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1、自动检测技术及应用复习思考题参考答案第1章 检测技术的基本知识1. 测量的定义及其内容是什么？答：测量是借用专用的技术和设备，通过实验和计算等方法取得被测对象的某个量的大小 和符号。测量的内容包括两个因素，一个是比值大小及符号，另一个是说明比值所采用的单 位。2. 常用测量方法有几种？它们各自的定义是什么？答：（1）零位法：指被测量与已知标准量进行比较，使这两种量对仪器的作用抵消为零 从而可以肯定被测量就等于已知标准量。（2）偏差法：指测量仪表用指针相对于表盘上分度线的位移来直接表示被测量的大小。（3）微差法：是零位法和偏差法的组合。先将被测量与一个已知标准量进行比较，使该标 准量尽量接近被测
2、量，而不足部分即被测量与该标准量之差，再用偏差法测量。3. 仪表精度有几个指标？它们各自的定义是什么？答：（1）精密度：指测量仪表指示值不一致的程度；（2）准确度：指测量仪表指示值有规律地偏离真值的程度；（3）精确度等级：仪表在规定工作条件下，其最大绝对允许误差值对仪表测量范围的百分 比绝对值。4有一温度计，它的测量范围为0200C，精确度为0.5级，求：1）该表可能出现的最大绝对误差；2）当示指分别为20C、100C时的示指相对误差。答：1）根据仪表的精度等级公式：飙=仏xlOO%将测量范围为0200C,精确度为0.5级代入上式，可得可能出现的最大绝对误差厶ma=1Co max2）当示指为2
3、0C时的示指相对误差为：A1C丫 =一x 100%x 100% = 5%xi A20Cx3）当示指为100 C时的示指相对误差为：A1Cy = x100% = 一 x100% = 1%x2 A100Cx5欲测240V左右的电压，要求测量示指相对误差的绝对值不大于0.6%。问：，其精确度应选择哪一级？若选用量程为300V和500V的电压表，其精确度应分别选哪一级？答：由题意知，测 240V 左右的电压，测量示指相对误差的绝对值应不大于厶=240Vx0.6%=1.44Vo则若选用量程为250V电压表，则根据精确度等级公式可得：A1 44VS 二一max x100 二 X 100 二 0.576A2
4、50Vm由题意要求，应选择精度等级为0.5级的电压表；若选用量程为300V电压表，根据精确度等级公式可得：AmaxxlOO 二1.44VxlOO 二 0.48300V由题意要求，应选择精度等级为0.2 级的电压表；若选用量程为 500V 电压表，根据精确度等级公式可得A1 44Vs =xlOO 二 x 100 二 0.288A500Vm由题意要求，应选择精度等级为0.2 级的电压表。6已知待测力约为70N,现有两只测力仪表，一只为0.5级，测量范围为0500N，另一只为1.0 级，测量范围为0100N。问选用哪一只测力仪表较好，为什么？答：选用1.0级，测量范围为0100N的测力仪表较好，因为
5、待测力为70N，更接近该表的测 量上线，这样的测量误差相对较小。另外，本题也可以利用示指相对误差较小者为选择依据。7. 试述传感器的定义及其在检测中的位置。答：传感器是一种以测量为目的，以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系，以便 于处理和应用的某种物理量的测量装置。传感器在自动检测系统中连接被测对象和检测系统的接 口，处于检测系统的最前端。8. 传感器静态特性的技术指标及其各自的定义是什么？答：（1）线性度：也称为非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合曲线之间的最大偏差与 传感器满量程输出的百分比。（2）迟滞：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象。
6、（3）重复性：是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程 度。（4）灵敏度：到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。（5）分辨力：指传感器能检测到的最小的输入增量。（6）稳定性：指传感器在所有条件均不变的情况下，能在规定的时间内维持其示指不变的能力。9. 传感器有那几个部分组成？各自的定义是什么？答：（1）敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量构成确定关系、更易于转换为某一物理 量的元器件；（2）转换元件：把敏感元件的输入转换为电路参数量；（3）转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。10. 弹性敏感元件的弹性特性用什么表示？各自
7、的定义是什么？答：（1）刚度：刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的定量描述；（2）灵敏度：通常用刚度的倒数表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度；（3）弹性滞后：指弹性元件在加载、卸载的正、反行程中，变形曲线是不重合的，此现象称为 弹性滞后现象；（4）弹性后效：指负载在停止变化之后，弹性元件在一段时间内逐渐完成变化，即在一段时间 内还会继续产生类似蠕动的位移，此现象称为弹性后效，又称弹性蠕变。第2章 电阻式传感器及其应用1. 说明电阻应变片的的组成、规格及分类。答：电阻应变片由引出线、覆盖层、基片和敏感栅等部分组成。电阻应变片按其敏感栅的材料不同，分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。常见
8、的金属 电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式。2. 什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。答：导电材料的电阻和它的电阻率、几何尺寸有关，在外力作用下发生机械变形，引起该导电 材料的电阻值发生变化，此现象称为电阻应变效应。金属电阻应变片的工作原理是基于应变效应的，故其的电阻值的大小和它的电阻率及其几何尺 寸有关，若为金属单丝在其受拉情况下，发生机械变形，使其长度变长，截面积变小，从而电阻 值变大。3. 试述应变片温度误差的概念、原因和补偿方法。答：在应变片电桥电路测量中，应变片除了会受到应变效应的作用而使其阻值发生变化，还会 受到环境温度的影响，而温度相应造成的电阻变化对于
