检测课后习题答案

11.1检测的概念是什么？检测是人们借助于专门设备，通过一定的技术手段和方法，对被测对象收集信息、取得数量概念的过程。它是一个比较过程，即将被检测对象与它同性质的标准量进行比较，获得被检测量为标准量的若干倍的数量概念。1.2检测有哪些分类方法？1．按检测过程分类检测方法可分为直接法、间接法和组合法。2．按检测方式分类根据获取数据的方式，检测可分为偏差式、零位式和微差式。3．按接触关系分类根据检测敏感元件与被测介质的接触关系，检测方法可分为接触式和非接触式两种。4．按被测量的变化快慢分类根据被测量的变化的快慢，可分为静态检测和动态检测两类。５．按检测系统是否施加能量分类根据检测系统是否需要向被测对象施加能量，检测系统可分为主动式和被动式两类。1.3什么是误差？误差产生的原因是是什么？误差：检测结果偏离真值的大小称为误差。检测误差的大小反映了检测结果的好坏，即检测精度的高低。产生测量误差的原因主要有以下四个方面：（1）理论误差与方法误差；（2）仪器误差；（3）影响误差；（4）人为误差。1.4检测系统由哪几部分组成，各部分的作用是什么？检测系统主要由敏感元件、信号的转换与处理电路、显示电路和信号传输电路组成。敏感元件：将非电量转换为电信号；信号处理电路：将代表被测量特征的信号变换成能进行显示或输出的信号；显示电路：将被测对象以人能感知的形式表现出来；信号传输电路：将信号（数据）从一点（或一个地方）送另一点（或地方）。2.1什么叫温标？什么叫国际实用温标？用来衡量温度的标准尺度，简称为温标。为了使用方便，国际上协商确定，建立一种既使用方便、容易实现，又能体现热力学温度(即具有较高准确度)的温标，这就是国际实用温标，又称国际温标。3.1测量放大器的基本要求有哪些？答：一般来说，对放大器的基本要求是：增益高且稳定，共模抑制比高，失调与漂移小，频带宽，线性度好，转换速率高，阻抗匹配好，功耗低，抗干扰能力强，性价比高等。3.2程控增益放大器的量程可由软件自动切换，其工作原理是什么？答：可编程增益放大电路的增益通过数字逻辑电路由给定的程序来控制。其内部有多对增益选择开关,任何时刻总有一对开关闭合。通过程序改变输入的数字量，从而改变闭合的开关以选择不同的反馈电阻，最终达到改变放大电路增益的目的。3.3传感器输入与输出之间的耦合方式有哪些？各有什么特点？答：输入与输出之间的隔离方式主要有：变压器耦合(亦称电磁耦合)、光电耦合等。变压器耦合的线性度高、隔离性好、共模抑制能力强，但其工作频带窄、体积大、成本高，应用起来不方便。光电耦合的突出优点是结构简单、成本低、重量轻、转换速度快、工作频带宽，但其线性度不如变压器耦合。光电耦合目前主要用于开关量控制电路。3.4信号传输过程中采用电压、电流和频率方式传输各有什么优缺优点？各适用于什么场合？答：（1）采用电压信号传输，模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失真。原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗，电缆的电阻以及接触电阻形成了电压降损失。由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够小，这些电阻也就可以忽略不计。要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻可忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。（2）采用电流信号传输，电流源作为发送电路，它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻以及接触电阻无关，也就是说，电流信号的传输是不受硬件设备配置的影响的。同电压信号传输的方法正相反，由于接收电路低的输入阻抗和对地悬浮的电流源（电流源的实际输出阻抗与接收电路的输入阻抗形成并联回路）使得电磁干扰对电流信号的传输不会产生大的影响。如果考虑到有电磁干扰比如电焊设备和其他信号发射设备，传输距离又必须很长，那么电流信号传输的方法是合适的。（3）采用频率信号传输，可将电压信号变换为数字信号进行传送，可以很好地提高其抗干扰能力。V/F转换电路2将输入的电压信号转换成相应的频率信号，输出信号的频率与输入信号的电压成比例。频率信号传输广泛应用于数据测量仪器及遥测遥控设备中。3.5在滤波电路中为什么普遍采用RC有源滤波器？答：RC有源滤波器是目前普遍采用的一种滤波器，在RC无源滤波器的基础上引入晶体管、运算放大器等具有能量放大作用的有源器件，补偿电阻R上损失的能量，具有良好的选频特性。3.6非线性硬件校正方法有哪几种？各自的工作原理是什么？答：硬件校正的方法有很多，归纳起来有3大类。第一种方法是插入非线性器件，即在非线性器件之后另外插入一个非线性器件(亦称为线性化器或线性补偿环节)，使两者的组合特性呈线性关系。第二种方法是采用非线性A/D转换器。对于逐次比较型，可以利用按非线性关系选取的解码电阻网络；对双积分型A/D转换器，可以通过逐次改变积分电阻值或基准电压值来改变第二次反向积分时间，从而获得非线性A/D转换电路。第三方法是采用标度系数可变的乘法器。由于A/D转换器和乘法器通常是多路测试系统中所有通道的共同通道，很难做到使所有非线性传感器都线性化，因此不常用。4.1简述传感器的组成及其各部分的功能？通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。4.2传感器静态特性性能指标及其各自的意义是什么？传感器的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移等，其中，线性度、灵敏度、迟滞和重复性是四个较为重要的指标。线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。