检测与转换试题

第1章信号检测与转换技术概述

1.自动检测与转换系统的基本组成是什么？

检测：通过各种科学的手段和方法获得客观事物的量值；

转换：通过各种技术手段把客观事物的大小转换成人们能够识别、存贮和传输的量值。

一个典型的检测与转换系统基本组成如下：

2.简述心电信号检测系统的基本组成及各部分功能。

3.简述工业检测技术涉及的主要物理量有哪些？

工业检测技术涉及主要内容包括： 热工量：温度、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位等。

机械量：直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）等。

几何量：长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等。

物体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）；气体的化学成分、浓度；液体的粘度、浊度、透明度；物体的颜色等。 状态量：工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）。

电工量：电压、电流、电功率、电阻、电感、电容、频率、磁场强度、磁通密度等。

4.传感器的基本组成是什么？简述各部分主要功能。

敏感元件（如：弹簧管、波纹管、膜盒、膜片）能直接感受被测量，并将被测非电量信号按一定对应关系转换为易于转换为电信号的另一种非电量的元件。

传感元件能将敏感元件输出的非电信号或直接将被测非电量信号转换成电量信号的元件。

转换电路将传感元件输出的电量信号转换为便于显示、处理、传输的有用电信号的电路。

5.检测仪表和检测系统的技术性能有哪些？有什么含义？如何测量或计算？ ①量程

max min B x x =-

②误差

绝对误差

x x A ?=-

相对误差

实际相对误差A γ：

100%A x

A

γ?=

? 示值相对误差x γ：

100%x x

x

γ?=? 满度(或引用)相对误差m γ：

100%m x

B

γ?=

? 最大满度(或引用)相对误差max γ：

max max 100%x B

γ?=

?

③ 精度等级：

max q Q <

*国家规定电工仪表精度等级分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七级。

④ 灵敏度与分辨率：

灵敏度：指稳态时仪表的单位输入量变化所引起的输出量的变化。

y

S x

?=

? 分辨率：是指测量仪表能够检测出被测信号最小变化量的能力。 ⑤ 迟滞性

也称为变差，又称回差，指当输入量上升和下降时，对于同一输入值的仪表两个相应输出示值之间的代数差。 ⑥ 线性度

实际的仪表测出的输出-输入静态特性曲线与其理论拟合直线之间的偏差，也称为该仪表的“非线性误差”。用来说明仪表静态特性对一条指定的直线的吻合程度。

举例：

1.某温度计的测量范围为0～200℃，精度为0.5级，该表可能出现的最大绝对误差为

A ．1℃ B．0.5℃ C．10℃ D．200℃ 2．传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的 A ．线性度越好

B ．迟滞越小

C ．重复性越好

D ．分辨力越高

5.测量误差来源有那些？按误差出现的规律，测量误差分哪几类？

来源：

工具误差(仪表误差)：测量仪表组成元件本身不完善。例：标准量具的误差，仪表灵敏度不足，仪表刻度不准，变换器、放大器的误差等。

方法误差：选用测量方法不当，引用经验公式以及系数的近似性，测量中观测次数的不足。

环境误差(工作条件误差)：测量工作环境与仪表校验时的规定标准状态不同，以及随时问而变化所引起的仪表性能与被测对象本身改变所造成的误差。

个人误差：测试操作者个人的感官生理不同与变化、最小分辨力、反应速度和固有习惯以及操作不熟练、疏忽与过失等所造成的误差。

分类：

系统误差：简称系差，是按某种已知的函数规律变化而产生的误差。

随机误差：简称随差，又称偶然误差，它是由未知变化规律产生的误差，具有随机变量的一切特点，在一定条件下服从统计规律，因此经过多次测量后，对其总和可以用统计规律来描述，可以从理论上估计对测量结果的影响。

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，简称粗差。

举例：

下列几种误差中，哪种属于随机误差？

A．仪表未校零所引起的误差

B．周围环境的细微变化引起的测量误差（温度传感器受空气扰动）C．电表的刻度不均匀引起的误

D．读数错误

6.对某量进行多次重复的等精度测量，测量次数为10次，在不考虑系统误差和粗大误差的情况下，测量结果如下，试求标准误差和极限误差，并写出测量结果表达式。123.95, 123.45, 123.60, 123.60, 123.87, 123.88, 123.00, 123.85, 123.82, 123.60。

