《现代检测技术及仪表》第2版习题解答(孙传友编).doc 52页

'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：52 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。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cm/℃（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为:℃2-352 解：据公式（２－２－２５）解此方程得2-4解：据公式（2-1-18），二阶传感器的幅频特性为：。当时，，无幅值误差。当时，一般不等于1，即出现幅值误差。由题意知，，要确定满足也就是满足的传感器工作频率范围。解方程，得；解方程，得，。由于，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～和～。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～频段为有用频段。由可得，即工作频率范围为0～。2-5解：据题意知，，阻尼比，代入公式（２－２－１８）得幅频特性为，故测量频率为600Hz时幅值比为据公式（２－２－１９）得相位差为52 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2.0％＞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%=1.5%V=0.45VB表%=1.5%V=0.75VC表%=1.0%V=0.50VD表%=0.2%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，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3-352 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，按照定义，应变片的灵敏系数为，因，横向效应系数，故。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：。折合成附加应变为。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当温度为50℃时，代入公式（3-1-26）计算得，此时的电阻值为当Rt=92W时，代入公式（3-1-26）计算得，此时的温度值为52 3-7解：T0=0℃=273K，R0=500kW；T=100℃=373K，代人公式（3-1-30）计算得热敏电阻的阻值为3-8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～由窗口题3-9图比较器的窗口电压和决定。调节电位器可调整。图中为热敏电阻，当温度上升时，减小，升高。当冰箱内温度时，，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。当冰箱内温度时，，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。当冰箱内温度时，52 ，窗口比较器使RS触发器的S端和R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，从而提高元件的灵敏度和响应速度。半导瓷气敏电阻元件一般要加热到200℃～400℃，元件在加热开始时阻值急剧地下降，然后上升，一般经2～10分钟才达到稳定，称之为初始稳定状态，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。3-11答：下图为一个简易的家用有害气体报警电路。图中变压器次级绕组为气敏电阻QM-N6提供加热器电源。变压器初级中心抽头产生的110V交流电压，加到由1k电位器、气敏电阻和蜂鸣器串联组成的测量电路。当CO等还原性有害气体的浓度上升时，气敏电阻减小，流过蜂鸣器的电流增大，当有害气体的浓度使蜂鸣器的电流增大到一定值时，蜂鸣器就鸣叫报警。调整电位器可调整蜂鸣器灵敏度，即产生报警的有害气体最低浓度。图中氖灯LD用作电源指示。为防止意外短路，变压器初级安装了0.5A的保险丝。3-12解：图3-1-18中电表为电流表，其中电流为：（为电流表满量程）为负特性湿敏电阻。湿度↑→↓→↑。湿度测量范围％RH～％RH，Rd为湿度％RH时RX的值，因要求即，所以增大可减小，即扩大测湿量程％RH。3-13答：测湿电路通常为湿敏电阻构成的电桥电路。如果采用直流电源供电，52 湿敏电阻体在工作过程中会出现离子的定向迁移和积累，致使元件失效或性能降低，因此所有湿敏电阻的供电电源都必须是交流或换向直流(注意：不是脉动直流)。3-14答：温度变化时，电阻应变片的电阻也会变化，而且，由温度所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎具有相同数量级，如果不采取温度补偿措施，就会错误地把温度引起的电阻变化当作应变引起的电阻变化，即产生“虚假视应变”。把两个承受相同应变的应变片接入电桥的相对两臂，并不能补偿温度误差。从表3-1-1所列图3-１－１５（b）计算公式可知，电桥输出电压为，由此可见，温度引起的电阻变化也影响电桥输出电压，此时，从电桥输出电压测出的应变并不是真实应变，而是，其中包含有虚假视应变即温度误差。3-15解：一个应变片接入等臂电桥，属于单臂工作的情况，将（3-1-19）式代入（3-1-36）式得（1）由上式可见，电源电压越高，输出电压越大，但是电源电压受应变片允许电流的限制，由题意知，应变片允许工作电流是15mA，因此激励电源电压应选为代入（1）式计算得，电桥输出电压为5mV时钢制试件上应变片的应变为3-16答：据公式（3－２－２）图3-2-1（c）所示电容传感器的初始电容为如果空气隙减小了，则电容值变为双层介质差动式变极距型电容传感器的电容与动极板位移的关系式为52 　　　题3-17图　　　　　　3-17答：题3-17图所示为变介质式电容传感器，设极板宽为，长为。极板间无介质块时的电容为，极板间有介质块时的电容为，上式表明传感器电容与介质块位移x成线性关系。