最新仪器测量复习整理

1. 什么是传感器？它由几部分组成？它们的作用及相互关系怎样？
答：传感器是一种借助于检测元件接收被测量的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种形式的信息的装置。

传感器通常由敏感元件和转换元件组成（信号调理转换电路、辅助的电源）。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是能将感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。

2. 简述应变式电阻传感器的工作原理。

答：常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。

根据L
R=A
ρ
可知，当电阻丝发生变形时，其长度L ，断面积A 、电阻率ρ均将变化，这将导致电阻R 的变化。

电阻的相对变化
εν)21(+≈R
dR
，即电阻的相对变化率与应变成正比。

3. 何为涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？
答：涡流效应：金属板置于一只线圈的附近，互相间距为δ，当线圈中有一高频交变电流I 通过时，便产生交变磁通1φ，金属板会在此交变磁场中产生磁生感应电流i ，由于电流在金属体内是闭合的，因此称为“涡流”。

根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场的变化方向相反，
1φ总是抵抗φ的变化。

由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z 发生变化，等效阻抗的变化程度与距离δ有关，因此可以通过检测Z 的变化得到距离的值。

4. 电容式传感器的工作原理和主要性能是什么？
答：电容式传感器的工作原理：由两个平行极板组成的电容器，其电容是0A
C εεδ
=
，（式中，ε为极板间介质的相对介电系数；0ε为真空中的介电常数；δ为极板间的距离；A 为
极板面积）。

由上式可知，当被测量使δ、A 或ε发生变化时，都会引起电容C 的变化。

保持其中的两个参数不变，只改变另一个参数，就可以把该参数的变化转为单一电容量的变化。

电容传感器分为：极距变化型、面积变化型、介质变化型。

极距变化型：灵敏度S与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。

优点：可进行动态非接触式测量，对被测系统影响小；灵敏度高，适小位移的测量。

缺点：非线性特性、传感器的杂散电容影响灵敏度和测量精度、电子线路复杂。

面积变化型：优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比灵敏度较低，适用于较大直线位移计角位移的测量。

5.简述电容式传感器的主要优缺点？
答：优点：温度稳定性好；动态响应快；可获得较大的相对变化量；结构简单，可在恶劣的环境下工作；可实现非接触式测量。

缺点：输出特性为非线性；高输出阻抗，带负载能力差。

6.磁电式传感器可分为几类？各有什么性能特点？
答：磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器。

分为动圈式与磁阻式。

动圈式：可分为线速度型与角速度型。

=，由线速度型：当线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感应电动势e WBlvsinθ上式可见，当W、B、l均为常数时，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比。

角速度型：线圈在磁场中转动时产生的感应电动势与线圈相对磁场的角速度成正比。

磁阻式：线圈与磁铁不动，由运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，引起磁力线增强或减弱，使线圈产生磁应电动势。

磁阻式传感器使用简便、结构简单，可用来测量转速、偏心量、振动等。

7.试述光敏电阻、光电二极管、光电晶体管和光电池的工作原理，如何正确选用这些器件？答：光敏电阻（光导管）：基于导体材料的内光电效应工作。

内光电效应：物质受到光照时，电阻值减少的现象。

当受到光照时，电阻值发生变化，光通量越大，阻值越小。

光电管：基于受光照时载流子增加现象工作。

光电二极管（具有一个PN结）光电晶体管（具有两个PN结）（很高的灵敏度，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜）
光电池：是一种光电转换元件，可以直接将光能转换成电能，当有光照射时，可直接输出电动势。

具有PN结的光电池的工作原理（当光照射时，在PN结附近，由于吸收
了光子能量而产生的电子与空穴，即光生载流子。

它们在PN结电场作用下，产生
漂移运动，电子被推向N区，而空穴被拉进P区，从而使P型区带正电，N型区
带负电，二者之间产生电位差，即电动势）可用作光电测量，也可用作能源。

8.光电传感器包含哪几种类型？各有何特点？用光电式传感器可以测量哪些物理量？
答：光电传感器：主要有模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器。

模拟式光电传感器：其中的光电元件接受的光通量随被测量连续变化，输出的光电流也是连续变化的，为光通量的函数。

脉冲式光电传感器的光电元件接受的光信号试断续变化的，，它输出的光电流仅有两种稳定状态的脉冲形式的信号。

有光则有点信号输出，否则无电信号输出。

具体应用：测量工件表面的缺陷；测量转速；光电数字转速表。

9.试述压差流量传感器、电磁流量传感器、涡流流量传感器的测量原理、特点及使用场合。

分类测量原理特点使用场合
压差流量传感器基本原理是伯努利的能量守恒方
程。

当流体通过设置在管道中的
节流元件时，造成流束局部收缩，
流速提高，压力减小。

节流件的
压差与流量有关，流量越大，压
差越大。

（节流装置和差压计）
结构简单、使用寿
命长、适应性强、
价格较低
在所有测量液体、气体和
蒸汽流量的场合，绝大多
数都选用了差压式流量
计
电磁流量传感器依据是法拉第电磁感应定律。

导
电性液体在垂直于磁场的非磁性
测量管内流动，与流动方向垂直
的方向上产生与流量成比例的感
应电动势。

（流量传感器、转化器）
不易阻塞；节能效
果显著；所测得体
积流量不受流体密
度、粘度、温度压
力和电导率变化影
响；测量范围大；
可测量还有固体颗粒或
纤维的液固二相流体；最
适合要求低阻力损失的
大管径供水管道；可应用
于腐蚀性流体；不能测量
电导率很低的液体；不能
可测双向流量和脉动流量。