算数平均值错误！未找到引用源。

标准误差错误！未找到引用源。

算数平均值的标准差（极限误差）

x=；

7.已知一组测量数据：1,2

y=。求其最小二乘线性度。要求：500.6,442.4,428.6,370.1,343.1

用C语言或Matlab语言编程求取，给出程序代码和运行结果。

x=[1, 2, 3, 4, 5];

y=[500.6,442.4,428.6,370.1,343.1];

k=polyfit(x,y,1);//k为最小二乘法拟合直线斜率；

m=mean(x);

n=mean(y);

b=n-k*m

第2章电阻式传感器

1.什么是电阻式传感器？电阻应变效应做成的传感器可以测量哪些

物理量？

电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。主要包括电阻应变式传感器、热电阻传感器、电位器式传感器和各种半导体电阻传感器等。

电阻应变式传感器是以电阻应变片做为传感元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变片、补偿电阻和外壳组成。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形。

2.解释应变效应、压阻效应。试说明金属应变片与半导体应变片的

相同和不同之处。

应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化。

压阻效应：一块半导体材料的某一轴向受到一定作用力时，电阻率发生变化。

与丝式和箔式应变片的灵敏系数（约为2.0～3.6）相比，半导体应变片灵敏系数很高，约为丝式和箔式的50倍。此外，还有机械滞后小、横向效应小以及体积小等优点。

半导体应变片的缺点主要是电阻值及灵敏系数的温度稳定性差，测量较大的应变时非线性严重，灵敏系数的离散度较大等，这就为其使用带来一定的困难。虽然如此，在动态测量中仍被广泛采用。

