现代检测技术及应用习题和思考题答案.docx
- 文档编号:6444796
- 上传时间:2023-01-06
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:230.43KB
现代检测技术及应用习题和思考题答案.docx
《现代检测技术及应用习题和思考题答案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《现代检测技术及应用习题和思考题答案.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
现代检测技术及应用习题和思考题答案
习题和思考题参考答案
第一章
1.试举例说明某种检测仪器在过去一百年里的变迁以及未来的发展趋势。
2.举例说明现代检测技术在某个行业的应用。
3.检测技术和基础科学创新具有什么关系?
试举一例说明两者之间的依赖关系。
4.检测系统由哪几个部分组成?
各部分的功能是什么?
答:
检测系统由传感器、信号采集处理电路、显示/输出单元组成。
传感器把被测量转化成模拟或数字电信号。
信号采集处理电路对传感器输出信号进行处理,如果是模拟信号则通过信号调理电路进行滤波、转换、放大然后通过模数转换器件转换成数字信号,如果是数字信号则可以直接读入寄存器或微处理器,然后在微处理器里进行数字信号处理。
显示/输出单元用以显示或输出检测系统的测量结果。
5.自动化系统里一定包含检测装置吗?
检测装置对自动化系统具有什么作用?
答:
自动化系统不一定包含检测装置,比如一些开环控制系统,定时控制系统就不需要检测装置。
检测装置一般用来直接或间接检测自动控制系统的输出量,然后反馈给控制器对受控量进行调整。
6.智能化系统里是否一定包含检测装置?
检测装置的作用是什么?
答:
智能化系统都包含了检测装置,因为智能化控制需要根据检测装置的反馈才能进行智能控制。
检测装置用来感知被控对象或所处环境的各种变量,控制器根据这些变量的大小对物理对象进行智能控制。
7.现代检测技术具有哪些发展趋势?
答:
集成化、智能化、网络化、拓展并创新面向极端环境/极限测量任务的新型检测技术和方法。
第二章
1.检测系统的静态特性指标有哪些?
答:
检测系统的静态特性指标主要有量程、灵敏度、线性度、迟滞误差、重复误差、精度等级等。
2.什么是不失真测量?
不失真测量对检测系统的频率特性有什么要求?
答:
不失真测量是指检测系统的输出信号与输入信号波形一致,虽有时间上的延迟但没有任何波形差异。
要做到不失真测量,在输入信号的频率范围内,检测系统的幅频特性应该为常数,相频特性为一条直线。
3.有一压力传感器,测量压力范围为0~100kPa,输出电压范围为0~1000mV,实测某压力值,传感器输出电压为512mV,标准传感器的输出电压为510mV。
假设此点测量误差最大。
(1)非线性误差。
(2)若重复10次测量,最大误差为3mV,求重复性误差。
(3)若正反行程各10次测量,正反行程间最大误差为4mV,求迟滞误差。
(4)设传感器为线性传感器,求灵敏度。
答:
(1)非线性误差=(512-510)/1000=0.2%;
(2)0.3%
(3)0.4%
(4)k=1000/100=10mV/kPa
4.简述检测系统的动态特性含义、描述方法及标定方法。
答:
传感器或检测系统的动态特性是指其对动态变化的输入信号的响应能力,可以通过检测系统的输入输出微分方程、检测系统的输入输出传递函数、或者频率响应函数来描述。
检测系统的动态特性可以通过阶跃信号的时域响应输出曲线分析获得,也可以通过频域实验得到不同频率正弦输入下的幅频特性(Bode图)进行分析获得。
5.某压力传感器的校验数据如下表所示,试求其最小二乘线性度,并计算迟滞和重复性误差。
答:
最小二乘拟合直线方程是:
y=0.000967x-2.561,x的单位是帕斯卡,y的单位是mV.非线性误差(线性度)是0.06%,迟滞误差是0.14%,重复性误差是0.22%。
6.已知一个二阶检测系统的固有频率为1kHz,阻尼比为0.5,用它来测量频率为500Hz的振动,幅度测量误差至少是多少?
用它来测量800Hz的振动,幅度测量误差又是多少?
