03106《检测与转换技术》常健生石要武.docx

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1、03106检测与转换技术常健生石要武第一章 检测与转换技术的理论基础 11试把误差按表示方法、按出现的规律、按来源和按使用条件分类。 解： 误差按表示方法可分为：绝对误差、相对误差、容许误差。 误差按出现的规律可分为：系统误差、随机误差、粗大误差。 误差按来源可分为：工具误差、方法误差。 误差按使用条件可分为：基本误差、附加误差。 12正态分布的随机误差有何特点？ 解：正态分布随机误差除具有对称性、抵偿性、单峰性及有界性等特点外，还应注意以下几点： 标准误差s越小，精密度指数h越大，正态分布曲线越陡，则小误差的概率密度越大；相对于大误差而言，小误差出现的概率也越大，这意味着测量值越集中，测量精

2、密度越高。 取df(d)/dd=0，可得峰值点的坐标为： d=0(xi=x0);f(0)=fmax(d)=1 s2p取d2f(d)/dd2=0可得到正太分布曲线上拐点的坐标fR为： d=s;fg(d)=f(s)=+1 s2pe p-,+=-f(d)dd=1，说明随机误差在(-,+)区间取值的概率为1。 13测得某物质中铁的含量为： 1. 52，1. 46，161，154，1. 551.49，1.681. 461.83，1.501.56单位略)。试用3s准则和格拉布斯准则检查测量列中有否坏值(取0.05)。 解：作变换，令yi=xi-1.50，并列表计算如下： 题13表 i 1 2 3 4 5

3、6 7 8 9 10 11 计算 计算 0.37 y 1.52 1.46 1.61 1.54 1.55 1.49 1.68 1.46 1.83 1.50 1.56 0.70 0.064 0.0559 0.02 0.04 0.11 0.04 0.05 0.01 0.18 0.04 0.33 0.00 0.06 0.0004 0.0016 0.0121 0.0016 0.0025 0.0001 0.0324 0.0016 0.1089 0.0000 0.0036 0.1648 0.044 0.104 0.046 0.024 0.014 0.074 0.116 0.104 0.266 0.064 0

4、.004 0.2547 0 xi yi=xi-1.50 yi2 vi 0.12 0.29 0.38 0.12 0.65 0.13 0.08 0.22 0.12 0.23 y 0.037 按照3s准则计算： 21n21n=据公式syi-yi得标准偏差： n-1ni=1i=1s1=n2ny-1yi=1ini=1in-1()2=20.1648-111(0.70)0.108 11-11=0.324，没有一个值首先按照拉依达准则判别。其鉴别值为3s1，即： 的残余误差超过3s1=0.324 vi=yi-y=yi-0.0640.241。 故知，v9为粗差，第9个测量值为坏值，应予舍弃。舍弃后应进一步进行检

5、查计算 0.0559-1(0.37)2102=s0.21 92=0.63无一坏值。按拉依达准则复查: 按拉依达准则：s2=2.180.21=0.459。检g(n,a)=2.18(n=10,a=0.05)，故鉴别值为g(n,a)s查各个测量值，所有残余误差均小于鉴别值，即vi=yi-y1(wc)的情况下电容器C上的电压瞬时值为： mC=1eNBSB(t)dt= CR2R2C即电容电压与样品材料内的磁感应强度瞬时值成正比。 为了B(t)及H(t)值，必须对示波器进行分度。其中一种是将示波器按电压单位分度。为此可在示波器输入端送人己知电压并计算比例系数： mH=22UH22UB;mB= nHnB式中

6、，UH、UB为加在示波器x轴和y轴上电压的有效值；nH、nB为x和y轴上光带的长度，它们分别同施加的两个电压UH和UB相对应。 磁场强度及磁感应强度可按下式计算： H(t)=MHaH;B(t)=MBaB 式中，aH、aB为电子束在示波器x轴，y轴方向的偏移量；y抽的比例系数。 MH=mHN(R1pD)、MB=mBR2C(NBS)为示波器x轴，第三章 传感器的特性 31电量传感器能否组成D型结构的传感器?为什么？ 解：不能。将两个传感器构造成一个测量正增益变化，一个测量负增益变化，它们的输出经差动电路处理后再输出,这就是D型结构的传感器，也称为差动型传感器。电量型传感器无法构造负增益变化，所以不

