智能检测技术复习总结

1、智能检测技术复习总结1、测量是借助于仪器或者仪表 （专门技术工具 ），依靠实验和计 算方法对被测量取得定性或定量信息的认识过程2、测量的基本方法 1、直接测量与间接测量（测量手段） 2、 开环测量与闭环测量（） 3、偏差法、零位法、微差法（测量 方式）3、测量装置的基本性能，主要衡量指标： 精度（精密度、准 确性、精确度） 、稳定性、输入输出特性（测量装置的静态性 能：线性度、灵敏度、滞环）4、最大引用误差和仪表精度等级的关系：在确定一个仪表的 精度等级时， 要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时 所得到的最大引用误差； 而根据工艺要求来选择仪表的精度等 级时，仪表的允许误差应该小于或等于

2、工艺上所允许的最大引 用误差。5、系统误差 定义：同一条件下，多次重复测量同一量时， 大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。特点：有一定 规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因 素，引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。误差 产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检 测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引 起的。6、随机误差 定义：在相同条件下，多次重复测量同一量时， 大小、符号均为无规律变化的误差。 特点：变化难以预测， 无法修正，只能通过理论的方式进行估计。误差产生的原因： 随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制 的各种随

3、机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起 的综合结果。7、疏失误差 定义：明显地歪曲测量结果的误差。特点：无 任何规律可循。 误差产生的原因：引起的原因主要是由于操 作者的粗心（如读错、算错数据等） 、不正确操作、实验条件 的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙测试等原因所 造成的。这时含有疏失误差的测量值称为异常值或坏值，应从 测量结果中剔除。8、系统误差的判别 a.固定系统误差的判别 :对于不随时间变化 的系统误差，通常采用 “实验比对 ”的方法判别。实验方法为改 变产生系统误差的条件进行同样的测量， 以便发现误差 b.变差 系统误差的判别 （2）马利科夫准则 c 正态分布比较判别

4、法9、正态分布的随机误差有下列优良的统计特性： 集中性、对 称性、有界性、抵偿性10、传感器是指能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成 电学量输出的测量装置。一般由敏感元件、转换元件、测量电 路和辅助电源四部分组成。11、传感器的分类方法很多， 一般可按被测物理量、 工作原理、 能量关系和输出信号性质来分类。 a、传感器按工作原理分类： 1）、结构型传感器 例：电容式传感器 2）、物性型传感器例：热敏电阻b、按能量关系分类 :有源传感器 :“发电机 ”例：热电偶、光电池 ; 无源传感器：需外加能源 例：电容式 传感器12、传感器的输出 输入关系特性是传感器的基本特性，有静 态特性和动态特性之

5、分。所谓静态特性，是指传感器在稳态信 号作用下，输出 输入之间的关系特性；而传感器的动态特性 是指传感器在测量动态信号时， 对激励（输入） 的响应 （输出） 特性。衡量传感器静态特性的主要性能指标是线性度、 灵敏度、 迟滞和重复性。 一阶传感器的阶跃响应最重要的动态特性指标 是时间常数，一般希望它越小越好；二阶传感器的阶跃响应典 型的动态性能指标包括上升时间、峰值时间、响应时间和最大 超调量等，一般也希望它们的数值越小越好。13、传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定 的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞 和重复性等；动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数， 如一

6、阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有频率和阻尼比 等。14、传感器的技术特点 a、内容范围广且离散 :传感器涉及到各 个学科领域， 而且之间缺乏联系， 从而给学习带来一定的难度。 b、知识密集程度高、边缘学科色彩极浓 c、技术复杂、工艺要 求高 d、功能优、性能好 e、品种繁多、应用广泛 例：压力测 量、 大型贮罐的液位、 海洋水深、 登山高度 ; 医疗上： 测血压、 呼吸压力；航空上：飞行高度、速度、升降速度等15、电阻式传感器定义 : 将被测非电量 （如位移、 应变、 振动、 温度、湿度、气体浓度等）的变化转换成导电材料的电阻变化 的装置，称为电阻式传感器。它是将非电量的变化量，利用电阻元

7、件，变换成有一定关系的 电阻值的变化，再通过电子测量技术对电阻值进行测量，从而 达到对上述非电量测量的目的。特点 :电阻式传感器具有结构简单， 输出精度高， 线性和稳定性 好等优点，因此，它在非电量检测中应用十分广泛。分类： 按转换原理可分为电位器式、热电阻式、压电阻式、 气敏电阻式等等16、电位器式传感器定义 :被测量的变化导致电位器阻值变化的 敏感元件称为电位器传感器。特点:由于它的结构简单、 价格便宜， 且有一定的可靠性， 输出 功率大，所以至今在某些场合下还在使用。电位器式传感器结构类型 :它由电阻元件和电刷 （活动触头） 两 个基本部分组成。 按结构形式可分为线绕式和非线绕式电位器

