自动检测技术和应用

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1、设计题：P58 12 题:2- 12.酒后驾车易出事故，但判定驾驶员是否喝酒过量带有较大的主观因素。 请你利用学过的知识，设计一台便携式、交通警使用的酒后驾车测试仪。总体思路是：让被怀疑酒后驾车的驾驶员对准探头（内部装有多种传感器） 呼三口气，用一排发光二级管指示呼气量的大小（呼气量越大，点亮的LED越多）。 当呼气量达到允许值之后，“呼气确认”LED亮，酒精蒸气含量数码管指示出三 次呼气的酒精蒸气含量的平均百分比。如果呼气量不够，则提示重新呼气，当酒 精含量超标时，LED闪亮，蜂鸣器发出“滴滴”声。根据以上设计思路，请按以下要求操作。1）上网查阅有关酒精蒸汽测试仪以及燃料电池型呼气酒精测试传

2、感器的资 料；2）说明燃料电池型呼气酒精传感器与MQN型气敏电阻的区别；3）画出你构思中的便携式酒后驾车测试仪的外形图、包括一根带电缆的探 头以及主机盒。在主机盒的面板上必须画出画出电源开关、呼气指示LED若十个、 呼气次数指示LED（3个）、酒精蒸气含量数字显示器、报警LED、报警蜂鸣器 发声孔等；4）画出测量呼气流量的传感器简图；5）画出测量酒精蒸气含量的传感器简图；6）画出测试仪的电路原理框图；7）简要说明几个环节之间的信号流程；8）写出该酒后驾车测试仪的使用说明书。答：1、酒精测试仪Alcohol tester:酒精浓度测试仪，又称酒精检测仪，是可 供执法交警作为检测驾驶人员呼气酒精含

3、量的具有法律效力的酒精测试仪，也可 以用在需要控制人体酒精呼入量以确保安全的任何场合。可以对气体中酒精含量 进行检测的设备有五种基本类型，即：燃料电池型（电化学）、半导体型、红外 线型、气体色谱分析型、比色型。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型 能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感器只是燃料 电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充 满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极 上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成 正比。2、相比于半导体型酒精传感器，燃料电池型酒精传感器有如

4、下优点：1、选择性好；人的口气中一般只有少量气体对燃料电池有作用，也就是说 能“燃烧”，尤其是口臭、烟油子、饭菜味，水蒸气基本上对传感器没有影响。 这是半导体比不了的。2、响应快；新生产的半导体传感器的响应速度最快5秒左右，用一段时间 后，这个响应时间将达到30秒；而燃料电池型酒精传感器，一般响应速度0.5 秒左右，不太好的传感器3秒左右，且响应速度不随着器件的老化而变化；这也 是半导体比不了的。3、计量准确性好；由于燃料电池酒精传感器的选择性好，其响应与酒精直 接相关，而半导体酒精传感器的信号，其实，只有参考作用！当然，半导体型 酒精传感器也不是一无是处，它也有优点：1、环境耐受力强，对气温

5、变化不敏感。由于它是需要加热才能工作的，因 此，即使在-70C的环境下，也可以用简单的办法让酒精传感器正常工作。而燃 料电池传感器，此时必须附加加热装置，否则传感器会罢工！同时，对于高温情 况，即使100C以上的环境，也不影响半导体气体传感器工作；但是，燃料电池 型传感器则会因为失水而失效，甚至毁坏。2、价格超级便宜。是燃料电池型的 1/40!3、4、5、略6、如图所示，7、呼出气体经管道传至呼气流量传感器及酒精传感器，呼气流量传感器检测呼 出气体是否达到标准，若未达到，重新呼气；酒精传感器输出直接反映酒精的浓 度，从而达到测量目的。8、说明书：让被怀疑酒后驾车的驾驶员对准探头（内部装有多种传

6、感器）呼三 口气，用一排发光二级管指示呼气量的大小（呼气量越大，点亮的LED越多）。 当呼气量达到允许值之后，“呼气确认”LED亮，酒精蒸气含量数码管指示出三 次呼气的酒精蒸气含量的平均百分比。如果呼气量不够，则提示重新呼气，当酒 精含量超标时，LED闪亮，蜂鸣器发出“滴滴”声。P78 8 题:3- 8.请上网查阅有关差动变压器的资料，并参考图3-27的原理，构思一个 测量向日葵日生长量（高度）的测量仪器。请你画出向日葵、3只导向滑轮、1 只动滑轮、细线及固定点、差动变压器、衔铁（代替图3-27中的砝码）、测量 转换电路、指针式毫伏表等元器件，应使读者能看清他们之间的安装关系，并简 要说明其工