7、能。 32温度x对黄铜延伸y有一定影响。试验结果为： 要求依此为据求最小二乘法线性度的拟合直线方程。 解：设，所得的直线方程为： y=b+kx 则根据最小二乘法： Di2=2(yi-kxi-b)(-xi)=0 kDi2=2(yi-kxi-b)(-1)=0 b得出： k=nxiyi-xiyinx-(xi)2i2iii2xy-xxyb=nx-(x)i2i2ii求得： k=5.885710-4 b=0.2463 则线性方程为： y=0.2463+5.885710-4x 第四章 电能量传感器 41试用热电偶基本原理证明热电偶回路的几点结论。 解：结论： kTNAkTNA证明：由式EAB(T,T0)=T

8、lndt可得EAB(T,T0)=Tlndt e0NBe0NB当组成热电偶回路导体相同时，NA和NB相等，即自由电子密度相同。此时lnNA=0。则EAB(T,T0)=NBkTNAlndt=0，即热电偶回eT0NB路内的总的热电动势为0。 结论： 证明：由式EAB(T,T0)=TkTNAkTNAlndtET,T=lndt 得 ()AB0eT0NBeT0NB当T=T0时，lnT0kTNNAdt=0，则EAB(T,T0)=lnAdt=0，即热电偶回路eT0NBNB内的总的热电动势为0。 结论： kTNAkTNA证明：由式EAB(T,T0)=Tlndt得 EAB(T,T0)=Tlndt可e0NBe0NB

9、以看出，热电偶总电动势与电子密度NA和NB及两接触点的温度T和T0有关，即热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与接触点温度有关。 结论： 证明： 题41图 EAB(t1,t2)=EAB(t1,t3)+EAB(t2,t3) EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)=EAB(t1)-EAB(t2)+EAB(t2)-EAB(t3)=EAB(t1)-EAB(t3)=EAB(t1,t3) 结论： 证明：假设第三导线结于A，电子密度为Nc，两端温度为T1，如题41图 题41图 EAB(t1,t2)=EAB(t1)+EBC(t2)+ECA(t2) =EAB(t1)+EB(t2)-EC(t2)+

10、EC(t2)-EA(t2) =EAB(t1)-EA(t2)+EB(t2)=EAB(t1)-EAB(t2) 结论： 证明： EAB(T1,T2)=EAC(T1,T2)+ECB(T1,T2) EAB(T1,T2)=EAC(T1,T2)-EBC(T1,T2) 42试绘出题42图所示的NI-A型振动传感器的结构图，并分析其结构类型。 题42图 解：永久磁铁2用铝架4固定在圆筒形的完体6里面，借助于壳体的导磁性形成一个磁路，在磁路中有两个环形气隙，在右边气隙里放置着一个支承在弹簧片1和8上的工作线圈7，而在左边一个气隙里，放置着一个作阻尼用的电磁阻尼器3。工作线圈7和阻尼器3用一心杆5连在一起。使用时，

11、把振动传感器与被测振动体紧固在一起，当振动体振动时壳体也随之振动。此时，线圈、阻尼器和心杆的整体由于惯性并不随它振动，因此它与壳体就产生相对运动，即使工作线圈7在环形气隙中运动，从而切割磁力线产生了感应电动势，电动势通过接头9接到测量电路。这个传感器测量的基本参数是振动速度，其灵敏度为604mV(cms-1)；但在测量电路中接入积分电路和微分电路后，也可以测量振动体的振幅和加速度。它可测振幅范围为0.1-1000m，可测加速度最大为5g。 43能否用压电传感器测量变化缓慢的应力信号？试说明其理由 解：不能。 原因：压电式传感器的输出信号非常微弱，必须将电信号放大才能检测出来。常用的放大器有两种

12、：电压放大器，又称阻抗变换器，主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。这种放大器的放大倍数随频率下降而下降，所以不能测量静态物理量。另一种为电荷放大器，实际上是一个具有深度电容负反馈的运算放大器，下限截止频率低于0.000003Hz，可对准静态的物理量进行有效测量。如果压力变化比较慢，可选用带电荷放大器的压电式传感器。 44试拟出带有自动温度补偿的硅光电池传感器的原理图，并加以说明。 解：硅光电池的温度特性曲线如题44图, 开路电压和短路电流随温度变化的曲线均为线性, 开路电压随温度增加下降, 短路电流带有自动温度补偿的硅光电池传感器的原理图

