《感测技术基础》(第四版)习题解答

《感测技术基础》（第四版）习题解答长江大学孙传友编绪论1、什么是感测技术？为什么说它是信息的源头技术？答：传感器原理、非电量测量、电量测量这三部分内容合称为传感器与检测技术，简称感测技术。现代信息技术主要有三大支柱：一是信息的采集技术(感测技术)，二是信息的传输技术(通信技术)，三是信息的处理技术(计算机技术)。所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过感测技术实现的，因此感测技术实质上也就是信号采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。因此，可以说，感测技术是信息的源头技术。2、非电量电测法有哪些优越性。答：电测法就是把非电量转换为电量来测量，同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性：1、便于采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围(量程)。2、电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围(频带)。3、把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。4、把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。3、什么叫传感器？什么叫敏感器？二者有何异同？答：将非电量转换成与之有确定对应关系的电量的器件或装置叫做传感器。能把被测非电量转换为传感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件，叫做敏感器。如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称作预变换器。敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是象传感器那样把非电量转换成电量。4、常见的检测仪表有哪几种类型？画出其框图。答：目前，国内常见的检测仪表与系统按照终端部分的不同，可分为模拟式、数字式和微机化三种基本类型。其原理框图分别如图0-3-1、图0-3-2、图0-3-3所示。（略见教材）第1章1、、在图1-1-3（b）中，表头的满偏电流为0.1mA，内阻等于4900，为构成5mA、50mA、500mA三挡量程的直流电流表，所需量程扩展电阻R1、R2、R3分别为多少？解：据公式(1-1-8)计算得10011.0549001321mAmAnRRRRg，据公式（1-1-10），图1-1-3（b）有：10)1004900(501.0)(321221mAmARRRRIIRRgg，1)1004900(5001.0)(32111mAmARRRRIIRgg故90,932RR2、、在图1-2-2中电压表V的“Ω/V”数为20kΩ/V,分别用5V量程和25量程测量端电压U0的读数值分别为多少?怎样从两次测量读数计算求出E0的精确值?解：5V档量程内阻kVkRV1005201，25V档量程内阻kVkRV50025202。图1-2-2中伏50E，kR1000，5V档读数VERRRVVV5.25100100100001101，25V档读数VERRRVVV17.45100500500002202。552512VVK，代入公式（1-2-8）式得：VUUKUKE006.55.217.4517.4151010202'0。3、证明近似计算公式(1-2-8)式。证明：量程U1档的内阻为RU1，11UmRIU，量程U2档的内阻为RU2，22UmRIU，∴KUURRUU1212。011001RRREUUU，∴101010UURUERR。022002RRREUUU，∴202020UURUERR，∴2020210101UUUURUERRUER解得：01102200101020212URUREUERUERRRUUUUUU，∴01020201021021010212021201102212011UUKUKUUKRURKUURRURRURURRREUUUUUUUUUU4、模拟直流电流表与模拟直流电压表有何异同？为什么电流表的内阻很小，而电压表的内阻却很大？答：模拟直流电流表与模拟直流电压表的表头都是动圈式磁电系测量机构。模拟直流电流表是由“表头”并联很小的分流电阻构成，指针的偏转角与被测直流电流成正比；模拟直流电压表是由“表头”串联很大的分压电阻构成，指针的偏转角与被测直流电压成正比。由公式（1-1-9）和图1-1-2可见，电流表的内阻为,MmgggsgsIIRnRRRRRr因mMII，故gRr。即电流表的内阻很小。由公式（1-2-3）和图1-2-1可见，电压表的内阻为mMnevIURRR，emmRIU因mMUU，故evRR即电压表的内阻很大。5、用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压表示值均为10V，问三种波形被测电压的有效值各为多少?解：均值电压表的读数是按正弦波的有效值定度的，因此对正弦波来说，其有效值就是均值电压表的读数值，即VUUa10，其平均值为VKUKUUFaF911.1/10//。均值电压表测量三种波的读数相同，表明三者的平均值相同即均为9V。因此三角波的有效值为VKUUF36.1015.19，方波的有效值为VKUUF919。