自动检测系统

一、填空

1、电涡流传感器的物理效应是 电涡流效应 ，压电传感器的物理效应是 压电效应 ，电阻式应变式传感器的物理效应是 电阻应变效应 ，电磁感应式传感器的物理效应是 法拉第电磁感应定律 、光纤传感器的物理效应是 传光原理 。

2、检测系统由对被检测对象进行检测、变换、传输、分析、处理、判断和显示等不同功能的环节组成。 3、检测系统的基本特性一般是指检测系统输入量和输出量关系的特性。它分为静态特性和动态特性。 4、描述静态特性的参数有：灵敏度、分辨力、线性度、迟滞和稳定性。 5、误差按其出现的规律可分为系统误差、粗大误差和随机误差三种。 6、利用光生伏特效应可制成 光电器件，利用外光电效应可制成

和 和

7、测量误差的基本表示方法有绝对误差 、 相对误差、引用误差 、 基本误差 、附加误差 。 8、热电偶传感器的原理是，产生的热电动势是由接触电动势 和两部分组成分。

9、在自动检测系统中常用的信号放大的方式有 、 10、检测系统中常见的信号转换电路有、 、 11、具体来说，传感器的选用应从测量对象和测量环境 、灵敏度 、频率响应特性、线性 范围、 稳定性 、 精度 方面考虑。

12、常用的差动式电感传感器有变隙式、变面积式及螺线管式三种。 13、绝对误差 与系统量程L之间的比值为 引用误差 ， 其表达式为14、随机误差具有、统计特性。

15、电涡流传感器按激励频率的高低分类，有 和 16、感应同步器的信号鉴别方式有

17、电容式传感器可分为__ __ ___三种类型 18、石英晶体有X、 Y 、Z三个晶轴分别被称为_

19、超声波从第一介质垂直入射到第二介质时,在分界面声波会产生和现象。 20、分辨力是指规定测量范围内能检测输入量的_最小变化的能力_______。 21、半导体气敏电阻传感器通常由、和三部分组成。 22、湿敏传感气根据工作方式可分为和两类。 23、磁栅位移传感器由和组成。

x

100%。 L

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24、根据载波受调制的参数不同，调制可分为、和三种。 25、基本滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种。 26、常用的屏蔽技术有静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽三种技术。 27、采样保持器的工作方式有采样方式和保持方式两种。

28、在调制与解调时，解调调幅波的方法有、和三种。

29、欲测量变化范围为0~2000C的温度应选择温度传感器，测量20000C的高温应选择温度传感器。

30、干扰形成必须同时具备三项因素为：和；消除或减弱噪声干扰的方法可针对三项因素，采取的三方面的措施为：消除或抑制干扰源、破坏干扰途径和削弱接收回路对干扰的敏感性。 31、选择填空

电阻应变片 磁敏电阻 霍尔元件 气敏传感器 湿敏传感器 光电耦合器 压电传感器 电容传感器 热敏电阻 CCD电荷耦合器 压阻式传感器 光纤传感器 磁电传感器 光电二极管 差动变压器 热释电器件 磁敏晶体管 电涡流传感器 光电池 超声波传感器 热电偶 红外传感器 色敏传感器

正确选择以上传感器填入以下空内：

（1）可以进行位移测量的传感器有光纤传感器、差动变压器、电阻传感器； （2）可以完成温度测量的有热电偶、热敏电阻；热释电；

（3）半导体式传感器是磁敏电阻、霍尔元件、气敏传感器、压阻传感器； （4）光电传感器有光电耦合器、色敏传感器、光纤传感器、光电二极管； （5）用于磁场测量的传感器霍尔器件、磁敏晶体管；

（6）进行振动（或加速度）测量的传感器磁电传感器、压电传感器； （7）利用物体反射进行非电量检测的传感器超声波传感器、红外传感器；

32、通常传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，是能把外界非电量转换成电量的器件和装置。

33、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称应变效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为横向效应。

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34、差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为零点残余电压；利用差动变压器测量位移时，如果要求区别位移方向（或正负）可采用相敏检波电路。

35、把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称霍尔效应，这个电动势称为霍尔电势。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象称磁阻效应。

36、某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为正压电效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称逆压电效应。

