现代检测技术基础试题-答案

现代检测技术基础试题——答案

姓名：侯鹏庆学号：1201259专业：检测技术与自动化装置TEL：139********E-mail：2008hpq@https://www.360docs.net/doc/683775043.html,

一、阐述仪器线性度的概念，说明有哪些直线拟合方法。阐述回程差、灵敏度和分辨力的概念。

答:

线性度指检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度，即非线性误差。

直线拟合方法有最小二乘法、端点连线法、最佳直线法。

回程误差指检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度。

分辨力指能够检测出的被测量的最小变化量，表征测量系统的分辨能力。灵敏度指测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比，即K=△Y/△X。

二、仪表的精确度等级是怎样规定的？写出计算公式。某测温仪表的测温范围为0--600℃，准确度等级为2.5级；另一测温仪表的测温范围为0--1200℃，准确度等级为1.5级。现欲测量温度为500℃的设备温度，问选哪种测温仪表会更好？计算说明为什么？

答:

精确度(精度)等级规定,仪器在规定条件下,其允许的最大绝对误差值△A与满量程输出Y F.S之比的百分数,用A表示，即:A=△A/Y F.S×100%。表示测量结果的可靠程度。

第一台仪表的最大相对误差为（2.5%×600℃）/500℃=3%，第二台仪表的最大相对误差为（1.5%×1200℃）/500℃=3.6%，二者量程都满足测量要求，所以选第一种仪表。

三、（1）假设你开发一台称重仪，在实验室完成了传感器、放大电路和单片机系统的设计制作，但是没有条件施加标准砝码或标准力对传感器和你的系统进行实际标定，你只有一块可用来测量电压和电流的表(或万用表),在这种条件下你应该首先对仪器的那些指标进行测定?从误差的角度出发,你对你使用的表有何要求?

（2）设传感器误差为0.1%；测量放大电路误差为0.03%；系统采用的A/D转换器为10位，试分析仪器最后能达到的最好精度等级是多少？

答:

（1）通过万用表可以首先对称重仪的零点漂移、重复性、再现性、回程误差几个指标进行测定。

零点漂移的测定：称重仪上不加任何重量，用万用表测量其输出值。如果输出值为零，说明该称重仪没有零点漂移现象，输出值越大，零点漂移现象越严重。

重复性的测定：本称重仪重复性的标定，可用普通砝码（如果没有砝码，可用大小、重量合适的任何物体所代替）和万用表来完成。找一个大小合适的砝码，重复多次放上再取下，由万用表读出每次的输出数值，在95%概率水平内测量结果的最大差值即可用来判定该称重仪的重复性。注意，测量过程中要注意称重仪的量程，所加砝码不能超出量程范围。

再现性的测定：找一组砝码，标好记号，依次放在称重仪上，然后逆顺序依次取下，记录每次放上砝码后万用表的读数以及取下砝码后万用表的读数，绘出输入-输出曲线，按照这种方法，测得多组测量曲线。用上升曲线和下降曲线间的最大偏差判定该称重仪的再现性。

回程误差的测定：找一组砝码，标好记号，依次放在称重仪上，然后逆顺序依次取下，记录每次放上砝码后万用表的读数以及取下砝码后万用表的读数，绘出输入-输出曲线，上升和下降曲线不重合的程度即为回程误差，称其最大差值为回差。

（2）从误差角度看，对使用的仪表有以下几点要求：

线性度好，分辨力尤其是阈值（在系统输入零点附近的分辨力）高，灵敏度高，精确度高，零点漂移小，重复性好，回程误差小以及再现性好，稳定度好，测量范围合适（测量估算值在仪表整个量程的1/3至2/3为最佳），动态特性要好，输出能跟随输入变化做出快速变化。

（3）根据误差合成方法：

e1=0.1%e2=0.03%,e3=1/(210-1)=0.0975%

=0.143%，精度等级为0.2级。

三、画图并说明光电池的下列特性：

答:

