无水印《航空工程检测技术》辅导提纲.docx
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无水印《航空工程检测技术》辅导提纲
《航空工程检测技术》课程辅导提纲
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第一章检测与转换技术的理论基础
一、内容提要
1、检测与转换技术的概念：
是指自动检测技术和自动装换技术的总称，是研究工程检测技术中信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术。
信息提取是指从自然界众多的被检查与测量量中提取有用的信息。
信息转换是将所提取的有用的信息进行电量转换。
信息处理是将变换后的电信号进行变换处理以获得最终的检测结果。
2、自动检测系统的概念：
是指自动测量、自动诊断、自动计量以及信号自动处理等多单元的总称。
包括被测物理量、敏感元件、电子测量电路、及其输出单元。
3、传感器的概念：
从被测参量中提取有价值信号的专用器件。
4、传感器的类型：
A型结构——电量传感器；
B型结构——电参数传感器；
C型结构——电参数传感器；
D型结构——差动结构型传感器。
5、差动结构型传感器与简单结构型传感器的区别：
（1）差动电路所接受的信号是取+△y和-△y之差。
（2）灵敏度高,抗干扰能力强,线性度好。
6、误差的基本概念
（1）等精度测量
所谓等精度测量，是指在同一条件下所进行的一系列的重复测量。
这里强调的是二点，一是同一条件，二是不只一次的测量。
（2）非等精度测量
与等精度测量相比，所谓非等精度的测量，指的是在检测过程中，其客观条件不能维持不变，使得多次测量的结果有较大的差异，影响了测量的精度。
（3）真值
真值指被测量的本身所具有的真正值。
这种量具有时间和空间的含义，比如行星之间的相对运动等。
（4）实际值
实际值是为了区别于真值、算术平均值的近似值而命名的。
工程上常把挡次更高的标准量器具所测得的值，当作“真值”。
为了使大家都明白这种值并非是真正的“真值”,所以给它命名为实际值。
7、示值
由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。
8、测量误差
测量误差是指被测量的实际值与用测量器具所测出来的数值之差，其大小与测量器具的精度等级有关。
9、误差的分类
（1）按表示法分类
绝对误差：
绝对误差实际上就是示值和被测量真值的差值。
修正值：
绝对值与△X大小相等但符号与恰好相反的值，称其为修正值。
相对误差：
实际相对误差γA是用绝对误差△X与被测量的实际值。
示值相对误差γx是用绝对误差△X与量器具的示值X的百分比值来定义的。
引用误差：
是用绝对误差△x与量器具的满度值Xm百分比值来定义的。
容许误差：
某一具体的量器具的误差值所不应超过的最大范围。
（2）按误差出现的规律分类
系统误差：
包括恒定系差和变值系差。
变值系差包括：
累进性的系差、周期性的系差、按复杂规律变化的系差。
系统误差产生原因：
材料属性,零部件及其加工工艺有缺陷；环境温度、湿度或压力参数不恒定；外界干扰；观测者技术不熟练或有孤僻动作。
随机误差：
是指在同一条件下若进行多次测量，发现测量结果的绝对值及其符号以不能预见的方式发生变化。
粗大误差：
有时即使测试条件一定,但测量结果却会显著地偏离其实际值,这种显著偏离后所造成的误差,简称粗差。
粗大误差产生的主要原因是：
测量方法不妥当;随机因素的影响;测量人员粗心大意。
10、随机误差
（1）随机误差的分布规律的特点：
集中性；对称性；有限性；抵偿性。
（2）随机误差的评定指标：
算术平均值X；
均方根误差σ；
算术平均值X的均方根误差σX。
11、系统误差
（1）系统误差的削弱或消除方法：
引入修正值法；零位式测量法；替换法；补偿法；对照法。
（2）系统有无误差的判断及其检查的方法：
恒定系差的检查；校准和比对；改进测量条件；理论计算及分析。
（3）变值系差的检查方法：
累进性系差的检查；周期性系差的检查。
二、重点内容
检测与转换技术、自动检测系统、传感器、误差的基本概念，误差的分类、评定、判断及其检查的方法。
三、典型例题
1、填空题
（1）检测与转换技术是研究工程检测技术中、以及的理论和技术。
答案：
信息提取信息转换信息处理
（2）传感器的概念是指：
。
答案：
从被测参量中提取有价值信号的专用器件
（3）误差按误差出现的规律分类可分为、和。
答案：
系统误差随机误差粗大误差
（4）变值系差的检查包括和。
答案：
累进性系差的检查周期性系差的检查
2、选择题
（1）传感器类型中的D型结构是指（ ）。
A）电量传感器B）电参数传感器
C）差动结构型传感器D）非电参数传感器
答案：
C
（2）按（ ）来分，误差可分为基本误差、附加误差。
A）误差的来源B）被测量随时间的变化速度
C）使用条件D）误差与被测量的关系
答案：
C
（3）下列哪种（ ）方法属于系统误差的削弱或消除的一种方法？
A）理论计算及分析B）校准和比对
C）改进测量条件D）补偿法
答案：
D
（4）下列哪种（ ）方法属于系统有无误差的判断及其检查方法的一种方法？
A）理论计算及分析B）零位式测量法
C）替换法D）补偿法
答案：
A
3、简答题
（1）简述自动检测系统的概念。
答案：
自动检测系统的概念是自动测量、自动诊断、自动计量以及信号自动处理等多单元的总称。
包括被测物理量、敏感元件、电子测量电路、及其输出单元。
（2）简述系统误差的削弱或消除方法。
答案：
引入修正值法、零位式测量法、替换法、补偿法、对照法。
（3）简述随机误差的分布规律的特点。
答案：
集中性、对称性、有限性、抵偿性。
（4）什么是等精度测量?