37、在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应；入射光强改变物质导电率的现象称光电导效应；半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动式的效应称光生伏特效应。

38、块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称电涡流传感器；这种传感器只能测量金属物体。

39、不同的金属两端分别连在一起构成闭合回路，如果两端温度不同，电路中会产生电动势，这种现象称热电效应；若两金属类型相同两端温度不同，加热一端时电路中电动势E =0。 40、如果仅仅检测是否与对象物体接触，可使用ON-OFF型微动开关作为传感器。 41、红外图像传感器由红外敏感元件和电子扫描电路组成。

dR

42、在电阻应变片公式，R=(1+2μ)ε+λEε中，λ代表__材料压阻系数。

43、.利用电涡流位移传感器测量转速时，被测轴齿盘的材料必须是_______。

44、当磁头相对于磁尺不动时，仍有感应电动势输出的是静态磁头，且输出电势的幅值由磁头所处的位置所决定。

45、动态标定的目的，是检验测试传感器的_______指标。

46、确定静态标定系统的关键是选用被测非电量(或电量)的标准信号发生器和_标准测试系统______。

47、传感器的频率响应特性，必须在所测信号频率范围内，保持__不失真测量_条件。 48、热电偶电动势由__温度差_____电动势和接触电动势两部分组成。 149、SnO2型半导体气敏器件非常适宜检测浓度较__低_____的微量气体。

50、有源滤波器由集成运放和___RC网络____组成。 51、.采用___交流____电源供电的电桥称为交流电桥。

52、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感器输出信号进行__细分_____。

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53、根据测量数据中误差所呈现的规律，误差可分为三种，即、和。 54、传感器的作用包含信息数据 的收集、的转换和 55、描述传感器静态特性的技术指标是：灵敏度、线性度、迟滞、和重复性。

56、频率响应特性是指将频率不同而幅值相等的 正弦 信号输入传感器，求其输出正弦信号的幅值 、相位 与

频率 之间的相互关系。

57、光电器件主要包括：和光电耦合器。

58、按照光纤在传感器中的作用，通常可将光纤传感器分为两种类型：一类是功能型，另一类是非功能型 59、直接式测量质量流量的克里奥利力质量流量计是根据牛顿第二定律力、 三者的关系，实现对质量流量的测量。 60、根据热电偶测温系统示意图（右图）表示：

①热电偶 ；②连接导线；③ 显示仪表； T0冷 端 ；T 热端 。

二、判断

1、光纤传感器所采用的光纤一般多采用同轴分布（发送光纤在外）方式的光纤。（对 ） 2、精确度是反映测量仪表优良程度的综合指标。（ 错 ）

3、实际测量中，精密度高，准确度不一定高，因仪表本身可以存在较大的系统误差。反之，如果准确度高，精密度也不一定高。（ 对）

4、采用几个热电偶串联的方法测量多点的平均温度，当有一只热电偶烧断时，不能够很快地觉察出来。（错 ）

5、黑体是指对辐射到它上面的辐射能量全部吸收的物体。（ 对）

6、如果对压电晶体Y轴施加力F时，电荷仍出现在与X轴垂直的平面上。（对 ）

7、凡是能引起电涡流变化的非电量，均可通过测量绕阻的等效电阻R、等效电感L、等8、效阻抗Z及等效品质因数Q来转换。（ 对 ）

8、动态特性好的传感器，其输出随时间的变化规律将再现输入随时间变化的规律，即它们具有相同的时间函数。（ 对 ）

9、在固态压阻传感器测量电路中恒压源和恒流源供电均与电流大小、精度及温度有关。（错 ） 10、热回路的热电动势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关。（ 对 ）

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二、名词解释

1.应变效应:：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，此种现象称为电阻应变效应。 2.霍尔效应:：通电半导体放在均匀磁场中，在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场，这种现象叫霍尔效应。

3.压电效应: 某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失，力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应。 4.电涡流效应：当金属导体处于交变磁场中时，表面会因电磁感应产生电动势，该电动势因电阻的存在而发生自行闭合的游涡状电涡流，这种现象称为电涡流效应。

5.光电效应:光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，这种现象为光电效应。

6、调制：就是使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。 7、解调：把调制波恢复出调制信号的过程，称为解调。