（1）开路电压、短路电流与光照度的关系：

开路电压输出：非线性(电压——光强)，灵敏度高

短路电流输出：线性好(电流——光强)，灵敏度低

在开关测量时应该开路电压输出，在现行检测时应该用短路电流输出。

（2）输出电流与负载电阻及光照度的关系：

负载R L的增大线性范围也越来越小。在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。

四、画图并说明光电二极管与放大器的电流放大连接法、电压放大连接法和阻抗变换连接法。说明各连接法适用于哪些测量情况。

答：

（1）电流放大型：

输出信号与输入光通量成正比，输入阻抗低而响应速度较高并且放大器噪声较低，所以信噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中。

（2）电压放大型：

适用于对线性度要求不太高和灵敏度要求较高的光信号检测中。

（3）阻抗变换型：

电路的时间特性较差，但用在信号带宽没有特殊要求的缓变光信号检测中，可以得到很高的功率放大倍数。此外，用场效应管代替双极性晶体管作前置级，其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的场合。

五、（1）怎样测试光敏电阻的好坏？（2）比较光敏电阻、光电池、光电二极管、CCD的异同点。（3）说明选择光电检测器时应注意哪些问题。

答：

（1）测试光敏电阻好坏的办法：

用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近无穷大。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏，不能再继续使用。

将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减些此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大，表明光敏电阻内部开路损坏，也不能再继续使用。

将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。

（2)光敏电阻、光电池、光电二极管、CCD的异同点：

相同点：四种光电检测元件从本质上看都是基于光电效应，在检测系统中起到光电转换的作用。

不同点：光敏电阻是基于内光电效应，光电池和光电二极管是基于外光电效应，CCD是基于电荷耦合。此外各器件的特性参数也有差异：动态性能(即频率响应)，光电二极管最好；光电特性(线性)：光电二极管和光电池较好；灵敏度，光敏电阻较高；长期稳定性，光电二极管和光电池最好。具体的：

光敏电阻

光电特性：弱光时，光电流与照度成线性关系；强光时，光电流与照度成抛物线。光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。

伏安特性：光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，在一定的光照下，其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压。

频率特性：光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。

响应特性：光敏电阻的时间响应特性较差。

温度特性：光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。

光电池

伏安特性：无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。反向电流随光照度的增加而上升。

时间和频率特性：与负载电阻有关，负载电阻越大，频率特性越差，要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻。光电池面积越大则响应时间越大。

温度特性：随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。

光照特性：短路电流在很大范围内与光强成线性关系，灵敏度高；开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和，灵敏度低。线性范围随负载RL的增大而减小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。

光电二极管

一般在负偏压情况下使用。频率响应为200KHz-10MHz，频率响应最好。直线特性、稳定度最好，价格最低。但输出信号最低。

CCD

即电荷耦合器件，由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成。当在CCD栅极上施加一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压的变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。

（3）选择光电检测器时应注意：

1、光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配；

2、光电检测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配(器件的感光要和照射光匹配好)；

3、光电检测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应；

4、光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有有足够的线性范围、信噪比及快速的动态响应；

5、为使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选好器件的规格和使用的环境条件。

六、写出朗伯-比尔定律的数学表达式，说明各符号的含义。说明时间双光路红外线气体分析器检测原理。

答：

朗伯-比尔定律的数学表达式如下：

P=P0e-Kλcd

P：经厚度d衰减后的辐射通量，P0：初始辐射通量，Kλ：吸收系数c：浓度，d：均匀介质层厚度。

时间双光路系统与空间双光路系统不同，它只有一支光源，一条光通道，一组气室。从光源发出的红外辐射光被安装在光路中的切光盘进行调制，切光盘上装有四组干涉滤光片。其中两组测量滤光片的投射波长与被分析气体的特征吸收峰的波长相同。另外两组参比滤光片的投射波长是被分析气样中任何气体均不吸收的波长。在切光盘上还有同步窗口，当参比滤光片对准气室时，同步灯通过同步窗口使光敏管接收到信号，这样就可以区别是测量滤光片还是参比滤光片对准了气室。气室共有两个，一个为参比气室也即滤波气室，它里面密封着与被测气体有重叠吸收峰的干扰成分。被测气体连续地流过工作气室（也称为测量气室）。在切光盘的作用下，两种波长的红外光束交换地通过参比气室和工作气室，最后到达半导体锑化铟光电检测器上，并转化成与红外光强度相对应的电信号当测量气室中不存在被测组分时，锑化铟接收到的是未被吸收的红外光，测量信号和参比信号相等，两者之差为零。当测量气室中存在被测组分时，测量光束的能量被吸收，锑化铟检测到的信号要小于参比光束的信号，它们的差值送到放大器中，得到的输出信号与被测组分的浓度成正比。在光路中，有测量滤光片和参比滤光片先后把红外线分成两组不同波长的红外光束，这样就使几何单光路的系统按时间不同形成两个光路，对于相同的影响因素都可以通过后面的自动增益控制电路而得到补偿。这种时间双光路系统与普通的空间双光路系统比较，具有更高的选择性和稳定性。同时具有结构简单、体积小、耐振、可靠性高以及对样气的预处理要求低等优点。