答:
二阶系统的幅频特性为
已知0=1000Hz,=0.5,当测量信号为500Hz时,幅频放大倍数为1.109k,幅度测量误差为10.9%
当测量信号是800Hz时,幅频放大倍数是1.139,幅度误差为13.9%
7.某检测系统的动态特性可以用下述一阶微分方程表示:
其中x为输入,单位是℃,y是输出电压,单位是mV,求该检测系统的时间常数和灵敏度。
答:
时间常数为10s,灵敏度是0.05mV/℃。
(必须有单位)
8.简述检测系统静态标定的环境要求与步骤。
答:
在静态标准条件下(静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)及环境温度一般为室温(20±5)℃.相对湿度不大于85%。
大气压力为(101±7)kPa的情况)。
根据标准器的情况,将传感器或检测仪器全量程分成若干等间距点;
①然后逐渐增加输入值,记录下被标定传感器与标准器相对应的输出值;
②将输入值顺序减小,记录下反向行程对应的输出值;
③按
(2)、(3)所述过程,对传感器进行循环多次测试,将数据用表格列出或作出曲线;
④对数据进行处理,确定被标定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等指标。
9.什么是检测系统的通频带?
通频带和工作频带有区别吗?
答:
检测系统通频带一般指从零频到增益衰减3dB截止频率之间的频率范围。
工作频带则指从零频到增益误差不超过系统规定误差的工作频率范围,工作频带一般小于通频带。
第三章
1.根据误差性质和特点,检测系统的误差分为哪几类?
各有什么特点?
答:
根据误差性质,可以分为系统误差、随机误差和粗大误差。
系统误差:
误差大小和误差符号按照一定规律变化。
随机误差:
误差大小和符号不按规律变化。
粗大误差:
误差绝对值很大,超过正常误差范围,一般由系统或人工故障引起。
2.测量某电路电流共5次,测得数据(单位为mA)分别为168.41,168.54,168.59,168.40,168.50,试求算术平均值和标准差。
答:
Ia=(168.41+168.54+168.59+168.40+168.50)/5=168.49
σ=sqrt((0.08^2+0.05^2+0.1^2+0.09^2+0.1^2)/4)=0.082
3.测量某物质中铁的含量为:
1.52,1.46,1.61,1.54,1.55,1.49,1.68,1.46,1.83,1.50,1.56,试用3sigma准则检查测量值中是否有坏值。
答案:
σ=0.109,残差都小于3sigma.
没有坏值.
4.对某恒温箱的箱内温度进行检测,测得数据为20.06,20.07,20.06,20.08,20.10,20.12,20.14,20.18,20.18,20.21,请判断这组检测数据中是否存在系统误差。
答案:
平均值是20.12,残差如下:
-0.06,-0.05,-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.06,0.06,0.09
可以算出标准差是0.0552
马利科夫准则计算D=-0.23-0.23=-0.46,判断测量数据有线性系统误差;
阿贝准则计算相邻残差乘积的和得A=0.003+0.003+0.0024+0.0008+0+0+0.0012+0.0036+0.0054=0.0194
A大于3倍标准差平方(0.009),所以判断测量数据存在周期性系统误差。
5.对某电阻作等精度测量,已知测得的一系列数据Ri服从正态分布,1)若标准差为1.5,求被测电阻的真值落在区间
的概率是多少?
2)如果被测电阻的真值R0=510,标准差为2.4,按照95%的可能性估计测量值分布区间。
答:
1)覆盖因子(分布因子)=2.8/1.5=1.86,查正态分布表可知此区间内累积概率是93.7%;
2)根据正态分布概率分布表可知当覆盖因子为1.96时,置信概率是95%,对应的半区间宽=1.96*2.4=4.704,近似4.7,所以测量值有95%的概率分布在[510-4.7,510+4.7]或[505.3,514.7]区间内.
6.在等精度测量条件下,对某电阻进行了10次测量,测量结果如下(单位为Ω):
905,908,914,918,910,908,906,905,913,911。
若以算术平均值作为该电阻的估计值,求该被测电阻的估计值及该估计值的A类标准不确定度。
答:
算术平均值为909.8,标准差=4.26,平均值的标准差=4.26/√10=1.34,
所以估计值为909.8,其A类标准不确定度是1.34。
7.测量不确定度表示方法有哪几种?
