检测课后习题答案.docx

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1、检测课后习题答案1.1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。 按检测系统是否施加能量分类

2、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：理论误差与方法误差；仪器误差；影响误差 ；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

3、信号从一点送另一点。 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？ 1 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

4、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：采用电压信号传输

5、，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。 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

6、电路低的输入阻抗和对地悬浮的电流源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。 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

7、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

8、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

9、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。 2 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Dy与引起输出量增量Dy的相应输入量增量Dx之比。 迟滞 传感器在输入量由小到大及输入量由大到小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

10、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

11、，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t：一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需

12、的时间,称为时间常数。 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，t 2）延迟时间d：传感器输出达到稳态值的时间。 3）上升时间间。 4）峰值时间50%所需的通过两个次级线圈的磁力线相等，互感势M1=M2，感应电e21=e22，总输出电压为0。当衔铁向左移动时，总输出u2=e21-e220。当铁芯向右移动时，总输出电压tr：传感器输出达到稳态值

13、的90%所需的时tp电压u2=e21-e220，则u为低电平，u为高电平，V1截止，V2A2的反相输入端接地，传感器信号u2从出。若导通，运算放大器A2的同相输入端输入，输出电压u0为 u0=R6R(1+7)u2=u2R2+R5+R6R4当Dx0时，u2与ur同频同相，ur0，u20，Dlc成正比，其灵敏度比单线圈螺管式提高一倍，线性5.2 在使用自感式传感器时，为什么电缆长度和电源频u00。当Dx0，u20，u00。若ur0时，u00。u0。当Dxn2时，qrqi。 ,n1n2,qr, qi间的数学关系为： n1sinqi=n2sinqr 可以看出：入射角UHmax=KHIB=1.25201

14、0-3=0.12Vqi增大时，折射角qr也随之增大，qrqi时，qi仍小于90，当qr=90，此时出射UHmax=KHIB=1.2520(-1)10-3=-0.12且始终V8 光线沿界面传播，此时称为临界状态，这时有3仍为低电位，而1由高到低转变。此时1下的势阱逐渐变浅，使1下的剩余电荷继续向2下的势阱中转移。sinqr=sin90=1。同时还有：sinqi0=n2n1； t4时刻，2为高电位，1、3为低电位，2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到2下面的势阱中，这与t1时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。当经n2qi=arcsinn10； 式中qi0为临界角。当qiqi0时，过一

15、个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期。因此，时钟的周期变化，就可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器。 10.6 简述光栅式传感器的基本工作原理。分析为什么光栅式传感器有较高的测量精度。 在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由标尺光栅 (也称主光栅)和指示光栅组成。二者刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合，便组成了光栅副。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化。利用光电接收元件接受莫尔条纹亮暗变化的光信号，并转换成电脉冲信号，经电路处理后用计数器计数可得到标尺光栅移过的距离。 光栅传感

16、器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向判定主光栅(或指示光栅)的位移量和位移的方向。由于莫尔条纹有放大作用，就可以把一个微小移动量的测量转变成一个较大移动量的测量，既方便又提高了测量精度。另外莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，因此便于将电信号做进一步细分，即采用“倍频技术”，将计数单位变成比一个周期W更小的单位,例如变成q即r90时便发生全反射现象， 10.5 以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。 构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器。正如其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是P型硅，当在金属电极上加一个正

17、的阶梯电压时，Si-SiO2界面处的电势发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压VG超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象化地说：半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当表面存在势阱时，如果有信号电子来到势阱及其邻近，它们便可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷。耗尽层及其邻近区域在一定温

18、度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生的载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。 以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的基本原理。三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如下图所示。在t1时刻，1高电位，2、3低电位。此时1电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷注入，则电荷就被存储在1电极下的势阱中。t2时刻，1、2为高电位，3为低电位，则1、2下的两个势阱的空阱深度相同，但因1下面存储有电荷，则1势阱的实

19、际深度比2电极下面的势阱浅，1下面的电荷将向2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。t3时刻，2仍为高电位，W10记一个数，这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。此外莫尔条纹是由光栅的大量栅线(常为数百条)共同形成的，而光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹。因此对光栅的刻划误差有平均作用，从而可以在很大程度上消除刻线的局部误差和短周期误差的影响。 10.7比较主要光子探测器作用、机理、性能及应用特点等方面的差异。 光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大

20、小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h，h是普朗克常数, 是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。 9 gg10.8 试设计一个利用光电开关测速的测量系统。 光电数字转速传感器工作原理图 利用光电器件可以构成光电式转速传感器，可以将转速的变化转换成光通量的变化，再经由光电元件转换成电量的变化。光电式转速传感器工作原理如图10-40所示，在被测转速的电机上固定一个调制盘，调制盘的一边设置光源3，另一边设置光电元件4，调制盘随电机转动，当光线通过小孔照射到光电器件上一次时，光电元件就产生一个电脉冲。电机连续转动，光电元件就输出一系列与转速及圆盘上的孔数成正比的电脉冲数。电脉冲输入测量电路后被放大和整形，再送入频率计显示；也可专门设计一个计数器进行计数和显示。 假设调制盘上有很多个小孔(如20，30，60)，调制盘每转一周，光电元件接受光的次数等于盘上的开孔数。如开孔数为60，记录过程的时间为t秒，总脉冲数为N，则转速 n=NN60=(rmin)60tt 10