七、用于测量输送皮带上粉粒物料的近红外水分仪为何要采用三个波长进行测量？它测量水分通常采用哪几个波长？为什么？他的测量原理是基于什么定律？

答：

三波长红外线水分仪比双波长水分仪增加了一个参比波长，位于测量波长另一侧。该仪器把水吸收波长和其两侧难于被水吸收的两个参比波长与物料作用后的信号进行运算，借以消除被测物的质地（被测物的表面状态、颜色、粒度和组分等）变化而引起的测量误差。

水的特征吸收波长：1.2微米、1.43微米、1.94微米、，2.95微米处水对光的透过率太低，接近于零，不宜采用，而在1.94微米处水对光的透过率相对较低，比较合适，故通常使用1.94微米作为测量波长。

红外线水分仪是基于水对近红外有特征吸收光谱，被吸收能量与物质含水量有关，吸收规律符合朗伯-比尔定律。

八、试对光电管、光电倍增管、光电阻、光电池、光电二极管和光电三极管的动态特性、灵敏度、长期稳定性以及光电特性的直线性进行比较。

答：

1.频率响应：PMT（光电倍增管）、PIN（硅光电二极管）、APD（雪崩光电二极管）好；

2.线性度：PMT、光电二极管、光电池好；

3.灵敏度：PMT、APD、光敏电阻、光电三极管好；

4.输出电流大：大面积光电池、光敏电阻、APD、光电三极管；

5.暗电流小：PMT、光电二极管；

6.工作稳定性：光电二极管、光电池、PMT、光电三极管好；

7.光谱响应宽：PMT、CdSe光敏电阻；

8.不加电源：光电池；

9.外加低电压：光电二极管、光电三极管、光敏电阻。

具体可参见典型光电探测器见工作特性比较表。

九、何为热释电效应？热释电传感器的特点是什么？在热释电传感器前面加菲涅尔透镜的作用是什么？光电检测中为什么大多采用交流放大器？

答：

某些电解质，再外加电压除去后仍保持着极化状态，当红外辐射照射到已经极化了的电介质上时，引起温度升高，导致表面电荷减少，相当于“释放”了一部分电荷，这种由于热变化产生的电极化现象被称为热释电效应。

特点：热释电传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，通过目标与背景的温差来探测目标。它响应速度较快，其工作频率可达几百千赫以上，接近兆赫兹，远远超过其他所有热电传感器。其探测率高，工作不需外加偏执电压，且有均匀的大面积的灵敏面。灵敏度与波长无关。受环境温度变化的影响较小。强度和可靠性比其他热电传感器好，且制作和使用较容易。但它比较容易受微振的影响，且不能以直流连续工作，只能做交流器件运用。

菲涅耳透镜的作用：作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，外来红外辐射通过透镜聚光于一个传感元上，使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR 就能产生变化电信号。菲涅耳透镜的存在增加了探测距离。

光电系统中，许多场合接收到的是随时间变化的光信号，如瞬时光信号或调制光信号，有时光电检测器件所接收的光信号十分微弱，光电检测器件输出的信号，往往被深埋在噪声之中，要有效地利用这种信号，就必须对其进行放大。交流放大器是由基本运算放大器和反馈网络等组成，因有电容的隔直作用，可降低漂移和噪声（加上电容后，缓慢变化可当成直流）。光电检测系统中，光电器件的输出端都紧密连接一个低噪声前置放大器，它的任务是：放大光电检测器件所输出的微弱电信号；匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。

