Control:检测技术学习笔记

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(〇)基本概念

概述

【考题预测】

  1. (填充)检测系统由[信号检出部分],[信号变换部分],[信号处理部分]组成。
  2. (简答)Q:简述直接测量和间接测量的区别。 A:直接测量为与同类基准进行简单的比较得到被测量(线纹尺、天平),间接测量为被测量无法或不易进行直接测量时,直接测量与被测量有已知函数关系的量,并通过计算得到结果的一类测量。
  3. (简答)Q:绝对测量和相对测量的区别。A:绝对测量直接从计量器具读数;相对测量(比较测量)读出被测量相对于标准器的偏差。

误差理论&数据处理

误差种类:

  • 系统误差:特定原因引起,有规律可循
  • 随机误差:因不确定因素发生,无法消除、修正
  • 粗大误差:异常!

统计学:

  • 数学期望
  • 标准偏差
  • 最小二乘

检测系统特性

静态特性:

  • 示值误差与重复性:重复性是检测系统最基本的技术指标,是其他各项指标的前提和保证
  • 线性度:拟合直线最大偏差/满量程
  • 分辨力:分辨力是绝对数,分辨率是相对数(占满量程比例)
  • 灵敏度:$k=dy/dx$
  • 量程
  • 漂移:输入不变时,输出随时间变化的趋势(温漂、时漂;零漂、灵敏度漂移)
  • 回程误差:正向和反向行程期间检测装置输入-输出曲线的不重合程度

动态特性:用传输特性来反映。

【考题预测】

  1. 传感器的下列指标全部属于静态特性的是(C)。 A、线性度、灵敏度、阻尼系数 B、幅频特性、相频特性、稳态误差 C、迟滞、重复性、漂移 D、精度、时间常数、重复性
  2. 属于传感器动态性能指标的是(B)。A、重复性 B、固有频率 C、灵敏度 D、载流子类型
  3. (简答)简述传感器静态特性的线性度技术指标。

(一)长度检测技术

位移检测技术

  • 电感位移传感器:简单可靠,量程小(0.1~0.5mm),线性范围小不适用于高频动态,接触,典型应用:提高轴承制造精度,测量微小精密尺寸的变化……
  • 电容式(位移)传感器:结构简单,动态特性好,非接触,寄生电容大输出非线性,典型应用:测量液位……
  • 容栅传感器(变面积的一种):多个差动式变面积型电容传感器的并联:量程大,精度高,典型应用:数显卡尺(分辨力0.01mm)
  • 光栅位移传感器:比较娇贵(相比于电感、电容不耐艹),精度超高,量程大(最长可达数百米),典型应用:大位移的测量、定位

【考题预测】

  1. (判断)差动电感式传感器由于精度高、抗干扰和抗温漂能力强,因此可以适用于动态位移测量。(错误,电感式传感器不适用于高频动态场合)
  2. (选择)测量车间条件下使用的大型机床工作台的位移(行程20m),可选用(a):(a)光栅传感器 (b)感应同步器 (c)电容式位移传感器
  3. (选择)电容式液位传感器属于下列哪一种形式(c):(a)变极距型 (b)变面积型 (c)变介质型
  4. 电容式传感器中输入量与输出量的关系为线性的有(ab):(a)变面积 (b)变介质 (c)编电荷 (d)变极距
  5. 电感式传感器输出特性为线性的有(b):(a)变气隙型 (b)变面积型 (c)螺管型
  6. (简答)Q:为什么要采用差动结构? A:显著改善了非线性和灵敏度,灵敏度x2
  7. (填充)计量光栅的原理是[光栅的摩尔纹],她的测量精度高于光栅刻线精度是由于[摩尔纹的光学放大]效应的作用。她可以用于[角位移]和[线位移]测量。
  8. (填充)电感式传感器可以对[位移]、[振动?]、[压力]、[流量]等物理量进行测量。

距离检测技术

  • 电涡流测距:量程数百毫米,分辨率0.1%
  • 激光测距:脉冲测距(tof原理,精度米级),相位差测距(精度毫米级)
  • 超声测距:tof原理,应用场合:大目标、近距离、低精度

【考题预测】

  1. (选择)数码照相机中用于自动调焦的测距传感器为(b):(a)红外传感器 (b)激光(相位差)传感器 (c)超声波传感器【ppt红字】
  2. (选择)高精度激光测距仪是通过以下哪一种方法来测量距离的(b):(a)时间差法 (b)相位差法 (c)外差法
  3. (选择)测量高速回转零件的主轴偏移量,可选用(b):(a)电感传感器 (b)电涡流传感器 (c)压电式传感器 【解释:(a)不适用于高频动态场合,(c)为接触式传感不可取】