3-18题3-18图解：由题3-18图和题中参数可求得初始电容C1=C2=C0=eS/d=e0pr2/d0变压器电桥输出端电压其中Z1,Z2分别为差动电容传感器C1,C2的阻抗.，将公式（3-2-9）代入上式计算得3-19答：自感传感器有三种类型：变气隙式、变面积式和螺管式。变气隙式灵敏度最高，螺管式灵敏度最低。变气隙式的主要缺点是：非线性严重，为了限制非线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程受铁心限制，制造装配困难。变面积式和螺管式的优点是具有较好的线性，因而示值范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。此外，螺管式与变面积式相比，批量生产中的互换性好。由于具备上述优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，因此目前螺管型自感传感器的应用越来越多。52 3-20解：设纸页厚度为，磁导率为，其磁阻远大于铁心和衔铁的磁阻，因此据公式（3－３－5）可推得，题3-20图所示自感式传感器的自感为，电流表４的读数为可见电流表的读数与纸页厚度成线性关系。3-21解：将题中参数代人书上的公式（3-3-2），分别计算铁芯磁路磁阻和气隙磁阻，计算结果证明，铁芯磁路磁阻远小于气隙磁阻，因此该变隙式电感传感器的电感可采用书上的公式（3-3-5）近似计算。由公式（3-3-6）和（3-3-7）可知，当衔铁移动Δδ时，传感器的电感变化为将公式（3-3-6）代人上式得，变隙式电感传感器的灵敏度为据题意知：A＝1.5cm2，，。代人上式计算得变隙式电感传感器的灵敏度为若将其做成差动结构形式，则灵敏度为单一式的两倍，且线性度也会得到明显改善。3-22答：由自感传感器的等效电路图3-3-3可见，自感传感器工作时，并不是一个理想的纯电感L，还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容组成的并联寄生电容C。更换连接电缆后，连接电缆线分布电容的改变会引起并联寄生电容C的改变，从而导致自感传感器的等效电感改变，因此在更换连接电缆后应重新校正或采用并联电容加以调整。3-2352 答：差动自感式传感器与差动变压器式传感器的相同点是都有一对对称的线圈铁心和一个共用的活动衔铁，而且也都有变气隙式、变面积式、螺管式三种类型。不同点是，差动自感式传感器的一对对称线圈是作为一对差动自感接入交流电桥或差动脉冲调宽电路，将衔铁位移转换成电压。而差动变压器式传感器的一对对称线圈是作为变压器的次级线圈，此外，差动变压器式传感器还有初级线圈（差动自感式传感器没有），初级线圈接激励电压，两个次级线圈差动连接，将衔铁位移转换成差动输出电压。3-24答：图(a)和图(b)的输出电流为Iab=I1-I2，图(c)和图(d)的输出电压为Uab=Uac-Ubc。当衔铁位于零位时，I1＝I2,Uac=Ubc，故Iab=0,Uab=0;当衔铁位于零位以上时，I1>I2，Uac>Ubc，故Iab>0，Uab>0;当衔铁位于零位以下时，I1>W），光电元件的输出电压变化一个周期，光栅辩向电路产生一个脉冲计数，采用电子细分技术后，主光栅移动一个光栅栅距W，细分电路将产生m个计数脉冲，光栅的分辨率即一个脉冲计数代表的位移就从W变成W/m。光栅的栅距一般为0.01～0.1mm，电子细分数在12～60甚至更多，因此光栅传感器能测量很微小的位移。光栅传感器中有两个相距四分之一莫尔条纹间距的光电元件，这两个光电元件的输出信号u1和u2的相位差正好等于π/2。当位移反方向时，正向位移时原来相位超前的那个光电元件的输出信号的相位，就从相对超前变为相对迟后，这就会使相关的辨向电路控制计数器从脉冲加计数变成脉冲减计数，因此计数器的计数结果反映位移正负两抵后的净位移。6-3答：长光栅所允许的移动速度受光敏二极管响应时间的限制故6-4解：六位循环码码盘测量角位移的最小分辨率为：。码盘半径应为：循环码101101的二进制码为110110，十进制数为54；循环码110100的二进制码为100111，十进制数为39。码盘实际转过的角度为：。6-5答：莫尔条纹宽度为因为标尺光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就移动一个条纹宽度H的距离,所以当标尺光栅移动100微米时，莫尔条纹移动的距离为6-6答：相邻正弦绕组与余弦绕组的间距为(n/2+1/4)W。相邻正弦绕组和正弦绕组，相邻余弦绕组与余弦绕组的间距都为n倍节距W。6-7答：感应同步器测量系统对位移的分辨率是由节距W和细分数m决定的，因此要提高位移分辨率，就要选用节距W小的感应同步器和增大细分数m。6-8答：感应同步器设置正弦绕组与余弦绕组是为了能在测量位移大小的同时还能判别位移的方向。52 6-9试分析环境温度变化，对振弦式传感器灵敏度的影响。解：在温度变化时，振弦的有效长度也随之变化：式中t和分别为温度和温度膨胀系数，为温度时的弦长。由于振弦的截面积很小，可认为当温度变比时其截面积A不变。振弦的应力σ=F/A代人教材上公式（5-3-3）得振弦的振荡频率可表示为取振弦式传感器灵敏度，则由上式可得由上式可见，温度增加，振弦灵敏度降低。6-10答：振弦、振筒两种频率式传感器的共同的特点是都由振动体、激振器、拾振器和放大振荡电路组成一个反馈振荡系统，作为振动体的振弦、振筒都是用具有导磁性的恒弹性合金制成，当激振器使振动体振动时，磁路的磁阻交替变化，在拾振器中产生感应电压，感应电压的变化频率等于振动体振动频率。它们共同的工作原理是，被测非电量如力、压力、密度等使振动体振动频率即拾振器感应电压的频率改变，因此测量拾振器感应电压的频率就可测出被测非电量。第7章7-1答：光导纤维简称光纤，由透光的纤芯和包层以及不透光的尼龙外套组成。纤芯内传播的光入射到纤芯和包层的交界面时，由于纤芯的折射率比包层的折射率大，只要入射角θ1大于临界角θc，即，光就不会穿过两个介质的分界面，而只会完全反射回来，这种只有反射没有透射的情况称为全反射。在光纤的入射端，光线从空气(折射率为n0=1)中以入射角射入光纤纤芯，当入射角时，就会使θ1>θc即满足全反射条件，这样，光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在纤芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。