8、.17、电位器的负载特性曲线。电位器负载越重（RL 越小），负载系数 m 越大， 相对输出电压 A 越小， 输出电压 Uo 越低， 则 非线性误差越大；反之， Uo 越高，非线性误差越小。18、非线性线绕电位器是指其输出电压（或电阻）与电刷行程 x 之间具有非线性关系的电位器。理论上讲，这种电位器可以 实现任何函数关系，故又称其为函数电位器。19 、金属热电阻 :热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管 接线盒20、作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电 阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量 要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳 定的物理和化学性能；电

9、阻与温度的关系最好接近于线性；应 有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是 铂和铜21、常用热电阻 铂热电阻 : 主要作为标准电阻温度计， 广泛应用于温 度基准、标准的传递。 铜热电阻 ；测量精度要求不高且温度较低的场合， 测量范围一般为 50 150。 铂热电阻 目前最好材料长时间稳定的复现性可达 10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。 铜热电阻 应用：测量精度要求不高且温度较低的 场合 测量范围： 50 150优 点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提 纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺点： 易于氧化， 一般只用于 150以下的低温测量和 没有水分及无

10、侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。22、半导体热敏电阻：利用半导体的电阻值随温度显著变化的 特性制成。由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大 (4 9 倍) (2) 电 阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速 变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。缺点：线性度较 差，复现性和互换性差。23 正温度系数 (PTC) 负温度系数 (NTC) 临界温度系数 (CTR) PTC 热敏电阻正温度系数。 用途：彩电消磁，各种电器设 备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR 热敏电阻负温度系数。 用

11、途：温度开关。 NTC 热敏电阻很高的负电阻温度系数。用途：点温、表面 温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路24、ntc 伏安特性在稳态情况下， 通过热敏电阻的电流 I 与其两端的电压 U 之间的关系，伏安特性 a 当流过热敏电阻的电流很小时 :不足以使之 加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循 欧姆定律。主要用来测温。 b 当电流增大到一定值时： 流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻 特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其 所能升高的温度与环境条件 (周围介质温度及散热条件 )有 关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取 决于介

12、质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量 流体速度和介质密度。25、热电阻式传感器的应用 A 、半导体热敏电阻传感器 应用范围很广， 可在宇宙飞船、 医 学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速 测量、液面指示等。 2、半导体热敏电阻传感器温度测量 温度控制 温度补偿 流量测量利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量 流量、流速、风速等 b、金属热电阻传感器 a/工业广泛使用， 200 +500范围温度测量。 在特殊情况下， 测量的低温端可达 3.4K ，甚至更低， 1K 左右。高温端可测到 1000。 b/温度测量的特点：精度高、适于测低温。 c/传感器的测量电路：

13、 经常使用电桥， 精度较高的是自动电桥。 为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差， 常采用三线制和四线制连接法。 d/铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、难于测定狭窄位 置的温度。 现逐渐使用能大幅度改善上述缺点的极细型铠装铂测温电阻， 因而使应用领域进一步扩大。 e/主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程；纤维等工业的 热处理工艺； 食品工业的各种自动装置； 空调、冷冻冷藏工业； 宇航和航空、物化设备及恒温槽 金属丝热电阻作为气体传感器的应用26、自感式测厚仪，采用差动结构，其测量电路为带相敏检波 的交流电桥。 当被测物的厚度发生变化时， 引起测杆上下移动， 带动衔铁产生位移

14、，从而改变了上、下气隙的距离，使线圈的 电感量发生相应的变化， 此电感变化量经过带相敏检波的交流 电桥测量后， 送测量仪表显示， 其大小与被测物的厚度成正比。 26、电涡流式传感器 a此时磁场能量受到损耗 , 到达 L2 的磁通将减弱为 , 从而 使 L2 产生的感应电压 U2 下降。金属板越厚 , 涡流损失就越大 , U2 电压就越小。 因此 , 可根据 U2 电压的大小得知被测金属板的厚度 , 透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm, 分辨率为 0.1 m,线 性度为 1%。如果被测带材厚度改变量为 则, 两传感器与带材之间的距 离也改变了一个 两, 传感器输出电压此时为 2Uo+U

15、。 U 经放大器放大后 , 通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变 化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的 厚度。b 振动的测量 : 电涡流式传感器可以无接触地测量各种振动的 振幅频谱分布。在汽轮机，空气压缩机中常用电涡流式传感器 来监控主轴的径向，轴向振动，也可以测量发动机涡流叶片的 振幅。在研究机器振动时，常常采用将多个传感器放置在机器 的不同部位进行检测的方法， 得到各个位置的振幅值， 相位值， 从而画出振形图。c.电涡流探伤 :利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹，热处理裂纹，以及焊接的缺陷等。在探伤时，传感器应与被测导 体保持距离不变。 检测时， 由于裂陷出现， 将

