检测与转换技术(复习题).doc

《检测与转换技术》复习思考题
一、误差理论：
1、 仪表精度的指标有哪些？
检测装置的精度包括精密度、准确度和精确度三个内容。
1．精密度
在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度即分散程度，它反映了随机误差的大小。
2．准确度
它表承测量仪器指示值对真值的偏离程度，它反映了系统误差的大小。
3．精确度
它是精密度和准确度的综合反映，它反映了系统综合误差的大小，并且常用测量误差的相对值表示。

2、 什么叫随机误差，它与哪个精度指标有关？随机误差的概率分布是什么分布？这种分布具有什么特性？
随机误差:
在相同条件下多次测量同一量时误差的大小和符号均按不可确定方式变化，没有确定的变化规律，但随即误差在多次测量的总体上符合统计规律，因此可以通过统计学的方法来研究这些误差并估计其影响。
随机误差与精密度有关。
随机误差在实践中最常见的误差分布是正态分布。
正态分布随机误差有如下性质：
11）  对称性：正负误差出现的机会相同
22）  单峰性：误差为0出现机会最多
33）  有界性：随机误差绝对值不会超过一定限度
44）  抵偿性：相同条件下，测量次数n→∞，正负误差出现的机会相同，误差代数和为0

3、 测量过程的要素有哪些？
测量过程有三要素
1、测量单位 2、测量方法 3、测量仪器

4、 简述传感器的静态特性性能指标及其各自的意义？
静态指标：被测量稳定，变化缓慢（灵敏度，线性度，重复性）
灵敏度：是指传感器在稳态下输出变化与输入变化之比，用K表示。即K=dy/dx≈Δy/Δx
式中 x—输入量 y—输出量。
线性度：又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合曲线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程范围内的输出之百分比，它可用下式表示，且多取其正直
γL=ΔLmax/(ymax-ymin) ×100%
式中ΔLmax—最大非线性误差 ymax-ymin—输出范围
重复性概率正态分布
（以下是课本的，以上面课件的三个为重）
分辨率：是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是具有量纲的数。
迟滞误差：又称为回差或变差，是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。可用下式表示：
γH=ΔHmax/(ymax-ymin) ×100%
式中ΔHmax—最大迟滞偏差 ymax-ymin—输出范围
稳定性：包含稳定度和环境影响量两个方面。
电磁兼容性：是指电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常工作的能力，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超过允许范围的电磁干扰。
可靠性：是反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。
5、对某液体测量温度11次。测量序号与测量数据如下表所示：
测量序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
测量数据
31.08
31.13
30.98
30.07
30.93
30.68
30.62
30.93
31.00
31.10
31.11
设在测量前已消除了系统误差。试判断在该测量列中是否会有粗大误差。并写出测量结果的正确表达式。
（见书本例题1—3）P15

二、电阻传感器：
1、什么叫应变电阻效应？什么叫热电阻效应？
当电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值也相应发生变化，这一物理现象就是应变电阻效应。
几乎所有物质的电阻率都随其本身温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。
2、电阻丝式应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？灵敏系数有何不同？
电阻丝式应变片的工作原理是应变电阻效应，而半导体应变片的工作原理是压阻效应。
（对半导体来说：当某一轴向施加一定应力，电阻率发生变化称为压阻效应，不同类半导体，不同加力方向，压阻效应不一样。）
电阻丝式应变片的灵敏度低，而半导体应变片的灵敏度高。
3、为什么在动态电阻应变仪上除了设有电阻平衡旋钮外，还设有电容平衡旋钮？
答：动态电阻应变仪采用高频交流电给电桥供电，电桥工作在交流状态，电桥的平衡条件为
Z1Z3=Z2Z4或|Z1||Z3|=|Z2||Z4|，j1j3=j2j4 由于导线分布、各种寄生电容、电感等的存在，光有电阻平衡是不能实现阻抗模和阻抗角同时达到平衡，只有使用电阻、电容两套平衡装置反复调节才能实现电桥阻抗模和阻抗角同时达到平衡。

4、试绘出热电阻传感器的三线制测量线路图，并简要说明各元件的作用。

R2、R3、R4为猛铜精密电阻，它们的电阻温度系数十分小，因此可以认为是固定电阻。
Rt为热电阻，被安装在测温点上。
由于元件的误差等原因，电桥仍存在微小的不平衡，因此必须在电桥中加入Rw调零电位器。
5、
1、以阻值R=120Ω、灵敏度K=2的电阻丝应变片与限值为120Ω的固定电阻组成电桥．拱桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2με和2000με时，分别求出单臂、双臂电侨的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。

注：在应变测量中常用微应变με表示，它是无量纲的量。
对比单臂电桥和双臂电桥的计算结果可知，双臂电桥的灵敏度是单臂电桥的两倍。
2、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各粘贴一片电阻 120 Ω的金属阻应变片，如图所示，把这两片应变片接入差动电桥，已知钢的泊松比μ=0.285，应变片的灵敏系数k0=2，电桥电源电压3V
当试件受轴向拉伸时，测得应变片若R1的电阻变化值ΔR1＝0．48 Ω，试求电桥的输出电压。

三、电容传感器：
1、 在电容传感器中加入云母片是起什么作用？
增大灵敏度和提高耐压
2、电容传感器的特点和关键问题是什么？
电容传感器的优缺点：

优点：
1、需要的动作能量低
2、可获得较大的相对变化量
3、能在恶劣的环境条件下工作
4、本身发热影响小
5、动态响应快
缺点：
1、输出特性为非线性
2、泄漏电容影响较大