7、作原理。（注：可利用滑轮将向日葵的向上生长量转换为衔铁的向下 位移量，图中不应出现“电动机”之类的电动元器件）。答：1、由于植物生长是缓慢的，因此采用能测量微位移的差动变压器式位移传 感器是较合适的。2、观察向日葵的生长姿态，再考虑质量块（衔铁）、导向轮、细绳及与差动 变压器的相对位置及传动过程是该装置的关键。3、由于向日葵的生长是单方向的，因此测量转换电路的信号输出可以采用 直流电压表指示。4、指针式毫伏表可将向日葵的生长量转换成指针的摆动幅度，仪表刻度可 预先用卡尺标定。5、若进一步深化研究本题，可考虑将差动变压器的输出经转换电路和接口 电路输入到计算机处理系统。计算机定时采集向日葵生长量

8、的信息，经运算，在屏幕上显示或打印向日葵的生长趋势的曲线，则该测量装置就更完善和先进I司日癸生长里（茵圾）的酒里演不差动变压器n衔铁承受的重力P96 9 题4- 9.某一火力发电厂发现，运输到该电厂的煤炭中混杂有未爆炸的雷管和 其他金属。现打算在磨煤机传送带的适当位置安装若干个传感器，当检测到雷管 和其他金属时报警，并快速将该段传送带上的煤块自动推下传送带。请按以上要 求，设计一台雷管检测装置。具体要求是：1）画出该装置的简图；2）画出系统 框图；3）简要说明检测原理。P118 7 题:1)2)3)4)5- 7.粮食部门在收购、存储谷物等时，需测定这些粮食、种子的干燥程度，以 防霉变。请根据己

9、学过的知识，设计一台粮食含水量测试仪，要求：能显示在标准质量（100g）条件下粮食的含水量（一般为10%20%）；能进行粮食品种的选择（能输入不同的纠正系数）；粮食易于倒入及倒出（内极柱应为圆锥顶，将图5-6b的内圆筒倒置）；外壳接地粮食含水量测试仪外形圆锥项柱形内电极出，并考虑与周边接地外壳绝缘；5）画出传感器结构简图、信号调理框图，并说明其工作原理及优、缺点。（可参考图5-6b的原理，但结构必须按题意，在工艺和尺寸等方面作适当 的修改）答：传感器结构简图如下：外壳对操作者有静电屏蔽作用（可减少手的影响），引线从下方中心接粮食的水分不同，其导电率也不同，本测量仪的传感器是由两根金属探头组 成

10、的，将探头插入粮食内，测量两探头间粮食的电阻。由于粮食是高阻物质，因 此，两探头不能相距太远，以相距2mm左右为宜。要保证相距2mm，又不能相碰， 要用绝缘材料相隔离。因此，探头要安装在一起，用截面2x2mm的不锈钢即可。 长度在300500mm为宜。探头要安装绝缘手柄，插入粮食的深度在200400mm 左右。由于电容量C为放入介质介电常数的函数，而介电常数又随介质的水分含量而变 化，因此只要能测出传感器输出电容的变化，也就可以得到介质的水分合量。为 保证水分测量的精度，在将被测介质放入传感器内时应注意装料的一致性，为此， 介质要从专门的整流器内以自由落体的方式，有规律的流入传感器内P141

11、8 题:6- 8某计算机生产厂商欲测量电脑硬盘的振动数据，以提高产品质量。请你上网 查阅知名公司的硬盘数据，选择合适的测量传感器型号，写出测量方案。一道类似的题目：6-8.某机床生产厂商欲测量金属切削机床的振动数据，以提高产品质量。请你 上网查阅典型机床的数据，说明振动对金属切削准确度的危害性。选择合适的测 量传感器型号，写出测量方案。答：切削过程中，刀具与工件之间经常会产生自由振动、强迫振动或自激振动（颤 振）等类型的机械振动。自由振动是由机床零部件受到某些突然冲击所引起，它 会逐渐衰减。强迫振动是由机床内部或外部持续的交变干扰力（如不平衡的机床 运动件、断续切削等）所引起，它对切削产生的影

