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一、基本概念题
测试过程中,若所测试的信号不随时间变化或变化非常缓慢,称这种测试称为静态测试。如果所测试的信号随时间周期变化或变化很快,这种测试称为动态测试。
传感器是把被测量转换成易于变换、传输和处理的一种器件或装置。
按构成原理分类,电阻应变片、热敏电阻、压电晶片属物性型传感器。
按构成原理分类,电容传感器、自感型电感式传感器属结构型传感器。
为提高和改善传感器的技术性能,可采取以下技术措施:差动技术、平均技术以及补偿与修正扌技术。
传感器的定度曲线(或标定曲线)与拟合直线之间的偏离程度称为传感器的线性度。
传感器的灵敏度是指稳态时,输出变化量与输入变化量之间的比值。
&对干一阶传感器系统,当其时间常数(或T)越小,其频率响应特性越好。
激波管标定系统中,激波管的作用是一种动态标定设备,能产生阶跃压力信号输出。
金属电阻应变片的规格一般以面积(或长X宽)和初始阻值表示。
用电阻应变片测量构件的变形,影响电阻应变片电阻变化的因素有:应变片的灵敏度和初始阻值、被测构件的应变量、以及应变片沿构件的粘贴方向。(因为:AR=K£R,K为灵敏度,R为应变片初始阻值,£被测构件的应变量)
将电阻丝绕成应变片后,由于存在横向效应,其灵敏系数一般会减小。
在电桥测量中,由于电桥接法不同,输出电压的灵敏度也不同,全桥接法可以得到最大灵敏度输出。
应变片的温度误差补偿方法通常可分为:桥路补偿法、应变片自补偿法。
根据工作原理,变气隙型自感式传感器的灵敏度具有理论上的非线性。
电涡流接近开关结构简单,根据其工作原理,不可用来进行类似如玻璃瓶、塑料零件以及水的液位的检测。
在差动式自感传感器中,若采用交流桥路为变换电路,常出现零点残余电压现象,该现象使传感器灵敏度下降,灵敏阈值增大,非线性误差增大。
差动变压器式位移传感器是将被测位移量的变化转换成线圈互感系数的变化,两个次级线圈要求反向串接。
电容传感器的转换电路包括:交流电桥、变压器电桥、调频电路、运算放大器电路。
压电式传感器是一种可逆型传感器,即可将机械能转换为电能。也可反之实现逆向变换。
压电传感器中压电晶片的等效电路,可以看作是一个电荷源与一个电容器的并联。
压电传感器测量电路常接电压或电荷放大器。其中若传感器输出接电荷放大器,则其输出基本不受连接电缆长度的影响。
压电式传感器的测量电路中,前置放大器的作用是阻抗变换和信号放大。
目前,用压电陶瓷制作的力传感器一般不能用于测量静态力,而只能用来测量动态力
热电偶热电动势的形成是由于接触电动势和温差电动势共同作用的结果。
若组成热电偶的两导体材料相同,当参比端温度为20°C、工作端温度为100r时,则其
输出热电势为零。
热敏电阻的阻值与温度之间的关系称热敏电阻的热电特性。它是热敏电阻测温的基础。
热敏电阻其温度与阻值之间一般呈一非线性关系,且一般不具有互换性。
请写出你所知的几种常见光电检测器件的名称:光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管
(还有光电管、光电池、电荷耦合器件CCD)等。
隔离放大器有变压器耦合式、光电耦合式和电容耦合式三种,它们都起到隔离无用信号和放大有用信号的作用。
抗干扰是测试系统必须采用的技术。常用抗干扰技术包括:隔离技术、滤波技术、屏蔽技术和接地技术
周期信号的频谱特点有哪些?
离散性周期信号的频谱是由不连续的谱线组成,每条谱线代表一个谐波分量。
谐波性频谱中每条谱线只出现在基波频率的整数倍上,基波频率是各分量频率的公约数;
收敛性各频率分量的谱线高度表示各次谐波分量的幅值或相位角。工程上常见的周期信号其谐波幅值总的趋势是随着谐波次数的增高而减小的。
随机过程的主要特征参数?均值、均方值、方差、概率密度函数、相关函数和功率谱密度函数来描述随机过程的特性
自相关、互相关的定义、应用。
自相关是指信号在1个时刻的瞬时值与另1个时刻的瞬时值之间的依赖关系,是对1个随机信号的时域描述。
应用:利用自相关法对混有噪声的弱周期信号进行检测,自相关法检测中增益的计算。
互相关是统计学中用来表示两个随机矢量X和Y之间的协方差cov(X,Y),以与矢量X的“协方差”概念相区分,矢量X的“协方差”是X的各标量成分之间的协方差矩阵。
应用:用相关分析法分析复杂信号的频谱;用相关分析法确定深埋地下的输油管裂损位置,以便开挖维修;用相关法测试热轧钢带运动速度;利用互相关函数进行设备的不解体故障诊断。
自功率谱、互功率谱的定义、应用。
采样定理?