8、有源滤波器：采用无源元件及有源元件组合而成的滤波器称为有源滤波器。 9、无源滤波器：采用R、C、L无源元件组成的滤波器称为无源滤波器。

10、测量放大器：具有对含有共模干扰信号的放大需要放大电路具有很高的共模拟制比以及高增益、低干扰和高输入阻抗的特点的放大器称为测量放大器。

11、传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置。

12、直接测量法在使用仪表或传感器进行测量时，对以表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测量方法。

13、中间导体定律指热电偶回路中接入中间导体（第三导体C），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电动势没有影响。

14、测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法。

三、简答题

.1、试画出传感器组成框图

2、利用电涡流传感器测量物体的位移时，试问：

1）如果被测物体是塑料的，位移测量是否可行，为什么？ 2）为了能对该物体进行位移测量，应采取什么措施？ 3）电涡流传感器测量量程有哪些因素有关？

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答： 1）不行，这与电涡流产生的原理有关，电涡流传感器工作原理如下图所示：

时，线圈周围就产生一个交变磁场H，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I11

，电涡流也将产生一个新磁场H，H与H方向相反，因而置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2212

抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。

可见，电涡流传感器只能测量金属体。 2）在相应的位置贴上磁性片

3）电涡流传感器测量范围与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如仅改变距离，则阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间距离的大小变化。

3、电感式传感器测量电路的主要任务是什么？变压器式电桥和带相敏整流的交流电桥，谁能更好地完成这一任务？为什么？

答：（1）电感式传感器测量电路的主要任务是将线圈电感的变化转变为电桥的电压或电流输出，带相敏整流的交流电桥更能完成这一任务。

（2）差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟数字电压表测量，只能反映铁心位移大小，不能反映移动的方向，另外，其测量值必含有零点残余电压，因此在实际中，常采用相敏检波电路。 （3）相敏检波电路是把差动变压器的两个二次绕组的输出电压分别整流，然后将整流电压或电流的差值作为输出，再经过滤波放大电路，输出直流电压。 4、简述如何防止和抑制传感器的外来干扰？

答：干扰的形成必须同时具备三项因素，即干扰源、干扰途径以及对噪声敏感性较高的接收电路。消除或减弱噪声干扰的方法可针对这三项因素，采取三方面的措施：（1）消除或抑制干扰源，（2）破坏干扰途径，（3）削弱接收回路对干扰的敏感性

但是实际上不少干扰源是不可能消除的，因此还得采用其他的方法。

（4）屏蔽技术：将信号源或测量电路包起来，使信号不受外界电磁信号的干扰。

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（5）接地技术：一是连接到系统的基准，二是连接到大地，可采用公共基准点位接地，抑制干扰接地，安全保护接地等。

（6）隔离技术，以切断可形成的环路，提高电路系统的抗干扰性能。

（7）滤波法：即用电容和电感线圈或电容电阻组成滤波器接在测量电路的输入端，以阻止干扰信号进入放大器，使其衰减。

5、热电偶冷端补偿方式有那几种? 答：（1）补偿导线法，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热点特性。 （2）计算修正法，根据中间温度定律进行计算。

（3）自由端恒温法，一般把补偿导线的末端引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定温度。 （4）自动补偿法即补偿电桥法，是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，自动补偿热电偶测量过程中因自由端温度不为00C或变化而引起热电势的变化值。

6、压电元件和电荷放大器组成的压力测量系统能否用于静态测量？压电传感器采用电荷放大器有什么优点？

答：在实际测量时，放大器的输入电阻Ri和传感器的泄漏电阻Ra不可能为无穷大，因此电荷就会通过放大器的输入电阻Ri和传感器的泄漏电阻Ra漏掉，所以压电传感器不能用于静态力测量。

电荷放大器的输出电压与电缆电容无关。因此电缆可以很长，可达数百米，甚至上千米，灵敏度却无明显损失，这是电荷放大器的一个突出优点，因此在测量时不必考虑传感器与放大器配套问题，放大器与传感器可以任意互换，这也是压电式传感器的放大电路多用电荷放大器的主要原因。