A类标准不确定度是如何确定的?
答:
标准不确定度(分为A类和B类),扩展不确定度。
A类标准不确定度根据被测量在同等条件下的多次测量结果计算得到。
第四章
1.什么是直流电桥?
按照电桥桥臂的组成不同,直流电桥可以分为哪几种?
请写出直流全桥的不平衡输出电压表达式。
答:
把四个电阻相连,其中的两个端点连接到直流电源,另两个端点连到电流计或电压计作为输出,这么构成的桥式电路称为直流电桥,也称惠斯顿电桥。
直流电桥可以用来检测电阻型传感器的阻值变化。
根据桥臂上的传感器电阻数目,可以分为单臂电桥(1个传感器),双臂电桥(2个传感器)和全臂电桥(四个传感器)。
全臂电桥输出电压
如果电桥的桥臂采用相同的应变传感器,R1=R2=R4=R3,各应变传感器的阻值变化大小也相同都等于△R1,则全臂电桥的输出电压:
U0=(△R1/R1)*U
2.将100Ω电阻应变片贴在弹性试件上,试件受力面积为0.5cm2,弹性模量E=0.2x10^12N/m2,若F=0.5x10^5N的拉力使应变电阻的阻值变化1Ω,求该应变片的灵敏度。
答:
ε=(0.5*105)/(0.5*10-4*0.2*1012)=5*10-3,△R=1,R=100Ω,
因为,△R/R=kε,所以可求出k=2
3.拟在一个等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片,并组成差动全桥电路,请问四个应变片应如何粘贴?
试画出相应的电桥电路图,并说明如何克服温度误差。
答:
在悬臂梁的上下两受力面对应位置上各贴两个电阻应变片,如图所示,R1,R4粘贴在上平面,R2和R3粘贴于下平面。
处于相同受力面的电阻应变片具有相同的极性,而上平面和下平面的应变片应变方向相反,具有相反的极性。
四个应变片如下图所示连接一起,R1和R4相对,R2和R3相对,组成差动全桥电路。
采用差动全桥,可以减小甚至消除应变片的温度误差。
假设温度改变引起应变片阻值变化为Rt,如果四个应变片规格相同且处于相同温度,则电桥仍处于平衡状态,不会产生温度误差。
4.工业上用铂热电阻测温时,为何采用三线制甚至四线制来测温?
试画一个三线制热电阻的桥式检测电路。
答:
采用三线制或四线制热电阻测温,可以减小热电阻导线电阻的影响,提高测量精度。
5.用三线制热电阻Pt100测温,已知Pt100在0℃时的标称阻值R0是100Ω,电阻随温度变化公式为RT=R0(1+T),其中电阻温度系数为0.004//℃,T是相对于0℃的温度变化。
假设检测对象的温度变化范围为-20℃~150℃,电桥供电电压为5V,请选择合适的桥臂电阻值,并保证在检测温度变化范围内,电桥电路的非线性误差小于量值的1%。
答:
三线制热电阻作为电桥的一臂,两根引线分别连到相邻桥臂的电阻接线端,另一个引线可连到电源供电端,如下图所示。
在上图所示电路中,R0可以取100Ω,在0℃时电桥输出电压为0.另两个桥臂电阻取相同阻值R,假设桥臂电阻比R/R0=k,则该单臂电桥检测电路输出电压可表示为
U0=Rt/(kR0+Rt)-R0/(kR0+R0)=R0(1+T)/(kR0+R0(1+T))-1/(k+1)
=(1+T)/(k+1+T)-1/(k+1)=kT/(k+1+T)(k+1)
忽略分母中的T项,得到输出与温度之间的线性关系式
U0=kT/(k+1)2,因此非线性相对误差为αT/(k+1),
已知α=0.004,T的最大值为150,要使非线性相对误差小于1%,必须
k>59,即桥臂电阻R大于5900Ω,所以R可选5.9KΩ或稍大一点。
6.金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别?
各有何优缺点?
