检测与信号处理技术

■ 模拟试题一：

一、名词解释：

1．引用误差

[点击查看答案]答：绝对误差与测量仪表的量程之比，用百分数表示

2．动态误差

[点击查看答案]答：在被测量随时间变化很快的过程中测量所产生的附加误差。

3. 精确度

[点击查看答案]答：它是准确度与精密度两者的总和，即测量仪表给出接近于被测量真值的能力，准确度高和精密度高是精确度高的必要条件。

4．分辨率

[点击查看答案]答：仪表能够检测到被测量最小变化的本领。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半；数字式仪表的分辨率为最后一位的一个字。

5．迟滞

[点击查看答案]答：迟滞特性表明仪表在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输入——输出曲线不重合的程度。

二、简答：

1．误差按其出现规律可分为几种，它们与准确度和精密度有什么关系？

[点击查看答案]答：误差按出现规律可分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。（1）系统误差是指误差

变化规律服从某一确定规律的误差。系统误差反映测量结果的准确度。系统误差越大，准确度越低，系统误差越小，准确度越高。

（2）随机误差是指服从大数统计规律的误差。随机误差表现了测量结果的分散性，通常用精密度表征随机误差的大小。随机误差越大，精密度越低，随机误差越小，精密度越高，即表明测量的重复性越好。

（3）粗大误差是指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差，从性质上来看，粗差并不是单独的类别，它本身既可能具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。

2．原来测量水的差压式流量计、现在用来测量相同测量范围的油的流量，读数是否正确？为什么？

[点击查看答案]答：不正确。

因为压差与流体流量的关系中包含密度一项。

3．应该怎样远距离传输模拟电压信号而又不损失精度？

[点击查看答案]答：将模拟电压信号转换成标准电流信号（4~20mA），进行远距离传输，然后再将电流信号转换成模拟电压信号。将模拟电压信号转换成频率信号，进行远距离传输，然后再将频率信号转换成模拟电压信号。

三、计算题

1、公式求圆柱体体积，若已知约为2cm，约为20 cm，要使体积的相对误差等于1%，试问和的测量误差应为多少？

[点击查看答案]答：

取

则

2.对某量进行10次测量，测得数据为14.7，15.0，15.2，14.8，15.5，14.6，14.9，14.8，15.1，15.0，试判断该测量列中是否存在系统误差。

[点击查看答案]答：

解：测量数据及计算结果如下表所示。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

14.7

15.0

15.2

14.8

15.5

14.6

14.9

14.8

15.1

15.0

-0.26

0.04

0.24

-0.16

0.54

-0.36

-0.06

-0.16

0.14

0.04

-0.0104

0.0096

-0.0384

-0.0864

-0.1944

0.0216

0.0096

-0.0224

0.0056

0.0676

0.0016

0.0576

0.0256

0.2916

0.1296

0.0036

0.0256

0.0196

0.0016

149.6 0 -0.3056 0.6240

14.96

用马利科夫准则判断，因为偶数，取，求

所以测量中必然有累进性系统误差存在。

用阿卑—赫梅特准则判断，得

再用表中的数据求出均方根误差的平方值

显然

故测量列中又含有周期性系统误差。

3．用镍铬一镍硅热电偶测量炉温，如果热电偶在工作时的冷端温度为

30oC，测得的热电势指示值为33.34mV，求被测炉温的实际值?

[点击查看答案]答：

解：已知：，

查镍铬一镍硅热电偶分度表可知：

故得：

再一次查分度表：，

被测炉温的实际值：。

问题1：检测与测量的区别

解答：检测主要包括检验和测量两方面的含义。检验是分辨出被测参数量值所归属的某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或现象是否存在。测量是把被测未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并用数字表示这个倍数的过程。

问题2：传感器与敏感器的区别

解答：传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置，它本质上是非电量系统与电量系统之间的接口。传感器是必不可少的转换器件。在很多情况下，我们所要测量的非电量并不是我们所持有的传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量（即可用非电量）的装置或器件。这种把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感器。例如用电阻应变片测量电压时，就要将应变片粘贴到受压力的弹性元件上，弹性元件将压力转换为应变，应变片再将应变转换为电阻的变化。这里应变片便是传感器，而弹性元件便是敏感器。敏感器

和传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测量转换为可用非电量，而传感器是把被测非电量转换为电量。

问题3：直接测量和间接测量的区别

解答：测量有两种方式，即直接测量和间接测量：

直接测量是在对被测量进行测量时，对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。如用温度计测量温度，用万用表测量电压。

间接测量是测量几个与被测量有关的物理量，通过函数关系式计算出被测量的数值。如功率

与电压和电流有关，即，通过测量的电压和电流，计算出功率。

直接测量简单、方便，在实际中使用较多。但在无法采用直接测量方式、直接测量不方便或直接测量误差大等情况下可采用间接测量方式。

问题4：检测系统是由哪几部分组成的？他们各自的功能是什么？

解答：由于被测对象复杂多样，检测系统的结构也不尽相同，一般检测系统是由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成。

传感器处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。

由传感器检测到的信号一般为电信号，它不能直接满足输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析，即通过信号调理电路将其转换为标准电信号，输出给输出环节。

根据检测系统输出的目的和形式不同，输出环节主要有：显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。

问题5：什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？

解答：测量结果与真值的差异，叫做测量误差。测量误差主要有四种表示方法，绝对误差、相对误差、引用误差和容许误差。

问题6：误差按其出现规律可分为几种，它们与准确度和精密度有什么关系？

解答：误差按出现规律可分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。

系统误差反映测量结果的准确度。系统误差越大，准确度越低，系统误差越小，准确度越高，随机误差表现了测量结果的分散性，通常用精密度表征随机误差的大小。随机误差越大，精密度越低，随机误差越小，精密度越高，即表明测量的重复性越好。

从性质上来看，粗差并不是单独的类别，它本身既可能具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。

问题7：产生系统误差的常见原因有哪些？

解答：产生系统误差的常见原因有：仪器误差、环境误差（影响误差）、理论误差与方法误差和人员误差。

问题8：常用的减少系统误差的方法有哪些？

解答：引入修正值法、零位式测量法、替换法（替代法、代替法）和对照法（交换法）。

问题9：传感器的静态特性是什么?

解答：传感器在检测静态信号（信号不随时间的变化而变化或变化及其缓慢）时所表现出的特性。静态特性主要有：精确性（包括准确度和精密度）和稳定性。

问题10：由哪些性能指标描述传感器的静态特性?

解答：描述传感器的静态特性的性能指标有灵敏度、灵敏限、分辨率、线性度、迟滞、重复性和量程。

问题11：传感器的动态特性是什么?其分析方法有哪几种？

解答：传感器动态特性是指测量仪表在动态工作中所呈现的特性，它反映仪表测量动态信号的能力。主要分析方法有阶跃响应特性分析方法和频率响应特性分析方法。

问题12：传感器数学模型的一般描述方法有哪些?

解答：传感器数学模型分为静态模型和动态模型。

静态模型是指在静态条件下（即输出量对时间的各阶导数为零）得到的测量仪表的数学模型。动态模型是指在动态条件下（即输出量对时间的各阶导数不为零）得到的测量仪表的数学模型。动态模型主要有三种形式：（1）时域中的微分方程；（2）复频域中的传递函数；（3）频域中的频率特性。

问题13：试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同。

解答：（1）同样温度之下，热电阻输出信号较大，易于测量。以0～100oC为例，如用K 热电偶，输出为4.095mV；用S热电偶更小，只有0.643mV。但用铂热电阻，如0oC时为，则100oC时为，电阻增加量为；如用铜热电阻，电阻增加量可达。测量毫伏级的电动势，显然不如测几十欧的电阻增量容易。

（2）热电阻对温度的响应是阻值的增量，必须借助桥式电路或其它措施。将起始阻值减掉才能得到反映被测温度的电阻增量。通常起始阻值是对应于

时的阻值。热电偶对温度的响应是全部热电动势，对参比温度而言不需要减起始值，因为起始值为零。

（3）热电阻的测量必须借助外加电源，测量时，将电流加入热电阻，通过测量电阻两端的电压，推导出电阻值。热电偶只要热端、冷端温度不等，就会产生电动势，它是不需电源的发电式传感器。

（4）热电阻感温部分的尺寸较大，通常约几十毫米长，它测出的是该空间的平均温度。热电偶的热端是很小的焊点，它测出的是该点的温度。

（5）同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。由于热电阻必须用细导线绕在绝缘支架上构成，支架材质在高温下的物性限制了测温范围。例如铂组成的热电偶可测1600℃，而铂热电阻却只能工作在1000oC以下（通常只到650oC）。但在低温领域热电阻可用到－250oC。热电偶一般用在0oC以上。

问题14：中间导体定律和标准电极定律的实用价值是什么？

解答：1．中间导体定律

由导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体C时，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体后回路总电动势不变。根据中间导体定律，我们可以在回路中引入各种仪表和连接导线，只要保证两结点温度一致，就可以对热电动势进行测量，而不影响热电偶的输出。

2．标准电极定律

如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成热电偶产生的热电动势可由下式计算：

这里采用的电极称为标准热电极，在实际应用中，一般标准热电极材料为纯铂。这是因为铂易得纯态，物理化学性质稳定，熔点较高。由于采用了标准电极，大大方便了热电偶的选配工作，只要知道了一些材料与标准热电极相配的热电动势，就可以用上述定律求出任何两种材料配成热电偶的热电动势。

问题15：正确使用补偿导线和引入中间导体的条件是什么?

解答：工业测温时，被测点与指示仪表之间往往有很长的距离，同时为了避免冷端温度受被测点温度变化的影响，也需要使热电偶的冷端远离工作端。然而由于热电偶材料昂贵，热电偶尺寸不易过长（一般只

1米左右）。为了解决这一问题，一般是采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，称这种导线为补偿导线。为保证接入补偿导线后不影响原热电偶回路热电势的测量值，必须注意以下几点：

（1）补偿导线的热电特性在一定范围内（一般为0～100oC），要与所配用的热电偶的热电特性相同。

（2）补偿导线与热电偶的两个接点的温度必须相同，且不得超过规定的范围（一般为0～100oC）。

（3）补偿导线的正负极以其绝缘层的颜色来区分。在使用时，一定要使补偿导线与热电偶的同性电极相接，切不可接反。

不同的热电偶要求配用不同的冷端温度补偿导线。对于廉价金属热电偶，其补偿导线就采用与其电极材料相同的合金丝。而对于贵重金属热电偶，通常用实验方法找出热电特性相同的廉价合金丝作为补偿导线。

问题16：分度号分别为S、K、B的三种热电偶，它们在单位温度变化下其热电势值哪个最大？哪个最小?

解答：K最大，S最小，B居中。

问题17：直流测量电桥桥臂上设置不同数量的工作应变片（单臂、双臂、全桥）时，其输出电压有何不同？

解答：双臂电桥输出电压是单臂电桥输出电压的2倍，全桥电桥输出电压是单臂电桥输出电压的4倍。

问题18：试述生产中测量流量的意义，写出体积流量、质量流量、累积流量、瞬时流量的表达式及其相互之间的关系。

解答：流量是指单位时间内流过管道某一截面流体的体积或质量，前者称为体积流量（瞬时体积流量），后者称为质量流量（瞬时质量流量）。质量流量和体积流量的换算关系为

，式中为介质的密度。

对于连续生产过程，往往对介质的瞬时流量感兴趣，它反映了生产过程中的生产状态；而在一些物质的消耗、存储核算、管理以及贸易往来中，更多的是要测量流体的总量。

在一段时间间隔内流体流过的体积总量或质量总量称为累积体积流量或累积质量流量，累积流量也称为总量。

累积体积流量和累积质量流量与瞬时流量的关系为

习惯上把测量流量的仪表称为流量计，而把测量总量的仪表称为计量表。在生产过程中使用的流量计一般都兼有显示累积流量值（即总量）的功能。

问题19：原来测量水的差压式流量计、现在用来测量相同测量范围的油的流量，读数是否正确？为什么？

解答：不正确。因为压差

与流体流量的关系中包含密度一项。

问题20：有两种密度分别为、的液体，在容器中，它们的界面经常变化，试考虑能否利用差压变送器来连续测量其界面？测量界面时要注意什么问题？

解答：当两种液体在容器中的总液位不变时，可以用差压式液位计测量界位的变化。当两种液体的密度相差较大时，测量精度较高，当两种介质的密度相差较小时，测量精度较低。问题21：在不平衡电桥设计时要注意哪些问题？

解答：1、在工作点处将电桥调平。

2、提高电桥的灵敏度，一种方法是提高供桥电源电压，但供桥电压过高，会使工作电桥电阻发热。另一种方法是使四臂电桥电阻相等。

3、在单臂电桥和双臂电桥（同相电桥）中，会产生非线性误差。

问题22：仪表放大器与一般放大器相比，具有哪些优点？应用在那些场合？

解答：仪表放大器与一般的通用放大器相比具有以下优点：（1）输入阻抗高；（2）抗共模干扰能力强（即共模抑制比大）；（3）失调电压与失调电压漂移低、噪声低、闭环增益稳定性好；（4）增益可变，既可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。

仪表放大器主要应用于对电桥的输出电压和传感器检测的电压（幅值较小，共模电压较大）信号的放大上。

问题23：无源和有源滤波器各有什么特点?