13、题44图 原理：热敏电阻法采用热敏电阻作为电流 -电压转换器的反馈电阻的一部分,当环境温度升高时, 硅光电池输出电流增加, 反馈电阻采用具有负温度系数的MF 系列热敏电阻,因而反馈电阻下降, 使输出电压维持恒定。输出电压与输入电流的关系为v0= - ( Rf+ RT)#IL 式中 Rf 为反馈电阻; RT 为热敏电阻; IL 为硅光电池短路电流; v0为输出电压。 热敏电阻采用NTC MF15 16或MF13 14。具体阻值可用下列方法选定: 由硅光电池生产厂家提供或实验测 得 短路 电 流 温漂 系 数, 2CR 系 列 一般 为0. 18% e , RT+ Rf 为 1M8 左右, 如选

14、RT= 20Rf, 则热敏电阻温度系数在- 4. 77% / e , MF15 16 的温度系数为- ( 3. 96% 5. 83%) / e 。如选 MF13 14, 因温度系数较小, 则可选 RT= 25Rf。由于 RT 分散性较大,最好 Rf 由可变电阻代替, 以便于调节。 第五章 电参数传感器 51试用典型环节分析题51a图所示的加速度传感器的结构。 题51a图 解： FMKC51b 简化后的模型如题51b图所示：质量块的质量 m，系数 C， 弹性体的刚度 K，被测体绝对位移x0，质量块绝对位移xm，质量块相对位移xt。 弹簧的弹性力 FK=Kxt .阻尼器阻尼力FC=Cxt 质量块的

15、惯性力d2Fxmm=ma=mdt2 当受力平衡时，有nFi=0 则有 i=1 md2xmdxdt2+Ctdt+Kxt=0 由xt=x0-xm ，可得xm=x0-xt 代入式有 md2xtdxtdtdt-Kxd2x02-Ct=mdt2 对式进行拉普拉斯变换 (ms2-Cs-K)x2t=msx0 得传递函数 H(s)=xtms2x(s)=ms2-Cs-k0阻尼 令 w0=尼比 KC传感器的固有频率； x= 相对阻m2mKxts2代入上式，有 (s)=2 2x0s-2xw0s-w0当被测物体作简谐运动时，即 x0=x0msinwt ，式中 w 为被测物体运动角频率。在正弦信号作用下，做傅里叶变换，则

16、式变换为式(4) xt(jw)2(jw)=x0(jw)2-2xw0(jw)-w02(w/w0)2ww1-+2jxw0w02 (4) (w/w0)x幅频特性为 A(w)=t(w)= 2x02w2w1-+4x2ww002x(w/w0)相频特性为 j(w)=-arctan 21-(w/w0)2w2a令xt=M2x0=M2则 a=w2x0 w0w0其中a 被测体线加速度。 当 w/w01时M1 ，则式变为xt=1w02a 则xta。 6l3F若采用等强度梁作弹性元件，则xt 为梁的挠度。由式xt=2a，bhE将其代入式得 26l3F6lF2la=wx=w=w 032bhEhbhE20t2026lF2l

17、由式e=2 ， 得 a=w0e 。 hbhEl2令 k=w ，结构参数确定后为常数，则加速度a=ke。所以h20有ae。 传递函数框图： F=maaH(s)1eH2(s)H3(s)DR/RH4(s)U质量块： 由 F=ma， 得H1(s)=等强度梁：由e=应变片： 由 F=m ahehH(s)=F ，得 222Fw0lw02l2DRDR/R=k0e ，得H3(s)=k0 Re差动电桥：由Uout=UEDRUU，得H4(s)=E 2RDR/R2mhk0UEUEhka=a 02222w0l22w0l所以，应变片式加速度传感器输出电压为： Uout=m222w0l由上式可得，被测体加速度为a=Uou