12、响取决于干扰力的大小及其频 率。自激振动是由于刀具与工件之间受到突然干扰力（如切削中遇到硬点）而引 起初始振动，使刀具前角、后角和切削速度等发生变化，以及产生振型耦合等， 并从稳态作用的能源中获得周期性作用的能源，促进并维持振动。通常，根据切 削条件可能产生各种原生型自激振动，从而在加工表面上留下的振纹，又会产生 更为常见的再生型自激振动。上述各种振动通常都会影响加刀表面质量，降低机 床和刀具的寿命，降低生产率，并引起噪声，极为有害，必须设法消除或减轻。计算分析题1、不平衡电桥输出电压计算当每个桥臂电阻变化值 RiRi，且电桥的输出端的负载电阻为无穷大、 全等臂形式工作（初始值R1=R2=R3

13、=R4），电桥输出电压可近似表示为：（2-3） U ,政 AR AR AR、 U = r ( 12 H34 )1234电桥平衡U0=0P94 4 题:4- 4.用某电涡流式测振仪测量某机器主轴的轴向窜动如图4-25a所示。已知传 感器的灵敏度为K=25mV/mm。最大线性范围（优于1%）为5mm。现将传感器安装 在主轴的右侧，使用计算机记录下的振动波形如图4-25b所示。问：1）轴向振动Apsinwt（单位为mm）的振幅Ap为多少？2）主轴振动的基频f是多少？3）振动波形不是正弦波的原因有哪些？4）为了得到较好的线性度与最大的测量范围，传感器与被测金属的安装距离l 为多少毫米为佳？5）上网查阅

14、电涡流测振仪的资料，写出其中一种的技术指标和使用方法。40msb)图4-25电涡流式测振仪测量示意图 h）电涡施传感器的测振安装b）测振波形安装距电涡流测振动系统 0.560060 5000 0.1答：1、1.6mm2、T=20ms， f=50Hz3、多次谐波的合成4、2.5mm为了得到较好 的线性度与最大的 测量范围，测振探 头与被测金届的安 装距离，为线性范围 的5、技术指标：型号量程mm测量距离mm 测量频率Hz 分辨率um被测体：导电、非导磁（可测导磁体，但有效分辨率较低），被测体表面积不可太小， 被测体表面连续使用方法：对于自动启动和停机的高速汽轮机、离心式压缩机机组，异常 振动将会

15、促使机械材料疲劳、强度择低、零件过早地损坏或造成动、静件的摩擦， 使机组运行条件恶化。除可采用电涡流式轴向位移仪的探头以外，还可采用在机 组上安装测振仪传感器。测振仪的种类有机械式、电动式和电子式。其中非接触 型的电涡流式测振仪已得到广泛应用。其原理、结构与电涡流式轴向位移仪基本 相同，所不同的是探头测定位置紧靠近轴承的部位，而且在测振时要求该处的轴 径与轴颈的同心度在0.013mmn以内，且探头端面垂直于轴线，也就是说通过测 定轴承体的振动值来反映转子的振动。由于产生振动的原因是多方面的，有来自 转子本身的动不平衡，也有对中不良、驱动机振动的干扰。配管系统中气体共振 的干扰等复杂因素的影响。

16、而通过测振仪所测定的全振幅是综合性的振动值，若 具体分析产生振动故障的原因与影响大小，可在原有的接收和指示仪上增设带变 频滤波器酌示波仪或振动频谱分析装置，以测定和记录不同频率的振动值。活塞 式压缩机、离心机在运行中，由于种种原因也可能会发生异常振动，当振幅超过 允许极限值时，设置相应的异常振动保护装置，便可发出警报或自动停机。P116 2 题:5- 2.光柱显示编码式液位计原理示意图如图5-22所示。玻璃连通器3的外圆壁 上等间隔地套着n个不锈钢圆环，显示器采用101线LED光柱（第一线常亮，作 为电源指示）。12图522光柱显示编码式液位计原理示意图1储龈耀2一液面3玻璃连通器4一钢质直角

17、接头5不锈钢圆环610】段LED光柱7进水U 8出水口1）该方法采用了电容传感器中变极距、变面积、变介电常数三种原理中的 哪一种2）被测液体应该是导电液体还是绝缘体？3）设n=32，分别写出该液位计的分辨率（%）及分辨力（h2/n，几分之一 米），并说明如何提高此类液位计的分辨率。4）设当液体上升到第N个不锈钢圆环的高度时,101线LED光柱全亮。则 当液体上升到第8个不锈钢圆环的高度时，共有多少线LED被点亮？ 答：1、变介电常数2、导电液体3、1/N*100%分辨力8m/N，增加不锈钢圆环可以提高此类液位计的分辨力4、100*8/32+1=25+1=26P140 2 题：6- 2.用压电式