答:
金属电阻应变片的电阻变化主要是由金属在应力作用下的形变产生的;半导体应变片的阻值变化除了受形变影响外,还和半导体在压力作用下的电导率变化有关,所以半导体应变片的灵敏度更高。
金属应变片的灵敏度不如半导体应变片,但线性度较好,不易受温度影响,性能比较稳定;半导体应变片的灵敏度高,但温度效应比较大,线性度比较差。
7.比较差动式自感传感器与差动变压器在结构和工作原理上的异同。
答;不同点:
差动式自感传感器利用一组自感传感器在被测量作用下其自感系数发生差动变化(变化的大小相等但方向相反)来进行物理量检测,相比于普通自感传感器,差动式自感传感器灵敏度可以提高一倍,而且线性度更好。
差动变压器则是利用线圈之间的互感进行物理量检测,两组变压器的磁路在被测量的作用下发生变化导致线圈的互感系数发生变化,一个互感增大,另一个互感减小,构成差动变压器。
相同点:
都有铁芯和线圈,都是基于电磁感应定律。
8.差动变压器的零点残余电压是如何产生的?
可以采取哪些措施来减小或消除零点残余电压?
答:
当输入为零时,差动变压器的实际输出电压不为零,该电压称为零点残余电压,简称零残电压。
零残电压主要是由传感器的两个次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称,以及磁性材料的非线性等引起的。
消除零残电压一方面是改进生产工艺,提高绕组的材料均匀度和结构对称性,另一方面是利用补偿电路,补偿方法可以采取在输出回路中串联电阻、并联电阻、或并联电容等方法。
9.电容式传感器有哪几类?
各具有什么特点?
答:
电容式传感器分为变面积型、变极距型和变介电常数型。
根据灵敏度公式k=DC/Dx,推导下述表达式,推导合理即可。
变面积式灵敏度:
变极距式的灵敏度:
变介电常数电容式位移传感器灵敏度:
k=DC/Dx=C0(ε-1)/L0
10.一变面积式平板线位移电容传感器,两极板覆盖的宽度为4mm,两极板的间距为0.3mm,极板见的介质为空气,试求其静态灵敏度。
若极板相对移动2mm,求电容变化量。
答:
k=C/x=εb/d=8.85*10-12*4/0.3=1.18*10-10
C=k*x=1.18*10-10*0.002=2.36*10-13F=0.236pF
11.某电容式液位传感器由两个同心圆柱体组成,内圆柱的直径为8mm,外圆柱的直径为40mm。
液位传感器安装在一圆柱形储存罐内,储存罐直径为50cm,高1.2m。
已知储存液体的相对介电常数为2。
计算传感器的最小电容、最大电容,以及液位灵敏度。
解:
双圆柱型电容器的电容可以表示为
当液位为零时,传感器具有最小电容,当液位达到最高时,传感器具有最大电容,所以
液位的灵敏度为
第五章
1.已知K型标准热电偶(镍铬—镍硅)分度表如下,测量某加热炉温度,已知冷端端温度为25℃,测得的热电势是42.5mV,求被测温度的实际值。
答:
E(T,0)=42.5+0.91=43.41mV,查分度表发现对应温度在1050~1060℃之间,利用线性插值法可求得被测温度为1058℃。
2.简述压电式加速度传感器的工作原理。
答:
压电式加速度传感器一般由质量体,贴在质量体上的压电片,弹簧和基座组成。
当结构体存在一个加速度时,根据牛顿第二运动定律,质量体必然受到相应的作用力F=ma,质量体上的压电晶体因此产生一定的压电电荷,压电电荷量和F的大小成正比,压电电荷通过电荷放大电路转换成电压输出,输出电压与力或者加速度成线性关系。
3.简述压电式传感器前置放大级的作用,并说明选择何种放大电路最合适?
答:
压电式传感器的前置放大电路把传感器产生的与压力成正比的电荷信号转换为电压输出,同时还可以改变传感器的输出阻抗,提高传感器的负载能力。
压电传感器的前置放大电路一般采用电荷放大器,通过反馈回路上的电容把传感器的输出电荷转换为电压信号。
放大器的增益与反馈电容Cf成反比。
4.磁电式传感器的共同特点是什么?