输出是线
性。

测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体，不能用于较高温度的液体。

涡流流量传感器
在流体中安放一根（或多根）非
流线型阻流体，流体在阻流体的 交替地分离释放出两串规则的漩涡，在一定的流量范围内漩涡分离频率正比于管道的平均流速，通过检测漩涡频率推出流体流量
结构简单牢固；安装维护方便；适用流体种类多；精度较高；输出与流量成正比的脉冲信号；无零点漂移。

不适用于低雷诺数测量，故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受限制。

不宜用于强振动场所。

10. 简述热电偶与热电阻测温原理。

答：热电偶：实质是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。

热电效应：将两种不同性质的导体A 、B 组成闭合回路，若接合点处于不同的温度，
两者之间将产生一热电动势，在回路中形成一定大小的电流。

A 、 如果热电偶两电极的材料相同，即使两端温度不同，回路电动势为零；
B 、 如果热电偶两电极材料不同，热电偶两端温度相同，回路电动势为零； （即产生电动势有两要素：电极材料不同、热电偶两端存在温差）
优点：结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号适于远
传；自身能产生电压，不需要外加驱动电源。

热电阻：将温度变化转化为电阻变化。

金属热电阻式传感器简称为热电阻，半导体热
电阻式传感器简称为热敏电阻。

在0~640 0C 温度范围内t 0R R At Bt =2
（1++），在-240~0 0C 温度范围内t 0
R R At Bt C t t =23（1++）+（-100），由温度的变化而改变电阻的阻值，因而可以测温度。

11.为了满足测试的需要，对传感器的一般要求有哪些？
答：灵敏度：一般情况传感器的灵敏度越高越好，即微小变化可有较大的响应；但是当灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并随着信号被电子放大系统放大。

响应特性：响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。

实际传感器的响应总有一定的延迟，但希望延迟时间愈短愈好，即响应越快越好。

线性：传感器工作在线性区是保证测量精度的基本条件。

在线性范围内，输入和输出成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器工作量程愈大。

稳定性：表征传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。

影响传感器稳定性因素是时间与环境。

精确度：表征传感器的输出与被测量的对应程度。

一般来说，传感器的精确度愈高愈好，但是还应该考虑经济性，精度越高，价格越昂贵。

测量方式：根据实际条件下的工作方式来确定传感器。

除以上的一些要求外，还应该尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维护、易于复制等
12.传感器的静态特性的评价指标有哪些?
答：灵敏度与信噪比：选用传感器首要考虑的是灵敏度，选用时必须要求达到测量需要的灵敏度。

信噪比是输出信号中信号分量与噪音分量的平方平均值之比。

线性：输入与输出量之间呈直线性比例关系，称为线性关系。

时滞：输入和输出不是一一对应的关系，即存在时滞。

选用时尽量选用时滞小越小越好。

环境特性：周围环境对传感器影响最大的是温度（气压、湿度、振动、电源电压、频率）稳定性：温漂是指连续工作时，即使输入量恒定，传感器输出量也会朝着一个方向偏移。

精度：评价系统的优良程度。

分为精密度和准确度。

13.画出一典型测试系统的组成框图，并说明各组成部分的作用。

轴心轨迹测量
电涡流传感器：采用互成90°安置，用于测量两个方向上转轴组件相对于机座的振动，输出振动位移信号。

电涡流放大器：将电涡流传感器输出的振动位移电信号进行增强，以达到后续处理的要求。

抗混滤波器：利用滤波器来提取有用的振动位移信号、抑制或消除干扰信号和噪声，变成带限信号，为A/D转换做预处理。

A/D转换器：将振动位移的模拟信号转换成为数字信号，便于数字信号分析仪或计算机处理。

计算机（轴心轨迹分析软件）：将两个互相垂直方向的振动位移信号在复平面进行整合，形成复信号，得到转子的轴心轨迹。

显示器（打印机）：将计算所得的轴心轨迹进行直观显示，方便现场人员判别设备运行状态。

14.试说明在A/D转换过程中产生量化误差的原因以及减少量化误差的方法。

答：A/D 转换过程：采样----量化------编码
量化误差的产生：量化是将离散模拟量转化为数字量的过程。

设离散模拟量为n x ，用
于比较的基准量为x ∆，按四舍五入规则取整后，n x 转化为'n x ，所对应的数字量
为x x D n nx ∆=/'
，显而易见，在量化过程中的取整带来了量化误差，量化误差的
大小取决于x ∆（量化增量）的大小。

减少量化误差的方法：减小量化增量，提高量化分辨率，但同时需要增加A/D 转换器
的位数。

15．.对三个余弦信号()cos 2,()cos6,()cos10x t t x t t x t t πππ===进行理想采样，采样频率4c f Hz =，求三个采样输出序列，比较这三个结果，画出123(),(),()x t x t x t 的波形及采样点位置，并解释频率混叠现象；
答： 如果时域中的采样间隔s T 太大，即采样频率s f 太低，那么在频域中，由于平移距离s T /1太小，相邻周期的波形就发生重叠，从而引起误差，这种现象成为混叠。

根据采样定理：采样频率s f 必须大于信号中的最高频率c f 的两倍。

x1(t)=cos2Π t
X2(t)=cos6Πt
X2(t)=cos10Πt。