7、在自动检测系统中为什么要将电压信号转换为电流信号，又为什么将电流信号转换为电压信号？

答：从自动检测系统的发展趋势看，系统的功能越来越完善，不断地向模块化方向发展，而且大量仪表单元的内部电路也被单片机所代替，因此提出一个重要的问题，就是如何实现信号的匹配问题，另外，在长线传输的时候，为了有效地抑制外来干扰，需将传感器输出的电压信号转为电流信号；当变频器的输出信号为电流信号时，要转换成被计算机系统所认识的电压信号。 8、简述在模拟量自动检测系统中常用的线性化处理方法？

答：在检测系统中不可避免地存在非线性环节，采用模拟显示方式时可以进行非线性刻度校正，线性化处理可分为硬件法和软件法。

（ 1）硬件校正法

①在模拟电路中实现非线性校正，可以采用自动增益、程控IA或线性提升电路进行折线逼近。 ②在A/D转换中实现非线性校正，是采用自动切换双积分ADC反积分时间常数的非线性A/D转换器。 ③在数字电路中实现非线性校正，是利用输出数字量反馈控制计数器，称为加减脉冲法；或在计数器前插入乘法器，称为分段乘系数法。

（2）软件校正法

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软件校正法可分两类：分段插值校正法和整体拟合校正法。 常用的方法有：线性插值法和二次插值法。

9、应变片在测量时直流电桥为什么进行温度补偿，温度补偿方法有那几种?

答：在实际应用中，环境温度的变化会引起应变片电阻值发生变化，对测量造成误差。因此要进行温度补偿，以消除误差。常用的方法有四种：

（1）采用差动电路进行温度补偿，采用同型号、电阻温度系数相同的两片或四片应变片接成差动电桥即可消除非线性误差，调高灵敏度。

（2）使用温度自补偿应变片，N型半导体应变片的灵敏度系数为负值，称为温度自补偿应变片，可实现温度补偿。

（3）使用P-N组合型半导体应变片，将P型和N型应变片粘贴在弹性敏感元件上，组成同一力方向上电桥相邻的两臂，当温度变化时，其电阻变化率大小相等，方向相反，实现温度补偿。

（4）采用热敏电阻补偿，在转换电桥的输入或输出中串入负温度系数的热敏电阻可实现灵敏系数温度补偿。

10、简述热电偶基本定律. 答：（1）均质导体定律，有一种导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处温度如何，都不产生热电势。

（2）中间导体定律，在热电偶电路中接入第三种导体C，只要导体C两端温度相等，热电偶产生的总热电动势不变。

（3）中间温度定律，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB（t,t0）等于热电偶AB都在接点t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t,tc)和EAB(tc,t0)。

11、简述压电式超声波发生器的工作原理

答：超声波传感器主要由压电晶体组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。其接收和发射是根据压电效应和逆压电效应实现的。具有压电效应的压电晶体受到声波声压作用时，产生电荷，即将超声波转换成电能；反之，如果将交变电压加在晶体两端面的电极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，并向外发射超声波，实现了电能与超声波的转换。 12、磁栅位移传感器动态读磁头与静态读磁头有何区别?

答：磁头分为动态磁头和静态磁头。动态磁头上只有一个输出绕组，只有当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出，因此动态磁头又称为速度响应磁头。运动速度不同，输出信号的大小和周期也不同，因此，对运动速度不均匀的部件、或时走时停的机床，不宜采用动态磁头进行测量。静态磁头是一种调制式磁头，磁头上有两个绕组，一个是激励绕组，加以激励电源电压，另一个是输出绕组。即使在磁头和磁尺之间处于相对静止时，也会因为有交变激励信号使输出绕组有感应电压信号输出。 13、采样保持器有何用途？ 答：（1）保持采样信号不变，以便完成A/D转换。

（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量。

（3）减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间。 （4）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。 14、产生系统误差的常见原因有哪些？常用的减少系统误差的方法有哪些？

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答：系统误差产生的原因：检测装置本身性能不完善；测量方法不完善；测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等。消除误差的方法：首先，应检查测量仪器本身的性能是否符合要求；其次，测量前仔细检测仪表是否处于正常工作状态；再次，检测测量系统和测量方法是否正确。具体做法：（1）交换法，（2）抵消法，（3）换向法，（4）校准法，（5）补偿法 15、设某石英晶片的输出电压幅值是200mv，若要产生一个大于500mv的信号，需采用什么样的连接方式和测量电路才能达到要求？

