习题集-自动检测

1 《自动检测技术》复习题

第1章 测量基本理论

1．传感器由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。

转换电路：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

2.根据测量的具体手段可将测量分为哪三种方式？每种方式的优点和缺点。

1偏位式——被测量作用于仪表内部的比较装置，使该装置产生偏移量，直接以仪表的偏移量表示被测量的测量方式。容易灵敏度漂移和零点漂移，精度较低

2.零位式——被测量与仪表内部的标准量进行比较，当测量系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值。精度高，但平衡过程复杂。

3.微差式——预先使被测量与装置内部的标准量相平衡，当被测量有微小变化时，测量装置将失去平衡，再采用偏位式仪表指示出其变化部分的数值。

综合了偏位式速度快和零位式精度高

3.传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标来描述？迟滞性的现象及其产生的原因。

静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括：灵敏度、分辨力、分辨率、线性度、稳定度、电磁兼容性、可靠性等。

迟滞性的现象指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。公式：

4.测量误差的分类。静态系统误差合成的两种方法。

粗大误差--明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。

系统误差--在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。

随机误差--测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。(集中性对称性有界性)

绝对值合成法 方均根合成法

5.一台精度为0.5级、量程范围600～1200℃的温度传感器，它最大允许绝对误差是多少？检验时某点最大绝对误差是４℃，分析此表是否合格？

2 第2章 电阻式传感器

1. 什么是金属材料的电阻应变效应？什么是半导体材料的压阻应变效应？

对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。

半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。

2.金属电阻应变片、半导应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？

金属导体应变片的电阻变化是利用机械形变产生的应变效应，对于半导体而言，应变传感器主要是利用半导体材料的压阻效应。金属电阻丝的灵敏系数可近似写为 012k，即01.52k～；半导体灵敏系数近似为 0//kE≈50～100。

3. 直流电桥是如何分类的？各类桥路输出电压与电桥灵敏度关系如何？

4．为什么全桥能起到温度的自补偿？

5．下图为用电阻应变式传感器测量金属材料的弯曲变形的原理图，简支梁在力F的作用下发性弯曲，在梁的上下表面各贴一片应变片，试说明这个测量系统的原理。要求：a．画出测试电路的原理图，并给出计算公式.

b．图中用两个应变片有什么好处？

6.右图为一直流电桥，负载电阻RL趋于无穷。图中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求：① R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U0=? ② R1、R2为金属应变片，感应应变大小变化相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U0=?

③ R1、R2为金属应变片，如果感应应变大小相反，且ΔR1=ΔR2 =1.2Ω，电桥输出电压U0=?

①100.0104ERRUVR因为只有为应变片,电桥输出按单臂电桥计算，②00UV因为两应变片变化大小相同，相互抵消无输出，③F

R1

R2 3 U0 Ｒ１ Ｒ2 Ｒ3 Ｒ4

U

（b） Ｒ１

Ｒ2 Ｒ3

Ｒ4 F

F

（a）

图2-2 120,0.022ERRRUVR因为应变时大小变化相反,电桥输出按半桥计算，

7. 采用四片相同的金属丝应变片(K=2），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如图2-2（a) 所示，力F=1000kg。圆柱断面半径r =1cm，弹性模量E=2×107N/cm2,泊松比μ=0.3。求（1）画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图；（2）各应变片的应变ε=？电阻相对变化量△R/R=？（3）若电桥电压U = 6V，求电桥输出电压U0 =?（4）此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？说明原因。

第3章 电容式传感器

1. 根据电容传感器的工作原理说明它的类型。

电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。实际应用时，常常仅改变、和之中的一个参数来使发生变化。所以电容式传感器可分为三种基本类型：变极距（变间隙)(）型，变面积型()型和变介电常数()型

2 电容式传感器有哪几类测量电路？各有什么特点？

变压器电桥 该电路在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性

双T二极管交流电桥 特点，电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；

二极管D1、D2工作于高电平下，因而非线性失真小；其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响；线路简单；输出电压较高。

