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'“检测技术与钻井工程仪表”课程试题库参考答案二、概念解释题（每题15分）图l1.检测系统的各个组成部分通常以信息流的过程来划分，一般由信号采集、信号处理（变换）和结果表达（显示、记录）三部分组成（如图1所示）。举二个钻探（井）工程中的实际例子说明检测系统组成。参考答案：例一，（1）被测信号：钻压，物理量：油压；（2）传感器：电阻应变片；（3）中间变换：电桥将电阻变换为电压；（4）显示、记录：数字电压表等。例二，（1）被测信号：流量，物理量：流动速度；（2）传感器：涡轮流量计；（3）中间变换：涡轮将速度信号变换为脉冲频率；（4）显示、记录：频率计数装置。2.仪表使用一段时间后必须对其进行标定，请解释标定的内容与方法。参考答案：必须选择一精度更高的同类传感器对该仪表进行标定。标定时，让被测量按一定的间距取值，从精度更高的传感器读数并画出标定曲线（一般为直线），再与该仪表的实测曲线对比，可确定仪器的线性度。3.请解释传感器及仪表的回程误差（滞环）。参考答案：实际测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对应于同一个输入量往往有不同的输出量，即输出-输入特性曲线不重合的程度叫滞环，这种现象是由于仪表元件的能耗所致。4.请解释传感器及仪表的负载效应及其在工程检测应用中的注意事项。参考答案：任何检测仪表（装置或系统）总需要从被测对象中（或各环节间）吸取一些能量，这势必改变被测量的真实数值，从而引起测量误差，这种现象即称为装置或系统的“负载效应”。在工程检测应用中应注意输出环节的输出阻抗应愈小愈好；而负载环节的输入阻抗必须越高越好。5.有三个电压表，其精度和量程分别为1.5级100mv；1.0级200mv和0.5级1v，若用上述电表测量85mv的电压，可能产生的相对误差各是多少？根据这一结果说明选择仪表时量程和精度等级应如何考虑？参考答案：可能产生的相对误差分别是：100mv×1.5%=1.5mv，200mv×1.0%=2.0mv，1000mv7 ×0.5%=5mv。说明选择仪表时，其量程和精度等级应综合考虑，既要选择精度等级较高的仪器，又应使被测值尽量接近仪表的满量程，这样测量结果越精确，即“2/3以上范围使用”原则。1.请举例解释随机误差、系统误差和疏失误差（粗差）的含义。参考答案：在同一条件下，多次测量同一被测量，会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。随机误差是由于某些无法严格控制的复杂因素造成的，例如，测量环境的无规律振动、电磁场干扰等。系统误差在测量过程中保持恒定或遵循一定规律变化。系统误差产生于测量仪表不准，或测量方法不正确，或介质温度、环境条件对测量仪器的影响等。系统误差可通过仪器校准、补偿等措施减小或消除。疏失误差是明显偏离真值的误差，这种误差的数值和符号没有任何规律。应将该数据从测量结果中剔除。2.某待测钻机的转速为1000r/min，现有1.0级精度，量程为1000r/min及2.0级精度，量程为3000r/min的两个转速表，请问使用哪一个转速表较好，并说明原因。参考答案：根据应接近仪表满量程和“2/3以上范围使用”原则，使用精度1.0量程1000r/min的转速表较好。因为它的最大绝对误差不超过10r/min，而使用精度2.0量程3000r/min转速表的最大绝对误差可能达60r/min。3.