答：由于压电晶体表面产生的电荷一般不够多，所以在实际使用中常把两片或两片以上的压电片组合在一起。

当两压电片并联，总电容量C ，总电压U ，总电荷q 与单片的C、U、q的关系是

C 2C；U U；q 2q

当两压电片串联，其关系为

C C/2；U 2U；q q

因此需要三片串联，它的等效电路可以认为是一个电压源和一只电容串联电路，其测量电路是电压放大器。为了保证压电传感器的测量误差小到一定的程度，则要求负载大到一定值，因此在压电传感器输出端要接入一个阻抗很高的前置放大器，在接一般的放大器。其电路图见下图。其中Ra是传感器的漏电阻，Cc是连接电缆的等效电容，放大器的输入电阻Ri和电容Ci。

16、回答与直线式感应同步器有关的下列问题：它由哪两个绕组组成？鉴相式测量电路的作用是什么？

答：1）由固定绕组和滑动绕组组成。

（2）检测感应电动势的相位，从而根据相位确定位移量的大小和方向。

17、在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘制的定度曲线可以确定那些静态特性?

答：在静态测量中，根据绘制的定度曲线，可以确定测量系统的三个静态特性：灵敏度，非线性度，回程误差。

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18、设载波的中心频率为f0试根据图a、图b所示调制信号定性画出相应调频波波形。 答：调频波波形频率f与中心频率f0和调制波幅值的关系f=f0±Δf,Δf为频率偏移，与X(t)幅值成正比。

19、涡流式传感器测量位移与其它位移传感

器比较，其主要优点是什么?涡流传感器能否测量大位移量?为什么? 答：优点：能实现非接触测量，结构简单，不怕油等介质污染。

涡流传感器不能测量大位移量，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。

20、简述变磁阻式传感器的工作原理及其特点。

答：变磁阻式传感器的工作原理是利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的 变磁阻传感器的优点：

（1）结构简单，工作中没有活动触点，因而工作可靠寿命长。

（2）灵敏度高，分辨率大，能测出0.01um甚至更小的机械位移，能够感受小至0.1rad/s微小角变化。传感器输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm，测量范围宽，重复性好，线性度优良并且比较稳定，高精度的变磁阻传感器，非线性误差仅为0.1%。 变磁阻传感器的缺点：

频率相应差，存在交流零位信号，不宜用于高频零位测量。 21、保持电容式传感器特性稳定的方法及其实现措施。

答：（1）减小边缘效应的影响。增大电容器的初始电容量，即增大极板面积和减小极板间距。此外，加装等位环也是一有效办法。

（2）减小寄生电容的影响。对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样的原因，其电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套必须同样良好接地。

22、根据右图简述金属板厚度检测。

答：当金属板的厚度变化时，传感器与金属板间距离改变，从而引起输出电压的变化。由于在工作过程中

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金属板会上下波动，这将影响其测量精度，因此常用比较的测量方法测量，在板的上下各安装一个电涡流式传感器，如右图所示，其距离位D，而它们与板的上下表面分别相距为d1和d2，这样板厚h为h=D-（d1+d2），当两个传感器在工作时分别测得d1和d2，转换成电压值后送加法器，相加后的电压值再与两传感器间距离D相应的设定电压相减，则就得到与板厚度相对应的电压值。

23、简述传感器静态特性的线性度技术指标。

答：传感器的静态特性是在稳态标准条件下，利用一定等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，得出的输出―输入特性。通常，希望这一特性为线性，这样，会对标定和数据处理带来方便。但实际的输出―输入特性一般多是非线性的，因此，采用各种补偿环节，如非线性电路补偿环节或计算机软件，进行线性化处理。

24、试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各≥3种） 答：非接触式测量：

a) 热电式传感器：测量温度 b) 光纤传感器：测量光信号 c) 核辐射传感器：测量核辐射粒子 接触式测量：

a) 电位器式压力传感器：测量压力 b) 应变片式电阻传感器：测量电阻值 c) 应变式扭矩传感器：测量扭矩

25、Pt100和Cu50各代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。 答：分别代表铂电阻热电式传感器（100Ω），铜电阻热电式传感器(50Ω). 热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用是消除在热电阻安装的地方与仪表相距远时，环境温度变化时其连接导线电阻也变化所造成的测量误差。