角度检测技术

  • 光电编码器
  • 圆光栅

【考题预测】

  1. (计算)某工作台与增加数显装置,测角范围0~360°,分辨力1′。①应选用何种角度传感器 ②确定传感器主要参数 【作业2】

(二)热量学检测技术

接触测温

  • 热电阻:金属热阻效应,三线、四线连接法!
  • 热敏电阻:半导体热阻效应,(PTC、NTC、CTR),NTC(负温度系数热敏电阻)最普遍,应用最广泛!!
  • 热电偶:热电势效应(存在接触电势+温差电势),基本定律(均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律),4种冷端处理方法!

【考题预测】

  1. (简答)Q:相比接触式测温,非接触测温具有哪些优势?A:具有较高的测温上限,热惯性小(千分之一秒),便于测量运动物体的温度和快速变化的温度,且感温元件的性能和寿命比接触式长。
  2. (简答)Q:试说明如图所示的热电偶三线制测温时,饰如何消除连接导线电阻r带来的测温误差的。A:列出电桥平衡关系式$(R_t+r)R_2=(R_3+r)R_1$,解出$R_t$,看是否与r有关。
  3. (填充)热电偶的冷端处理方法有[0℃恒温法]、[冷端温度修正法]、[电桥补偿法]、[延伸电极法]。
  4. (填充)热点势产生必须具备两个条件为[导体材质不同]和[节点温度不同]。
  5. (填充)热电偶的回路电动势主要包括[接触电势]和[温差电势]。
  6. (选择)家用空调中的测温元件采用何种传感器最好(b)(a)热电阻 (b)热敏电阻 (c)热电偶
  7. (选择)在实际的热电偶测温应用中,引用测量仪表而不影响测量结果是利用了热电偶的哪个基本定律(a):(a)中间导体定律 (b)中间温度定律 (c)标准电极定律 (d)均质导体定律
  8. (填空)热电阻引线方式中,[三线制]适用于工业测量,一般精度要求场合,[二线制]适用于引线短精度要求不高场合,[四线制]适用于实验室测量,精度要求高场合。
  9. (简答)热敏电阻用于电机发热保护的原理【作业3】
  10. (计算)Pt100电阻阻值计算【作业3】

非接触测温

  • 辐射温度计:全辐射:全光谱(高温段误差大)。部分辐射:工作光谱仅限于一定范围。
  • 颜色温度计:比色法
  • 亮度温度计:应用:红外成像(军事)

【考题预测】

  1. Q:试述比色温度计的原理 A:绝对黑体辐射的两个波长λ1和λ2的亮度比等于非黑体的相应亮度比,不同温度时两个波长的辐出度比值R不同,和温度T呈单值函数关系。

(三)力学量检测技术

力/压力检测技术

  • (电阻)应变式:使用最多的测力传感器,适合静态、动态测量
  • 压阻式:压阻效应(对半导体材料施加应力时,除了产生变形外,材料的电阻率也发生变化),半导体应变片比金属灵敏度大1~2个数量级并减小了滞后,但温度稳定性差,大应变时非线性严重

【考题预测】

  1. (简答)Q:简述应变式测力的原理 A:外力→弹性体应变→电阻应变片电阻变化→电桥电路→电量
  2. (计算)等强度梁的经典问题!!!$dR/R = K\sigma/E $【作业4】

加速度检测技术

其实就是力、压力传感器,测加速度 = 加速度 —F=ma→ 受力

  • 压电式:压电效应,压缩式、剪切式、复合式,不适合静态测量

【考题预测】

  1. (选择)测量冲击加速度时,使用():(a)压电式加速度传感器 (b)应变式加速度传感器 (c)差动变压器式加速度传感器
  2. (填充)压电式加速度传感器主要有[压缩式]、[剪切式]、[复合式]三种。
  3. (简答)Q:试述加速度的测量原理 A: 敏感质量块感受加速度,而产生与之成正比的惯性力F=ma,再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力(应变式),或通过压电元件把惯性力转变成电荷量(压电式),然后通过测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。
  4. (判断)压电式传感器既可测量静态力,也可测量动态力。(错误,压电转换元件的主要缺点是无静态输出,压电传感器有时不可避免地存在电荷泄放现象)【ppt蓝字】
  5. (简答)Q:压电式传感器前置放大器的作用是什么? A:将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源输出,而且输出电压正比于输入电荷。其优点是,在一定的条件下,传感器的灵敏度与连接电缆长度无关。