18、t mhk0UE52试用数字实例法分析题52图所示的仪表电阻温度补偿原理，并绘出曲线。 题52图 解：略。 5 3.如何确定差动变压器电源的频率值? 试绘图说明之。 解：题53a图为差动变压器的等效电路题53b图为空载时的等效电路 题53a图 题53b图 图中U1为一次线圈励磁电压；U21和U22为二次线圈的输出电压；L1、R1分别为一次线圈的自感和有效电阻；M1、M2分别为一次线圈和二次线圈右边、左边的互感；L21、L22分别为两个二次线圈的自感；R21、R22分别为两个二次线圈的有效电阻。 励磁频率与输出电压有很大关系，只有在某频率下才能达到最大输出，在此频率附近由励磁频率的变化而引起灵敏

19、度的变化为最小。在Rfz上的压降幅值的表达式为： Uf z m=Rf z(Rf z+R2)+(wL1)22+w(M2-M1)(R1)+(wL1)22U1m 相角L的表达式为：Lj=p2-arctanwL1R1-arctanwL2Rf2+R2按上式可绘出Ufzm和L 随角频率变化的幅值及相角频率特性，从中可以确定出电源频率的最佳值。 54 试绘出检测不同物质中含水量的电容传感器的可能结构。 解：通过介电常数的变化可以得到被测物含水量的大小。因为各种介质的介电常数不同，在两电极间加以空气以外的其它介质。当它们之间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变。水分检测可以通过电容介质的改变，实现电容量的变

20、化来测量含水量。经计算可以得出电容变化量与物质的含水量存在某种关系。 可能的结构是通过改变遮盖面S获得。首先设定面积改变量为一常数。事先用已知含水量的标准物放入传感器测试，就能得出某一含水量对应电容值的大小。等测量未知水分的被测物时，把测出的电容与加入标准物时相应的电容比较，就能测含水量。 题54图 55试拟出个用光电比色原理测量水质混浊度的光电传感器的框图，并分析其误差来源和消除的办法。 解：题55图为测量水质浊度的原理图。光源发出的光线经半透镜分成两束强度相等的光线，一路光线直接到达光电池，产生作为被测水样浊度的参比信号。另一路光线穿过被测样品水到达光电池，其中一部分光线被样品介质吸收，样

21、品水越浑浊，光线的衰减量越大，到达光电池的通光量就越小。两路光信号均转换成电压信号，由运算电路计算出两电压信号的比值，并进一步算出被测水样的浊度。 当没有被测物时两路输出端电压相等可以测得R和r的关系 R - +运 r算器 - + 题55图 误差主要来自待测液容器位置的放置，可将待测液容器进行固定以避免光路改变影响光电传感器接收光强的大小；此外，测量的数据要按时间分别记录，因为当待测液是悬浊液或者乳浊液时，随着时间改变容器内不同位置的浑浊度是变化的。 第六章 位移数字传感器 61.试绘出用D触发器代替辨向环节的逻辑电路的电路图，并绘出其波形图。 解：. P1A放大整形DQ正向转动B放大整形P2

22、CP-Q反向转动=1延时计数脉冲正传反转P1P1P2P2Q1=1-Q1=1题61图 62.试绘出用集成电路实现并行循环码及串行循环码变成二进制码的编码器逻辑图。 解： 题62图 63.怎样考虑温度和电压波动对位移数字传感器精度的影响。 解：环境温度因素的改变可以导致介电常数，极板形状等的间接变化；同时也可以产生温度漂移，进而对传感器性能产生不利影响。 电压波动会造成传感器不稳定，会使测量数据来回跳动，造成测量结果误差很大，因此会对位移数字传感器精度产生很大影响。 第七章 常用半导体传感器 71为获得较大输出的霍尔电动势，可采用多片霍尔元件同时工作的办法。试问其控制回路和输出交流或直流电动势回路应如何接线？ 解：霍尔元件控制回路如果使用直流电流，多个霍尔元件接入直流回路时应把霍尔的正极和负极分别并联接在直流电的正负两极，输出端产生的电动势应该相互串联接在一起；同理，若霍尔元件控制回路使用交流电流，多个霍尔元件接入交流回路时也把霍尔的正极和负极分别并联接在交流电的正负极，输出端产生的电动势也串联接在一起。 72试绘出用热敏电阻法在霍尔传感器输出回路进行温度补偿的线路，并分析之。 解：题72 图所示的为热敏电阻法在输出回路的温度补偿电路，其中Rt是热敏元件(热电阻或热敏电阻)。 题72 图 工作原理：当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势Vk和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电