16、引起导体电导率， 磁导率的变化，从而引起输出电压的突变。27、电阻应变效应定义： 导体或半导体材料在受到外界力 (拉 力或压力) 作用时， 产生机械变形， 机械变形导致其阻值变化， 这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。原因： 金属丝的灵敏系数 K0 受两个因素影响一是金 属丝受力后材料几何尺寸的变化， 即 1+2 二是金属丝受力后材料的电阻率发生的变化， 即( d/)/。 对金属材料： 1+ (d/)/ 1敏感栅 :2. 基底和盖片 基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何 形状和相对位置， 并且有绝缘作用。 一般为厚度 0.02 0.05mm 的环氧树脂，酚醛树脂等胶基材料。

17、3. 引线 作用：连接敏感栅和外接导线。4. 粘结剂作用：将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结 在一起；使用时，用粘结剂将应变片粘贴在试件的某一方向和 位置，以便感受试件的应变。28、半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一 致时， 半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生 电动势，这种现象称霍尔效应。 产生的电动势称霍尔电势。 半导体薄片称霍尔元件29、霍尔元件的电磁特性 (1) U H-I 特性：在磁场和环境温度恒 定的条件下，控制电流与霍尔元件输出之间的关系即为UH-I特性，它为线性度十分良好的特性 (2) UH-B 特性：当控制电流 恒定时， UH-B 特性曲线不

18、完全呈线性关系， 只有当 B0.5 时， 线性度才较好 (3) R-B 特性：霍尔元件的输入或输出电阻与磁 感应强度 B 之间的关系成为 R-B 特性。它随磁场绝对值增加 而增加，此现象称为磁阻效应。它使霍尔输出降低，应采取补 偿措施。30、零位误差及其补偿 ：定义：霍尔元件在不加控制电流 或不加磁场时，出现的霍尔电势称为零位误差。不等电势、寄 生直流电势、感应零电势和自激场零电势均属零位误差电势。 A 、不等位电势误差的补偿：可以把霍尔元件视为一个四臂电 阻电桥， 不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。 电 势的补偿电路 对称电路B 、 当霍尔元件在交流或脉冲磁场中工作时， 即使不加控

19、制电 流，由于霍尔电极的引线布置不合理，在输出回路中也会产生 附加感应电动势，称为感应零电势。它与引线构成的感应面积 A 成正比。C、控制电流产生的磁场称为自激场。 若电流极引线安排不当， 会产生附加的霍尔输出， 该电势称为自激场零电势。 补偿方法： 合理安排电流极的引线。31、温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率 和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入 电阻和输出电阻等都要发生变化， 从而使霍尔式传感器产生温 度误差。32、减小霍尔元件的温度误差 ：选用温度系数小的元件、采 用恒温措

20、施、采用恒流源供电a 恒流源温度补偿 大多数霍尔元件的温度系数 是正值时， 它们的霍尔电势随温 度的升高而增加( 1+t )倍。同时，让控制电流 I 相应地减 小，能保持 KHI 不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。33、当磁场和环境温度一定时 :霍尔电势与控制电流 I 成正比 当控制电流和环境温度一定时 :霍尔电势与磁场的磁感应强度 B 成正比 当环境温度一定时 : 输出的霍尔电势与 I 和 B 的乘积成正比 从上面的分析可以看出，应用霍尔式传感器可以分别检测电 流、磁场等物理量a 当控制电流为直流输入时 :为了得到较大的霍尔输出， 可将几 块霍尔元件的输出串联，但是控制电流必须相互并联b 当

21、控制电流为交流输入时c 采用差动放大电路将霍尔电压放大34、应用： 1. 电磁测量： 测量恒定的或交变的磁感应强度、有 功功率、无功功率、相位、电能等参数；2. 用于位移、压力的测量。 测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位 置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位 置。应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度 产生梯度磁场的示意图35、热电偶传感器的特点优点： 1.能测量较高的温度，测温范围在 -180 2800°C 2.测量方便，便于远距离传输和自动记录3.结构简单，准确可靠 4.热容量和热惯性小，能用于快速测量缺点： 1.输出信号和温度示值呈