举例说明传感器的基本功能环节——敏感元件。参考答案：在工程检测中常用弹性元件作为检测力、力矩、压力等机械量的敏感元件。首先弹性元件在力、力矩、压力等作用下产生变形，再通过其上贴的应变片，或它连接的铁心、线圈把变形转为电阻、电感、电容的变化，最终输出与被测物理量成比例的电量信号。常用弹性敏感元件有：弹簧、弹性柱体、等强度悬臂梁、膜片、波纹管等。4.举例说明传感器的基本功能环节——传感元件。参考答案：例如，检测技术中用得最广泛的电阻应变式传感元件。电阻应变式传感元件能把弹性敏感元件的变化转换成电阻值的变化。当弹性敏感元件产生应变时，使应变片敏感栅电阻丝变形，电阻值随变形而改变，便可实现应变-电阻的转换，用来检测位移、力和温度等物理量。图25.图2为柱式应变压力传感器，请指出其中的敏感元件是什么，传感元件是什么，它们分别在压力测量过程中起什么作用？参考答案：其中的敏感元件是弹性柱体3，传感元件是电阻应变片2。当Z方向作用有载荷时，弹性柱体3产生变形，其上的电阻应变片也随之伸长或缩短，从而引起与作用载荷成比例的电阻变化。再通过电桥可测出与电阻变化成比例的电压，从而确定Z方向的载荷大小。7 1.请解释等臂电桥的“和差特性”。参考答案：应变片在直流电桥中有三种基本线路：(a)单臂接法——桥路中一个桥臂为随被测对象变形的应变片，(b)半桥接法——两个桥臂为工作应变片，(c)全桥接法——四个桥臂为工作应变片。单臂接法半桥接法全桥接法电桥的和差特性：若相邻桥臂的应变极性相同，电桥的输出电压与两应变之差有关；若相邻桥臂应变的极性相反，则输出电压与两应变之和有关。实测中常利用和差特性来增大电桥的输出电压。2.请解释应变片的温度补偿。参考答案：由于应变引起的电阻变化很小，温度的干扰将严重影响其测量准确性。温度补偿方法可消除这种干扰，使电桥输出仅与传感器的应变有关。常采用桥路补偿或应变片自补偿两种方法。可在电桥电源回路上另外串接一只温度敏感电阻，以便抵消由传感器温升所增加的虚假信号。应变片自补偿是指选用有温度自补偿功能的电阻应变式传感器。3.完善图3并解释霍尔效应。参考答案：霍尔效应是这样的一种电磁现象：把通有电流I的导体或半导体置于磁场强度为H的磁场中，并且磁场方向与电流方向垂直，那么，在垂直于磁场与电流的方向上，将会产生一个正比于电流和磁场强度的霍尔电势：式中：RH——霍尔常数，其值取决于材料性能；h——霍尔元件的薄片厚度；I——控制电流；H——穿过元件的磁场强度；KH——霍尔元件的灵敏系数。4.请解释热电偶的工作原理——热电效应。参考答案：热电效应的实现是把两种不同材质导体A和B串接成一闭合回路，如果两结合点间出现温差，则在回路中就有电流产生，两节点间的电动势称为热电势。这两种不同导体的组合称为热电偶。热电势是由两个导体的接触电势和同一导体的温差电势组成。5.请解释压电效应，并举例说明其工程应用。参考答案：某些晶体．当沿着一定的方向受到外力作用时，在晶体的两个特定晶面上便产生符号相反的电荷；外力撤去后，该晶体又恢复其不带电状态。而且，在作用力方向改变时，其特定晶面上电荷的极性也随之改变。称为正压电效应。相反，如果对晶体施加一交变电场激励，晶体本身又会产生机械变形，这种现象则称为逆压电效应或电致伸缩效应。在工程中常采用压电式力传感器来测力，也可做成压电式超声波传感器。7 1.请解释光电效应，并举例说明其工程应用。参考答案：某些物质吸收光子能量后将出现某些电的效应，称为物质的光电效应。有：外光电效应（光电管等）；内光电效应（光敏电阻等）和阻挡层光电效应（光电池等）。