中南大学大学传感与检测复习题含答案

Ch1.l.检测系统由哪几部分组成?说明各部分的作用。答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。2.试述测量和检测的含义与两者之间的关系。答：测量是指按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。检测包括了检查和测量，测量是实现检测的一种不可缺少的方法3.什么是传感器？其基本作用是什么？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？答：传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换为与之有确定对应关系的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。按照国际定义“能感受（或影响）规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换原件以及相应的电子线路所组成。”4.一个可供实用的传感器由哪几部分组成？画出组成框图，试述各部分的作用及相互关系。画出自控系统原理框图并指明传感器在系统中的位置与作用。答：传感器一般由敏感元件，变换元件和转换电路等其它辅助元件组成敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件变换元件：又称传感元件，是传感器的重要组成元件。它可以直接感受被测量且输出与被测量成确定关系的电量信号与转换电路：能把传感元件输出电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。5.列举你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各列举3种）答：非接触式：超声波、微波传感器、红外传感器接触式：电阻式传感器、压电式传感器、电容式传感器6.简述传感器和检测技术的主要发展趋势。答：①传感器发展：测量仪器向高精度和多功能发展、参数测量与数据处理向自动化方向发展、传感器向智能化、集成化、微型化、量子化、网络化的方向发展、开展极端测量②检测技术发展：检测方法的推进、检测仪器与计算机技术的集成7.简述绝对测量与相对测量、开环测量与闭环测量的相对优缺点。答：绝对测量——从读数装置上得到要测之量的整个数值。相对测量——对于标准量的偏差。绝对测量，一般使用通用量具，适合单件、小批量加工、测量；通用性好；可以直接读数。对于大批量生产的测量，操作不便。相对测量，一般使用专用量具，适合大批量生产、测量。测量操作简单、准确。但是，需经常校对量具。开环测量相对来说结构简单，比较经济。但是无法消除干扰所带来的误差。闭环测量优点在于如果被控质量偏移规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。缺点是增加了电路的复杂性，有时会因为增益选择不当反而影响系统的不稳定8.例举出两个你在日常生活中用到或看到的传感器，并说明其作用。如果没有传感器，将会出现哪种状况？无9.空调和电冰箱中至少都采用了两种以上的传感器，指出具体传感器的名称？说明它们各起到什么作用？答：红外传感器，接收遥控器的信号以做出相应的响应。热电式温度传感器，空调中测量出风的温度，以便做出实时的控制；测量冰箱中的温度，根据温度来控制冰箱的启动。Ch3.1.理想传感器有何特点？传感器的静态特性是什么？一般由哪些性能指标描述？哪些是确定工作能力的指标？答：理想传感器的特点：1）传感器只敏感特定输入量，输出只对应特定输入；2）传感器的输出量与输入量呈惟一、稳定的对应关系，最好为线性关系；3）传感器的输出量可实时反映输入量的变化。传感器的静态特性：指系统在被测量处于稳定状态时的输入输出关系。主要由下列几种性能指标描述：线性度、灵敏度、重复性、迟滞误差、精确度、分辨力、漂移、量程、静态误差等。量程（测量范围）、灵敏度、分辨力是衡量传感器与检测系统基本功能特性的指标，决定传感器或系统的工作能力。2.在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘制的定度曲线可以确定哪些静态特性?答：三种特性：线性度、灵敏度、重复性3.传感器的线性度的含义是什么？如何确定？确定工作直线常见哪些方法？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少？例举拟合传感器工作直线的3种方法及其特点。答：传感器的线性度就是其输出量和输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。可用公式%100EmaxFSY确定。式中：max—输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差。FSY—输出满量程值。确定工作直线常用的方法有理论直线法、最佳直线法、端点连线法、割线法和切线法、最小二乘法和计算程序法等。传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统地说传感器的线性度是多少,当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。（a）端点连线法，特点：简单、方便，偏差大，与测量值有关（b）最佳直线法，特点：精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）简单实用，作图法（端点连线平移）（c）最小二乘法，特点：精度高4.描述传感器动态特性的主要技术指标有哪些？它们意义是什么？答：1）传感器动态特性主要有：时间常数τ；固有频率n；阻尼系数。2）含义：τ越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率n越高响应曲线上升越快；当n为常数时响应特性取决于阻尼比，阻尼系数越大，过冲现象减弱，1时无过冲，不存在振荡，阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。5.用某一阶装置测量频率为100Hz的正弦信号，要求幅值误差限制在5%以内，其时间常数应取多少？