22、非线性关系 2.下限范围的灵敏度较低36、热电偶传感器的测温原理37、.热电效应：两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路， 两个接点分别置于温度为 T 和 T0 的热源中，该回路内会产生 热电势。热电势的大小反映两个接点温度差，保持T0 不变，热电势随着温度 T 变化而变化。 测得热电势的值， 即可知道温 度 T 的大小。(4)参考端温度自动补偿法( 补偿电桥法 ) 补偿电桥法是利用 不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号 , 来自动补偿热电 偶测量过程中因参考端温度不为 0或变化而引起热电势的变 化值。课后习题答案：11 什么是测量的绝对误差、相对误差、引用误差？ 被测量的测量值 x 与被测

23、量的真值 A0之间的代数差 ， 称为绝对误差( =x- A 0)。相对误差是指绝对误差 与被测量 X 百分比。有实际相 对误差和公称相对误差两种表示方式。 实际相对误差是指绝对 误差 与被测量的约定真值(实际值) X0之比( A=/ X0× 100%)；公称相对误差是指绝对误差 与仪表公称值(示 值)X之比( x=/ X ×100%)。引用误差是指绝对误差 与测量范围上限值、 量程或表度 盘满刻度 B之比 ( m=/B×100%)。1.2 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？他们通常 应用在什么场合？测量误差是指被测量与其真值之间存在的差异。测量误差有 绝对误

24、差、相对误差、引用误差三种表示方法。绝对误差通常 用于对单一个体的单一被测量的多次测量分析， 相对误差通常 用于不同个体的同一被测量的比较分析， 引用误差用于用具体 仪表测量。13 用测量范围为 -50 150kPa 的压力传感器车辆 140kPa 压力时，传感器测得示值为 142kPa, 求该示值的绝对误差、实 际相对误差和引用误差。=142-140=2kPa; A=2/140=1.43%; x=2/142=1.41%; m=2/(50+150)=1%1.7 什么是直接测量、间接测量和组合测量？通常测量仪表已标定好，用它对某个未知量进行测量时，就 能直接读出测量值称为直接测量； 首先确定被测

25、量的函数关系 式，然后用标定好的仪器测量函数关系式中的有关量，最后代 入函数式中进行计算得到被测量，称为将直接测量。在一个测 量过程中既有直接测量又有间接测量称为组合测量。1.9 什么是测量部确定度？有哪几种评定方法？测量不确定度： 表征合理地赋予被测量真值的分散性与测量结 果相联系的参数。通常评定方法有两种： A类和 B 类评定方法。不确定度的 A类评定： 用对观测列进行统计分析的方法来评定 不确定度。不确定度的 B类评定： 用不同于对观测列进行统计分析的方法 来评定不确定度。1.10 检定一块精度为 1.0 级 100mA 的电流表，发现最大误差在 50mA 处为 1.4mA, 试判定该表

26、是否合格？它实际的精度等 级是多少？解： m=1.4/100=1.4%, 它实际的精度为 1.5,低于标称精度 等级所以不合格。1 11某节流元件(孔板)开孔直径 d20尺寸进行 15 次测量， 测量数据如下(单位： mm) :120.42 ,120.43,120.40,120.42,120,43,120.39,120.30,120.40,120.43,120.41,120.43,120.42,120.39,120.39,120.40 试检查其中有无粗 大误差？并写出测量结果。解：首先求出测量烈的算术平均值：X =120.40mm根据贝塞尔公式计算出标准差2 1/2?=(vi2/(15-1)

27、1/2=0.02893 ?=0.0868所以， 120.30 是坏值，存在粗大误差。2 1/2去除坏值后 X =120.41mm， ?=(vi2/(14-1) )1/2=0.0113 ?=0.033再无坏值 求出算术平均值的标准偏差 ?x=1/2?/(n)1/2=0.011/3.87=0.003写出最后结果： (Pc=0.95,Kt=2.33 )120.41 ±Kt ?x=120.41 ±0.01mm2.3 什么是热电效应？热电势有哪几部分组成的？热电偶产 生热电势的必要条件是什么？在两种不同金属所组成的闭合回路中， 当两接触的温度不 同时，回路中就要产生热电势，这种物理现

28、象称为热电效应。 热电势由接触电势和温差电势两部分组成。 热电偶产生热电势 的必要条件是：两种不同金属和两个端点温度不同。2.5 什么是热电偶的中间温度定律。说明该定律在热电偶实际 测温中的意义。热电偶在接点温度为 T、T0 时的热电势等于该热电偶在接点 温度为 T,Tn 和 Tn、 T0时相应的热电势的代数和。E AB（T 、T0）= E AB（T、Tn）+ E AB（Tn 、T0） 。这主要用于冷端温 度补偿。2.9 热电偶的补偿导线的作用是什么？选择使用补偿导线的原 则是什么？补偿导线的作用是将热电偶原来的冷接点移到一个新的位 置，它本身并不起冷端温度补偿作用。使用补偿导线的原则是在冷端