3.一应变片的电阻

0120

R=Ω， 2.05

S=，用作应变为0.005的传感元件。

（1）求R

?与/R R

?；

（2）若电源电压E=3V,求测量电桥的非平衡输出电压

U。

解：

单臂电桥非平衡输出电压

4. 电阻应变传感器在单臂电桥测量转换电路在测量时由于温度变化

产生误差的过程。电阻应变式传感器进行温度补偿的方法是什么？ 单臂电桥的输出电压与桥路中电阻之间的关系为4E U R R

≈?，式中R ?为应变电阻在外力的作用下的电阻变化量。当温度变化时，应变片的电阻值也会发生变化，这将给测量结果带来误差。

常用的温度补偿方法有：热敏电阻补偿法和电桥补偿法。

桥路补偿方法：将两个特性相同的应变片1R 和2R ，用同样的方法

粘贴在相同材质的两个试件上，置于相同的环境温度中，1R 受应力（被

测外力F ）为工作片，2R 不受应力为补偿片，把这两个应变片分别安置在电桥的相邻两臂。测量时，若温度发生变化，这两个应变片将引

起相同的电阻增量，对输出U 不产生影响。

5. 有一吊车的拉力传感器如题图所示，电阻应变片贴在1R ，2R ，3R ，

4R 等截面轴上，已知四个电阻的标称阻值为120Ω，桥路电压2V ，物重m 引起1234,,,R R R R 变化增量为1.2Ω。请画出应变片电桥电路，

计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度，3R ，4R 起什么作用？

解：四个应变片组成全桥测量电路

输出电压

灵敏度

R3和R4与R1和R2，组成全桥测量电路，电桥相邻两臂变化趋势相反，对臂变化趋势相同，提高了系统的灵敏度。同时，还起到了温度补偿的作用。

第3章 电抗式和霍尔传感器

1. 电容式传感器的类型有哪些？可以测量那些物理量？有哪些优点

和缺点？

极距型变化型，可测微小的线位移。

面积变化型，可测角位移或较大的线位移。

介质变化型，可测物位和各种介质的温度、密度、湿度。

2. 电容式传感器的转换电路有哪些？

交流电桥、信号放大部分-交流放大电路、交流信号转变为直流信号部分-解调电路、高频干扰的滤除部分-滤波电路等。

3. 如题图3.2所示为一开关式全波相敏检波滤波电路，输入已调波

()m x t 和载波()y t 如题图3.3所示，画出()o x t ，()x t 的波形。

题图3.2

4.霍尔传感器的物理基础是什么？霍尔传感器由哪几部分组成？

霍尔传感器有哪些用途？

霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、引线和壳体组成。

霍尔片是一个半导体四端薄片，几何形状为长方形，在薄片的相对两侧对称地焊上两对电极引出线，其中一对为控制电流端，另外一对为霍尔电势输出端。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。

应用：

电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有用功率、无功功率、相位、电能等参数；

自动检测系统：多用于位移、压力的测量。

5.霍尔集成电路有哪几种？

线性型

开关型

第4章有源传感器

1.什么是光电效应?光电效应的种类有哪些？

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能，这类光致电变的现象被人们称为光电效应。光电效应分为光电子发射效应、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

2.常用的光电元件种类有哪些？给出它们的电路符号和典型应用

电路。

光电管

光电管符号基本电路

光敏电阻

光敏电阻符号光控灯电路

光电池

光电池符号报警电路光敏晶体管

光敏二极管符号光电开关

光敏三极管符号光控继电器

3.光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性

的？

光敏电阻主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

4.光电传感器控制电路如题图4.1所示，试分析电路工作原理：

(1) GP-IS01是什么器件，内部由哪两种器件组成？

(2) 当用物体遮挡光路时，发光二极管LED有什么变化？

(3) 1R是什么电阻，起什么作用？如果D V最大额定电流为60mA，

R应该如何选择？

1

题图4.1

GP-IS01是光电开关元件，内部由一个发光二极管和一个光敏三极管组成；

当用物体遮挡光路时，Vg无电流，VT截止，LED不发光；

R1限流作用；设VD导通电压为0.7V，（12-0.7）V/60*10-3A=188.3错误！未找到引用源。,R1不小于188.3错误！未找到引用源。。

第5章其他传感器

1.光纤传感器的性能有何特殊之处？主要有哪些应用？

光纤传感器与常规传感器相比，最大优点是对电磁干扰的高度防卫，而且可以制成小型紧凑的器件，具有多路复用的能力等，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面也具有明显的优势。

光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。

2.光纤传感器有哪两种类型？光纤传感器调制方法有哪些？

ΕA

=+

tω?

sin()

强度调制型(intensity modulated)；

偏振调制型(polarization modulated)；

频率调制型(frequency modulated)；

相位调制型(phase modulated)。

3.在光纤中，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，需满足什么

条件？写出推导过程。

n 0为入射光线AB 所在空间的折射率，一般为空气，故n ０≈1，n l 为纤芯折射率，n 2为包层折射率。 当θr=90o的临界状态时，θi =θi0， 发生全反射的临界入射角为)arcsin(2221n n i -=θ。

4. 光纤损耗是如何产生的?它对光纤传感器有哪些影响? 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰耗系数a 表示，其定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值，可表示为：

10lg (/)i o P a dB km P =

式中，i P ：输入光功率值（单位：W ）；o P ：输出光功率值（单位：W ）。

如果某光纤的衰耗系数3/a dB km =，则0.3/102i o P P ==，意味着，经过

一公里的光纤传输后，其光功率信号减少了一半。

5. 求光纤1 1.46N =，2 1.45N =时的NA 值；如果外部的01N =，求光纤的

临界入射角。

解：

)1

arcsin(2

2210n n N i -=θ K K k i n n n n n n θθθθ2010101sin 1cos )90sin(sin -==-?=r

r i n n n n n n n θθθ2222102

1201sin 1sin 1sin -=???? ??-=r

i n n θθ22221sin sin -=22210sin n n i -=θ0

2221017.01

sin N n n N NA i =-==θ

001arcsin()9.8i N NA θ==≈时，

第6章信号放大技术

1.常见的噪声干扰有哪几种?如何防护？

(1) 机械干扰

(2) 湿度及化学干扰

(3) 热干扰

(4) 固有噪声干扰

(5) 电、磁噪声干扰

2.屏蔽有几种形式?各起什么作用?