在进行模拟/数字信号的转换过程中,(>2fmax),采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息,一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5〜10倍;采样定理又称奈奎斯特定理。
泄漏与加窗处理的定义、应用
栅栏效应?
静态误差、动态误差?
静态误差是指当测量器件的测量值(或输入值)不随时间变化时,测量结果(或输出值)会有缓慢的漂移。
动态误差是指控制系统在任意的输入信号作用下达到稳态时的控制误差。
系统特性的描述方法?
二、简答题
传感器的静态特性以及描述静态特性的主要技术指标?
传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时,传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是:线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂
传感器的动态特性以及描述动态特性主要技术指标?
动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时,系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。
金属电阻应变片半导应变片的工作原理有何区别?各有何优缺点?
答:
□•
相同之处在于:都是将被测量的变化转换为电阻的变化,且dR/R=(l+2H)S+AES,其中H为材料的泊桑比,已为材料的弹性模量,(1+2H)£是由几何尺寸变化引起的阻值变化,久E£是由电阻率的变化引起的阻值变化。
不同的是,电阻应变片是利用导体形变引起的阻值变化,所以dR/Ra(l+2H)£,SU1+2H;
而半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应使电阻率发生变化引起电阻变化。所以dR/R=AEs,SaRE。
各自的优点分别为:电阻丝应变片具有相当高的适应性;半导体应变片的灵敏度高,一般为电阻丝应变片的50-70倍。
应变片测量时为什么要进行温度补偿?常用温补方法有哪些?应变片的温度误差补偿方法通常有桥路补偿和应变片自补偿两大类
电容式传感器的变换原理和结构型式?举例说明其应用。
S
c一间隙变化型,面积变化型,介质变化型;
压电传感器的特点及应用。
以压电效应为工作原理的传感器,是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是用压电的材料制作而成的,而当压电材料受到外力作用的时候,它的表面会形成电荷,电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后,就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量;它能够测量发动机里面的燃烧压力,也能够应用在军事方面。它可以测量在膛中的枪炮子弹在击发的那一刻,膛压的改变量以及炮口所受到的冲击波压力。
热电偶冷端补偿的必要性?常用冷端补偿有几种方法?热电偶测量温度时要求其冷端(测量端为热端,通过引线与测量电路连接的端称为冷端)的温度保持不变,其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时,冷端的(环境)温度变化,将影响严重测量的准确性。,,,。
压阻效应和压电效应的区别?举例说明应用。
压电效应:即一些电介质材料在一定方向上受到外力作用而产生变形时,在它们的表面上会产生电荷,当外力被去除后,表面又回到不带电状态。
压阻效应:是指当物质受到外力作用,其电阻率发生变化的现象。
三、计算与分析题(3小题,共36分)
、量程范围600〜1200°C的温度传感器,它最大允许绝对误差是多少?检验时某点最大绝对误差是4€,问此表是否合格?
AA
解:根据精度定义表达式A=YX100%,并由题意已知
A=%,Y=(1200-600)C,得最多允许误差
△A=A・Y=%X(1200-600)=3C
此温度传感器最大允许误差位3C。检验某点的最大绝对误差为4C,大于3C,故此传感器不合格。
例2变间距形平板电容传感器,当d0=1mm时,%。求:允许间距测量最大变化是多少?