7-252 答：当光纤发生弯曲到一定程度使光线入射角小于临界角时，射到纤芯与包层界面上的光有一部分将穿过界面透射进包层造成传输损耗——微弯损耗，从而引起光纤出射端输出的光通量发生变化。图7-1-7中变形器的位移或所受力越大，变形器使光纤发生周期性弯曲就越厉害，引起传输光的微弯损耗越大，光纤出射端输出的光强度越小。通过检测光纤输出的光强变化就能测出位移或力信号。7-3答：在曝光（光积分）时间，图7-2-6中各个光敏元曝光，吸收光生电荷，产生“电荷包”。曝光结束时，全部“电荷包”实行场转移，亦即在一个瞬间内将感光区整场的“电荷包”图象迅速地转移到存贮器列阵中去，譬如将脚注为a1、a2、a3、a4的光敏元中的光生电荷分别转移到脚注相同的存储单元中去。此时光敏元开始第二次曝光（光积分），而存储器列阵则将它里面存贮的光生电荷信息一行行地转移到读出移位寄存器，在高速时钟驱动下的读出移位寄存器，读出每行中各位的光敏信息，如第一次将a1、b1、c1、d1这一行信息转移到读出移位寄存器，读出移位寄存器立即将它们按a1、b1、c1、d1的次序有规则地输出。接着再将a2、b2、c2、d2这一行信息传到读出寄存器，…，直至最后由读出移位寄存器输出a4、b4、c4、d4的信息为止。7-4答：红外探测器是能够把红外辐射量的变化转换为电量变化的器件，它是红外传感器的关键部件——传感元件。按其所依据的物理效应可分为光敏和热敏两大类型，其中光敏红外探测器用得最多。光敏红外探测器是采用电真空光电器件或半导体光电器件，通过红外辐射的光电效应，把红外辐射的光量变化转换为电量变化。热敏红外探测器是采用热敏电阻、热电偶和热电堆，通过红外辐射的热电效应，把红外辐射的热量变化转换为电量变化。7-5答：超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。压电式超声波探头是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成机械振动，以产生超声波。正压电效应将接收的超声振动转换成电信号。由于压电效应的可逆性，实际应用中的超声探头大多是发射与接收兼用，既能发射超声波信号又能接收发射出去的超声波的回波，并把它转换成电信号。7-6答：超声检测方法常见的有：透射法、反射法、频率法。7-7答：核辐射传感器主要由放射源和探测器组成。放射性辐射过度地照射人体，能够引起多种放射性疾病。因此在实际工作中要采取各种方式来减小射线的照射强度和照射时间。如采用屏蔽层，利用辅助工具，或是增加与辐射源的距离等各种措施。7-8答：传感器发展的新趋向是：１）探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器；２）传感器的集成化和多功能化；３）传感器的智能化；４）研究生物感官，开发仿生传感器。第8章8-152 解：设两圆弧形电位器半径为r，弧长为L，连成如题1图所示差动电桥，两电位器滑臂转角为，则电桥输出电压为：。测量范围（度）。题8-1图8-2解：据公式（８－２－１）图8-2-1中四应变片承受的应变为，，，代入公式（3－１－４１）得电桥的输出电压与倾角的关系式8-3解：采用图3-2-3所示变面积型差动电容传感器，将其动极板做成摆锤，再将该差动电容传感器接入图3-2-7所示变压器电桥，即构成倾角测量电路。将（3-2-12）式代入（3-2-25）得，测量电路输出电压与倾角成正比同样，也可采用图3-3-7（d）所示变面积型差动变压器，将其活动衔铁做成摆锤，再将该差动变压器接入图3-3-11所示差动整流电路，也可构成倾角测量电路。8-4解：将纸页夹在变极距型电容器的两极板之间，设纸页的厚度为，介电常数为，此时，据公式（3－２－１），变极距型电容传感器的电容为，将电容传感器代入图3-2-6(a)中的Cx，图中C0采用固定电容，据公式（3-2-18），电路输出电压幅值与纸厚成正比8-5解：红外线发射管VD1发出红外光，此光线透过纸张后，被光敏二极管VD2接收。纸张越厚，透过纸张的光线强度越弱，VD2内阻越大，输出的检测电压越高，反之亦然。VD2输出的检测电压加到两个比较器，分别与两只电位器设定的门限电压进行比较。52 若纸张厚度在正常范围，VD2输出电压也就在两只电位器设定的门限电压范围之内，两个比较器的输出端均输出高电平，三极管VT1、VT2都保持截止状态，继电器也保持释放状态。两控制开关均不闭合。当纸张厚度增大超过允许范围时，VD2输出的检测电压会升高到超过电位器RP1设定的门限电压，比较器IC1a的4脚电压高于5脚，这时其2脚输出低电平，三极管VT1导通，发光二极管LED1（超厚指示灯）点亮，继电器K1动作，使超厚控制开关闭合，接通控制纸张变薄的电路，使其工作。当纸张厚度减小超过允许范围时，VD2输出的检测电压降低到低于电位器RP2设定的门限电压，比较器IC1b的7脚电压低于6脚，这时其1脚输出低电平，三极管VT2导通，发光二极管LED2（超薄指示灯）点亮，继电器K2动作，使超薄控制开关闭合，接通控制纸张变厚的电路，使其工作。题8-5图纸厚检测控制电路8-6答：如题8-6图所示，采用绝缘材料制作一个同轴圆筒形容器，轴心采用直径为d的金属圆棒作为内电极，金属圆棒外的绝缘材料包层直径为D，绝缘材料的介电常数为。因为容器内导电液体是不粘滞的，当液位下降时，导电液体不会粘滞在绝缘材料包层的表面，所以，导电液体（作为外电极）与金属圆棒（作为内电极）的复盖长度即为液位高度H。金属圆棒和导电液体构成一个变面积式电容传感器。从容器底部引出的两根引线分别与金属圆棒和导电液体相连，据公式（3－２－３）可知，传感器电容为。将此电容传感器代入上图3-2-6（b）中的CX，C0采用固定电容，据公式（3-2-20），电路输出电压幅值为。52 题8-6图8-7答：图8-4-5中液位高度H使活动衔铁上升Δx，即衔铁位移，将公式（8-4-10）代入（3－３－４２）得，差动变压器输出电压与液位高度H成正比关系8-8答：采用图8-4-6所示电容式差压传感器或图8-4-8所示压阻式差压传感器及相关测量电路（参见第8-９题解答）将差压转换成电压，再配接一个电压表组成水深测量仪表。其组成框图如题8-8图所示。题8-8图差压传感器及其仪表带在潜水员身边，差压传感器高压侧进气孔敞开与潜水员身边的水相通，低压侧进气孔通过一根很长的橡胶“背压管”与水面上的大气相通，据公式（８－４－１３），差压传感器的差压与潜水员所潜入的深度h成正比，此差压由测量电路转换成与之成正比的电压读数，这样，潜水员就能从该电压表的读数知道自己所潜入的深度h。