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河南理工大学检测与转换技术课后题


1. 系统误差、随机误差和粗大误差的特点及处理方法? 答:1)特点: 系统误差:由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生,系统误差具有再现 性,偏差性。我们一般分析的测量误差谈的就是系统误差。 随机误差:因许多不确定性因素而随机发生,随机误差具有偶然性和无规律性,要消除 随机误差只能考虑用统计的方法, 要消除随机误差一般需要借助软件的方法, 一般不在我们 硬件电路考虑的范

围之内。 粗大误差:检测系统各组成环节发生异常和故障等引起,也称为异常误差,容易被混为 系统误差和偶然误差。粗大误差发生的原因主要是干扰形成的,比如在 AD 端口上有数字信 号耦合的干扰脉冲,这种就是典型的粗大误差,粗大误差需要软件去滤除。 2)处理方法: 系统误差:测量前尽量消除系统误差的原因,测量过程中采取必要的技术措施,数据处 理时采取修正的方法。 随机误差:采取算术平均值的方法。 粗大误差:采取剔除不用的方法。 1.接触式测温和非接触式测温各有何特点?常用的测温方法有哪些? 答:1)特点 接触式测温:感温元件直接与被测对象相接触,两者进行充分的热交换,最后达到热平衡, 此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等,温度计的示值就是被测对象的温度。 非接触式: 感温元件不与被测对象直接接触, 而是通过接收被测物体的热辐射能实现热交换, 据此测出被测对象的温度。 2)测温方法 接触式测温:膨胀式、热阻式、热电式 非接触式测温:亮度法、全辐射法、比色法、多色法 1.传感器的静态特性性能指标及其各自的意义是什么? 答:1)线性度:指传感器的输出与输入之间的数量关系的线性程度。 2)灵敏度:是输出量增量与引起输出量增量的相应输入量增量之比。 3)迟滞: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,反映了传感器机械部分不可避免的缺陷。 4)重复性:指传感器在输入量按同一方向作全程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的 程度。 5)分辨力: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。 6)漂移:在输入量不变的情况下,传感器输出量随时间变化的现象。 7)稳定性:在室温下,经过规定的时间间隔后,传感器的输出与起始标定时的输出之间的 差异。 8)阈值:指传感器产生可测输出变化量时的 最小被测输入量值。 1.什么是金属的电阻应变效应?利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。 dR 答:在外力作用下,导体或半导体材料产生机械变形,从而引起材料电阻值发生相应变化的 ? K ?? dR 现象,称为应变效应。其表达式为 R ,式中 K 为材料的应变灵敏系数,当应变材 料为金属或合金时, 在弹性极限内 K 为常数。 金属电阻应变片的电阻相对变化量 R 与金属 ? 材料的轴向应变 成正比,因此,利用电阻应变片,可以将被测物体的应变 ? 转换成与之成 正比关系的电阻相对变化量,这就是金属电阻应变片的工作原理。 2.应变式传感器的测量电桥 (直流) 按应变片的工作方式和数量的不同, 一般有哪几种类型? 各有何特点? 答:有三种类型,分别为:单臂电桥,差动半桥,差动全桥 E ?R U0 ? ? 1 特点:⑴单臂电桥, R 1 为电阻应变片,R 2 、R 3 、R 4 为电桥固定电阻。其输出压为

4

UR ?、R?2 为两个所受应变方向相反的应变片,R 3 、R 4 为电桥固定电阻。 ⑵差动半桥电路, 0 1 2 R1 。 其输出电压为: 在相同情况下,半桥差动输出电压是单臂桥的两倍, 因此,在半桥工作情况下不仅能增大输出电压,提高灵敏度,而且可以消除非线性误差。 ?R1 ?R3 E、 ? R4 ⑶差动全桥电路,R1、U R2 均为电阻应变片,且相邻两桥臂应变片所受应变方向 0、 R1 。在相同情况下,全桥输出电压是半桥输出电压的两 相反。其输出电压为: 倍,是单臂输出的四倍。可见,全桥工作时输出电压最大,检测的灵敏度最高。

R1

E ?R1

3. 何谓半导体的压阻效应?它与金属的电阻应变效应有什么区别? 答:压阻效应是应力使材料电阻率发生变化的一种现象。该效应是半导体压阻应变计、加速 度应变计等工作的物理基础。<o:p></o:p> 金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的, 半导体材料的应变效应则主要 取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。 1.什么是压电效应?压电效应的特点是什么?压电式传感器为什么只适用动态测量? 答:某些电介质(晶体当沿着一定方向施加力变形时,内部产生极化现象,同时在它表面会 产生符号相反的电荷;当外力去掉后,又重新恢复不带电状态; 当作用力方向改变后,电 荷的极性也随之改变; 这种现象称压电效应。 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存, 即需要测量回路具 有无限大的输入阻抗,这实际上是不可能的,因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元 件在交变力的作用下,电荷可以不断补充,可以供给测量回路以一定的电流,故只适用于动 态测量(一般必须高于 100Hz,但在 50kHz 以上时,灵敏度下降)。 2.常见的压电元件的组合形式有哪些?这些组合形式各适用于哪些场合? 答:常见的压电元件的组合形式有串联和并联两种方式。其中并联接法输出电荷大,本身电 容也大,时间常数大,适用于测量慢变信号,当采用电荷放大器转换压电元件上的输出电荷 q 时,并联方式可以提高传感器的灵敏度,所以并联方式适用于以电荷作为输出量的地方。 串联接法的输出电压大,本身电容小,当采用电压放大器转换压电元件上的输出电压时,串 联方法可以提高传感器的灵敏度, 所以串联方式适用于以电压作为输出信号, 并且测量电路 输入阻抗很高的地方。 3. 压电传感器为什么要接前置放大器?常用的前置放大电路有几种?各有什么特点? 答:由于压电传感器的输出信号非常微弱,一般将电信号进行放大才能测量出来。但因压电 传感器的内阻抗相当高,不是普通放大器能放大的,而且,除阻抗匹配的问题外,连接电缆 的长度、噪声都是突出的问题。为解决这些问题,通常,传感器的输出信号先由低噪声电缆 输入高输入阻抗的前置放大器。前置放大器也有两种形式:电压放大器和电荷放大器。电压 放大器的输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成比例,这种电压前置放大器一般称 为阻抗变换器;电荷放大器的输出电压与输入电荷成比例。这两种放大器的主要区别是:使 用电压放大器时, 整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感, 尤其是连续电缆长度变化更为 明显;而使用电荷放大器时,电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计。

4. 给出一种压电式加速度传感器的原理结构图,说明其工作过程及

特点。 答:

质量块

压电元件

输出引线

支座

如图 压电加速度传感器原理图

实际测量时,将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运 动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速 度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷 (电压)。当振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷 (电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大,即可由一般测量 仪器测试出电荷(电压)大小,从而得出物体的加速度。


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