动圈式磁电传感器和磁阻式磁电传感器的区别在哪里?
答:
磁电式传感器把被测物理量的变化转化为线圈内磁通的变化,利用电磁感应定律在线圈输出相应的感应电动势。
磁场不变,利用线圈运动切割磁力线产生磁通变化的磁电传感器称为动圈式磁电传感器。
通过改变磁力线回路的磁阻产生磁通变化的磁电式传感器称为磁阻式磁电传感器。
5.用霍尔转速传感器测量转轴的转速,若传感器一周磁极数为10,且5秒内测得计数值为100个,求转轴的转速。
答:
f=100/5=20,转速=60*20/10=120rpm.
6.用压电式加速度传感器和电荷放大器测量某种机器的振动,已知传感器的灵敏度为100pC/g,电荷放大器的反馈电容Cf=0.01pF,测得输出电压峰值为Uom=0.4V,振动频率为100Hz.
1)求机器振动的加速度最大值am;
2)假定振动为正弦波,求振动的速度v(t);
3)求振动幅度的最大值xm.
答:
已知Cf=0.01pF,U=0.4sin(200πt),电荷放大器的输出电压U=Q/Cf,
传感器的输出电荷Q与加速度成正比,即Q=k*a,k=100pC/g=100pC/g,
所以:
U=k*a/Cf,a=U*Cf/k=0.4gsin(200πt)*0.01/100
=0.00004gsin(200πt)
(1)加速度最大值为0.00004g,或者0.000392m/s2.
(2)速度是加速度的积分,v=6.24*10^-7*cos(200πt)m/s
(3)振动幅度是速度的积分,x=9.9*10^-10*sin(200πt),xm=9.9*10-10m.
7.光敏三极管在强光照时的光电流为2.5mA,现欲设计一个常开型(NO)光电开关,要求在强光照射时继电器吸合,开关合上.选用的继电器吸合电流为40mA,直流电阻为250Ω。
请设计该光电开关的电路图。
答:
继电器吸合电流为40mA,直流电阻为250Ω,所以继电器导通时压降压为10V,可以选用12V直流电压供电,光敏三极管在光照时,产生光电流,光电流大于等于2.5mA时,三极管导通,继电器闭合,设计电路如下图所示。
第六章
1.检测系统的信号调理电路一般包括哪些部分,各有什么功能?
答:
信号调理电路一般包括前端放大电路、滤波电路、信号转换电路等。
2.三运放仪器放大电路适合什么样的传感器输出信号?
试推导三运放仪器放大电路的输出电压表达式。
答:
仪器放大器,也称测量放大器,是一种能同时提供高输入阻抗和高CMRR的差动放大器,具有失调电压及失调电流小、低漂移、低输出阻抗等优点,适合用作精度要求比较高的测量仪器的传感器前端放大电路。
仪器放大器可以用三个普通的运算放大器搭建成,如下图所示,放大电路的第一级是两个对称的同相放大器对差模信号进行放大,其输出分别接到第三个运算放大器的正相、反相输入端组成减法电路。
运放1的输出为:
运放2的输出为:
运放3的输出U0为:
3.隔离放大器具有什么特点?
变压器式隔离放大器的结构是怎样的?
答:
隔离放大器是一种能在输入端与输出端之间提供电阻隔离的放大器,必须具有低泄漏和高介电击穿电压特点,或者说具有高电阻和小电容特性。
变压器式隔离放大器一般利用调制器把输入信号转换成交流信号,然后通过变压器把信号耦合到解调端放大输出,一般由浮置电源、输入调制放大器、变压器、输出解调放大器构成。
4.滤波器的作用是什么?
答:
信号调理电路的滤波器用来减少或去除信号中的直流和交流噪声,提高信噪比。
5.开关电容滤波器具有什么优点?
答:
集成度高、精度高、截止频率可调等优点.