如果用具有该时间常数的同一装置测量频率为50Hz的正弦信号，试问此时的幅值误差和相角差分别为多少？答：（1）根据一阶系统的幅频特性可知：%5|1)2^)(1(1||1)(A|即%5)2^)(1(1-1将200f2rad/s代入，得）（4-^1023.5（2）用该装置测量频率为50HZ的正弦信号时：013.0|1)2^)(1(1||1)(A|故幅值差为1.3%相角差3.9)arctan(）（6.对于二阶装置，为何要取阻尼比ζ=0.6~0.7?答：阻尼比较小时，A()随出现较大波动，阻尼比较大时，A()衰减，0.6-0.7时，A()平坦段最宽，）（接近斜直线7.设一力传感器为二阶系统。已知其固有频率为800Hz，阻尼比为ζ=0.4，当测频率为400Hz变化的力参量时，其振幅比A(ω)和相位差φ(ω)各为多少?若使该装置的阻尼比ζ=0.7，则A(ω)和φ(ω)又为多少?答：二阶系统的幅频响应和相频响应分别为将ωn=2800rad/s，ω=2400rad/s，ζ=0.4代入式中得所以振幅比A(ω)=1.18和相位差φ(ω)=28-将ζ=0.7代入上式得A(ω)=0.97φ(ω)=34-8.已知某二阶传感器系统的固有频率为20kHz，阻尼比为0.1，若要求传感器的输出幅值误差不大于3%，试确定该传感器的工作频率范围。答：22221212nsjnnnnGjssj22222222211|()|[1()][2][1()][20.1]10000100001[1()][20.1]1000010000nnGj令|()|1.03Gjw，2()10000′则21.960.05740′′解得121.930.03′，′代入上式，得121389173HzHz，令|()|0.97Gjw，则21.960.06280′′解得31.99′（舍负）代入上式，得31411Hz由图2-18二阶传感器系统的幅频特性曲线知，该传感器的工作频率范围为：13891411HzHz＜＜或173Hz＜9.设有两只力传感器均可作为二阶系统处理，固有频率分别为800Hz和2.2kHz，阻尼比均为0.4，欲测量频率为400Hz正弦变化的外力，应选用哪一只？并计算所产生的振幅相对误差和相位误差解：ξ=0.4＜1，由二阶传感器的频率特性，固有频率比被测信号频率越大越好，故应选固有频率为2.2kHz的那只。22221212nsjnnnnGjssj22222211|()|0.940400400[1()][2][1()][20.4]22002200nnGjw相对误差为（1-0.940）×100%=6.0%11224002()20.42200833'4001()1()2200ntgtg故相位滞后8°33′。10.什么叫传感器的标定和校准？标定的目的是什么？传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作，说明标定的意义？简述传感器进行静态标定的方法与过程。答：传感器标定：是在明确传感器的输入--输出变换关系的前提下，利用某种标准量或标准器具对传感器的量值进行标度。传感器的校准：是将传感器在使用中或存储后进行的性能复测。标定的目的:确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。标定的意义：1、是设计、制造和使用传感器的一个重要环节。任何传感器在制造、装配完毕后都须对设计指标进行标定试验，以保证量值的准确传递。2.对新研制的传感器，须进行标定试验，才能用标定数据进行量值传递，而标定数据又可作为改变传感器的设计的重要依据。静态标定的方法：标定传感器的静态特性，首先是创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定用的仪器设备，然后才能对传感器进行静态特性标定。静态标定的过程：(a)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点；(b)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录各输入值相对应的输出值；(c)将输入值由大到小逐步减少，同时记录与各输入值相对应的输出值；(d)按(b)，(c)所述过程，对传感器进行正、反行程往复多次测试，将得到的输出—输入测试数据用表格列出或画成曲线；(e)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。11.简述在什么频域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？检测系统测量静态信号时，由于被测量不随时间变化或者随时间变化极慢时，测量和记录的过程不受时间限制，只研究静态特性就能够满足通常的需要。当被测量是随时间变化的动态信号，监测系统的输出不仅需要能精确地显示被测量的大小，而且还要能显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形的时候，就需要研究传感器的动态特性。Ch4.1.金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理有何不同？各有何优缺点？答：电阻应变片是利用金属合金体形变导致电阻变化的原理制成的形变传感器，半导体应变片是利用半导体结构形变导致载流子密度变化制成的形变传感器。电阻应变片的优点是变化率稳定，受温度影响小的优点，但是，它的缺点是变化值很微小，检出比较困难；半导体应变片的优点是灵敏度高，输出值电平高，但是，它的稳定差，受温度影响大。2.什么是电阻应变片的灵敏系数？金属应变片的灵敏系数比其应变电阻材料本身的灵敏系数小吗？为什么？答：定义：，K表示安装在被测试件上的应变片，其轴向受单向应力时，引R/R与其单向应力引起的试件表面轴向应变εt之比。K的准确性直接关系应变测量精度，其误差是衡量质量优劣的重要标志。一般，Kk0。K值通过实验测定。将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽长度不变、应变状态相同，但在圆弧处，除受纵向拉应变外，根据泊松关系，还存在横向的负应变εy(=-μεx)，使电阻减小，因而K较整长电阻丝的灵敏系数k0小，这种现象称为应变片的横向效应。3.采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电