Ad
解:当变间距平板型电容传感器的<<1时,其线性度表达式为
d
5=(Ad)x100%
Ld
0
Ad
%=(T)X100%,即测量允许变化量Ad=。
例3单组式变面积型平板形线位移电容传感器,两极板相互覆盖的宽度为6mm,,极板间介质为空气,试求其静态灵敏度?若极板相对移动2mm,求其电容变化量?(已知:真空中的介电常数为£0=-12F/m)解:单组式变面积型平板线位移电容传感器,其电容量的计算式为:
■r
本题中b=6mm,&=,故静态灵敏度为:
=-10
(F/m)
7dCd(88bl/5)-12x1x6x10-3
k==0―r=—r—=
-3
极板相对移动2mm,其电容变化量:
AC=kxAl=-10x2x10-3=-13(f)
例4压电式压力传感器灵敏度S1=9pC/Pa将它和一台灵敏度为S2=,其后再接入灵敏度为S3=25mm/V的光线示波器,试绘出这个测试系统的框图,并计算其总灵敏度?
解:测试系统框图如下:
根据灵敏度的定义,总灵敏度为:
AP
AXAVAQ
AVAQAX
=SSS
123
=9(pC/Pa)(V/pC)x25(mm/V)=(mm/Pa)
例5进行某次动态压力测量时,所采用的压电式力传感器的灵敏度£,把它和一台灵敏度K2可调的电荷放大器连接,放大器的输出又接到一台灵敏度为K3=10mm/V的笔式记录仪上。试:
绘出该测试系统的框图;
,为使记录笔在记录纸上的位移不大于50mm,则电荷放大器的灵敏度k2应调至多大?
解:计算方法同例3相似,省略详细解。
例6—应变片的电阻R0=120Q,K=,用作应变为800pm/m的传感元件。
求AR与R/RA;
若电源电压Ui=3V,求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压U。。
解:⑴—==205x^=l64X1Q-5
R10s
n=164xiO-3=L64xl0"3>120=
(空粮■岀电压q二+普'^x3=123xl0-\r)=(mr)
例7以若干阻值R=100Q,灵敏度k=2的电阻应变片与阻值R=1000的固定电阻组成电桥,
供桥电压为10V。当工作应变为8=1X10-3时,若要使输出电压大于12mV,问:
可采用何种接桥方式?
计算当输出阻抗为无穷大时,电桥的输出电压值?
解:当灵敏度k=2、阻值R=120O的应变片受到工作应变为8=1X10-3时的电阻改变量为:
AR=ksR=2x1x10-3x100=
计算当输出阻抗为无穷大时,我们分别以半桥单臂、半桥双臂和全桥计算电桥的输出
半桥单臂时:U=-—E=x10=(V)=5(mV)
4R4x100
半桥双臂时:U=——E=x10=(V)=10(mV)
2R2x100
全桥时:U=一E=x10=(V)=20(mV)
R100
显然,①只能采用全桥电路;②此时全桥电路输出为20mV.
例8有人在使用电阻应变仪时,发现灵敏度不够,于是试图在工作电桥上增加电阻应变片以
提高灵敏度。试问,在下列情况下:
①半桥双臂各串联一片。②半桥双臂各并联一片。是否可提高灵敏度?说明为什么?
解:半桥双臂时电压输出
当半轿咬■臂荟串联一片应变片时,电妊榆出
当半轿取■臂备并联--片应变片时,电压榆出
"
例9如果将100Q的应变片贴在柱形弹性试件上,该试件的截面积S=-4m2,材料弹性模量E=2x10HN/m2。若由5X104N的拉力引起应变片电阻变化为1Q,求该应变片的灵敏系数K。
解:试件在拉力F=5X104N作用下,其横截面受到的正应力O为:
b===1x109(N/m2)
-4
在此应力作用下,相应的应变£为:
b1x109
£===5x10-3
E2x1011
在此应变下,100Q的电阻应变片电阻变化为1Q,即:
AR=kRs=kx100x(5x10-3)=1(0)
故可求得应变片的灵敏度系数k为:
k=1=2
100x(5x10-3)
/°C的热电偶与电压表相连,电压表接线处温度为50°C。电压
表上读数为60mV,求热电偶热端温度。
解法1:根据题意,电压表上的毫伏数是由热端温度t,冷端温度为50C产生的,即:
E(t,50)=60mV
又因为:E(t,50)=E(t,0)-E(50,0)则:
E(t,0)=E(t,50)+E(50,0)=60+=64mV
所以热端温度t=64/=800°C。
解法2:/°C,说明所测温度与热电偶输出成线性关系,
可设:E(T)=kT+A=+A(其中:T为工作端温度,A是待定常数。)
因电压表接线端为50°C。则当测端温度也为50C时,有:
E(50)=0
故:
推出:A=-4mV,
E(T)=-4
当电压表测得数值为60mV时,即:60=—4
T=800°C