8-9解：据公式（８－４－１４），图８－４－６所示电容式差压传感器的差动电容为(1)式中，该电容式差压传感器接入图3－２－７(b)变压器电桥，将(1)式代入公式（3-2-25）得52 该电容式差压传感器接入图3－２－9电路，将(1)式代入公式（3-2-33）得第9章9-1解：铝盘转矩，游丝扭矩，二者平衡时（1）据书上公式（6-1-1），配接m位光电编码器，角分辨力，将此式代入上式（1），可得转速分辨力（2）设转速时，将（1）式代入书上公式（6-1-3），可得被测转速与转换成的相应二进制数码的对应关系为因二进制绝对编码器最大输出数码为m为全“1”，故对应的可测最大转速为9-2解：据公式（９－１－６）和（９－１－８），9-3解：令为被测振动角频率，为绝对振动传感器固有频率。据公式（9-2-21），当时，，故可测量振动位移幅值。据公式（9-2-23），当时，，故可测量振动加速度幅值。9-452 答：圆筒形铝制线圈骨架可看作是一个单匝闭合线圈，当线圈架随同线圈一起在磁场中运动时，铝制线圈架内将感应产生涡流，磁场对此涡流的作用力也将阻止线圈架运动，由(9-2-35)式可知，这种涡流阻尼力也与线圈相对磁铁的运动速度成正比，方向相反，即式中μ——线圈架结构尺寸和材料决定的常数。过去线圈骨架采用普通的绝缘骨架，因不能产生涡流阻尼力，就在线圈的活动空间灌满硅油，靠线圈与周围硅油的摩擦产生阻尼力。采用铝骨架后，用涡流阻尼取代硅油阻尼，传感器的体积和重量大大减小。9-5答：据公式（９－２－４２）和（９－２－４７），只有当ω>ω0时，磁电式速度传感器的输出电压才与振动速度成正比。因此磁电式速度传感器必须工作ω>ω0的范围9-6答：这些传感器的共性就是传感器的壳体与被测振动体固接在一起，相对于大地做绝对振动，传感器的壳体通过弹簧片或其他弹性支承带动质量块相对于壳体做相对振动，质量块的相对振动位移被转换成电量，因而被测振动体的绝对振动加速度被转换成电量。9-7解：图9-2-5（a）中质量块的位移相当于图8-1-1中悬臂梁可动端的位移δ，根据（8-1-2）式，悬臂梁上黏贴的电阻应变电桥输出电压为（1）式中为应变电桥电源电压。根据公式（9-2-20）式，图9-2-5（a）中质量块的位移与被测加速度的关系为，（2）当时，（3）将（3）式代入（1）式得∴（4）－应变片灵敏系数，—悬臂梁的弹性系数；悬臂梁实质上是一个弹性敏感元件，当它的可动端受到质量块的作用力时，将产生位移，根据弹性力学的推导，与作用力成线性正比关系（5）而质量块受悬臂梁的弹性反作用力为（6）（5）式代入（6）式得：（7）52 （7）式代入（4）式得：由上式可见，测得悬臂梁黏贴的电阻应变电桥输出电压，就可以测得传感器所固定的振动物体的振动加速度幅值。9-8解：已知，，∴。已知，故。9-9解：根据（4-2-18）式，，根据（4-2-19）式，，根据（4-2-22）式，，由题意知：，综合(4-2-26)和（9-2-31）式得，　　　　　　　　　　　　（１），式中G为放大倍数。令，由（１）式可得通频带为，即，通频带中心频率。当时，，52 ，也可认为时，。9-10解：应变片R1～R4粘贴位置及连成的电桥电路如图９－３－４所示。，。9-11解：图9-3-7(a)中，令，为重量，将此式代入公式（3-2-6）得（1）方案1——将图9-3-7(a)所示电容传感器Cx接入题9-11图所示测量电路。题9-11图（2）（3）∴（4）方案2——将图9-3-7(a)所示电容传感器Cx接入图3-2-11（a）中将（1）式代入书上公式（3-2-38），图3-2-11（a）输出方波频率为（5）9-1252 解：在图9-3-7（b）中，每个电容传感器的电容为，∵，∴，∴。并联总电容，令总重量，∴(1)方案1——将图9-3-7(b)所示电容传感器Cx接入题9-12图所示测量电路。题9-12图题9-12图输出电压为（2）将（1）式代入（2）式得（3）方案2——将图9-3-7(b)所示电容传感器Cx接入图3-2-11（a）中将（1）式代入书上公式（3-2-38），图3-2-11（a）输出方波周期为（4）9-13解：在承受扭矩的钢轴的圆周线上，等间距地粘贴四个应变片，应变片与轴线成角，应变片与轴线成角，再将四个应变片连接成电桥，如题9-13图所示。52 题9-13图由题意知，应变片灵敏系数为k=2，剪切弹性模量为，代入书上公式（9-4-3），可计算得题9-13图所示电桥输出电压为10mV时，被测力矩为∴第10章10-1解：两只相同的金属应变片粘贴到图10-1-7所示筒式压力传感器外壁的圆周上,当温度变化时，它们都会产生电阻变化，据公式(3-1-24)，此电阻相对变化折算成“虚假视应变”为。应变片R1粘贴到筒体空心部分外壁的圆周上，在流体压力P作用于筒体内壁时，筒体空心部分发生变形，产生与压力P成正比的周向应变，因此应变片R1的电阻相对变化为。应变片R2粘贴到筒体底部实心部分外壁的圆周上，在流体压力P作用于筒体内壁时，筒体底部实心部分不发生变形，应变片R２的电阻相对变化为。将这两应变片连入电桥横跨电源的相邻两臂，如题10-1图所示。电桥的其他两臂用固定的平衡电阻，代入公式(3-1-39)得，电桥输出电压为题10-1图52 10-2答：在图10-1-13中，当被测压力P作用于膜片时，膜片中心处位移引起两遮光板中狭缝一个变窄，一个变宽，从而使透射到两光敏元件上的光强度一个增强一个减弱，把两光敏元件接成差动电路，差动输出电压可设计成与压力成比例。这种差动结构不仅可提高灵敏度，而且能消除光源亮度变化产生的影响。如果只采用一个狭缝和一个光敏元件，光源亮度变化引起的光敏元件上的光强度变化，同被测压力P变化引起的光敏元件上的光强度变化，无法区分开，从而带来测量误差。10-3　题10-3图1　　　　　　　　　　　　　　　　题10-3图2解：题10-3图1的电路方程为（1）将书上公式（5－1-5)代入上式，并整理得（2）因R3=R4，R5=R6，故上式简化为调节题10-3图1中的电位器RP1,使U2=Ub，从而使t=0℃时，U0=0。完成调零后，题10-3图1中DVM的输入电压为（3）调节电位器RP2，改变分压系数m，使温度为t=100℃时，DVM读数为1000mV。题10-3图2的电路方程为(4)将书上公式（5－1-5)代入上式，并整理得(5)52 调节题10-3图2中的电位器RP1,使上式括号项为零，从而使t=0℃时，U0=0。