屏蔽可以分为下列三类：静电屏蔽（electrostatic shielding, ），电磁屏蔽（electromagnetic shielding），磁屏蔽（magnetic shielding）。

3.接地有几种形式?各起什么作用?

广义接地有两方面的含义，即接实地和接虚地。接实地指的是与大地相连；接虚地是与电位基准点连接，建立系统的基准电位。如果这个基准电位与大地电气绝缘，则称为浮地连接。

接地的目的有两个：一是为了保证系统稳定可靠地远行，防止地环路引起的干扰，称为工作接地；二是为了保证操作人员和设备的安全，避免操作人员因设备绝缘损坏或下降遭受触电危险，称为保护地。正确合理的接地技术对检测系统极为重要。

4.测量放大器的特点是什么？什么条件下使用它？

仪用放大器是一种精密的差动电压增益器件。它的特点是：高输入阻抗，低偏置电流，低失调和低漂移，高共模抑制比，平衡的差动输入和单端输出。

它特别适合在比较恶劣的环境下作精密测量用，它的主要用途是作传感器的信号放大，或用作迭加有共模信号的差模小信号的前置放大。

5.隔离放大器有什么隔离措施？隔离的目的是什么？

如果要求输入电路与输出电路和电源之间实现电流或电阻的隔离或者当共模电压很高的时候，则应采用隔离放大器。

铁芯

解调器

调制器A 1

A 2

o

U 1i U 2

i U 铁芯

载波调制放大器

U out

光电耦合器构成的隔离放大器

6. 试计算以下放大电路的放大倍数。

U o

U 2100R K

=

o

101R K

=

题

6.1a

题图6.1b

分别求出题图6.1a 的21

o

U U U -、题图6.1b 的o g

U U

解：

（1）

2211o U R

U U R =-=10 （2） 22211

o g U R R R

U R R '-?===0.2

7.什么是共模抑制比？题图6.2中，已知电桥电源电压V=5V，R=100

Ω，x R为100Ω应变片，其灵敏度系数为2，应变为0.005，测量放大器AD612共模抑制比为120dB，试计算测量放大器AD612的输出电压o U.

题图6.2

第7章 信号滤波技术

1. 要对信号作以下处理，使之分别满足下列要求，试选择合适的滤

波电路(低通、高通、带通、带阻) ① 信号频率为1kHz 至2kHz 为所需信号 ② 抑制50 Hz 电源干扰。 ③ 低于5kHz 为所需信号。 ④ 高于200 kHz 信号为所需信号。

2. 画出理想的低通、高通、带通和带阻滤波器的幅频特性。

3. 试求出题图7.1a 、7.1b 所示电路的传递函数，指出它们为什么类

型的滤波电路。

i

U i

U 1

R 2

R 1

C 3

R o

U 1

R 2

R 1

C 3

R o

U

(a) 高通 (b) 低通

(a) 低通滤波器(b) 高通滤波器(c) 带通滤波器(d) 带阻滤波器

4. 设二阶压控高通滤波器和一阶高通滤波器的如图7.2a 、7.2b 所

示，它们的通带增益和特性频率都相同，若Aup=2，f0=10 kHz ，试分别计算两图的

100kHz

u

f A =和

100Hz

u

f A =。

R R

C C 1

R f

R i

U o

U A

A

Q=8Q=3Q=1

Q=0.8Q=0.5

f

i

U C

R

1R f

R o

U A

A f

阻带

通带

(a)

(b)

题图7.2

（a ）二阶压控有源高通滤波器

100kHz

u f A =错误！未找到引用源。2

100Hz

u

f A =错误！未找到引用源。0.0002

（b ）一阶高通滤波器

100kHz

u

f A =错误！未找到引用源。2

100Hz

u

f A =错误！未找到引用源。

2

001(3)

up

u up A A f f

j A f f =??-+- ???1up o u o

i A U A f U j f ==

-&&&