四、分析题（共16分）

1、下图是磁电式转速传感器的结构图，它是由转轴1、转子2、永久磁铁3、线圈4和定子5等组成。转

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子2和定子5都是用纯铁制成的。在它们的圆环端面上都均匀地铣有一定数目的齿槽，二者数目对应相等。转子2和转轴1固紧，它们与永久磁铁3组成磁路系统。叙述其工作原理和过程。 （7分）

磁电式转速传感器

1－转轴；2－转子；3－永久磁铁；4－线圈；5－定子

1、答：测量转速时，传感器的转轴1与被测体的转轴连接，因而带动转子2转动。当转子2的齿与定子5的齿相对应时，气隙最小，磁路中磁通最大；而当齿与槽相对应时，气隙最大，磁通最小；当定子不动而转子与被测体一起转动时，磁通就周期性变化，从而在线圈中就感应出近似于正弦的信号。转速n越高，感应电势频率越高，它们的关系满足

f

zn

式中，z为齿轮的齿数；n为被测轴转速，r/min；f为感应电势频率，Hz。 60

当齿轮的齿数z确定以后，若能测出f就可求出转速n(n 60f/z)。

（7分）

2、下图是钢丝绳断丝检测装置，说明钢丝绳断丝检测是基于什么原理？检测传感器是采用什么元件？

它是怎样确定钢丝绳断丝现象以及断丝位置？

（9分）

钢丝绳断丝检测装置

2、答：（1）钢丝绳断丝检测是基于电磁检测原理，电磁性材料的磁导率比空气的磁导率至少大100倍，当用一磁场集中到这一材料中，一旦遇到材料表面出现裂纹等缺陷，由于材料的局部磁导率降低，一部分磁场将从材料中外漏出来，这一外泄露的磁场将被传感器测出。检测传感器是采用霍尔元件。

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从图可知，装置由沿被测钢丝绳表面滚动的脉冲编码器控制进行空间域的等距采样，从而知道钢丝绳断丝的位置；由一组霍尔敏感元件的聚磁探伤传感器检测出处于装置内的被磁化的钢丝绳上由于断丝而产生的空间局部漏磁场信号，从而可以检测出钢丝绳的断丝、锈蚀等缺陷。

3、下图是袖珍式气体检漏仪原理图，图中敏感元件采用QM-N5型气敏传感器，采用镉镍电池供电，一块四二输入与非门集成电路，HA为压电蜂鸣器。简述其工作原理和过程。（7分）

袖珍式气体检漏仪原理图

（9分）

3、答： （1）合上电源开关S，电路处于工作状态，发光二极管VL2亮，指示测试仪开始工作。 （1分）

（2）当被检测气体浓度小于气敏传感器反应的门限值时，QM-N5传感器测量丝测出的电阻值很大，流过R1、RP的电流很小，其电压降很小，与非门IC1输入低电平（用“0”表示），输出端3为高电平（用“1”表示）。发光二极管VL1不亮，且IC2输入高电平，其输出为低电平，封锁了IC3、IC4组成的多谐振荡器，即不起振，压电蜂鸣器HA不发出响声。

（2分）

（3）当被检测气体浓度达到气敏传感器动作门限值时，QM-N5测量丝测出电阻大大减小，流过R1、

RP的电流产生其电压降增大，与非门IC1输入高电平，输出低电平，发光二极管VL1点亮。IC2输入低电

平，输出高电平，IC3、IC4振荡器起振，蜂鸣器HA发出声音，好二极管VL1和HA进行声光报警。

4、下图是光电式数字转速表装置的原理图，请叙述其工作原理和过程。（7分）

自动检测系统

4、答：由图可知：在电动机轴上固定一个调制盘，当电动机转轴转动时，调制盘也随之转动。当转到齿和发光二极管对应时，发光二极管发出的光被挡住，这时光敏元件接受不到光，经光敏元件输出的电压最小；当转到槽和发光二极管对应时，发光二极管发出的光穿过调制盘，这时光敏元件接受到光，经光敏元件的光电效应后输出的电压最大。即发光二极管发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。放大整形后输出整齐的脉冲信号，经数字频率计测出频率，而转速可由该脉冲信号的频率来测定。