例如，光电式转速传感器，在被测转轴上涂有黑白相间的反光标志，光源发射的光线经过透镜投射到被测旋转物体上。被测转轴旋转时，明（白条）暗（黑条）反光标志交替变换，光电元件随转轴的明暗反光变换输出与转速相对应的光电脉冲信号，即可测得旋转物体的转速。2.A/D转换把模拟信号随时间的变化转换成数字信号时，必须遵循“采样定理”，请解释采样定理。参考答案：连续信号能由一组瞬时测量值或者由时间间隔相同的采样信号值表示和构成。采样时必须遵循采样定理：采样频率必须大于信号最高频率分量的两倍。这样，模拟信号所包含的信息就可全都包含在其样值中。3.图4为用应变片测弯曲的情况，请根据图中电桥的接法写出输出电压U0的表达式。参考答案：图44.分别写出电阻应变片测量桥路单臂接法、半桥接法和全桥接法的电压输出公式。参考答案：单臂接法半桥接法全桥接法5.电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？第21题图“两功率计法”测三相功率参考答案：电涡流式传感器除了能测量位移外，还可以检测金属导体的振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，并进行无损探伤。6.用两个功率计测量电机的三相总功率时，按一定的规则把两个功率计接到三根火线上能测出功率P1、P2，那么总功率是它们的代数和P1+P2。请解释（简述+示意图）两个功率计与三根火线的连接方式。7 参考答案：用“两功率计法”测三相功率时，必须遵循以下接线规则：①两功率计的电流支路串入任意两相线，它们的“发电机端”（即接线柱标有“*”号者，参见图）必须在电源一侧。②两功率计的电压支路的“发电机端”接到各自功率计电流支路所在的那一相线上，而“非发电机端”都接在第三根线上。1.靶式流量计具有结构简单，安装维护方便，适于测量含固相颗粒浆液（如泥浆、砂浆）等优点，请分析其缺点或使用的局限性。参考答案：缺点及使用中的局限性：由于靶式流量计的刻度为非线性，测量结果易受流体密度变化的影响，且对插入管道中的部分密封要求较高，故在使用中必须注意进行实际标定，同时不适用于来测压力很高的流体。2.请解释（简述+示意图）间接法测钻杆扭矩的思路与方法。参考答案：间接法测扭矩——分别测出驱动电机的三相有功功率(参见第21题的内容及插图)和钻机立轴的转速，然后通过硬件或软件按下式算出钻进扭矩M(Nm)第23题图转速传感器1－信号源；2－探头；3－回转器外壳；4－立轴式中：N—三相有功功率(kw)；n—立轴转速(r／min)；η—传动效率。霍尔开关式转速传感器（见图）把永磁体作为信号源固定在回转器立轴六方套外径上，保证它与立轴同步回转却不参加上、下移动，而在回转器外壳上安装有霍尔开关的探头。立轴回转时，每当信号源接近一次探头的霍尔开关，就有一个电脉冲输出，检测两次脉冲之间的时间t（秒），即可测出立轴转速式中：N—永磁体信号源的个数。3.试分析两种或两种以上常用的冲击器冲击频率检测方法。参考答案：（1）通过压力传感器测量冲击器上、下缸压力，用差动变压器位移传感器测量活塞的位移量，并输出波形，都可反映出冲击频率，但它们都只能在实验台上检测冲击频率。（2）在生产现场，可利用安装在地面高压送水管路上的压电式压力传感器把液体压力的脉动变换为相应的电压变化，再通过整形电路和电子计数器显示冲击器的实际工作频率。4.钻井现场可以用压力式（压力式、差压式）、浮力式（浮筒式、浮子开关式）、电气式（电阻式、电容式、电感式）、声波式等液位检测仪来测量泥浆池的液量。