(完整word版)中国石油大学--数据采集--考试习题答案

第1章绪论1.数据采集的定义：将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。

2.数据采集系统的组成：硬件和软件。

(传感器：将非电量转换为电信号。

多路开关：分时切换各路模拟量与采样／保持器的通路。

程控放大器：对模拟信号进行放大。

采样/保持器：保持模拟信号电压。

A/D转换器：将模拟信号转换为数字信号。

接口电路：将数字信号进行整形或电平调整。

微机及外部设备：管理和控制数据采集系统。

定时与逻辑控制电路：产生逻辑控制信号，控制时序。

)3.数据采集系统性能的好坏是如何评价的?1)采样精度: 精度越高，系统性能越好-分辨率2)采样速度: 速度越快，系统性能越好-采样率3)通道数：通道数是指数据采集板卡能够同时输入的信号路数。

4.数据采集的任务是什么？1)采集传感器输出的模拟信号，并转换成数字信号，然后送入计算机。

2)系统计算机对数字信号进行处理，得到所需的数据。

5.画出数据采集系统的硬件组成框图，并说明各组成部分的作用第2章采集系统常用的传感器1.传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

2.传感器标定的基本方法是什么？静态标定，1.将传感器全量程( 测量范围) 分成若干等间距点。

2.根据传感器量程分点情况,由小到大、逐点递增输入标准量值,并记录下与各点输入值相对应的输出值。

3.将输入量值由大到小逐点递减,同时记录下与各点输入值相对应的输出值。

4. 按2)、3)所述过程,对传感器进行正、反行程往复循环多次(一般为3～10次)测试,将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线。

5. 对测试数据进行必要的处理,根据处理结果就可以得到传感器校正曲线，进而可以确定出传感器的灵敏度、线性度、迟滞和重复性；动态标定，传感器动态标定实质上就是通过实验得到传感器动态性能指标的具体数值（实验确定法）。

实验确定法常因传感器形式不同而不完全一样，一般可分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响应法。

3. 在选择传感器时传感器和A/D 转换器的精度哪一个应该更高些?为什么? A/D 转换器4.简述选用传感器的原则1）可靠性：产品的性能参数均处在规定的误差范围内；2）灵敏度：传感器灵敏度越高越好；3）响应特性：影响特性必须满足；4）精确度：应从实际出发尤其应从测试目的出发来选择；5）线性范围：在线性范围内输入与输出成比例关系；6）稳定性：保证较长的使用时间。

1.根据测量对象和环境确定类型首先，认真分析测量工作，考虑采用哪种原理的传感器进行测量，因为即使测量同一物理量，也可以通过不同的原理实现。

其次就得考虑量程、体积（空间是否足够）、安装方式、信号类型（模拟还是数字信号）、测量方式（直接测量还是间接测量）等等2.精度传感器的精度等级关乎到整个系统精度，是一个非常重要的参数。

一般，精度越高，价格越贵。

所以我们选择的时候，得从整体考虑，适合自己的才是最好的，不要一味追求所谓的高精度，除非在需要定量测量精确值的场合，我们才选用精度等级高些的传感器。

3.灵敏度的选择灵敏度指输出量的增量与相应的输入量增量之比。

我们得正确认识该参数，它分为两方面：1、在线性范围内，灵敏度高，输出信号值比较大，这是优点。

2、灵敏度高，与测量无关的外界噪声也容易混入，在处理过程中，影响精度。

4、线性范围线形范围是指输出与输入成正比的范围，所以我们都希望线性范围越宽越好，线性范围越宽，量程就大，精度就高。

但是任何传感器的线性范围都是相对的。

我们只需要把测量量估算好，以便在线性范围内。

5、频率响应特性在测量过程中，传感器的输出总有一定的延迟，跟实际值也有一定的差别。

所以我们希望频率响应快一点，这样延迟时间就短一点。

但由于受到结构等特性的影响，频率也难以提高。

6、稳定性稳定性指使用时间长了以后，其性能还能维持不变的能力。

影响稳定性的因素除自身原因外，主要是环境因素。

因此，选用的传感器要具有较强的环境适应能力，适当的时候还得采取保护措施。

5、 测量位移可用哪几类传感器？举出三种，试说明原理。

1）变面积式电容传感器：当动极板移动△x 后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，可以通过电容变化量计算位移2）电感传感器：被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化，使得气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化 3）霍尔传感器：将线性型霍尔传感器置于中间，中间的点磁感应强度为零，可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z 轴上作△Z 位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

