《现代检测技术及仪表》习题解答

1严正声明：孙传友是高等教育出版社出版的《现代检测技术及仪表》第1版和第2版教材及其习题解答的唯一著作权人。该教材的习题解答仅供读者和网友下载阅读。任何其他人将该习题解答的内容冠以其他文档名称以自的己名义在任何网站发布，都侵犯了作者的著作权，如不自行删除，必将承担侵权的后果和法律责任。《现代检测技术及仪表》第2版习题解答孙传友编第1章1-1答：钱学森院士对新技术革命的论述中说：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础”。如果没有仪器仪表作为测量的工具，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。因此可以说，仪器技术是信息的源头技术。仪器工业是信息工业的重要组成部分。1-2答：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。1-3答：各类仪器仪表都是人类获取信息的手段和工具。尽管各种仪器仪表的型号、原理和用途不同，但都由三大必要的部分组成：信息获取部分、信息处理部分、信息显示部分。从“硬件”方面来看，如果把常见的各类仪器仪表“化整为零”地解剖开来，我们会发现它们内部组成模块大多是相同的。从“软件”方面来看，如果把各个模块“化零为整”地组装起来，我们会发现它们的整机原理、总体设计思想、主要的软件算法也是大体相近的。这就是说，常见的各类仪器仪表尽管用途、名称型号、性能各不相同，但它们有很多的共性，而且共性和个性相比，共性是主要的，它们共同的理论基础和技术基础实质就是“检测技术”。常见的各类仪器仪表只不过是作为其“共同基础”的“检测技术”与各个具体应用领域的“特殊要求”相结合的产物。1-4答：“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”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。1-5答：2目前，国内常规（常用）的检测仪表与系统按照终端部分的不同，可分为以下三种类型：1、普通模拟式检测仪表基本上由模拟传感器、模拟测量电路、和模拟显示器三部分组成，如题1-5图1所示。题1-5图12、普通数字式检测仪表基本上由模拟传感器、模拟测量电路、和数字显示器三部分组成，如题1-5图2所示。按照显示数字产生的方式，普通数字式检测仪表又可分为模数转换式和脉冲计数式两种类型。题1-5图23、微机化检测仪表其简化框图题1-5图3所示。微机化检测仪表通常为多路数据采集系统，能巡回检测多个测量点或多种被测参数的静态量或动态量。每个测量对象都通过一路传感器和测量通道与微机相连，测量通道由模拟测量电路（又称信号调理电路）和数字测量电路（又称数据采集电路）组成。传感器将被测非电量转换成电量，测量通道对传感器信号进行信号调理和数据采集，转换成数字信号，送入微机进行必要的处理后，由显示器显示出来，并由记录器记录下来。在某些对生产过程进行监测的场合，如果被测参数超过规定的限度时，微机还将及时地起动报警器发出报警信号。题1-5图3第2章2-1解：灵敏度为mmmVmmmVS/3001300。2-2求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。解：（1）测温系统的总灵敏度为18.02.010002.045.0Scm/℃（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为:22.2218.04t℃2-33解：据公式（２－２－２５）5110050)()5(eyy解此方程得s21.72ln52-4解：据公式（2-1-18），二阶传感器的幅频特性为：222211)(nnK。当0时，1K，无幅值误差。当0时，K一般不等于1，即出现幅值误差。由题意知kHzn102，5.0＝，要确定满足%31K也就是满足03.197.0K的传感器工作频率范围。解方程97.0211)(222nnK，得n03.11；解方程03.1211)(222nnK，得n25.02，n97.03。由于5.0＝，根据二阶传感器的特性曲线可知，上面三个解确定了两个频段，即0～2和3～1。前者在特征曲线的谐振峰左侧，后者在特征曲线的谐振峰右侧。对于后者，尽管在该频段内也有幅值误差不大于3％，但是该频段的相频特性很差而通常不被采用。所以，只有0～2频段为有用频段。由kHzn10225.025.02可得kHzf5.2，即工作频率范围为0～kHz5.2。2-5解：据题意知，10K，阻尼比1/2，代入公式（２－２－１８）得幅频特性为4011)(fffK，故测量频率为600Hz时幅值比为94.0100060011)(4fK据公式（２－２－１９）得相位差为53600100010006002arctan)(f4同理可得测量频率为400Hz时幅值比和相位差分别为0.99和－33.7°2-6解：按式（2-3-6)求此电流表的最大引用误差%0.2%10051.0maxq2.0％＞1.5％即该表的基本误差超出1.5级表的允许值。所以该表的精度不合格。但该表最大引用误差小于2.5级表的允许值，若其它性能合格可降作2.5级表使用。