影响电容传感器应用的关键问题在于：如何消减泄漏电容给测量带来的影响。传感器的电容量及其变化量一般是小于泄漏电容量，泄漏电容是由支持构件及连接电缆所引起的。这些泄漏电容不仅降低了转换效率，还将引起误差。将处理信号的电子线路安装在非常靠近极板的地方可削弱泄漏电容的影响。

2、 简述下图所示电路工作原理，分别绘出当C1=C2及C1反向串联，因此铁心位于中央时，输出应为0，但实际上输出电压并不为0，而是零点残余电压。
原因： 1、两次级线圈不对称
2、铁磁材料磁饱和（引起输出电压有高次谐波）
3、励磁电压波形中含高次谐波

措施： 1、提高对称性
2、相敏整流电路
3、采用补偿电路（图）

3、简要说明自感传感器带相敏整流的交流电桥电路的工作原理？(上图为带相敏整流的交流电桥
电路原理图)

3、 涡流传感器主要分为哪几类？
答：按照电涡流在导体内的贯穿情况，涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式

五、温度传感器
1、、何谓热电效应？回路中热电势恒等于零的充分必要条件有哪些？热电效应所产生的热电势由哪几类电势构成？其大小和极性与什么有关？
答：
（一）不同性质的两导体A,B组成如图所示闭合回路，两结点分别处于不同温度，回路中会产生热电势，这种现象称作热电效应。两导体的组合称为热电偶。
（二）回路中热电势恒等于零的充分必要条件有:
1)热电偶两电极材料相同
2)热电偶两结点温度相同
（三）热电偶产生的热电势由两种电势组成：温差电势、接触电势
（四）温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关。温差越大则产生的温差电势就越大。导体冷热两端温度对换，则所产生温差电势的极性相反。
接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势大小和极性与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。

2、热电偶为何要进行冷端温度补偿？补偿方法有哪几种？
答：由于工业上使用的热电偶其冷端温度通常并不是0℃，因此测量得到的热电势如不经过修正就输出显示，则会带来测量误差。测量得到的热电势必须通过修正，即冷端温度补偿，才能使被测温度与热电势的关系符合分度表中热电偶静态特性关系，以使被测温度能真实的反映到仪表上来。
补偿方法：
（一）、补偿导线（冷端延长线）
（二）、冷端温度校正法（计算修正法）
（三）、冰浴法 将冷端置于0℃的冰水中

（四）、热电偶补偿法 加装补偿热电偶，补偿热电偶材料可以与测量热电偶相同，也可以是补偿导线。
（五）、仪表机械零点调整法 一般仪表在未工作时指针指在零位（机械零点）
（六）、补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电动势来补偿因冷端温度变化而引起的热电动势变化。

3、用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，而冷端温度为65℃，若此时其仪表示值为600℃，则实际温度为665℃，对不对？为什么？
答：正确。K型热电偶，在0~1000℃范围内，校正系数K≈1，由近似计算校正公式可算得实际温度为665℃
注意：若是S型热电偶，在800~1300℃范围内，其校正系数K=0.55
六、磁电传感器
1、 磁电传感器分为哪几类，如果不外加电路，它们主要是测量速度量的传感器，如果想利用磁电传感器来测量位移和加速度可外加什么电路？
磁电传感器按结构不同分为动圈式与磁阻式
速度量经积分之后得到位移量，速度量经微分之后得到加速度量，所以实际测量中也用来测位移和加速度。

S=1，积分，测位移
S=2，比例，测速度
S=3，微分，测加速度

2、 说明课本139页的两种传感器是哪一类磁电传感器，并简述它们的工作原理
(139页是压电传感器，不知道老师用哪本书的- -) 以下是课件的两个图，也就这两种。
磁电式速度传感器工作原理

图1—动圈式
图1工作原理: 在永久磁铁产生的恒定磁场内，放置一个可动线圈，当线圈在磁场中作直线运动或旋转运动时，所产生的感应电动势e为 ：
这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度 。

图2—磁阻式
图2工作原理: 测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率(r/s)等于测量齿轮上齿轮的齿数N和转速的n(r/min)乘积。
七、光电传感器
1、 什么叫光电效应，分为几类？光敏电阻利用的是哪一类光电效应？
答：当采用光照射某一物体时，该物体就受到一连串能量为hf的光子所轰击，其内部电子获得能量并释放出来的现象，便称为光电效应。

分为：
1、外光电效应 在光照作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。
2、内光电效应 当光照射在物体上时，使物体电导率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。
光敏电阻利用的是内光电效应。

2、 光电传感器的主要特性有哪些？简述它们的含义
答：
1）伏安特性 伏安特性是指位定光通量照射下，光敏电阻的电压与光电流之间的关系。
2）光照特性 描述光电流I和光照强度之间的关系。
3）光谱特性 每种半导体材料的内光电效应对人射光的光谱都具有选择作用，即每种光敏电阻对不同波长的入射光有不同响应灵敏度，而且对应最大灵敏度的光波长也不相同。
4）响应时间和频率特性 光敏电阻的光电流跟光照之间有一个滞后时间，用时间常数来描述（即停止光照——光电流下降至63%的时间）。
5）温度特性 随着温度上升将引起光敏电阻的暗电阻和灵敏度要下降，以及特性曲线的变动，应采取措施消除这种影响。

八、霍尔传感器
1、 什么叫霍尔效应，试写出霍尔电势的数学表达式
答：在一半导体两侧面通以控制电流I，在垂直方向加以磁场B，这在半导体另两个侧面会产生一个大小与I*B成比例的电动势UH，这一现象称为霍尔效应，UH称为霍尔电动势，半导体称为霍尔元件。

2、 霍尔元件通常由什么材料构成的，为什么？
答：由于金属材料中的电子浓度n很大，所以灵敏度KH非常小。而半导体材料中的电子浓度较小，所以灵敏度比较高。因此霍尔元件通常由半导体材料构成的。

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