6、 影响电容式极距变化型传感器灵敏度的因素有哪些？提高其灵敏度可以采取哪些措施，带来什么后果？因素：极板面积，极板间距，介电常数。

措施：减小间距，采用差动式结构。

后果：减小间距会带来非线性误差。

7、 简述传感器的分类方法及特点。

1）按被测物理量来分 ：对应的传感器分别为温度传感器、湿度传感器，压力传感器、位移传感器、流量传感器等。

特点：按被测物理量分类是根据被测量的性质分类。

优点：比较明确的表达传感器的用途，为使用者提供了方便，可方便的根据测量对象选择所需的传感器。

缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理和分析方法。

2）按制造传感器的材料分类：如半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器等。

是第一类方法的子集。

3）据能量关系分类：可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。

特点：前者一般是将非电能量转换成电能量，通常配有电压测量和放大电路。

后者必须有辅助电源，因为本身不是一个换能装置。

8、 电阻丝式应变片工作原理？应用时将应变片粘结在被测试件表面上，当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。

9、 霍尔效应的本质是什么？用霍尔元件可测哪些物理量？请举三个例子说明。

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

霍尔元件的应用有：检测磁场磁感应强度，物体运动速度，调节工作磁场，检测铁磁物体，检测工件缺口，直流无刷电机。

检测铁磁物体、无损探伤、旋转传感器、测量位移、电流、力；位置检测与控制10、热电偶是如何实现温度测量的？影响热电势与温度之间关系的因素是什么？热电偶温度传感器是以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体A-B 组成一个闭合回路，只要它们的两个接点t1，t2的温度不同，在回路里就会产生热电动势。

导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。

如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T ，T0)就只与温度T 有关，而且是T 的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。

11、以电阻R ，灵敏度S=2的电阻应变片与阻值R 的固定电阻组成的电桥，供桥电压为s U ，并假定负载无穷大，当应变片的应变值为1X με和2X με时，绘出直流电桥电路图，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，求出灵敏度的表达式。

答：单臂： 双臂：12、有一钢板，原长l=1米，钢板的弹性模量11210E Pa =⨯，使用BP-3箔式应变片R=120欧姆，灵敏度系数S=2，测出的拉伸应变值为300 με。

求：弹簧伸长量△l ，应变σ，△R/R 及△R 。

如果测出1με应变值的对应的△R/R 是多少？答：x l l ε∆=⋅ x E σε=⋅x R S R ε∆=⋅ 13、一电容测微仪，其传感器的圆柱极板的半径r=4mm ，工作初始间隙00.3d mm =，空气介质，试求：（1）通过测量得到的电容变化量为3310C pF -∆=±⨯，则传感器与工件之间由初始间隙变化的距离△d=? 2r C d επ⋅∆=∆（2）如果测量电路的放大倍数1100/K V pF =，读数仪表的灵敏度25S =格/mv ，则此时仪表指示值变化多少格？31K 10=5C ∆⋅⨯格数 14、15、关于电桥的电压关系：19、热电偶测温的充要条件?(1)只有当热电偶的两个电极材料不同,且两个接点的温度也不同时,才会产生电势, 热电偶才能进行温度测量。

(2)当热电偶的两个不同的电极材料确定后,热电势便与两个接点温度 T 、T0 有关。

即回路的热电势是两个接点的温度函数之差。

20、极距变化型电容传感器适宜于测量微小位移量是因为（灵敏度与极距的平方成反比,间距变化大则产生非线形误差）21、可用于实现非接触式测量的传感器有__电容式传感器_和_霍尔传感器__等。

22、常用的压电材料有_压电晶体__和_压电陶瓷__和 高分子材料压电薄膜。

23、当测量较小应变值时应选用_压阻__效应工作的应变片,24、当测量大应变值时应选用_ 应变__效应工作的应变片。

25、光电元件中常用的有光敏电阻、光敏晶体管和_光电池__。

26、不同的光电元件对于不同波长的光源,其灵敏度是_不相同的__。

27、电阻应变片的电阻相对变化率是与__应变片的灵敏度_成正比的。

28、电容式传感器有_变间隙__、变面积和变介质三种类型。

29、在三种类型的电容式传感器中_变间隙__型的灵敏度最高。

30、霍尔元件是利用半导体元件的_霍尔效应__特性工作的。

31、按光纤的作用不同,光纤传感器可分为_传感型__和_传光型__两种类型。

第3章1、根据 CD4051 的结构原理图分析说明 8 路模拟开关的工作原理。

答： CD4051由电平转换，译码驱动及开关电路三部分组成。

当禁止端为1时，前后级通道断开，即SO-S7端与Sm 端不可能接通；当为0时，则通道可以被接通。

通过改变控制输入端C,B,A 的数值，就可选择八个通道S0-S7中的一路。

2、采样定理?什么叫周期采样?采样时间?采样周期?一般情况下如何选择采样周期?答：1)采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max 大于信号中最高频率fmax 的2倍时(fs.max>=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。

2)周期采样：就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)按一定的时间间隔T 转变为瞬时0T,2T,3T ….的一连串的脉冲序列信号y*(t)3)采样时间：采样开关每次闭合的时间4)采样周期：采样开关每次通断的时间间隔。

5)如何选择采样周期:计算法，复杂不常用;经验法:根据人们在工作实践中积累的经验以及被控对象的特点，参数，先粗选一个采样周期t ，送入计算机的控制系统进行试验，根据对被控对象的实际控制效果，反复修改T ，直到满意。