《现代检测技术及~仪表》第2版习题解答.doc

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1、|1-1 答：钱学森院士对新技术革命的论述中说：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础” 。如果没有仪器仪表作为测量的工具，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。因此可以说，仪器技术是信息的源头技术。仪器工业是信息工业的重要组成部分。1-2 答：同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性：1、便于采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围(量程)。2、电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测

2、技术将具有很宽的测量频率范围(频带)。3、把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。4、把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。1-3 答：各类仪器仪表都是人类获取信息的手段和工具。尽管各种仪器仪表的型号、原理和用途不同，但都由三大必要的部分组成：信息获取部分、信息处理部分、信息显示部分。从“硬件”方面来看，如果把常见的各类仪器仪表“化整为零”地解剖开来，我们会发现它们内部组成模块大多是相同的。从“软件”方面来看，如果把各个模块“化零为整”地组装起来，我

3、们会发现它们的整机原理、总体设计思想、主要的软件算法也是大体相近的。这就是说，常见的各类仪器仪表尽管用途、名称型号、性能各不相同，但它们有很多的共性，而且共性和个性相比，共性是主要的，它们共同的理论基础和技术基础实质就是“检测技术” 。常见的各类仪器仪表只不过是作为其“共同基础”的“检测技术”与各个具体应用领域的“特殊要求”相结合的产物。1-4 答： “能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”叫做传感器。能把被测非电量转换为传感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件，叫做敏感器。如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称作预变换器。敏感器

4、与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是象传感器那样把非电量转换成电量。1-5 答：目前，国内常规（常用）的检测仪表与系统按照终端部分的不同，可分为以下三种类型：1、普通模拟式检测仪表基本上由模拟传感器、模拟测量电路、和模拟显示器三部分组成，如题 1-5 图 1 所示。题 1-5 图 12、普通数字式检测仪表基本上由模拟传感器、模拟测量电路、和数字显示器三部分组成，如题 1-5 图 2 所示。按照显示数字产生的方式，普通数字式检测仪表又可分为模数转换式和脉冲计数式两种类型。|题 1-5 图 23、微机化检测仪表其简化框图题 1-5 图 3 所示。微机

5、化检测仪表通常为多路数据采集系统，能巡回检测多个测量点或多种被测参数的静态量或动态量。每个测量对象都通过一路传感器和测量通道与微机相连，测量通道由模拟测量电路（又称信号调理电路）和数字测量电路（又称数据采集电路）组成。传感器将被测非电量转换成电量，测量通道对传感器信号进行信号调理和数据采集，转换成数字信号，送入微机进行必要的处理后，由显示器显示出来，并由记录器记录下来。在某些对生产过程进行监测的场合，如果被测参数超过规定的限度时，微机还将及时地起动报警器发出报警信号。题 1-5 图 3第 2 章2-1 解：灵敏度为 。mVS/01=2-2 求：(1)测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移

6、4cm 时，所对应的温度变化值。 解：（1）测温系统的总灵敏度为 cm/18.02.45=S（2）记录仪笔尖位移 4cm 时，所对应的温度变化值为:2.18.04t2-3 解：据公式（） 解此方程得510)(5ey=s21.7ln52-4 解：据公式（2-1-18） ，二阶传感器的幅频特性为：。221)( nnK当 时， ，无幅值误差。当 时， 一般不等于 1，即出现幅值误00K差。由题意知 ， ，要确定满足 也就是满足kHzn125.%31的传感器工作频率范围。03.97.0K|解方程 ，得 ；97.021)( =+=nnK n03.1解方程 ，得 ， 。03.121)( nn n25.0n

7、97.03由于 ，根据二阶传感器的特性曲线可知，上面三个解确定了两个频段，即 0 和5.0 2 。前者在特征曲线的谐振峰左侧，后者在特征曲线的谐振峰右侧。对于后者，尽31管在该频段内也有幅值误差不大于 3，但是该频段的相频特性很差而通常不被采用。所以，只有 0 频段为有用频段。由 可得 ，2 kHzn1025.2.0=kzf5.2即工作频率范围为 0 。kHz5.2-5 解：据题意知， ，阻尼比 ，代入公式（）得幅频1K1/特性为，故测量频率为 600Hz 时幅值比为401)(+=ffK 94.016)(=+fK据公式（）得相位差为 536012arctn)( f同理可得测量频率为 400Hz