脉冲调宽电路 该电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。

运算放大器电路 配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。

3 为什么高频工作时的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变化？

低频时容抗cX较大，传输线的等效电感L和电阻R可忽略。而高频时容抗cX减小，等效电感和电阻不可忽略，这时接在传感器输出端相当于一个串联谐振，有一个谐振频率0f 4 存在，当工作频率0ff谐振频率时，串联谐振阻抗最小，电流最大，谐振对传感器的输出起破坏作用，使电路不能正常工作。通常工作频率10MHz以上就要考虑电缆线等效电感0L的影响。

4 图3-1(a)为二极管环形检波测量电路。C1和C2为差动式电容传感器，C3为滤波电容，RL为负载电阻。R0为限流电阻。UP是正弦波信号源。设RL很大，并且C3>>C1,C3>>C2。

（1）试分析此电路工作原理；

（2）画出输出端电压UAB在C1=C2、C1>C2、C1

（3）推导),(21CCfUAB的数学表达式。

5 图3-2所示平板式电容位移传感器。已知极板尺寸a=b=4mm，间隙d0 = 0.5mm，极板间介质为空气。求：

（1）沿横向x移动时该传感器灵敏度；

（2）沿纵向d (极板前后方向)移动0.2mm时的电容量；

（3）提供一个标准电容C0请设计一个测量电路，

使输出电压与动极板位移dx板成线性关系。

6 现有一只电容位移传感器，其结构如图3-3(a)所示。已知Ｌ=25mm，R=6mm，r=4.5mm。其中圆柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，CBC构成一个固定电容CF，CAC是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容CX。B C3

D3 D2 ～ D1

D4 C1

C2

R0 RL A

UP F E C1 = C2 UAB

t

0ABU

C1 > C2 UAB

t 0ABU

C1 < C2 UAB

t 0ABU

(a) (b)

图3-1

x d0 a

b

图3-2 5 并采用理想运放检测电路如图3-3(b)所示，其信号源电压有效值USC=6V。问：

⑴ 在要求运放输出电压USC与输入位移x成正比时，标出CF和CX在（b）图应连接的位置；

⑵ 求该电容传感器的输出电容——位移灵敏度KC是多少？

⑶ 求该电容传感器的输出电压——位移灵敏度KV是多少？

⑷ 固定电容CF的作用是什么？（注：同心圆筒电容)()/ln(8.1.pFrRLCr中：L、R、r的单位均为cm；相对介电常数r，对于空气而言r=1）

第4章 电感式传感器

1 何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？

电感式传感器是一种机-电转换装置，电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量的输出。变磁阻式传感器——自感式间隙变化±δ时，引起气隙磁阻的改变，导致线圈电感的变化 差动变压器式传感器——互感式把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器，测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠。工作原理：自感、互感、涡流、压磁。

2 请比较自感式传感器和变压器式传感器的异同。

自感式传感器、灵敏度高但出错率也高。

差动式传感器、灵敏度稍低但工作稳定。

3 为什么螺管式电感传感器比变隙式电感传感器有更大的位移范围？

螺线管式差动变压器传感器利用互感原理，结构是：塑料骨架中间绕一个初级线圈，两次级r

A

B C D R L L

x

-

+

D A USC USR CX CF

(b) （a）

图3-3 6 线圈分别在初级线圈两边，铁心在骨架中间可上下移动，根据传感器尺寸大小它可测量1~100mm范围内的机械位移。变间隙式电感传感器是利用自感原理，衔铁的与铁芯之间位移（气隙）与磁阻的关系为非线性关系，可动线性范围很小，因此测量范围受到限制。

4 差动变压器中，何谓零点残余电压？说明该电压产生的原因及消除方法

差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压0U，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感 M 、电感L、内阻R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。

为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：①串联电阻；②并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；③加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；④相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。

5 分析差动变压器式张力测量控制系统是如何工作的？（控制系统见PPT）

6 电涡流式转速传感器工作原理。

上图所示为电涡流式转速传感器工作原理图。 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽, 在距输入表面d0 处设置电涡流传感器, 输入轴与被测旋转轴相连，请分析其工作原理。 电涡流效应——块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋状的感应电流。

第5章 压电式传感器

1.什么是压电效应？压电效应的分类。

某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。