请任举一例解释（简述+示意图）其测量液位的思路与方法。参考答案：超声波液位计的工作原理如图，已知探头到容器底部的距离H，则液位高度h为其中，从发射到接收的时间为t7 ，而经过精确测定的超声波在介质中的传播速度为c。应注意探头须固定在液面可能到达的最高位置之上，即H>hmax。1.请解释（简述+示意图）用差动变压器测量位移时，能根据输出辨别位移方向的原因。参考答案：差动变压器次级线圈是独立绕制的两个对称线圈，当可动铁芯处于中间位置时，由于两个次级线圈是反接的，故其输出电压为零。当可动铁芯因被测量变化而产生相应的向上或向下位移时，则次级线圈亦有表征位移方向的差动输出（如图）。第26题图差动变压器式电感传感元件的工作原理(a、b)—工作原理；(c)—输出特征。2.请解释，测量小应变和大应变时，应分别选用灵敏度高的金属丝应变片，还是半导体应变片？参考答案：测量小应变时，应选用半导体应变片，因为半导体应变片的灵敏度比金属丝应变片高许多倍。测量大应变时，应选用灵敏度高的金属丝应变片，虽然金属丝应变片比半导体应变片的灵敏度小很多，但对于大应变灵敏度高的金属丝应变片够用了，而且成本低。3.试分析造成金属电阻应变片输出变化的原因，主要是由于电阻丝的尺寸变化，还是电阻率的变化？参考答案：对于电阻应变片可推导出以下公式：，对金属电阻丝来讲可简化为。由于金属材料在弹性范围内泊松比为常数，所以金属应变片的电阻变化量与纵向应变呈线性关系。即造成金属电阻应变片输出变化的主要原因是电阻丝的尺寸变化。4.举例说明，利用正电压效应和逆压电效应分别可制成什么传感器。参考答案：（1）压电式力传感器利用正电压效应，以压电晶体为换能元件，输出与作用力成正比的电信号。（2）压电式超声波传感器利用压电元件实现发射或接收超声波信号，可以由一个探头兼具发射和接收两种功能，这种探头同时应用正压电效应和逆压电效应。5.7 钻头进尺量（线位移）和平均钻速是衡量钻头质量，划分岩石级别和判断孔内工况的重要依据。但在硬地层中瞬时钻速很小，分别说明用测速发电机、磁电脉冲原理测量线位移和钻速时，可采取什么措施来提高硬地层钻进中的位移和瞬时钻速分辨率。参考答案：（1）测速发电机。可借助绳辆或伞齿轮+软轴的方法把进尺的平动变为转动，再利用增速变速箱进一步提高转速，从而提高硬地层钻进中的位移和瞬时钻速分辨率。（2）磁电脉冲式钻速仪。用钢丝绳牵引一个导磁齿轮回转，它不直接测与瞬时钻速成正比的电信号，而是测量对应一定位移量的两次脉冲之间的时间。当钻进坚硬岩石钻速很低时，该时间间隔增大，信号将增强，从而提高了钻速仪的分辨率和精度。1.分析滑线变阻器式传感器适于测量大位移量，还是微小位移量，原因何在。参考答案：当被测对象的位移（x或θ）变化时，带动触点在滑线变阻器式传感器基体的裸露部分滑动，如果电位计中流过一定的电流，就能把触点的位置以电压的形式输出。但是，由于传感器裸露的电阻线有一定直径，当电刷每走一个线径会引起一次电阻突变，使位移-电压特性呈阶梯形输出，故降低了它的分辨率。因此，只适于测量大位移量。2.在钻压、转速、泵量、扭矩、机械钻速、泵压、温度、返回流量和机械振动等钻进参数中，那些是主动参数，那些是被动参数，举例说明被动参数与孔内工况的关系。参考答案：在钻进过程中，钻压、转速、泵量是主动参数；扭矩、机械钻速、泵压、温度、返回流量和机械振动等是被动参数。当发生金刚石钻头烧钻时，扭矩持续增大；机械钻速先升后降，直至降到0；泵压持续增大；钻头温度在地表不便检测，但通过扭矩变化可以估计温度也是持续升高到最大值。同时，返回流量将降至最小，机械振动更加剧烈。7'