29、可能变化的温度范围内（ 0100），补偿导线的热电特性与工作的热电偶相同。2.20 某热电偶灵敏度为 0.04mv/ ，把它放在温度为 1200的 环境，若以指示表处温度为 50为冷端， 是求热电势的大小？ 指示的热电势： （ 1200-50）× 0.04=46mV;2.23 已知铂电阻温度计， 0时电阻为 100 ，100时电阻 为 139 ，当它与热介质接触时，电阻值增至281，试确定该介质温度。解：把铂电阻的温度响应特性看为线性有： （139-100） / （ 100-0）=（281-100） /（t-0） ， t=464.12.31 将一支灵敏度 0.08mV/ 的热电偶与电

30、压表相连， 电压表 接线端处温度为 50。电压表上的读数为 60mV,求热电偶热端 温度？解：由 EAB（T 、T0）= EAB（T 、Tn）+ EAB（Tn 、T0 ）得 60/0.08+50=800 3.1 什么是应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工 作原理。一种能将试件上的应变变化转换为电阻变化的物理现象 称为应变效应。在测量时，将金属电阻应变片牢固粘接在被测 试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同 样的变形，从而使其电阻随之发生变化，此电阻变化是与试件 应变成比例的，这样就可以反映出外界作用力的大小。3.3 比较金属应变片和半导体应变片的相同点和不同点。金属丝应

31、变片与半导体应变片的相同点： 都是属于电阻应 变片，即将应变变化转换为电阻变化的传感元件；金属丝应变片与半导体应变片的不同点： 金属应变片是受 力变形后改变的是机械几何尺寸，从而引起电阻的变化；而半 导体应变片受力变形后改变的应变片的电阻率。3.5 金属电阻应变片的灵敏度系数 K与同类金属材料的应变灵 敏度 Ko 是否相同？为什么？不相同。 金属电阻应变片利用短路的方法消除横向效应的 影响。3.14 一应变式等强度悬臂梁传感器如图 3.14 图所示。 设该悬 臂梁的热膨胀系数与应变片中的电阻热膨胀系数相等，R1=R2。（1）画出半桥双臂电路图；（2）试证明该传感器具有温度补偿功能； （ 3）设

32、该悬臂梁厚度 h=0.5mm,长度 l=15mm,固定端宽度 bo=18mm,材料的弹性模量 E=2×105N/m2, 其供电电压 U=2V。输 出电压 Uo=1mV,K=2时，求作用力。解：（3）由双臂应变片电桥得： Uo=2UK/4, =2Uo/ UK 又由等强度悬臂梁弹性元件的应变公式 22=6Fl/（boh 2E） 得 F=boh2E/（6l）以上两个公式等到： 25 F=Uoboh2E/（3lUK）=0.001*0.018*0.5*0.5* 2×10 /（3*0.015*2*2）= 5N3.16 如果将 100 的电阻应变片贴在弹性试件上， 若试件受力 横截面积

33、S=0.5 × 10-4 m2, 弹性模量 E=2×1011N/m2，若有 F=5×104 N 的拉力引起应变电阻 1，试求应变片的灵敏度系 数？解：由胡克定律 =E,又由 =F/S,R/R=K .得11 -4 4K= RES/（RF）=1* 2×10 * 0.5 ×10 /（100* 5× 10 ）=23.20 以测量吊车起吊重物拉力的传感器如图 3.20 图所示， R1,R2,R3,R4 按要求贴在等载面轴上。已知：等载面轴的面积11 2为 0.00196m2,弹性模量 E=2× 1011N/m2，泊松比 =0.3, 且

34、 R1=R2=R3=R4=12，0K=2, 所组成的全桥型电路如图 3.20 图所示， 供桥电压 U=2V。现测得输出电压 Uo=2.6mV。求： （1）等截面轴的纵向应变及横向应变为多少？（2）重物 F 为多少？ 解：（1）电阻应变片组成全桥。则电桥输出 Uo=E（ R1- R2+R3-R4）/4R=EK（ 1-2+3-4）/4 应变片 1和 3感受的纵向应变，即 1=3=；应变片 2和 4感 受的横向应变，即 2= 4=r,代入上式得到： Uo=UK（ -r）/2=UK（ + ）/2= UK （1+ ）/2-3 -32.6 × 10-3=2*2* *（1+0.3）/2 得纵向应变

