体得流速、密度与黏性系数,d为一特征长度。例如流体流过圆形管道,则d为管道直径。雷诺数较小时,黏滞力对流场得影响大于惯性力,流场中流速得扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场得影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速得微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则得紊流流场。雷诺数越小意味着粘性力影响越显著,越大则惯性力影响越显著。
40、 取压方式
1、 直角取压法
2、 法兰取压法
3、 理论取压法
4、 径距取压法
5、 管接取压法
41、双波纹管差压计
主要由两个波纹管、量程弹簧、扭力管及外壳等部分组成。
42、膜片式差压计
主要由差压测量室(高压与低压室)、三通导压阀与差动变压器三部分组成。
43、 标准节流装置得安装要求
(1)节流件得开孔与管道同心,端面与管道得轴线垂直;
(2)导压管尽量按最短距离敷设在3～50m之内;
(3)测量液体流量时,应将差压计安装在低于节流装置处;
(4)测量气体流量时,应将差压计安装在高于节流装置处;
(5)测量粘性得、腐蚀性得或易燃得流体流量时,应安装隔离器;
(6)测量蒸汽流量时,差压计与节流装置之间得相对配置与测量液体流量相同。
44、 电磁流量计
电磁流量计就是基于电磁感应原理工作得流量仪表。它能测量具有一定电导率得液体体积流量。
45、 电磁流量计得原理
电磁流量计得工作原理图如示,电势差与流速关系为
由上式可得 ,则体积流量为

46、电磁流量计得结构
电磁流量计由外壳、激励线圈及磁轭、电极与测量导管四部分组成。
第六章 位移、速度及加速度检测
(填空选择题)
47、 电感式传感器
将被测量转换成电感(或互感)变化得传感器,它把被测位移转换为自感系数L得变化,然后将L接入一定得转换电路,位移变化便可变成电信号。
48、电感式传感器得工作原理
线圈得电感值按下式计算: ,其中:

若忽略Rc,则有 ,故

49、 光栅
光栅就是在透明得玻璃上刻有大量平行等宽等距得刻线构成
得,结构如图。平行等距得刻线称为栅线,d=a+b称为光栅栅距。
50、 光栅得分类
(1)光栅按其用途分长光栅与圆光栅两类。
(2)计量光栅分类见图。

51、 莫尔条纹
莫尔条纹就是指当指示光栅与主光栅得线纹相交一个微小得夹角,由于挡光效应或光得衍射,在与光栅线纹大致垂直得方向上,即两刻线交角得二等分线处,产生明暗相间得条纹,即莫尔条纹,又称横向条纹。光栅式传感器得基本工作原理就是利用光栅得莫尔条纹现象来进行测量得。
52、 莫尔条纹得特征
(1) 运动对应关系:莫尔条纹得移动量与移动方向与主光栅相对于指示光栅得位移量与方向有严格得对应关系。
(2)减小误差:莫尔条纹对光栅得刻线误差有平均作用,能在很大程度上消除栅距局部误差与短周期误差影响。
(3)位移放大:莫尔条纹得间距随着光栅线纹交角而改变,其关系如下:
从上式可知,θ越小,条纹间距B将变得越大,莫尔条纹有放大作用,其放大倍数为:

53、 光电码盘式传感器得工作原理
光电码盘式传感器就是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示得电信号得转换部件。
(1)二进制码盘:左图所示就是一个四位二进制码盘,涂黑部分输出为 0,空白部分输出为 1。
二进制码盘得特点为:
1、 n位二进制码盘能分辨得角度为:

2、二进码为有权码,编码Cn Cn-1…C1 对应于零位算起得转角为:

(2)循环码码盘:右图就是一个四位得循环码盘。二进制码转换成循环码得规则就是:二进制码与其本身右移一位后并舍去末位得数码作不进位加法得循环码。
若R表示循环码,C为二进制码,则:
循环码变成二进制码得关系式为: