检测复习题答案

现代检测技术基础试题2010年11月一、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:仪器线性度指检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度，亦称非线性误差。

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，亦称空程误差、滞后。

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。

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: 在工业实际中,为了表示测量结果的可靠程度, 引入了精确度(精度)等级规定, 用A表示，A值是指仪器在规定条件下, 其允许的最大绝对误差值△A与满量程输出YF.S之比的百分数, 即:,因而选第一种仪表。

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？（P5-7）答: A．可以对该称重仪的重复性、回程误差和零点漂移进行测定；①零点漂移：输入为零时，输出偏离零值的变化。

产生这种现象的原因是晶体三极管的参数受温度的影响、电源电压的波动以及运算放大器前后级的电位配合问题等。

在多数放大器中，前级的零点漂移影响最大，级数越多和放大倍数越大，零点漂移越严重。

解决措施是采用差动电路。

本称重仪零点漂移的标定只用万用表就可完成。

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。

②重复性：在同一工作条件下，同一方向连续多次对同一输入值进行测量所得到的多个输出值之间互相不一致的程度。

重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证。

对于称重仪来说，如果同一测量值，在不同时刻放上去测得的结果不一样或相差很大，显然不合要求。

对重复性的标定中，其输入值不需要是标准数值，只要多次重复测量的输入值相同即可。

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。

③回程误差：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，亦称空程误差、滞后。

仪表检测所得到的实际上升曲线和实际下降曲线出现不重合的情况，从而使仪表的特性曲线形成环状，称为“滞环”。

上升曲线和下降曲线之间最大的差值，称为回差(也称为变差、来回变差)。

产生原因是仪表内部的某些元件具有储能效应，例如弹性变形、磁滞现象等。

对于称重仪，如果要测量出一定重量的物体，当物体重量超出要求值时，需要往回减少物体，这时由于回程误差的存在，就会引起很大的误差，显然不合乎要求。

回程误差的标定，其输入值不需要是标准数值，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。

④再现性：仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示。

称重仪如果存在再现性，同样重量的物体就可能会因为放取的方式或时间不一样而测得不同的结果。

再现性的标定，其输入值不需要是标准数值，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。

B ．从误差角度看，对使用的仪表有以下几点要求：①线性度：检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度亦称非线性误差。

表达式为：%100..max ⨯∆±=S F L y L e 。

其中m ax L ∆为输出值与理想直线的最大偏差值；为..S F y 理论满量程输出值 ②分辨力：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。

（不一定在输入零点附近）。

希望所用仪表分辨率越小越好。

注意：1、分辨力 --- 是绝对数值，如 0.01mm ，0.1g ，10ms ，……2、分辨率 --- 是相对数值：能检测的最小被测量的变换量相对于 满量程的百分数，如： 0.1%, 0.02%3、阈值 --- 在系统输入零点附近的分辨力③灵敏度：测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比。

线性检测系统，灵敏度为常数；非线性检测系统，灵敏度为变数。

灵敏度系数为：x y K ∆∆=/希望所用仪表在较小的输入量变化的情况下即能引起较大的输出变化，即具有较高的灵敏度。

④精确度：反映测量结果的优良程度. 通常精确度用测量误差的相对值表示.。

精确度高，则精密度和正确度均高。

仪表的精确度通常是用允许的最大引用误差去掉百分号后的数字来衡量。

按仪表工业规定，仪表的精确度化分成若干等级，简称精度等级，如0.1级、 0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级等。

等级的数字越小，精度越高。

希望所用仪表的测量结果分散程度以及偏离真值大小的程度越小越好，即精确度高。

⑤可靠度：表征仪表可靠性的尺度。

衡量仪表能够正常工作并发挥其功能的程度。

希望所用的仪表平均无故障工作时间最短，而平均故障修复时间最短，即可靠度高。

⑥除了这些外，还包括A 中所涉及的几种指标。

希望所用仪表零点漂移小，重复性好，回程误差小以及再现性好，稳定度好，受外界电场及磁场、空气湿度等环境因素干扰小，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。

（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？仪表的精确度通常是用允许的最大引用误差去掉百分号后的数字来衡量。

e1=0.1% e2=0.03%, e3=1/(210-1)=0.0975% A=222123e e e ++=0.143% 精度等级为0.2级三、画图并说明光电池的下列特性：（1） 开路电压、短路电流与光照度的关系；答: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（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。

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。

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:图7-27(a)是电流放大型IC检测电路。

光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗Z in是光电二极管的负载电阻，可表示为Z in=R f/（A+1)式中，A是放大器的开环放大倍数；R f是反馈电阻。

当A=104。

R f=100kΩ时，Z in=10Ω。

可以认为光电二极管是处于短路工作状态，能取出近于理想的短路电流。

处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压U0与输入短路光电流成比例，并有U0=I sc R f=R f SΦ即输出信号与输入光通量成正比。

此外，电流放大器因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：图7-27(b)是电压放大型IC检测电路，光电二极管的正端接在运算放大器的正端，运算放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。

当负载电阻R L取1MΩ以上时，工作在光电池状态下的光电二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成比例的输出信号，即式中是该电路的电压放大倍数。

3.阻抗变换型:反向偏置光电二极管或PIN光电二极管具有恒流源性质，内阻很大，且饱和光电流和输入光通量成正比，在有很高的负载电阻的情况下可以得到较大的信号电压。

但如果将这种处于反向偏置状态下的光电二极管直接接到实际的负载电阻上，则会因阻抗的失配而削弱信号的幅度。

因此需要有阻抗变换器将高阻抗的电流源变换成低阻抗的电压源，然后再与负载相连。

图7-27(c)中所示的以场效应管为前级的运算放大器就是这样的阻抗变换器。

该电路中场效应管具有很高的输入阻抗，光电流是通过反馈电阻R f形成压降的。

电路的输出电压U0为即U0与输入光通量成正比。

当实际的负载电阻R L与放大器连接时，由于放大器输出阻抗R0较小，R L>>R0，则负载功率P0为：另一方面，由式(7 -12)计算光电二极管直接与负载电阻相连时负载上的功率比较两种情况可见，采用阻抗变换器可以使功率输出提高(R f/R L)2倍。

例如，当R L=1MΩ，R f=10MΩ时，功率提高100倍。

这种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)光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。

(2)相同点：(P12)都是应用了光电效应（光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势等，这种因光照而引起的物体电学特性的改变统称为光电效应）不同点：①光敏电阻(P18-19)：是根据光电导效应制成的将光能转换成导电率变化的一种器件，属于内光电效应（物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部）。

工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。

光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。