答案：
同一条件下所进行的一系列的重复测量。
（5）自动检测系统由哪几部分组成?
答案：
敏感元件、测量电路、输出单元或显示部分。
4、计算题
已知：
测量标称值为15.0mm的圆棒直径d，直径独立进行了n=15次测量，结果如下：
试计算其算术平均值X及算术平均值X的均方根误差σX。
测量
序号
测量结果
测量
序号
测量结果
1
15.014
11
14.999
2
15.004
12
15.004
3
14.997
13
15.002
4
15.008
14
14.994
5
14.993
15
15.019
6
14.999
16
14.993
7
15.013
17
15.009
8
15.009
18
14.983
9
14.989
19
15.003
10
15.001
20
15.007
答案：
[解：
先计算算数平均值：
由算数平均值可以得到残差为：
测量
序号
测量结果
测量
序号
测量结果
1
0.012
11
-0.003
2
0.002
12
0.002
3
-0.005
13
0
4
0.006
14
-0.008
5
-0.009
15
0.017
6
-0.003
16
-0.009
7
0.011
17
0.007
8
0.007
18
-0.019
9
-0.013
19
0.001
10
-0.001
20
0.005
根据贝塞尔公式，标准差：
mm]
四、思考题
1、等精度测量和非等精度测量的异同点是什么?
答案：
等精度测量和非等精度测量的相同点在于：
一是两者都是测量；
二是都属于多次测量。
等精度测量和非等精度测量的不同点在于：
等精度测量是在同一条件下所进行的一系列的重复测量，而非等精度测量在检测过程中，其客观条件不能维持不变，使得多次测量的结果有较大的差异，影响了测量的精度。
2、随机误差的评定指标有哪些？
答案：
随机误差的评定指标有：
算术平均值X、均方根误差σ、术平均值X的均方根误差σX。
3、差动结构型传感器与简单结构型传感器的区别？
答案：
差动结构型传感器与简单结构型传感器的区别：
（1）差动电路所接受的信号是取+△y和-△y之差；
（2）灵敏度高,抗干扰能力强,线性度好。
4、系统误差的判断及其检查的方法有哪些？
答案：
系统有无误差的判断及其检查的方法：
恒定系差的检查；校准和比对；改进测量条件；理论计算及分析。
第二章特殊传感器
一、内容提要
1、霍尔效应：
若静止载流体位于磁场中，当电流I的方向与磁场强度H的方向有一夹角α时，则在平行于H、I方向的载体两侧面之间产生电动势。
一块长为l，宽为b，厚度为d的半导体，置于磁感应强度为B的外磁场中，当有电流I流过时，半导体中电子所受到的洛仑兹力为：
F=evBsinα
式中v——半导体中电子运动的速度；
B——磁场的磁感应强度；
e——电子的电荷量，e=1.602×10-19C。
2、霍尔元件的材料主要有：
硅、砷化铟、锑化铟
3、霍尔元件的符号：
4、霍尔元件的电路连接方法：
串联：
在直流激励情况下，为了获得较大的霍尔电势，可以将几块霍尔元件串联，正确的连接方法是：
将霍尔元件的激励电极并联，霍尔电极串联。
在交流激励情况下，为了获得较大的霍尔电势，可采用下图的连接方法：
还可以采用差分放大电路：
5、霍尔元件主要技术指标：
（1）输入、输出电阻；
（2）额定激励电流和最大允许激励电流；
（3）不等位电势与不等位电阻；
（4）霍尔电势温度系数。
6、磁敏二极管和磁敏三极管是磁电转换元件。
7、磁敏二极管结构：
包括P+区、r区、N+区和I区。
结构图如下：