完成调零后，题10-3图2中的输出电压为（6）调节电位器RP2，使温度为t=100℃时，输出电压为1000mV。综上所述，题10-3图1和图2中电位器RP1均为调零电位器，RP2均为调满度电位器。10-4解：图10-2-13中，A1和A3为电压跟随器，A2为减法电路或差动放大电路（放大倍数为１），输出电压为两个晶体管管压降的差。图中100kΩ电位器用于调零，使两个晶体管的电流相等即，代入公式(5-1-5)得，输出电压为当两个晶体管放在一起即温度相同时，调节图中100kΩ电位器，使输出电压为零。完成调零后，图10-2-13输出电压便与两管温度差成正比。10-5答：辐射式测温法是基于热辐射效应。任何物体受热后都将有一部分热能转变为辐射能，物体温度愈高，则辐射到周围空间的能量就愈多。热辐射同其它电磁辐射一样，无需任何媒介物即可传播，因此无需直接接触即可通过检测物体的热辐射来测量物体的温度。这是实现辐射式测温的基础。辐射式温度传感器一般包括两部分：1)光学系统，用于瞄准被测物体，把被测物体的辐射能聚焦到辐射接收器上。2)辐射接收器，利用各种热敏元件或光电元件将会聚的辐射能转换为电量。辐射接收器产生的温度电信号幅度很弱，通常需要进行高增益地放大。但温度的变化是很缓慢的，经辐射接收器转换成的电信号也是缓变的几乎是直流电信号，而直流放大器由于容易产生直流工作点漂移，放大倍数都比较低。辐射式温度传感器采用机械调制盘，连续光线通过调制盘一圈m个小孔被“斩波”变成频率为（式中n为调制盘每分钟转数）的交变光波，再经辐射接收器转换成频率为f的交流电信号，这样就便于采用高放大倍数的交流放大器放大了。10-6解：根据（10-3-14）式，；代入（8-4-11）式，；代入（3-2-25））式，可得变压器电桥输出电压为52 为使输出电压与流量Q成线性正比关系，变压器电桥输出电压整流后应加接开方电路。开方电路输出为，与成线性正比关系。10-7答：在实际工作中由于永久磁场产生的感应电动势为直流电压，直流电压会导致电极极化或介质电解，引起测量误差，所以在工业用仪表中多采用交变磁场。10-8答：超声波测量流速的方法有时差法、相差法和频差法三种。据公式（10-3-23）、（10-3-24）可知，时差法、相差法的测量结果与超声波在被测流体中的流速有关，据公式（10-3-25）式可知，频差法的测量结果与超声波在被测流体中的流速无关，只取决于流体本身的流速。因此目前超声波流量计多采用频差法。10-9　　答：图10-3-11中电位器R2用于调零，当管道中的液体静止不流动时，调节电位器R2使电流表读数为零。当管道中的液体流量达到满量程值时，调电位器RP，使电流表指针满偏转。第11章11-1答：用两个热电偶取代图11-1-3所示干湿球湿度计中的两个温度计，并将这两个热电偶连接成图10-2-11电路，测得电路输出电压，即可测得“干球”和“湿球”的温度差，从而确定出空气中的湿度。11-2答：由于水的相对介电常数是空气的８２倍，干物料吸收水分以后，其介电常数将大大增加，根据物料介电常数与水分的关系，通过测量以物料为电介质的电容器的电容值即可确定物料的水分。用具有迅速吸湿和脱湿能力的绝缘性高的高分子聚合物做成感湿薄膜，复盖在叉指形金电极(下电极)上，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极)，构成一个平行板电容器。由于水的介电常数比高分子聚合物的大得多，当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿薄膜而被吸附时，高分子膜的介电常数随着其吸水量增加而增大，从而，高分子湿敏电容的电容值也随着其吸水量增加而增大，而吸水量的多少取决于气体湿度的大小，因此，在一定温度下，高分子湿敏电容的电容值与气体中相对湿度之间成线性关系。测量出湿敏电容的电容值即可测量出空气中的湿度。11-3答：因为振筒内流体压力和流体密度都能使振筒振动的频率发生改变，所以通过测量振筒振动的频率就可测量流体的压力或密度。依据的原理都是公式（６－３－１４）即振筒的固有频率由振筒的刚度和振筒的质量决定，　　　区别是，振筒内流体压力变化是通过改变振筒的刚度而使振筒振动的频率变化，振筒内流体密度变化是通过改变振筒的质量而使振筒振动的频率变化。52 　　对比图６－３－６和图６－３－７可见，二者都是用激振器激励振筒振动，拾振器产生感应电压，放大振荡电路也基本相同。不同之处在于振筒的结构有些差别。11-4答：相同点：都是采用热电阻传感器电桥，将热电阻随被测量的变化转换成电桥电压的变化。通过测量电桥电压以测出被测量。不同点：在热导式气体分析仪中，热导池内的热电阻随被测混合气体的导热系数变化，从而使电桥电压变化，因此通过测量电桥电压可测出被测混合气体的导热系数，如果测出两种导热系数已知的气体混合而成的混合气体的导热系数，就可依据公式（１１－３－１）计算出这两种气体的百分数含量。在磁式氧量分析仪中，被分析的气体含氧量越高，流过热磁式对流检测器中间通道里的气流就越强，两热电阻丝元件的温差越大，相应阻值变化就越大，电桥输出电压越大，因此通过测量电桥电压可测出气体含氧量。11-5答：图10-2-16(b)与图11-3-4对比可见，二者相同点：都分成两条光路和两个光电检测元件，并对两路的检测结果作对比分析，以确定和显示被测量。不同点：光电比色温度计是根据两个波长的亮度比随温度变化的原理来实现测量的。因此图10-2-16(b)中，光源是被测对象，被测对象发出的光分成两路，分别通过不同颜色的滤光片，两种颜色的光信号经检测和放大处理，得到被测温度值。　用于气体分析的光电比色计是基于被测介质对通过光束的某些波长有一定的吸收作用,测量被测介质的含量。因此图11-3-4中，光源发出的光分成两路，分别通过被测介质比色皿和参比介质比色皿，两路光信号经检测和比较放大，最后显示出被测介质的含量。11-6答：图11-3-5改装成题11-6图所示电路。QM—J1为酒敏元件，当司机酗酒进入驾驶室时，使A、B间电阻下降，功率开关集成电路TWH8751的2脚电位也随之降低。当酒气浓度超过安全值时，使TWH8751的2脚电位降到1.2V以下，TWH8751的4脚变为低电平，继电器J线圈通电而动作，其常闭触点JKl断开。此时即使司机打开锁头开关，也不能使汽车点火器得到电瓶供点而点火发动汽车。与此同时，继电器的常开触点JK2闭合，报警器报警。电位器W2应依据规定的酒气的安全值进行调整。