速度检测技术

  • 多普勒测速

【考题预测】

流量检测技术

  • 差压式:节流件处流速增大静压力降低。直管段。
  • 流阻式
  • 测速式:电磁式(只能测导电液体且不能测量高温介质)、涡轮式、超声波式(精度不好)
  • 振动式:卡门涡街流量传感器、旋涡流量传感器
  • 质量式:CMF(科里奥利质量流量计)

【考题预测】

  1. Q:差压式流量计为何需要前后安装直管段?A:以免进入节流件前的流束扰动干扰测量结果,所以国家标准中规定,节流件前后直管段的长度分别不短于10D和5D。
  2. Q:什么是科里奥利质量流量计?是直接式质量流量计还是间接式质量流量计?为什么。 A:这种流量计利用流体在振动管中流动时,产生与质量流量正比的科里奥利立,是一种直接式质量流量仪表。(间接式=体积流量计+密度计,在温度、压力变化频繁时不适用)【ppt蓝字】
  3. Q:什么是“卡门涡街”,请简述。 A:在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂
    直的非流线形柱形体(如三角柱、圆柱等),称之为漩涡发生体。当流体沿漩涡发生体绕流时,会在漩涡发生体下游产生不对称但有规律的交替漩涡列,这就是所谓的卡门涡街。涡街流量计是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡,通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。

(四)电磁量检测技术

电量检测技术

  • 光纤电流传感器:FF型、NF型,需要掌握(光纤传光原理、法拉第(磁致光旋)效应、偏振态检测……),特点:量程大(0-1000A)、灵明度高、与高压无接触,电绝缘性好

【考题预测】

  1. (简答)请推倒入射角$\theta_0$的临界入射角$\theta_c$与空气折射率$n_0$、纤芯折射率$n_1$和包层折射率$n_2$的关系式。【以往的考研试题】
  2. (判断)光纤是利用光的折射原理工作的(错误!全反射)
  3. (填充)光纤由纤芯和包层构成,且纤芯的折射率[大于](填大于、小于、等于)包层的折射率。

磁量检测技术

  • 霍尔传感器:广泛应用于测量电流

【考题预测】

  1. (简答)Q:根据图简述霍尔效应的基本原理,并说明如何实现电子罗盘 A:置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。$U_H=K_HIB,K_H={R_H \over d}$【历届考研】

(五)检测电路设计

信号调理

  • 放大电路:正向、反向、差分、仪用。共模抑制比:$CMRR=20lg(A_D/A_C)$
  • 滤波电路:无源、一阶有源(截止频率1/RC)、二阶有源
  • 调制、解调电路:调制$u_m=xsin(\omega_ct)$;解调$u_d=u_msin(\omega_ct)=0.5x-0.5xcos(2\omega_ct)$

【考题预测】

  1. (填充)将一个高通滤波器和一个低通滤波器串联,可以得到[带通]滤波特性;并联可以得到[带阻]滤波特性。
  2. (计算)Q:仪用放大电路的共模抑制比与哪些因素有关,求$A_U$。 A:共模抑制比只与并联的差分放大器增益和电阻R的一致性有关。$增益系数 A_U={u_o \over {u_{I1}-u_{I2}}}=-(1+{2R_1\over R_g})$ 其中$R_g$可调差模放大倍数但不影响共模抑制比。

信号变换

  • 测量电桥
  • 电压-电流转换
  • 电压-频率转换
  • 模拟-数字转换

【考题预测】

  1. (计算)直流应变电桥,E=4V,dR=3.5Ω,R=350Ω,求①单臂②临臂同向③临臂差动④全桥差动 时的输出。【单臂1/4,双臂差动1/2,全桥差动1】

干扰抑制

  • 接地技术
  • 屏蔽技术
  • 平衡技术
  • 调制解调技术
  • 电源退耦、滤波技术
  • 隔离技术
  • 看门狗技术

【考题预测】

  1. (填充)电磁屏蔽主要是抑制[高频](填高频或低频)电磁场的干扰【ppt蓝字】
  2. (简答)Q:什么是互感耦合,如何抑制? A:互感耦合式由于两电路间互感的存在,一个电路中的电流变化,将通过磁场交链的形式耦合到另一个电路。可以通过设法减小接收器的环路面积来抑制或用磁场屏蔽。【ppt蓝字】
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