9、电桥电路的测量转换来说就是一种误差。 通常采用的方法就是采用差动电桥来进行温度误差的补偿。4. 为什么应变式传感器大多采用不平衡电桥为测量电路？该电桥为什么又都采用半桥和全桥两 种方式？答：因为平衡电桥仅适合于测量静态参数，而不平衡电桥对静、动态参数都可以测量。相对于 单臂桥来说，半桥和全桥都可以消除非线性误差，提高灵敏度，还具有温度误差补偿作用，所以 又都采用半桥和全桥两种方式。5. 拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路。试问， 1）四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？2）画出相应的电桥电路图。答：1）应注意：（1）应变片应靠近悬臂梁固定端粘贴；（2） Rl、R3在悬
10、臂梁上面，R2、R4对 应粘贴在悬臂梁的下面。2）电桥电路图如下：6. 试述电位器的基本概念、组成部分、主要作用和优缺点。答：电位器是一种将机械位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的机电传感元器件。电 位器由电阻、电刷等元器件组成，可以将直线位移、转角等机械量转换为电阻变化。电位器结构 简单、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。但缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件 之间容易磨损。7. 什么叫热电阻效应？试述金属热电阻效应的特点和形成的原因。答：物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。在金属中，参与导电的是自由电子，也即是说金属导电是由于金属中的自由电子定向运动导致 的。
11、对于金属导体来说，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变，但每个自由电子的动能将 增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，宏 观上表现出电阻率变大，电阻值增加，因而金属电阻值随温度的升高而增加。8. 阐述热电阻式传感器的概念、功能及分类。答：热电阻传感器是把由温度变化所引起的导体电阻值的变化，通过测量电路转换为电压信号， 然后送至显示仪表以显示或记录被测的温度。热电阻传感器主要用于测量温度及与温度有关的参 量。按照性质不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻两类。9. 用热电阻式传感器进行测量时，经常采用哪种测量线路？热电阻与测量线路有几种连接方式？ 通常
12、采用哪几种连接方式？为什么？答：用热电阻式传感器进行测量时，经常采用电桥电路来作为测量线路，热电阻与测量线路有 三种连接方法。在工业生产测量桥路的接法通常采用两线制和三线制。因为两线制接法简单，三 线制可以消除或者减小引线电阻的影响。在工业测量中这两种方式即可满足误差要求。10. 半导体和金属的电阻率与温度关系有何差别？原因是什么？答：半导体中参加导电的是载流子，所以半导体本身的电阻率比金属大得多。随温度的升高， 参加导电的载流子数目增加，半导体的电阻率降低，电阻值减小。即半导体的电阻率随温度上升 按指数规律下降。当温度变化lc时，某些半导体热敏电阻的电阻值变化将达到（36） %。灵敏 度比金
13、属热电阻高。11. 试述气敏元件的工作原理。答： 气敏电阻的材料是金属氧化物，金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气 敏特性。其电阻率随气体的吸附而发生变化。这种对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附。在 常温下主要是物理吸附，是气体与气敏材料表面上分子的吸附，它们之间没有电子交换，不形成 化学键，种结合力是荡得瓦尔斯力。若气敏元件的温度升高，化学吸附增加并在某一温度达到最 大值。化学吸附是气体与气敏材料表面建立离子吸附，它们之间有电子交换，存在化学键力。但 若温度再升高，由于解吸作用，两种吸附同时减小。12. 试述气敏元件按制造工艺的分类及常用的元件。答：气敏元件按制造工艺分为（ 1
14、）烧结型气敏元件，目前常用的是氧化锡烧结型气敏元件；（2）厚膜型气敏元件；（3）薄膜型气敏元件，常用的有氧化锌薄膜型气敏元件。13. 气敏传感器的主要用途是什么？答：气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气 体的监测、预报和自动控制；在防治公害方面用于监测污染气体；在家用方面用于煤气、火灾的 报警等。14. 什么叫湿敏电阻？说明湿敏电阻的组成、原理和特点。答：湿敏电阻是一种阻值随环境相对湿度的变化而变化的敏感元件。它由感湿层、电极和具有 一定机械强度的绝缘基片组成。感湿层在吸收了环境中的水分后引起量电极间电阻值得变化，这 样就能直接将相对湿度的变化变换成电
15、阻的变化，从而可以测量湿度。其具有使用方便、精确度 高、响应快、测量范围广及湿度系数较小等优点。第3章 电感式传感器及其应用1. 试说明单线圈和变隙式差动传感器的主要组成、工作原理和基本特性。答：（1）单线圈变隙式传感器：是由线圈、衔铁和铁心三部分组成。衔铁工作时，衔铁与被 测体连接，当被测体产生一定位移时，衔铁与其同步移动，引起磁路中气隙的磁阻发生相应的变 化，从而引起线圈的电感变化。因此，只要测出自感量的变化，就能确定衔铁即被测体位移量的 大小和方向，这就是闭合磁路单线圈变气隙电感传感器的工作原理。其特点是气隙越小，灵敏地 越高，线性度不好，为了保证一定的线性度，变隙式传感器仅能工作在很小一段的区域，因而只 能用于微小位移的测量。（2）变隙式差动传感器：是由两个完全相同单个线圈共用一个活动衔铁而构成。测量时，衔铁 随被测量移动而偏离中间位置，使两个磁回路中的磁阻发生大小相等、符号相反的变化，导致一 个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。其特点，差动式比单线圈式的 电感传感器的灵敏度提高一倍；差动式的线性度明显的得到改善；差动式电感传感器对外界影响， 基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁力也较小，从而减小了测量