题11-6图11-7答：婴儿尿湿踢被报警电路如题11-7图所示。两晶体管组成振荡器。热敏电阻包裹好放到婴儿腹部，梳状电极包裹好放到婴儿尿布上。当婴儿没有尿湿也没有踢被时，BG1的基极电位低于0.7V,振荡器不振荡，喇叭不发声，LED也不闪光。当婴儿踢被时，热敏电阻Rt52 增大,当婴儿尿湿时，梳状电极间电阻Rd减小，都会使BG1的基极电位高于0.7V,振荡器振荡，喇叭发声，LED也闪光。题11-7图第12章12-1解：完整的测量电路图如题12-1图所示。据公式（９－３－１６），应变电的输出电压为题12-1图，测量放大器的放大倍数为，直流电压表输入电压为代入公式（１２－１－１２）得，表头指针偏转角与被测压力的关系式12-2解：测量电路框图如题12-2图所示。52 题12-2图根据（10-3-14）式，；代入（8-4-11）式，；代入（3-2-25））式，。集成真有效值交/直流转换器AD637将变压器电桥输出的交流电压转换成数字相等的直流电压，即，开方器电路输出为，代入公式（12-1-12）得表头指针偏转角与被测流量的关系式为12-3解：为使计算简便，通常选R1=R2=R0,由图中所标电阻值，可知测温电路输出电压为因铂电阻Pt100在０℃时的电阻为１００Ω，为使t=0℃时，U0=0，须调RP1使完成调零后，上式简化为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（12-2-9)设铂电阻Rt在100℃时的电阻值为R100,百度电阻比为W，为使t=0℃时，U0=100mV,须调RP2,使电源电压为　　　　　　　　　　取铂电阻百度电阻比为W＝1.391，代入上式计算得E=51.15mV。12-452 解：据公式（8-4-13）图8-4-7中与密度ρ有关，由此式可见，这种测液位的方法存在液体密度ρ的影响。据公式（12-4-16）图12-4-3中与密度ρ无关，由此式可见，这种测液位的方法可消除液体密度ρ变化对液位测量的影响。但这种测液位的方法，需要同时采用两个差压传感器，而且测得的差压值还要进行除法运算才能得到液位值。12-5解：因，故T2发射极电流近似等于负载电流。故有：,根据叠加原理，题12-5图　　　　　　　（１）　　　　（２）因，故又因，（１）式与（２）式相减得　　因代入上式得52 将Vb=-1.25V，Rf=62.5Ω代入上式计算得，Vi=0～5V对应的输出电流I0为4～20mA12-6解：图12-5-6中表头满偏电流Ig=40μA，由图12-5-6(a)可见,n点左边的分流电阻R=4+1=5(kΩ)，右边的表头内阻r=0.8+1.4+2.8+2.5=7.5(kΩ),代入（12-5-5）、（12-5-8）式计算得，。由图12-5-6(a)可见,表笔插入1250V插孔时，附加电阻为,　，代入（12-5-7）式计算得量程为　　12-7解：开关B在触点７、８时，交流电压量程分别为5V、10V，据此可计算得开关B在触点９时，交流电压量程为50V，故。开关B在触点１０时，交流电压量程为250V，故。12-8解：将，，代入公式（12-5-15）计算得表头应并联的分流电阻r为，代入公式（12-5-16）计算得表头应串联的限流电阻R为第13章13-1答：相同点：LCD数字显示器与LED数字显示器都是显示七笔字形“8”，都有段选端和位选端，段选端都要加段选码，要显示的数字必须通过译码转换成相应的段选码。不同点：LED是用７个发光二极管摆成七笔字形，无需外部光源。LCD数字显示器是利用液晶的电光效应制成的，需要外部光照才能显示。液晶盒的上电极也做成七笔字形52 “8”，称为笔段电极，液晶盒的下电极称为公共电极或背电极。LED数字显示器在要显示的笔段的电极和公共电极之间加直流电压，LCD在要显示的笔段的电极与公共电极之间不是加直流电压，而是加对称方波电压。因为加直流电压会使液晶介质产生极化而缩短寿命。13-2答：将Vx=Um/4代入公式（１３－１－１）可得，。将Vx=Um/4代入公式（１３－１－４）可得，。13-3答：相同点：都有两种组成结构，一种是采用可直接驱动显示器的集成双积分式A/D转换器，与共阳极显示器直接相连，另一种是采用输出为BCD码动态扫描方式集成双积分式A/D转换器，通过译码/驱动器与显示器相连。不同点：因为LED显示器是直流驱动，而LCD显示器是交流驱动。所以二者采用的可直接驱动显示器的集成双积分式A/D转换器型号不同，不能互换。可直接驱动LED静态显示器与LED显示器直接相连的集成双积分式A/D转换器，是ICL7107、ICL7117等。可直接驱动LCD显示器与LCD显示器直接相连的集成双积分式A/D转换器，是ICL7106、ICL7116、ICL7126、ICL7136。输出为BCD码动态扫描方式的集成双积分式A/D转换器如MC14433和ICL7135等，与LCD显示器连接所用的译码/驱动器，同与LCD显示器连接所用的译码/驱动器型号也不同，也不能互换。13-4答：(a)(b)52 (c)题13-4图M-2666K数字万用表测量电压的原理如图题13-4图（a）所示。其电压量程有200mV、2V、20V、200V、750V五档，5个1/10倍率、总阻值为10MΩ的电阻组成分压器将输入被测电压分压到-199mV～+199mV的范围（否则会指示“过载”）。在测量交流电压时须将DC/AC选择开关置于AC，此时输入交流电压经过全波整流和低通滤波，变成等于交流电压有效值电平的直流电压，由7106数字表头测量和显示。M-2666K数字万用表测量电流的原理如图题13-4图（b）所示。其电流量程有200μA、2mA、20mA、200mA、20A五档，5个1/10倍率、总阻值为1000Ω的电阻组成分流器将输入被测电流分流到量程开关选定的分流电阻上形成电压，该电压（在-199mV～+199mV范围）经低通滤波（被测电流为直流时）或经全波整流（被测电流为直流时）、低通滤波后由7106数字表头测量和显示。M-2666K数字万用表测量电阻的原理如图题13-4图（c）所示。电压源与被测电阻和量程开关选定的基准电阻形成串联电路。因为被测电阻与基准电阻的比值等于被测电压与基准电压的比值。因此以基准电阻上产生的电压作为基准电压，被测电阻上产生的电压作为被测电压，就可以确定被测电阻的阻值。13-5答：图13-5-4是一个相位差数字测量电路。设相位差的度数为，即，公式(13-5-3)可改写为。