8、 时幅值比和相位差分别为 0.99 和33.72-6 解： 按式（2-3-6)求此电流表的最大引用误差%.2105.maxq2.01.5即该表的基本误差超出 1.5 级表的允许值。所以该表的精度不合格。但该表最大引用误差小于 2.5 级表的允许值，若其它性能合格可降作 2.5 级表使用。2-7 解：据公式（23）计算，用四种表进行测量可能产生的最大绝对误差分别为：A 表 % =1.5% V=0.45VGx=maL30B 表 % =1.5% V=0.75V5C 表 % =1.0% V=0.50Vxma|D 表 % =0.2% V=0.72VGx=maL360四者比较可见，选用 A 表进行测量所产

9、生的测量误差较小。3-1 答：线绕式电位器的电阻器是由电阻系数很高的极细的绝缘导线，整齐地绕在一个绝缘骨架上制成的。在电阻器与电刷相接触的部分，导线表面的绝缘层被去掉并抛光，使两者在相对滑动过程中保持可靠地接触和导电。电刷滑过一匝线圈，电阻就增加或减小一匝线圈的电阻值。因此电位器的电阻随电刷位移呈阶梯状变化。只要精确设计绝缘骨架尺寸按一定规律变化，如图 3-1-2(b)所示，就可使位移电阻特性呈现所需要的非线性曲线形状。由 31-2(a)可见，只有当电刷的位移大于相邻两匝线圈的间距时，线绕式电位器的电阻才会变化一个台阶。而非线绕式电位器电刷是在电阻膜上滑动，电阻呈连续变化，因此线绕式电位器分辨

10、力比非线绕式电位器低。3-2 解：据公式（3-1-4 ） ，对于空载电位器，其输出电压与输入位移呈线性关系， xLURxx由上式可见，电位器灵敏度的提高几乎是完全依靠增加电源电压来得到。但是电源电压不可能任意增加，它是由电位器线圈的细电阻丝允许的最大消耗功率 P 决定的。所以，允许的电源电压为VPR20104.由题意知，L=4mm，x=1.2mm，代人公式（3-1-4 ）计算得，电位器空载输出电压为Ux62.3-3 答：应变片的灵敏系数 k 是指应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比，而应变电阻材料的应变灵敏系数 k0是指应变电阻材料的阻值的相对变化与应变电阻材料的应变之

11、比。实验表明：kk0，究其原因除了黏结层传递应变有损失外，另一重要原因是存在横向效应的缘故。应变片的敏感栅通常由多条轴向纵栅和圆弧横栅组成。当试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态，即轴向拉伸 x 和横向收缩 y。粘贴在试件表面的应变片，其纵栅承受 x 电阻增加，而横栅承受 y 电阻却减小。由于存在这种横向效应，从而引起总的电阻变化为，(1)xyxxRkkH按照定义，应变片的灵敏系数为 ，)1(/HkRxx因 ，横向效应系数 ，故 。0xy0xyk0x3-4 解：应变片用导线连接到测量系统的前后，应变片的应变量相同，都为2/R应变片用导线连接到测量系统后，导线电阻将使应变电阻的相对变化减小

12、，从而使应变片的灵敏度降低为|82.102 RkrRk3-5 解：将题中给出的参数值，代人书上的公式（ 3-1-23） ，计算得由温度变化引起的附加电阻相对变化为： 46600 1082.4109.5.1 tKRsgt 。折合成附加应变为 。44037.5.208/ Rtt3-6 解：由题知 W（100）=R 100 /R0 =1.42，代入公式（3-1-26） ，计算得电阻温度系数为 )/(42.01.4.14.1000 CRtR 当温度为 50时，代入公式（3-1-26）计算得，此时的电阻值为)()5.()5(05 R当 Rt=92 时，代入公式（3-1-26）计算得，此时的温度值为194

13、2.09Ctt 3-7 解：T 0 =0=273K ，R 0 =500k；T=100=373K，代人公式（3-1-30）计算得热敏电阻的阻值为 keR98.2)731(2907333-8 答：采用金属材料制作的电阻式温度传感器称为金属热电阻，简称热电阻。一般说来，金属的电阻率随温度的升高而升高，从而使金属的电阻也随温度的升高而升高。因此金属热电阻的电阻温度系数为正值。采用半导体材料制作的电阻式温度传感器称为半导体热敏电阻，简称热敏电阻。按其电阻温度特性，可分为三类：(1)负温度系数热敏电阻(NTC)；(2)正温度系数热敏电阻(PTC)；(3)临界温度系数热敏电阻(CTC)。因为在温度测量中使用