18、加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵敏度为 70pC/g（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度为10mV/pC，试确定输入3g （平 均值）加速度时，电荷放大器的输出电压U0 （平均值，不考虑正负号），并计 算此时该电荷放大器的反馈电容Cf。答：U0=70*10*3=2100mvCf=Q/U0=3*70/2.1=100pFP140 5 题:6-5. PVDF压电电缆测速原理图如图6-31所示。两根高分子压电电缆（外形见 图6-7b）相距1=2皿，平行埋设于柏油公路的路面下约50mm。它们可以用来测量 车速及汽车的超重，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。现有一辆超重车辆

19、以较快的车速压过测速传感器，两根PVDF压电电缆的输 出信号如图6-31b所示，求：1）估算车速为多少km/h；2）估算汽车前后轮间的轴距d （可根据此判断车型）；判断轴距的主要因 素有哪些？3）说明载重量m以及车速v与A、B压电电缆输出信号波形的幅度或时间间 隔之间的关系。答：1、v=L/t=2m/0.07s=28.57m/s=28.57*3600/1000=102.86km/h2、汽车的前后轮以此速度冲过同一根电缆所花时间为4.2格，即：4.2*25ms/格=0.105s，则轮距 d=v*t=28.57m/s*0.105s=3m。3、载重量m以及车速v越大，A、B压电电缆输出信号波形的幅度

20、就越高。 车速v越大，A、B压电电缆输出信号的时间间隔就越小。P161 2 题：7- 2.在图7-16的超声波流量测量中，流体密度P=900kg/m3，管道直径D=1m， a = 45，测得f 二 10Hz，求：1）管道横截面积A ； 2）流体流速v； 3）体积流量qv ； 4）质量流量Qm；5）1小时的累积流量q总。答：1、A=n*D2=3.14*1/4=0.785m22、v=Af * D/sin 2a=10*1/sin2*45 =10m/s3、qv二A*v=0.785*10=7.85m3/s4、qm=P*qv=900*7.85=7065kg/s5、q 总=qm*3600=7065*3600

21、=25434tP177 3 题:8- 3.在图8-7中，当UGN3020感受的磁感应强度从零增大到多少特斯拉时输出 翻转？此时第3引脚为何电平？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs） ?这 种特性在工业中有何实用价值？答：约0.023T；此时引脚3为低电平；回差约为0.07T，相当于70Gs；这种特 性在工业上的价值：1.波形变换2.脉冲波的整形3.脉冲鉴幅4.构成多 谐振荡器。P231 7 题：10-6.在一片0.5mm厚的不锈钢圆片边缘，用线切割机加工出等间隔的透光缝， 缝的总数Ni=60，如图10-46所示。将该薄圆片置于光电断续器（见图10-31a） 的槽内，并随旋转物转动。用计数器

22、对光电断续器的输出脉冲进行计数，在10s 内测得计数脉冲数N如图所示（计数时间从清零以后开始计算，10s后自动停止）。 试问：1）流过光电断续器左侧的发光二极管电流Id为多少毫安？（注：红外发光 二极管的正向压降Uled=1.2V）2）光电断续器的输出脉冲频率f约为多少？3）旋转物平均每秒约转多少圈？转速n为多少r/min？4）数码显示器的示值与转速n之间是什么关系？如果在自右倒数第二位数 码管的右下方，点亮小数点Dp?，数码显示器的示值与转速n之间又是什么 关系？5）旋转物在10s内共转过了多少圈又多少度？6）如果为加工方便，将不锈钢圆片缝的总数减少，使N1=6，则转速与数码 显示器的示值之间是几倍的关系？图10-46利用光电断续器测量转速和圈数I一光电断筑器？一不锈钢薄圆片3透羚缱4一旋转物转圳|答：1、Id= (5-1.2) /0.51=7.5mA2、 f=3001/10s=300Hz3、n=(f*1s)/N1=300.1/50e6 圈 n=60X300.1/60=300r/min4、数码显示器的示值等于转速n5、N=3001/60=50.0167 圈二50 圈，又 6 度 6、10 倍