35、 =10-3，横向应变：-4r=- =-3 × 10-3 11 5 （2）由胡克定律得 F=SE=10-3× 0.00196 ×2×1011=3.92×105 N4.1 何为电感式传感器？电感式传感器分哪几类？各有什么特 点？利用电磁感应原理将被测非电量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输 出，这种装置称为电感式传感器。 电感式传感器主要分为自感式、互感式、电涡流式三种。 自感式传感器利用改变磁路中的磁阻（间歇）从而改变自感系 数，该种传感器的结构简单，但是灵敏度低，线性范围小，量 程有限；

36、互感式传感器的结构等同变压器， 利用非电量改变互感系数达 到检测的目的，该种传感器灵敏度较高，检测电路比较简单， 但存在零点残余误差； 电涡流传感器是利用涡流效应测量非电量的，结构最简单，灵 敏度较高，线性度较好，成本较低，应用范围较广。4.8 差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？ 怎样减少和消除它影响？当衔铁处于差动变压器的中间位置时，可以发现，无 论怎样调节衔铁的位置均无法使测量转换电路输出为零， 总有一个很小的输出电压存在， 这种衔铁处于零点附近时 存在的微小误差电压称为零点残余电压。产生的原因大致有： （ 1）差动电感线圈的电气参数、 几何尺寸或磁路参数不完全对称。（2）

37、存在寄生参数，如线圈间的寄生电容，引线与 外壳间的分布电容。（ 3）电源电压含有高次和谐波。 （4）磁路的磁化 曲线存在非线性等。减少零点残余电压的方法： （ 1）提高框架和线圈的对称性； （ 2）减少电源中的谐波成分；（3）正确选择磁路材料，同时适当较小线圈的 激励电流，使铁芯工作在磁化曲线的线性去；（4）在线圈上并联阻容移相网络，补偿相位 误差；（5）采用相敏检波电路。24.12 一个铁氧体环形磁芯，平均长度为12cm，截面积 1.5cm2,平均相对磁导率 r=2000,真空磁导率 0=4×-17H0/m, 求：(1)在上面均匀绕线 500 匝时电感值是多少？(2)匝数增加一倍时

38、电感值是多少？解：由 L=/I, =I /Rm,Rm=l/S得到2 2 -7 -4L=2S/l=500 2×2000×4×10-7×1.5×10-4/12 ×1 0-2=/4；2L与 2成正比，所匝数增加一倍电感值是。4.17 已知变气隙电感传感器的铁芯面积S=1.5cm2，磁路长度L=20cm ，相对磁导率 1=5000,气隙 0=0.5cm， =± 0.1mm, 真空磁导率 0=4×-170H/m,线圈匝数 =3000，求单端式传感 器的灵敏度 L/ 。若做成差动结构形式，其灵敏度将如何变 化？解：由 L/ 0

39、=/L0, L= /I, =mI,Rm=/Rl/ S得到2 2 -7 -4 -2 L/ 2=S/l0=30002× 5000× 4×-7×1.05 ×10-4/(20 ×10-2×0.5 ×1-3 40-3)=8.478 1×04(H/m)差动是单端的 2 倍 ,其灵敏度变为 2×8.478 ×104(H/m)=1.695×105(H/m)4.19 何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？ 根据法拉第电磁感应原理， 块状金属导体置于变化的磁场 中或在磁场中做切割磁力线运动

40、时， 导体内将产生呈涡旋状的 感应电流，这种现象称为电涡流效应。 理论分析和实验都已证明， 电涡流强度随距离 x 的变化而变化。 运用这一关系，将线圈 - 导体系统运用于被测对象上，就可测 到两个对象的相对位移。5.1 根据工作原理可将电容式传感器分为几种类型？每种类型 各有什么特点？各适用于什么场合？根据工作原理可将电容式传感器分为变极距、 变面积和变 介质三种类型。变极距型电容传感器结构简单、成本低但线性 范围窄，主要用于微位移测量；变面积型电容传感器的线性度 好,主要用于角位移的测量；变介质型电容传感器结构形式多 样，可用来测量液位高度，纸张、绝缘薄膜的厚度，也可以用 来测量粮食、纺织品

41、、木材或煤等非导电固体介质的湿度。5.8 已知平板式电容传感器的极板尺寸阿a=b=4mm, 板间距d0=0.5mm,极板间介质为空气。求该传感器静态灵敏度；若极 板沿着平行极板一边移动 2mm, 求此时的电容量。 解：由 C/ x=C0/a,C 0=S0/d 0 得到C/ x=b/d 0=1×4/0.5=8;移动后电容值为： C= S/d= ab/d=1 ×2×4/0.5=16pF5.11 已知变面积型电容传感器的两极板间距离为 10mm, =50F/m, 两极板几何尺寸一样，为 30mm×20mm× 5mm,在外 力作用下， 其中动极板在原位