每分钟的转速n与频率f的关系为

n 60f/N 式中：N为调制盘齿目

（7分）

5、下图是吸收式烟尘浊度检测系统原理图，叙述其工作原理和过程。

吸收式烟尘浊度检测系统原理图

5、答：光源发出的光线经半透半反射镜分成两束强度相同的光线，一束光直接到达VT2，产生参考信息，另一束光穿过被测烟尘到达VT1，其中一部分光线被灰尘吸收或折射，烟尘的浓度越高，光线的衰减量越大，到达VT1的光通量就越小。通过对比两束光转换的电压信号就可计算烟尘的浓度。

6、下图是是某个数据采集系统的接地电路示意图，请分析该电路接地特点，并说明从中可以得到哪些

有益的结论。 （9分）

自动检测系统

数据采集电路的接地

6、答：并联一点接地，因为信号的频率没有高于1MHz，所有采用一点接地，串联式一点接地所示，构成简单而易于采用，但电路中各个部分接地的总电阻不同。当接地电阻较大或接地电流较大时，各部分电路接地点的电平差异显著，影响弱信号电路的正常工作。并联式一点接地各部分电路的接地电阻相互独立，不会产生公共阻抗干扰，但接地线长而多，经济性差。但在本电路中，因为各电路分布均匀，所以可采用并联式一点接地。

从中得到的有益结论是：

1）模拟地和数字地的连接 ：在自动检测系统中，数字地和模拟地必须分别接地，然

后仅在一点把两种地连接起来。否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。

2）将逻辑地浮空并使机柜良好接地 ：浮地是指控制装置的逻辑地和大地之间不用导线连接，以悬浮的“地”作为系统的参考电平。这在很大程度上可以抑制外部辐射和干扰信号。

3）交流接地点与直流接地点分开 ：为了避免电阻把交流电力线引入的干扰传输到控制装置内部，一般将两种地分开。这样既能保证控制系统内部器件的安全性，又能提高系统工作的可靠性和稳定性。

4）印刷电路板地线的安排 ：在安排印刷电路板地线时，首先要保证地线阻抗较

低，为此必须尽可能地加宽地线；其次要充分利用地线的屏蔽作用，将印刷电路板全部边缘用较粗的印刷地线环绕整块板子作为地线干线，并同时在板中的所有空隙处均填以地线。

7、下面两个图是自动供水系统的装置示意图和控制电路图，简述自动供水系统的工作原理和过程。 （7分）

自动检测系统

自动供水装置

自动供水装置的控制电路

7、答：平时，SL3020受磁铁的作用，其输出端输出低电平，使VT1处于截止状态，由IC2组成的单稳态电路处于复位状态，IC2的③脚输出低电平，固态继电器SP1110由于无控制电流而处于截止状态，电磁阀Y因无电而关闭，水龙头无水流出。单稳态在复位状态时，IC2内部电路将C2短路。

当取水者投入铁制的取水牌时，取水牌沿滑槽下滑，在通过霍尔传感装置时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，此时SL3020输出高电平脉冲。该脉冲经VT1反相后触发由IC2组成的单稳态电路翻转进入暂稳状态，此时IC2的③脚输出高电平，使固态继电器SP1110导通，电磁阀Y得电工作，打开阀门放水。单稳态电路翻转后，IC2内部电路将C2原短路状态释放，电源通过RP1及R4向C2充电。当C2上的电压充电到IC2的阈值电压时，单稳态电路复位，IC2的③脚又回到低电平，固态继电器SP1110截止，电磁阀Y断电关闭，水龙头自动停止出水，电路又恢复到平时状态。

8、下图左是电容式差压传感器，金属膜片与两盘构成差动电容C1、C2 ,两边压力分别为P1、P2。下图右为二极管双T型电路，电路中电容是左图中差动电容，UE电源是占空比为50%的方波。试分析：

当两边压力相等P1=P2时负载电阻RL上的电压U0值； 当P1>P2时负载电阻RL上电压U0大小和方向（正负）。