图中A/D转换器前若增设一个放大倍数为K的放大器，则A/D转换结果变为为使A/D转换器输出数字正好是相位差的度数，即，可通过调整放大倍数来实现。13-6答：因为图13-5-5的最大计数误差是，与此对应的相位量化误差即相位量化单位，可令(13-5-7)式中求解得：52 计数器计数结果为。第14章14-1答：因为单片机一般具有以下优点：可靠性高、易扩展、控制功能强、体积小、开发周期短、成本低。所以，目前常见的微机化检测系统、特别是中型检测系统和便携式测控仪器大多采用单片机。14-2答：多位LED显示器有静态显示和动态显示两种形式。静态显示就是各位同时显示。为此，各位LED数码管的位选端应连在一起固定接地(共阴极时)或接+5V(共阳极时)，每位数码管的段选端应分别接一个8位锁存器/驱动器。动态显示就是逐位轮流显示。为实现这种显示方式，各位LED数码管的段选端应并接在一起，由同一个8位I/O口或锁存器/驱动器控制，而各位数码管的位选端分别由相应的I/O口线或锁存器控制。采用硬件译码时，微机输出的是显示数字的BCD码，微机与LED段选端间接口电路包括锁存器(锁存显示数字的BCD码)、译码器(将BCD码输入转换成段选码输出)、驱动器(驱动发光二极管发光)。采用软件译码时，微机输出的是通过查表软件得到的段选码。因此接口电路中无需译码器，只需要锁存器和驱动器。14-3答：相同点:两种键盘都是一组按键的集合。按键是一种按压式或触摸式常开型按钮开关。平时(常态)按键的两个触点处于断开状态，当按压或触摸按键时两个触点才处于闭合连通状态。为了能让CPU监测按键是否闭合，通常将按键开关的一个触点通过一个电阻(称上拉电阻)接+5V电源(这个触点称为“测试端”)，另一个触点接地或接低电平(这个触点称“接零端”)，这样当按键开关未闭合时，其测试端为高电平，当按键开关闭合时，其测试端便为低电平。不同点：独立式键盘的特点是各按键相互独立，每个按键的“接零端”均接地，每个按键的“测试端”各接一根输入线，如图14-1-1(a)所示，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。这样，通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个按键被按下了，因此操作速度高而且软件结构很简单。但是，由于独立式键盘每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多时，输入口浪费大，故此种键盘只适用于按键较少或操作速度较高的场合。独立式键盘的按键可以直接与CPU的I/O口相接，也可以用扩展I/O口(如8255扩展I/O口或三态缓冲器扩展I/O口)来搭接独立式按键接口电路。如图14-1-1(b)所示,行列式键盘的特点是：行线、列线分别接输入线、输出线，按键设52 置在行、列线的交叉点上，每一行线(水平线)和列线(垂直线)的交叉处不相通，而是通过按键来联通，利用这种矩阵结构只需m根行线和n根列线就可组成m×n个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当处理，才能确定闭合键的位置，因此，软件结构较为复杂。14-4答：键盘接口与键盘程序的根本任务就是要监测有没有键按下?按下的是哪个位置的键?这个键的键值是多少?这个任务叫做键盘扫描。键盘扫描可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。带有键盘扫描硬件电路的键盘称为编码键盘，不带键盘扫描硬件电路的键盘称为非编码键盘，非编码键盘的扫描靠软件实现。软件实现键盘扫描有三种工作方式：程控扫描方式或查询方式，定时扫描方式，中断工作方式。14-5答：我们知道，由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍输出一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该电路的输入端，即除以该电路的增益K，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声VIN。如果加在该电路输入端的信号幅度VIS小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器即前置放大器。前置放大器的放大倍数必须大于１即K0>1，而且必须是低噪声的——即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。前置放大器的增益K0越高,检测系统的等效输入噪声越低，接收弱信号的能力越强。但是，前置放大器增益的增益不能过大，以致使A/D转换器发生溢出。设检测系统的量程上限为Xmax,传感器及其接口电路的灵敏度为S，前置放大器的增益为K0，前置放大器之后A/D转换器之前的通道增益为K1，A/D转换器的满度输入电压为E，则前置放大器的增益K0应在满足以下条件的前提下尽可能取高些。　　　　14-6解：据题意可知，m=12，n=6代入公式(14-2-12)计算得，，故。因被测信号的最高频率为100Hz，故所需低通滤波器截止频率为，代入公式（１４－２－６）计算得，。14-7答：集中式采集电路的组成方案有以下四种：MUXA/D　　　　　　　　　(a)A/DPGAMUX(b)A/DS/HMUX(c)52 A/DS/HPGAMUX(d)分别适用什么场合如下表所示。被测信号随时间变化被测信号随道间变化适用的集中式采集电路方案否否(a)否是(b)是否(c)是是(d)14-8答：为了使测量结果既保证有一定的测量精度，又不超出量程范围，通常要进行量程切换。模拟式仪表实现量程切换的方式可以有三种：切换电源供电电压,切换放大器的增益,切换表头量程电阻,其中以切换放大器的增益最常见。数字式仪表实现量程切换的方式可以有三种：切换A/D的基准电压E，切换不同灵敏度S的传感器、切换放大器的增益K，其中以切换放大器的增益最常见。数字式仪表的量程切换的原则对微机化检测系统仍然是适用的。但是，在微机化检测系统中，不是采用数字逻辑电路而是采用微机来控制量程切换开关动作，微机依据模拟比较器的比较结果或A/D转换器的“过量程”和“欠量程”指示信号对量程切换开关进行程序控制。如果A/D转换器没有量程判别功能，也可由微机将A/D转换器的数据与窗口值和进行比较后，依据比较结果对量程切换开关进行程序控制。在微机化检测系统中，量程切换通常是通过程序改变程控增益放大器PGA的增益来实现的。