6.下图中的RT是一负温度系数热敏电阻,已知其25℃时的阻值为10000Ω,0℃时的阻值时29490Ω,50℃时的阻值为3893Ω.试设计电路使得输出电压在0℃时为0V,50℃时为0.5V,且当Vc=-15V和Vr=5V时,流经热敏电阻的电流小于0.5mA。
答:
电阻电桥输出的不平衡电压通过运算放大器放大输出,把运放看成理想运放,对电路进行变换后可以得到输出电压V0的表达式:
根据所给条件输出电压在0℃时为0V,50℃时为0.5V,流经热敏电阻的电流小于0.5mA,可得到2个等式和1个不等式。
因为有7个电阻器可选,我们设定R1=10KΩ,这样流经热敏电阻的电流必然小于0.5mA,另外假设电桥的桥臂电阻相同R2=R5,R1=R6,R7=RT(T=0℃)=29490Ω,若R2=50kΩ,则R3=13kΩ.R4应与运放反相端输入电阻匹配,R4=R3//[(R5+R6//R7)/2]=8.7kΩ。
7.下图是一应变电桥的调节电路,电桥由4个同样型号的应变片构成,应变片的阻值为350Ω,灵敏系数为2.0。
图中的REF102是一个电压模块,提供恒定的10.0V电压,OA是一个理想运算放大器。
计算在允许功耗为250mW时通过每一级的最大电流。
要将电桥电流限制到25mA,计算R的阻值及额定功率。
假设应变片粘贴到E=210GPa的钢梁上,且相邻应变片方向相反,计算当负荷为50kg/cm2时,要获得0.5V输出,仪表放大器(IA)的增益G。
若仪表放大器在25℃时的失调电压为(250+900/G)uV,失调漂移为(2+20/G)uV/℃,热阻为102℃/W,供电电流为8.5mA,计算当G=1000和环境温度为30℃时的误差(kg/cm2)。
解:
由图,电桥供电电压为10V,应变片最大功耗为250mW,因此
REF102的接线端子间电压维持10V,所以向电桥提供的电流为
因此要求R=400Ω,每个电阻器耗散的功率为
所以应使用1/4W的电阻。
四个应变片连成全桥形式,电桥输出电压为
根据要求放大后的电压为0.5V,所以放大器的增益为
仪表放大器的失调电压取决于内部温度,内部温度为
所以,实际失调电压为
引起的误差为
第七章
1.增量式光电码盘和绝对式光电码盘的区别是什么?
它们各有什么优缺点?
答:
增量式光电码盘输出的是角度位移,绝对式光电码盘输出的是角度绝对位置。
前者结构简单,价格低,但容易有累积误差,后者结构复杂,价格高,但是位置精度高。
2.二进制格雷码与二进制自然码相比有什么优点?
答:
二进制格雷码抗干扰性能好于自然码。
3.什么是莫尔条纹?
答:
参考书中描述。
4.光栅式角度编码器的特点是什么?
答:
参考书中内容。
5.简述感应同步器的工作原理。
答:
参考书中内容。
6.半导体集成温度传感器的测温原理是什么?
7.简述电容式半导体集成加速度传感器的敏感原理。
答:
参考书中内容。
第八章
1.什么是黑体?
什么是灰体?
辐射测温时常提到的物体黑度系数有什么意义?
答:
根据物体对辐射能量的吸收情况,物体被分为黑体,灰体,白体等。
如果物体对照射到物体上的辐射能全部吸收,则被称为黑体。
如果物体对辐射能有吸收,有反射,但没有透射,则称为灰体。
大部分固体工程应用材料都可以看成灰体。
物体的黑度系数是根据某个波长范围内物体的辐射出射度与黑体的辐射出射度之比来定义,它反映了物体对辐射能的吸收能力,可以用来校正用辐射测温仪测灰体温度时得到的辐射温度以及亮度温度。
2.已知人体的温度T=36.5℃(假定人体的皮肤是黑体),试根据维恩位移定律分析人体的辐射特性.
答:
根据维恩位移定律,人体热辐射的峰值波长为2898/(36.5+273.15)=9.4um。
3.什么是亮度温度?
什么是比色温度?
这些温度和物体的真实温度有区别吗?
答:
利用辐射温度计测得的物体温度称为辐射温度。
辐射温度
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 现代 检测 技术 应用 习题 思考题 答案