2-7解：据公式（2－3－９）计算，用四种表进行测量可能产生的最大绝对误差分别为：A表Gxmax%L=1.5%30V=0.45VB表Gxmax%L=1.5%50V=0.75VC表Gxmax%L=1.0%50V=0.50VD表Gxmax%L=0.2%360V=0.72V四者比较可见，选用A表进行测量所产生的测量误差较小。第3章3-1答：线绕式电位器的电阻器是由电阻系数很高的极细的绝缘导线，整齐地绕在一个绝缘骨架上制成的。在电阻器与电刷相接触的部分，导线表面的绝缘层被去掉并抛光，使两者在相对滑动过程中保持可靠地接触和导电。电刷滑过一匝线圈，电阻就增加或减小一匝线圈的电阻值。因此电位器的电阻随电刷位移呈阶梯状变化。只要精确设计绝缘骨架尺寸按一定规律变化，如图3-1-2(b)所示，就可使位移－电阻特性呈现所需要的非线性曲线形状。由3－1-2(a)可见，只有当电刷的位移大于相邻两匝线圈的间距时，线绕式电位器的电阻才会变化一个台阶。而非线绕式电位器电刷是在电阻膜上滑动，电阻呈连续变化，因此线绕式电位器分辨力比非线绕式电位器低。3-2解：据公式（3-1-4），对于空载电位器，其输出电压与输入位移呈线性关系，xLURRUUxx由上式可见，电位器灵敏度的提高几乎是完全依靠增加电源电压来得到。但是电源电压不可能任意增加，它是由电位器线圈的细电阻丝允许的最大消耗功率P决定的。所以，允许的电源电压为VPRU201000004.0由题意知，L=4mm，x=1.2mm，代人公式（3-1-4）计算得，电位器空载输出电压为VUx642.1203-35答：应变片的灵敏系数k是指应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比，而应变电阻材料的应变灵敏系数k0是指应变电阻材料的阻值的相对变化与应变电阻材料的应变之比。实验表明：k＜k0，究其原因除了黏结层传递应变有损失外，另一重要原因是存在横向效应的缘故。应变片的敏感栅通常由多条轴向纵栅和圆弧横栅组成。当试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态，即轴向拉伸εx和横向收缩εy。粘贴在试件表面的应变片，其纵栅承受εx电阻增加，而横栅承受εy电阻却减小。由于存在这种横向效应，从而引起总的电阻变化为(1)xxyyxxRkkkHR，按照定义，应变片的灵敏系数为)1(/HkRRkxx，因0xy，横向效应系数0xykkH，故0kkkx。3-4解：应变片用导线连接到测量系统的前后，应变片的应变量相同，都为2//RRkRR应变片用导线连接到测量系统后，导线电阻将使应变电阻的相对变化减小，从而使应变片的灵敏度降低为82.1120212120RRkRRrRRrRRk3-5解：将题中给出的参数值，代人书上的公式（3-1-23），计算得由温度变化引起的附加电阻相对变化为：46600010802.240109.141105.21015tKRRsgt。折合成附加应变为44001037.105.210802.2/KRRtt。3-6解：由题知W（100）=R100/R0=1.42，代入公式（3-1-26），计算得电阻温度系数为)/(42.010010042.010042.010042.110000001000CRRRRRtRRt当温度为50℃时，代入公式（3-1-26）计算得，此时的电阻值为)(121)5042.01(100)501(050RR当Rt=92时，代入公式（3-1-26）计算得，此时的温度值为)(1942.0100920CRRtt63-7解：T0=0℃=273K，R0=500k；T=100℃=373K，代人公式（3-1-30）计算得热敏电阻的阻值为keRR98.28)27313731(29002733733-8答：采用金属材料制作的电阻式温度传感器称为金属热电阻，简称热电阻。一般说来，金属的电阻率随温度的升高而升高，从而使金属的电阻也随温度的升高而升高。因此金属热电阻的电阻温度系数为正值。采用半导体材料制作的电阻式温度传感器称为半导体热敏电阻，简称热敏电阻。按其电阻—温度特性，可分为三类：(1)负温度系数热敏电阻(NTC)；(2)正温度系数热敏电阻(PTC)；(3)临界温度系数热敏电阻(CTC)。因为在温度测量中使用最多的是NTC型热敏电阻，所以，通常所说的热敏电阻一般指负温度系数热敏电阻。3-9答：题3-9图是日本生产的某电冰箱温控电路。该电冰箱的温控范围LT～HT由窗口题3-9图比较器的窗口电压LV和HV决定。调节电位器PR可调整LT。图中tR为热敏电阻，当温度上升时，tR减小，TV升高。当冰箱内温度HTT时，LHTVVV，窗口比较器使RS触发器的S端为低电平，R端为高电平，Q输出端为高电平，晶体管导通，继电器J线圈通电而动作，继电器常开触点闭合，电冰箱压缩机启动制冷。冰箱内温度降低。当冰箱内温度LTT时，HLTVVV，窗口比较器使RS触发器的S端为高电平，R端为低电平，Q输出端为低电平，晶体管截止，继电器线圈失电而动作，继电器常开触点复位，电冰箱压缩机停机。当冰箱内温度HLTTT时，HTLVVV，窗口比较器使RS触发器的S端和R7端均为高电平，RS触发器保持原状态不变，压缩机继续运转或继续停机。3-10答：气敏电阻是利用半导体陶瓷与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。气敏电阻都附有加热器，以便烧掉附着在探测部位处的油雾、尘埃，同时加速气体的吸附