42、置向外移动了10mm，试求 C=？K=?解： C= S/d 得到 C0=ab/ d 0=50×30×20/10=3F 移动后电容 C'=ab/ d=50 ×20×20/10=2 F(设定向宽度不 变) C= C0-C '=1 F。K=C/ C 0=1/36.1 什么是正压电效应和逆压电效应 ? 某些晶体受到外力作用发生形变时， 在它的某些表面上会 出现电荷，这种效应称为正压电效应。压电效应是可逆的， 即晶体在外电场作用下， 要发生形变， 这种效应称为逆压电效应。6.14 某压电晶体的电容为 1000pF,Kq=2.5C/cm,Cc=300

43、0pF, 示 波器的输入阻抗为 1M 和并联电容为 50pF.求：( 1)压电晶体的电压灵敏度；(2)测量系统的高频响应。解：( 1)由 Kq=q/P,Ku=Uo/P,Uo=q/Co 得Ku=Kq/Co=2.5/1000=2.5 1×0-9 C/cm.F(2)fH=1/(2R(Cc+Ci+Co) )=1/(2 ×3.14 ×(3000+50+1000)=3.93 ×107=39.3MHz6.27 有一压电晶体，其面积 S=3cm2, 厚度 t=0.33mm, 在零度 x切型纵向石英晶体压电系数 d11=2.31 ×10-12 C/N。求受到压力

44、 p=10MPa作用产生的电荷 q 及输出电压 U0。解： 由 q=d11·F,F=P·S 得到，-12 6 -4 -9q=2.31 ×10-12×10 ×106×3×10-4=6.93 ×10-9 C由 U0=q/C0, C0=S/t, 得-9 -3 -4 -9U0=qt/S=6.93×10-9×0.33 ×10-3/ 3×10-4=7.623 ×10-9 V7.1 什么是光电效应？光电管、光敏三级管、光电池分别属于 哪类光电效应？其中光电池有哪些基本特性？怎样保

45、证光电 池输出电压是稳定的？ 答：当采用光照射某一物体时，该物体就受到一串能量 为 hf 的光子所轰击，其内部电子获得能量并释放出来的 现象，便称为光电效应。光电效应常分为三类，光电管属 于外光电效应；光敏三极管属于内光电效应；光电池属于 阻挡层光电效应。光电池有一定的光谱响应特性，如硅光电池在 0.451.1um 范围；光电池在不同的光照度下有不同的光生 伏特和短路电流，短路电流与照度有比较好的线性，而光 生伏特与照度为非线性。当照度为一定值后，它趋于饱和 了。因此，根据这一特性可知，只要保证足够的光照度， 光电池输出电压是稳定的。7.14 什么是功能型光纤传感器？， 什么是非功能型光纤传感

46、器 ? 请分别举例说明答：功能型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感 能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体 的传感器。例如：光纤微位移传感器； 非功能型光纤传感器是利用在光纤的端面或在两根 光纤中间放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件， 感受物理量的变化。非功能型光纤传感器中，光纤不是 敏感元件，即只“传”不“感” 。例如：双金属光纤温度 传感器。8.17 什么是霍尔效应？霍尔电势的大小由哪些因素决定？ 将一块通有电流 I 的导体薄片放在磁感应强度为 B 的磁 场中，B 的方向垂直于 I，则在垂直于电流和磁场的薄片 两侧，产生一个正比于电流和磁场应强度的电势，这一 物理现象称为霍尔

47、效应。霍尔电势与磁场强度和电流强 度成正比( UH=KHIB )。8.19 什么是霍尔元件的不等位电势？如何进行补偿？答：根据 UH=KHIB 可知：当 B=0, U H=0。然而由于工艺缺 陷和材料固有特性导致 UH不为零。 这就是霍尔元件的不等位电 势。可以采用电桥偏置补偿或磁场偏置补偿。8.27 已知某霍尔元件尺寸为长 L=10mm, 宽 b=3.5mm, 厚 d=1mm 。沿方向通以 I=1.0mA, 在垂直于 b×d 两个方向上加均 匀磁场 B=0.3T,输出霍尔电势 UH=6.55mV 。求该霍尔元件的灵 敏度系数 KH 和载流子浓度 n是多少？ 解：由 UH=K HIB

48、 得 KH=UH/IB=6.55/1 0×.3=21.83V/AT 又由 K H=-1/ned 得-19 -3 20n=-1/K Hed=-1/21.83 1.×602 ×10-19 ×1×10-3=-2.86 ×1020附加作业：1、在工业测量中，金属热电阻传感器常采用四线制检测电流经 RL 的电流为 IL(t)=I1-I2(t) 。电源 E 为负半周， D1 截止， D2 导通。此时电容 C2 迅速被充电至 E，E产生电流 I'2，而电容 C1经 RL 和 R1放电，电流为 I1(t) ，流经 RL 的电流为 I '