迟滞传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度分辨力分辨力是用来表示传感器或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力，通常以最小量程的单位值来表示。漂移传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分，对于传感器，常用长期稳定性来描述其稳定性，即传感器在相当长的时间内仍保持其性能的能力。阈值阈值是指传感器产生可测输出变化量时的最小被测输入量值。4.3传感器的动态特性常用什么方法描述？有哪些特点？传感器的动态特性，可以通过传感器的动态数学模型及传感器的动态特性指标来描述。动态模型是指传感器在动态信号作用下，其输出和输入信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数来描述。用微分方程作为传感器的数学模型，其优点是：通过求解微分方程，容易分清暂态响应与稳态响应，因为其通解只与传感器本身的特性及起始条件有关，而特解则还与输入量x有关。但是，求解微分方程很麻烦，为了求解方便，常采用传递函数来研究传感器的动态特性。尽管大多数传感器的动态特性可近似用一阶或二阶系统来描述，但这仅仅是近似的描述而已，实际的传感器往往比简化的数学模型要复杂。因此，传感器的动态响应特性一3般并不是直接给出其微分方程或传递函数，而是通过实验给出传感器的动态特性指标。通过这些动态特性指标来反映传感器的动态响应特性。4.4描述二阶传感器系统阶跃响应的主要指标及其定义?1）时间常数：一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间,称为时间常数。2）延迟时间dt：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。3）上升时间rt：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。4）峰值时间pt：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。5）超调量：二阶传感器输出超过稳态值的最大值。6）衰减比d：衰减振荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。5.1什么是自感传感器？为什么螺管式自感式传感器比变气隙式的测量范围大？答：自感式传感器是把被测量转换成线圈的自感L变化，通过一定的电路转换成电压或电流输出的装置。由于转换原理的非线性和衔铁正、反方向移动时自感变化的不对称性，变气隙式自感传感器(包括差动式结构)，只有工作在很小的区域，才能得到一定的线性度。而差动螺管式自感传感器的自感变化量L与衔铁的位移量cl成正比，其灵敏度比单线圈螺管式提高一倍，线性范围和量程较大。5.2在使用自感式传感器时，为什么电缆长度和电源频率不能随便改变？答：等效电感变化量为LLLCLLCLL2e22e1)1(上式表明自感式传感器的等效电感变化量与传感器的电感L、寄生电容C及电源角频率有关。因此在使用自感式传感器时，电缆长度和电源频率不能随便改变，否则会带来测量误差。若要改变电缆长度或电源频率时，必须对传感器重新标定。5.3什么是互感传感器？为什么要采用差动变压器式结构？互感式传感器也称为变压器式传感器，把被测位移转换为传感器线圈的互感变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级线圈绕组采用差动式结构，故称之为差动变压器式传感器，简称差动变压器。当衔铁处于中间位置时，由于两个次级线圈完全对称，通过两个次级线圈的磁力线相等，互感21MM，感应电势2221ee，总输出电压为0。当衔铁向左移动时，总输出电压022212eeu。当铁芯向右移动时，总输出电压022212eeu。两种情况的输出电压大小相等、方向相反。大小反映衔铁的位移量大小，方向反映衔铁的运动方向，其特性曲线为V形特性曲线。5.4分析开关式全波相敏检波电路的工作过程，它是如何鉴别被测信号的极性？答：图(a)为开关式全波相敏检波电路，取2/765432RRRRRR，1A为过零比较器，参考信号ru经过1A后转换为方波u，u为u经过反相器后的输出。若0ru，则u为低电平，u为高电平，1V截止，2V导通，运算放大器2A的反相输入端接地，传感器信号2u从2A的同相输入端输入，输出电压0u为224765260)1(uuRRRRRRu当0x时，2u与ru同频同相，0ru，02u，00u。当0x时，2u与ru同频反相，0ru，02u，00u。若0ru，则u为高电平，u为低电平，1V导通，2V截止，运算放大器2A的同相输入端接地，传感器输出电压2u从2A的反相输入端输入，输出电压0u为224370uuRRRu同理可得，当0x时，00u。当0x时，00u。由上述分析可知，相敏检波电路的输出电压0u不仅反映了位移变化的大小，而且反映了位移变化的方向。输出电压0u的波形如图(b)所示。4u2u0uR2R3R4R5R7R6R1uCV1V2ru1AΔ2AΔ0tu0tu2u000ttru(a)(b)5.5零点残余电压产生的原因是什么？如何消除？答：零点残余电压由基波分量和高次谐波构成，其产生原因主要有以下几个方面。1）基波分量主要是传感器两次级线圈的电气参数和几何尺寸不对称，以及构成电桥另外两臂的电器参数不一致，从而使两个次级线圈感应电势的幅值和相位不相等，即使调整衔铁位置，也不能同时使幅值和相位都相等。2）高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。当磁路工作在磁化曲线的非线性段时，激励电流与磁通的波形不一致，导致了波形失真；同时，由于磁滞损耗和两个线圈磁路的不对称，产生零位电压的高次谐波。3）激励电压中包含的高次谐波及外界电磁干扰，也会产生高次谐波。可以从以下几方面消除：1）从设计工艺上保证结构对称性。首先，要保证线圈和磁路的对称性，要求提高衔铁、骨架等零