14、最多的是 NTC 型热敏电阻，所以，通常所说的热敏电阻一般指负温度系数热敏电阻。3-9 答：题 3-9 图是日本生产的某电冰箱温控电路。该电冰箱的温控范围 由LTH|窗口题 3-9 图比较器的窗口电压 和 决定。调节电位器 可调整 。图中 为热敏电阻，当温度LVHPRLTtR上升时， 减小， 升高。当冰箱内温度 时， ，窗口比较器使 RStRT HLHV触发器的 S 端为低电平，R 端为高电平，Q 输出端为高电平，晶体管导通，继电器 J 线圈通电而动作，继电器常开触点闭合，电冰箱压缩机启动制冷。冰箱内温度降低。当冰箱内温度 时， ，窗口比较器使 RS 触发器的 S 端为高电平，LHLTVR 端

15、为低电平，Q 输出端为低电平，晶体管截止，继电器线圈失电而动作，继电器常开触点复位，电冰箱压缩机停机。当冰箱内温度 时， ，窗口比较器使 RS 触发器的 S 端和 RHL HTL端均为高电平，RS 触发器保持原状态不变，压缩机继续运转或继续停机。 3-10 答：气敏电阻是利用半导体陶瓷与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。气敏电阻都附有加热器，以便烧掉附着在探测部位处的油雾、尘埃，同时加速气体的吸附，从而提高元件的灵敏度和响应速度。半导瓷气敏电阻元件一般要加热到200400，元件在加热开始时阻值急剧地下降，然后上升，一般经 210 分钟才达到稳定，称之为初始稳定状态，元件只有在达到初始

16、稳定状态后才可用于气体检测。3-11 答：下图为一个简易的家用有害气体报警电路。图中变压器次级绕组为气敏电阻QM-N6 提供加热器电源。变压器初级中心抽头产生的 110V 交流电压，加到由 1k 电位器、气敏电阻和蜂鸣器串联组成的测量电路。当 CO 等还原性有害气体的浓度上升时，气敏电阻减小，流过蜂鸣器的电流增大，当有害气体的浓度使蜂鸣器的电流增大到一定值时，蜂鸣器就鸣叫报警。调整电位器可调整蜂鸣器灵敏度，即产生报警的有害气体最低浓度。图中氖灯 LD 用作电源指示。为防止意外短路，变压器初级安装了 0.5A 的保险丝。|3-12 解：图 3-1-18 中电表为电流表，其中电流 为：XI（ 为电

17、流表满量程）FXXIRVI213为负特性湿敏电阻。湿度 。XI湿度测量范围 RH RH，minmaxXRd 为湿度 RH 时 RX 的值 ，axin因要求 即 ，FXIFIV321所以增大 可减小 ，即扩大测湿量程 RH。1minXmaxX3-13 答：测湿电路通常为湿敏电阻构成的电桥电路。如果采用直流电源供电，湿敏电阻体在工作过程中会出现离子的定向迁移和积累，致使元件失效或性能降低，因此所有湿敏电阻的供电电源都必须是交流或换向直流(注意：不是脉动直流)。3-14 答：温度变化时，电阻应变片的电阻也会变化，而且，由温度所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎具有相同数量级，如果不采取温度

18、补偿措施，就会错误地把温度引起的电阻变化当作应变引起的电阻变化，即产生“虚假视应变” 。把两个承受相同应变的应变片接入电桥的相对两臂，并不能补偿温度误差。从表 3-1-1 所列图 3-（b）计算公式可知，电桥输出电压为，由此可见，温度引起的电阻变化 也影响电桥输)(22TTkEREU TR出电压，此时，从电桥输出电压测出的应变并不是真实应变 ，而是 ，其中包含)(有虚假视应变即温度误差 。T3-15 解：一个应变片接入等臂电桥，属于单臂工作的情况，将（3-1-19 ）式代入（3-1-36）式得 kERU40（1）|由上式可见，电源电压越高，输出电压越大，但是电源电压受应变片允许电流的限制，由题

19、意知，应变片允许工作电流是 15mA，因此激励电源电压应选为VIRE310523代入（1）式计算得，电桥输出电压为 5mV 时钢制试件上应变片的应变为3059.4kU3-16 答：据公式（3）图 3-2-1（c）所示电容传感器的初始电容为rrdSdC2100210如果空气隙减小了 ，则电容值变为 rrrrr dCddSdSdS 21021210210210 双层介质差动式变极距型电容传感器的电容与动极板位移的关系式为 rdC2121题 3-17 图 3-17 答：题 3-17 图所示为变介质式电容传感器，设极板宽为 ，长为 。极板间无介bl质块时的电容为 ，极板间有介质块时的电容为，210db