49、;L(t)=I '2-I1(t) 。 若二极管 D1、D2 的特性相同， R1=R2=R ，且差 动电容器的 C1=C2，即处于零位。流过 RL 的电流 IL(t) 与 I'L(t) 的平均值相等，极性相反，因此RL 上无信号输出，当 C1或 C2改变时， IL(t) I'L(t) ，因而有信号输出， Usc0。4、下图为自感式差动传感器常用的相敏检波的电桥电路， 分 析该电路的工作原理。a)T 电桥检测电路。热电阻传感器在工业环境中使用，引线通常比较长，引 线的电阻会引起电桥的不平衡， 同时将干扰引入测量电路 中，因此采用四线制连接法就保证引线电阻均衡地进入电 桥电路

50、，保证电桥的平衡，还克服了三线制的可调电阻的 触点接触不良导致的电桥零点变化缺点。2、分析下图中应采用什么类型的热敏电阻 Rt 补偿三极管环 境温度变化的影响 .NTC (B) PTC (C) PTC3、分析差动式电容传感器的双工作原理如下：当衔铁处于中间位置时，即 dx=0 ，有 Z1=Z2=Z0 ，由于 i1,i2 波形大小相等方向相反，则 Usc=i1R1-i2R2=0 。当衔铁偏离中间位置， 设下移 +dx，有 Z1=Z0-dZ 及 Z2=Z0+dZ, 则在电源正半周内， i1 增大， -i2 减小；在电源的负半周内， -i1 减小， i2 增大。对应的输出电压 Usc=i1R1-i2

51、R2, 在电源的 正负半周内均为上端“ +”，下端“” 。同理，当衔铁向上移动 -dx，有 Z1=Z0+dZ 及 Z2=Z0-dZ,对应于 电源的正负半周，输出电压 Usc均为上端“” ，下端“ +”。5、试用光电耦合器组成 C=A and B 和 C=A or B 的逻辑运算 电路。(1)C= A and B电路的工作原理如下：电压 E 为正半周， D1 导通， D2 截止。此时电容 C1 迅速被充电至 E，产生电流 I1 。与此同时，电容 C2 经 RL和 R2放电(前负半周已经 D2充电)，放电电流为 I2(t) 。二、论述题1、利用热电偶的热电势随冷端温度升高而减少的特点，若在 热电偶

52、电路中串入 不平衡电桥进行补偿 ，画图并阐述补偿原 理。 (P102)2)C=A orB图中三个桥臂 R1=R2=R3=1 是用温度系数小的锰铜丝绕制 的电阻，另一桥臂 Rcu 是铜导线绕制的补偿电阻，桥路电源 E=4V ，整个桥路处于与热电偶冷端相同的环境温度中。因此 不平衡电桥的输出电压随环境温度的升高而增加， 且增加的数 值和热电偶电势所减少的数值相同，从而起到补偿的作用。2、结合 置信概率 计算，说明 均方根误差的物理意义 。 (P22)- max 1 -e2 d2 max=±，即 Kp=1 ，查表得 p=68.27% 。这个事实说明， 对某一参数进行了 n 次(无穷次)测量

53、之后，偶然误差的数值 在 + 范围的测量值有 68.27%，而剩下的 31.73% 的测 量值，它们与真实值之差均超过± ，这就是均方根误差的物 理意义。3、设涡流传感器的涡渣板为金属板，画出 框图 ，论述其测距原理。 (P60) 解：max置信 PP( ) d1 2- max -，若定频调幅测距电路一、填空1、智能化仪表中用的 统一标准直流信号420 mA. (P5)2、量限为 1V 的毫伏表， G=5.0. 为 010 mA 或max= 50mv (P15)3、工程测量中，对于正态分布的随机控制，1 i = 0ni1(P18)4、设两点间电压真值为 1.98mv ，测量值为 差=

54、 0.02 mv ，修正值 C= 0.02 mv 5、 霍尔元件 的内阻随所加磁场的绝对值增加而 (增加或减少) ( P110)2.00mv，则 绝对误 (P14)增加6、 数字滤波 方法很多，中位值法对 脉冲干扰 的信号具 有良好的滤除作用。 (P199)7、对于 32 路巡回检测系统， 要求每个输入信号检测 500 次 /s， 则采样 间隔时间为 0.063ms ( P193)8、对于 NTC 热敏电阻 ，电阻与温度之间的关系式为RT=Ae B/T(P40)传感器线圈电感 L 和电容 C 组成并联谐振回路。 首先使传感器 线圈远离被测物(设为金属非磁性材料) ，并使谐振回路 LC 的固有频率等于振