十、说明CCD玻管尺寸测控仪的组成，画出其CCD接收到的视频信号图。

十一、（1）画出反向偏置光电二极管检测电路和等效电路。说明高频段和低频段分别受哪些参数的制约？为什么？（2）相同n 级级连放大器的高频截止频率和单级放大器的高频截止频率的关系是什么？低频截止频率呢？

输入电路的频率特性可写成：

对数频率特性曲线为：

高频段（ω>ω2=1/T2）：

ω2称为上限截止频率。

L

R b R g R c C j C i C 0C ()()()()()

ωωωωωω21011jT jT j KT j E j U j W L ++==()()()

ωωω

ω21011jT jT j KT j W ++=ω

ω111jT jT ≈+W lg 20()ω

ω2101jT T KT j W H +=

检测电路中的高频衰减主要是因为电路中各电容容抗随ω的增加而减少，电容分流作用的加大使输出信号变小。

低频段（ω<ω1=1/T1）：

ω1称为低频或下限截止频率。检测电路中的低频衰减的物理原因是电路中串联耦合电容的容抗随ω的减小而增大，信号在电容上压降的提高使输出信号变小。

相同n 级级联放大器：

高频截止频率为低频截止频率为其中f H 和f L 分别是单级高频、低频截止频率。

十二、写出阻容并联电路的热噪声表示式。

答：

在电阻和电容c 并联的情况下，电容c 的频率特性使合成阻抗随频率的增加

而减少，合成电阻可表示为：

则：变换积分变量使

，代入上式得：定义为噪声等效带宽,并用表

示，即：

此式表明，并联RC 电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱分布由白()1

21?=n L

nLC f f ()()()

ω

ωωω21011jT jT j KT j W ++=112≈+ωjT ()ω

ωω101jT jKT j W L +=

()121?=n H

nHC f f

噪声变窄为等效噪声带宽,它的物理意义表明，频带变窄后的噪声非均匀分布曲线所包围的图形面积等于以为带宽，4KTR为恒定幅值的矩形区的面积。也

就是说用均匀等幅的等效带宽代替了实际噪声频谱的不均匀分布。上式可改写为：

这就是阻容电路热噪声的一般表示式。

十三、说明锁相放大原理。分析下图测量过程，说明为什么能抑制光源波动的影响？

锁相放大器由三个主要部分组成：参考通道、信号通道和相敏检波电路。信号通道对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声作初步的窄带滤波，参考通道通过锁相和移相提供一个与被测信号同频同相的参考电压；相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成，输入信号U s与参考信号U r在相敏检波器中混频，得到一个与频差有关的输出信号U0，U0经过低通滤波器后得到一个与输入信号幅度成比例的直流输出分量U0'。设乘法器的输入信号U s和参考信号U r分别有下列形式：

则混频器输出信号U0为：

式中，△ω是U s和U r的频率差；θ为相位差。由此式可知，通过输入信号和参考信号的相关运算后，输出信号的频谱由ω0变换到差频△ω与和频2ω0的频段上。这种频谱变换的意义在于可以利用低通滤波器得到窄带的差频信号。同时和频信

号分量2ω0被低通滤波器滤除，于是，输出信号U0'变为：

上式表明：输入信号中只有那些与参考电压同频率的分量才使差频信号

△ω=0。此时，输出信号是直流信号，它的幅值取决于输入信号幅值并与参考信号和输入信号相位差有关，且有：

当时，；

当时，。

也就是说，在输入信号中由于只有被测信号本身和参考信号有同频锁相关系，因此能得到最大的直流输出。其他的噪声和干扰信号或者由于频率不同，造成△ω≠0的交流分量，被后接的低通滤波器滤除；或者由于相位不同而被相敏检波器截止。虽然那些与参考信号同频率同相位的噪声分量也能够输出直流信号并与被测信号相叠加，但是这种几率是很小的，这种信号只占白噪声的极小部分。

因此，锁相放大能以极高的信噪比从噪声中提取出有用信号来。输入光经斩波器形成两束光，一束通过样品作为测量光A，另一束通过可变衰减器作为参考光B。因两束光由同一个光源给出，可以消除光源波动带来的影响。两束光同时经过光电检测器件并在锁相放大器中相比较，通过不同形式的比较处理得到测量结果。光源波动时，光电器件的输出信号频率与相位与参考信号不一致，经滤波器和相敏检波器的作用，光源的波动影响也将受到抑制。