6、用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电压表均指在10V位置，问三种波形被测信号的峰值和有效值各为多少?解：峰值电压表的读数是按正弦波的有效值定度的，因此对正弦波来说，其有效值就是峰值电压表的读数值，即VUUa10，其峰值为VUKUPP1.14102。峰值电压表测量三种波的读数相同，表明三者的峰值相同即均为14.1V。因此，三角波的有效值为VKUUPP16.873.11.14/，方波的有效值为VKUUPP1.141/1.14/。7、验证表1-2-1中全波整流、锯齿波、脉冲波、三角波的KF、Kp、U和U值。解：1)全波整流：tAtusin，200sin21sin1dAdttATUT，∴AAAdAdAU224coscos2sinsin212020，2022022022cos1221sin211dAdAdttuTUT222sin4202AA。11.122/22/AAUUKF，414.122/AAUUKPP2)锯齿波：221ATTAU，331033202AtTAdttTATUTT。15.1322/3/AAUUKF，73.133/AAUUKPP3)脉冲波：ATtTtAUKK，TtAdtATUKtK021。KKKFtTAtTTtAUUK，KKPPtTTtAAUUK4)三角波：2221221ATTATAU。8、使用电流互感器要注意些什么?答：由于电流互感器付边匝数远大于原边，在使用时付边绝对不允许开路。否则会使原边电流完全变成激磁电流，铁心达到高度饱和状态，使铁心严重发热并在付边产生很高的电压，引起互感器的热破坏和电击穿，对人身及设备造成伤害。此外，为了人身安全，互感器付边一端必须可靠地接地(安全接地)。9、用电动系功率表测量功率应怎样接线?怎样读数?答：第一，电流支路与负载串联，电压支路与负载并联。第二，电流线圈的“*”端和电压线圈的“*”端应同是接高电位端或同是接低电位端。否则，电压线圈与电流线圈之间会有较大的电位差，这样不仅会由于电场力的影响带来测量误差，而且会使两组线圈之间的绝缘受到破坏。第三，电流线圈和电压线圈的“*”端应同为电流的引入端或引出端，否则，功率表指针将反向偏转。如果负载是吸收有功功率(即负载中电压与电流相位差φ90°)，则按图1-3-2(a)、(b)接线，功率表指针都是正向偏转。如果按此接线时发现功率表指针反向偏转，那就表明被测负载实际上是发出有功功率的等效电源。这时，须改变电流支路的两个端钮的接线，变为图1-3-2中(c)和(d)的接线方式。为了减小测量误差，应根据负载阻抗大小和功率表的参数来选择正确的功率表接线方式，图1-3-2中(a)和(c)为“电压支路前接”方式，适合于负载阻抗Z远大于功率表电流线圈阻抗ZA的情况，例如在变压器和电动机空载试验时，应采用这种接法。图1-3-2中(b)和(d)为“电压支路后接”方式。适合于负载阻抗Z远小于功率表电压支路阻抗ZV的情况。例如在变压器和电动机短路实验时，应采用这种接法。只要读得功率表的偏转格数Nx，乘上功率表分格常数C，就可求得被测功率的数值Px：xxPCN10、为什么万用表能测量多种物理量？答：万用表由“表头”、测量电路及切换开关组成。模拟式万用表是基于直流电压模拟测量的检测仪表，它的表头是动圈式磁电系测量机构，表头指针偏角与线圈的直流电压成线性正比关系，故通常称为“模拟表头”。模拟式万用表中与表头配接的测量电路有多个，能分别将电流、电压、电阻等多种电量转换成加到“模拟表头”的直流电压。通过切换开关，更换不同的测量电路便可测量电流、电压、电阻等多种电量。数字式万用表是基于直流电压数字测量的检测仪表，其核心部件就是A/D转换器及与之相连的数字显示器，能将直流电压转换成数字显示，故通常称为“数字表头”。数字式万用表中与表头配接的测量电路有多个，能分别将电流、电压、电阻等多种电量转换成加到“数字表头”的直流电压。通过切换开关，更换不同的测量电路便可测量电流、电压、电阻等多种电量。第2章1、采用图2-1-6测量被测信号频率fx，已知标准频率fc=1MHz，准确度为7102，采用m=1000分频，若fx=10KHz,试分别计算测频与测周时的最大相对误差Δfx/fx。解：由题意可知：7102ccff，MHzfc1，310m，kHzfx10。测频时，根据（2-1-13）式：1.01021.010210101010177336ccxcxxffmffff。测周时，根据（2-1-22）式：576331010210101010cccxxxxxffmffffTT。2、已知图2-1-6中计数器为四位十进制计数器，采用m=100分频，计数器计数脉冲频率最大允许值为50MHz，标准频率fc=5MHz，Δfc/fc=7101，要求最大相对误差Δfx/fx=±1%，求该频率计的测频范围，若已知计数结果N=500,求被测信号频率和相对测量误差。解：由题意可知：210m，MHzf50max，MHzfc5，7101ccff，%1，500N，44max10110N。因mN，故采用测频方式，根据（2-1-18）式可得：Hzmffcx626min10501.010105。据（2-1-15）式，MHzfmNfcx5001051010624maxmax。据（2-1-16）式，MHzMHzf50050max，故取MHzfx50max。测频范围：MHz5～MHz50。若500N，则MHzmNffcx251010550026。将500N，7101ccff代入（2-1-13）式，%2.05001101500117ccxxffNff。3、以图2-2-2为例