解答：无源滤波器是指只利用电阻、电容和电感等无源器件构成的简单的滤波电路，它具有电路简单、噪声低、不需能源、动态范围宽的优点，但因其消耗的能量均取自于输入，因此无源滤波器的负载能力很差。有源滤波器是指利用集成运算放大器和电阻、电容组合成的滤波电路。一般常用的是有源滤波器。

问题24：应该怎样远距离传输模拟电压信号而又不损失精度？

解答：将模拟电压信号转换成标准电流信号（4~20mA），进行远距离传输，然后再将电流信号转换成模拟电压信号。将模拟电压信号转换成频率信号，进行远距离传输，然后再将频率信号转换成模拟电压信号。

问题25：AD594与AD593有什么不同之处，各适用于那些场合？

解答： AD694 输入电压0~2V，0~10V，需外加电源。传感器输出信号须防大后接入AD694。AD693 输入电压30mV或60mV，不许外加电源，可直接由环路供电。可直接与传感器连接。问题26：信号与信息的区别是什么？

解答：信号是信息的表现形式，信息则是信号的具体内容。

问题27：说出信号的五种分类方式。

解答：（1）确定性信号与随机信号

（2）周期信号与非周期信号

（3）连续时间信号与离散时间信号

（4）模拟信号与数字信号

（5）实信号与复信号

问题28：简述时域抽样定理

解答：要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号，或者说要保证信号的抽样不会导致任何信息丢失，必须满足下面两个条件：

（1）信号必须是频带受限的，即其频谱所含频率成分受限于某一个有限值最高频率，设为

，信号没有超过频率的频率成分。

（2）采样频率必须至少是信号最高频率的两倍，即。

■模拟试题二：

一、名词解释：

1．容许误差

[点击查看答案]答：测量仪器在使用条件下可能产生的最大误差范围，它是衡量仪器的重要指标，测量仪器的准确度、稳定度等指标皆可用容许误差来表征。

2．附加误差

[点击查看答案]答：当使用条件偏离规定的标准条件时，除基本误差外还会产生的误差。

3. 精密度

[点击查看答案]答：对某一稳定的被测量在相同的规定的工作条件下，由同一测量者，用同一仪表在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的不一致程度，不一致程度愈小，说明测量仪表越精密，精密度反映测量结果中随机误差的影响程度。

4．灵敏限

[点击查看答案]答：当仪表的输入量相当缓慢地从零开始逐渐增加，仪表的示值发生可察觉的极微小变化，此时对应的输入量的最小变化值称为灵敏限，它的单位与被测量单位相同。

5．重复性

[点击查看答案]答：表示仪表在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所有特性曲线不一致的程度。特性曲线一致，重复性好，误差也小。

二、简答：

1．常用的减少系统误差的方法有哪些？

[点击查看答案]答：引入修正值法、零位式测量法、替换法（替代法、代替法）和对照法（交换法）。

2．试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同。

[点击查看答案]答：

（1）同样温度之下，热电阻输出信号较大，易于测量。以0～100oC为例，如用K热电偶，输出为4.095mV；用S热电偶更小，只有0.643mV。但用铂热电阻，如0oC时为，则100oC时为，电阻增加量为；如用铜热电阻，电阻增加量可达。测量毫伏级的电动势，显然不如测几十欧的电阻增量容易。

（2）热电阻对温度的响应是阻值的增量，必须借助桥式电路或其它措施。将起始阻值减掉才能得到反映被测温度的电阻增量。通常起始阻值是对应于时的阻值。热电偶对温度的响应是全部热电动势，对参比温度而言不需要减起始值，因为起始值为零。

（3）热电阻的测量必须借助外加电源，测量时，将电流加入热电阻，通过测量电阻两端的电压，推导出电阻值。热电偶只要热端、冷端温度不等，就会产生电动势，它是不需电源的发电式传感器。

（4）热电阻感温部分的尺寸较大，通常约几十毫米长，它测出的是该空间的平均温度。热电偶的热端是很小的焊点，它测出的是该点的温度。（5）同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。由于热电阻必须用细导线绕在绝缘支架上构成，支架材质在高温下的物性限制了测温范围。例如铂组成的热电偶可测1600℃，而铂热电阻却只能工作在1000oC以下（通常只到650oC）。但在低温领域热电阻可用到－250oC。热电偶一般

用在0oC以上。

3．仪表放大器与一般放大器相比，具有哪些优点？应用在哪些场合？

[点击查看答案]答：仪表放大器与一般的通用放大器相比具有以下优点：（1）输入阻抗高；（2）抗共模干扰能力强（即共模抑制比大）；（3）失调电压与失调电压漂移低、噪声低、闭环增益稳定性好；（4）增益可变，既可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。主要应用于对电桥的输出电压和传感器检测的电压（幅值较小，共模电压较大）信号的放大上。

三、计算题

1、已测定两个电阻：，，试求两个电阻串联及并联时的总电阻及其相对误差。

[点击查看答案]答：串联：

并联：

2.对某量进行15 次测量，测得数据为28.53，28.52，28.50，28.52，28.53，28.53，28.50，28.49，28.49，28.51，28.53，28.52，28.49，28.40，28.50 ，若这些测得值已消除系统误差，试判断该测量列中是否含有粗大误差的测量值。