思考与练习第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。

通道控制电路差动放大电路滤波限波电路光电隔离电路通道控制电路光电隔离电路A/D转换电路微机接口电路信号地系统地信号地系统地控制微机系统(显示、存储、分析)远端数字系统有线或无线数字通信信号地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 xAγ∆=⨯ 示值相对误差x γ：100%x xxγ∆=⨯ 满度(或引用)相对误差m γ：100%m xBγ∆=⨯最大满度(或引用)相对误差max γ：max max 100%xBγ∆=⨯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。

yS 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差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。

算数平均值标准误差算数平均值的标准差（极限误差）x=；7.已知一组测量数据：1,2,3,4,5y=。

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0120R=Ω， 2.05S=，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？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。

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 题图3.34.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。

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，1R应该如何选择？题图4.1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？=+ΕAsin()tωϕ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。

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(/)ioP 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 ）。