20、lC xdlCdxlbxBA 2101221)(上式表明传感器电容与介质块位移 x 成线性关系。3-18|题 3-18 图解：由题 3-18 图和题中参数可求得初始电容C1=C2=C0=S/d=0r2/d0pF. 6710671685232变压器电桥输出端电压 UCZUZUsc 212121其中 Z1 ,Z2 分别为差动电容传感器 C1 ,C2 的阻抗.，将公式（ 3-2-9）代入上式计算得 )(sin50si36.050 Vttudsrsc 3-19 答：自感传感器有三种类型：变气隙式、变面积式和螺管式。变气隙式灵敏度最高，螺管式灵敏度最低。变气隙式的主要缺点是：非线性严重，为了限制非线性误

21、差，示值范围只能较小；它的自由行程受铁心限制，制造装配困难。变面积式和螺管式的优点是具有较好的线性，因而示值范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。此外，螺管式与变面积式相比，批量生产中的互换性好。由于具备上述优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，因此目前螺管型自感传感器的应用越来越多。3-20 解：设纸页厚度为 ，磁导率为 ，其磁阻远大于铁心和衔铁的磁阻，因此据公式（35）可推得，题 3-20 图所示自感式传感器的自感为 ，电流表的2ANL读数为 可见电流表的读数与纸页厚度成线性关系。ANULI23-21 解：将题中参数代人书上的公式（ 3-3-2） ，分别计算铁芯磁

22、路磁阻和气隙磁阻，计算结果证明，铁芯磁路磁阻远小于气隙磁阻，因此该变隙式电感传感器的电感可采用书上的公式（3-3-5 ）近似计算。由公式（3-3-6）和（3-3-7 ）可知，当衔铁移动 时，传感器的电感变化为 0001+=LL将公式（3-3-6）代人上式得，变隙式电感传感器的灵敏度为2002000 11 ANAN据题意知：A1.5cm 2， ， 。代人上式计算得变隙式电感mH/4703|传感器的灵敏度为 mHANL /9.3105.2.4302247 若将其做成差动结构形式，则灵敏度为单一式的两倍，且线性度也会得到明显改善。3-22 答：由自感传感器的等效电路图 3-3-3 可见，自感传感器工

23、作时，并不是一个理想的纯电感 L，还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容组成的并联寄生电容 C。更换连接电缆后，连接电缆线分布电容的改变会引起并联寄生电容 C 的改变，从而导致自感传感器的等效电感改变，因此在更换连接电缆后应重新校正或采用并联电容加以调整。3-23 答：差动自感式传感器与差动变压器式传感器的相同点是都有一对对称的线圈铁心和一个共用的活动衔铁，而且也都有变气隙式、变面积式、螺管式三种类型。不同点是，差动自感式传感器的一对对称线圈是作为一对差动自感接入交流电桥或差动脉冲调宽电路，将衔铁位移转换成电压。而差动变压器式传感器的一对对称线圈是作为变压器的次级线圈，此外，差动变压器式传感器还

24、有初级线圈（差动自感式传感器没有） ，初级线圈接激励电压，两个次级线圈差动连接，将衔铁位移转换成差动输出电压。3-24 答：图(a)和图(b)的输出电流为 Iab=I1-I2，图(c)和图(d)的输出电压为 Uab=Uac-Ubc。当衔铁位于零位时，I1I2,Uac=Ubc，故 Iab=0,Uab=0;当衔铁位于零位以上时，I1I2，UacUbc，故 Iab0，Uab0;当衔铁位于零位以下时，I1I2,UacUbc,故 Iab0,Uab0。因此通过 Iab和 Uab的正负可判别衔铁移动方向。又因为 Iab和 Uabde 大小与衔铁位移成正比，因此通过 Iab和Uab的大小可判别衔铁位移的大小。调整图中电位器滑动触点的位置，可以使差动变压器两个次级线圈的电路对称，在衔铁居中即位移为零时，图 3-电路输出电流或电压为零。3-25 题 3-25 图 1解：题 3-25 图 1 中 为平衡电阻。在 Ui 的正半周， ,即 ，R2 0iUBA题 3-25 图 1 中二极管 D1 和 D3 导通，D2 和 D4 截止，题 3-25 图 1 等效为题 3-25 图 2(a),由图可见，(1)RZUiCD12