程控增益放大器PGA的增益一般以１０的整数次幂变化，也有的以２的整数次幂变化。14-9答：因为微机化仪表中的微机具有强大的运算处理功能，微机化仪表的调零和调满度可以用软件来实现。因此微机化仪表中可以不设置调零和调满度的硬件电路。微机化仪表实现零点和灵敏度的自动校正，通常是执行一段“校准”操作程序，以获得最新的校准数据（NH、DH）、(NL、DL)并存入内存。每次测量后按（14-4-4）、（14-4-5）、（14-4-6）式从Di计算出Ni时，因为代入公式的（NH、DH）、(NL、DL)是刚刚校准过的最新数据，所以计算出的Ni就不会存在零点和灵敏度误差了。14-10答：微机化仪表对被测量进行测量的过程中，通常要用传感器将被测非电量转换成电量，再用适当的测量电路和数字转换电路，将模拟电量转换成数字量。被测量在这一系列转换过程中，量纲会发生多次变化，最后得到的数字D虽然与被测量X是唯一对应的，但往往不是以被测量的量纲为单位的数字，即52 。在这种情况下，如果把数字转换电路输出的数字D作为测量数字显示出来，显然是错误的。因此，必须把数字转换电路输出的数字D变换成真正的测量数字N。这种变换便是标度变换。１4-11答：相同点：三类仪表非线性校正都是对非线性传感器输出的被测信号进行非线性处理，使处理后的结果与被测量保持线性关系。不同点：模拟式仪表的非线性校正是采用模拟非线性校正电路实现的，数字式仪表的非线性校正既可采用模拟非线性校正电路，也可采用数字非线性校正电路。微机化仪表的非线性校正既可采用硬件（模拟非线性校正或数字非线性校正电路）也可采用软件实现，其中软件非线性校正最常见。14-12答：相同点：三代万用表的基本功能相同，都能测量直流、交流、电压、电流、电阻等常见电量。不同点：指针式万用表是将被测量转换成μA级直流电流，流过表头线圈，驱动线圈带动指针偏转，以指针的转角表示被测量的大小；数字式万用表是将被测量转换成mV级直流电压，加到由A/D转换器和LCD(或LED)显示器构成的数字表头进行A/D转换，以LCD(或LED)显示器上显示的转换结果表示被测量的数值；智能式万用表测量结果的显示形式与数字万用表相同，但由于它配接了微处理器，具有数据处理、自动校准、故障自检等多种功能。就测量精度和速度而言，指针式万用表最低，而智能式万用表最高。就测量功能而言，指针式万用表最少，而智能式万用表最多。第15章15-1答：虚拟仪器VI(VirtualInstrument)是由美国国家仪器公司(NationalInstrument，简称NI)在1986年提出的一种构成仪器系统的新概念，其基本思想是：用计算机资源取代传统仪器中的输入、处理和输出等部分，实现仪器硬件核心部分的模块化和最小化；用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制功能。在使用虚拟仪器时，用户可通过计算机显示屏上的友好界面（模仿传统仪器控制面板，故称为仪器软面板）来操作具有测试软件的计算机进行测量，犹如操作一台虚设的仪器，虚拟仪器因此而得名。虚拟仪器与传统仪器的区别在于，传统仪器的功能由仪器厂商定义，其关键部分是硬件，人工读取数据，数据无法编辑，系统封闭、功能固定、可扩展性差。虚拟仪器的功能由用户自己定义，其关键部分是软件，计算机直接读取数据并进行分析处理，数据可编辑、存储、打印，基于计算机技术开放的功能块可构成多种仪器。15-2答：虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的硬件是指计算机以及为其配置的必要的仪器硬件模块(如各种传感器、信号调理器、数字输入／输出ADC和DAC等)。虚拟仪器的应用软件直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。应用软件主要有三个作用：提供集成的开发环境、仪器硬件的高级接口(仪器驱动程序)以及虚拟仪器的用户接口。15-3答：网络化仪器是是计算机技术、网络通信技术与仪表技术相结合产生的具备网络功能52 的新型仪器。与传统仪器相比网络化仪器的优点是，用户能够对测量仪器进行远程控制，对测量数据进行远程分析；可以实现仪器的共享；可大大增强用户的工作能力；可大大提高用户工作的可靠性。15-4答：网络化传感器实际就是将传感器技术与现在的网络技术相结合所产生的具备网络连接能力的传感器。15-5答：微电子机械系统(MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，包括接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。利用MEMS加工技术制备的传感器称为微型传感器15-6答：软测量技术的特点是：依据可测变量与无法直接测量的待测变量之间的关系，建立某种以可测变量为输入，待测变量为输出的数学模型（软测量模型），用计算机进行模型的数值运算，从而得到待测变量的估计值。软测量技术优越之处在于它不仅能应用于系统控制变量或扰动不可测的场合，以实现过程的复杂（高级）控制，而且能应用于需要实现难测参数在线测量的各个工业领域。15-7答：软测量技术的测量原理是：选择与无法直接测量的待测变量（常称为主导变量——PrimaryVariable）相关的一组可测变量（常称为辅助变量或二次变量——SecondaryVariable），依据这些可测变量与待测变量之间的关系，建立某种以可测变量为输入，待测变量为输出的数学模型（软测量模型），用计算机进行模型的数值运算，从而得到待测变量的估计值。软测量的实现步骤一般主要有辅助变量选择、测量数据处理、软测量模型建模和软测量模型校正等四个步骤，其中软测量模型的建模是核心步骤。15-8答：“多传感器数据融合”是将来自多传感器或多信息源的信息和数据，模仿人类专家的综合信息处理能力进行智能化处理，从而获得更为广泛全面、准确可信的结论。15-9答：多传感器数据融合的基本原理就像人脑综合处理信息一样，充分利用多传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述，使该传感器系统所提供的信息比它的各组成部分子集单独提供的信息更有优越性。数据融合的目的是通过多种单个数据信息的组合推导出更多的信息，得到最佳协同作用的结果。也就是利用多个传感器共同或联合操作的优势，提高传感器系统的有效性，消除单个或少量传感器的局限性。52'