表示符号为：
8、磁敏二极管的工作原理是：
当磁敏二极管没有受到外加磁场作用时：
由于有外加有正向偏压，所以大量的空穴从P区通过I区进入N区，大部分电子通过I区进入P区，从而形成电流。
这时，只有很少的电子空穴对在I区复合掉。
当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时：
电子和空穴都受洛仑兹力的作用而向r区偏移。
在r区，电子和空穴高速复合，因此在这种情况下，电子空穴对的复合率显然比没有磁场作用时要大的多，导致I区的载流子密度减小，使通过二极管的电流减小。
当磁敏二极管受到反向磁场H-作用时：
电子和空穴受到洛仑兹力使电子和空穴都向I区偏移，即载流子在I区停留时间变长，由于I区的复合率很小，所以电子空穴对在I区复合的机会很少，同时载流子继续注入I区，I区载流子的密度增加，使二极管的电流增大。
9、磁敏三极管结构：
表示符号为：
10、磁敏三极管的工作原理是：
当磁敏三极管不受磁场作用时：
由于基区的宽度大于载流子有效扩散长度，所以注入的载流子只有很少数会扩散到集电极，大部分的载流子都会通过流到基极，形成基极电流。
这样由于基极电流大于集电极电流，所以电流放大系数β=Ic/Ib<1。
当磁敏三极管受到H+（正向磁场）作用时：
由于洛仑兹力的作用，载流子将向发射结一侧偏转，从而使集电极电流显著下降，所以电流放大系数β下降。
当磁敏三极管受到H-（反向磁场）作用时：
载流子在洛仑兹力的作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大，所以电流放大系数β增大。
11、磁敏二极管和磁敏三极管的应用：
测量弱磁场；测量电流；测量转速；漏磁探伤。
12、激光的定义：
利用某些物质原子中的粒子受激发而发出的光。
13、激光的特点：
具有方向性好、亮度高、相干性好的特点。
14、激光器的组成：
工作物质,激励能源和谐振腔三个部分。
15、激光器的分类：
固体激光器；气体激光器；液体激光器；半导体激光器。
16、激光的应用：
激光测距与激光雷达；激光测速。
17、三自由度陀螺传感器的典型特性是稳定性和进动性。
18、磁栅传感器由磁尺、磁头和检测电路组成。
19、磁头有两种形式：
动态磁头、静态磁头。
20、影响磁栅传感器的性能主要因素：
磁尺磁性涂层的均匀程度和磁信号录制的均匀性；磁头和磁芯的剩磁效应；对外磁场干扰的敏感性；磁尺上磁信号的尺寸误差和磁头的间距误差对测量精度的影响；激磁绕组的平衡。
二、重点内容
霍尔效应，磁敏二极管和磁敏三极管。
三、典型例题
1、填空题
（1）霍尔元件的材料主要有、、。
答案：
硅砷化铟锑化铟
（2）磁敏二极管和磁敏三极管是转换元件。
答案：
磁电
（3）磁敏二极管结构包括、、和。
答案：
P+区r区N+区I区
（4）磁栅传感器由、和。
答案：
磁尺磁头检测电路
（5）磁头有两种形式、。
答案：
动态磁头静态磁头
（6）三自由度陀螺传感器的典型特性是和。
答案：
稳定性进动性
2、简答题
（1）简述霍尔效应的概念。
答案：
霍尔效应是指若静止载流体位于磁场中，当电流I的方向与磁场强度H的方向有一夹角α时，则在平行于H、I方向的载体两侧面之间产生电动势。
（2）简述在直流激励情况下霍尔元件的串联电路连接方法。
答案：
正确的连接方法是：
将霍尔元件的激励电极并联，霍尔电极串联。
（3）磁敏二极管和磁敏三极管有哪些应用？
答案：
测量弱磁场、测量电流、测量转速、漏磁探伤。
（4）简述激光的定义。
答案：
利用某些物质原子中的粒子受激发而发出的光。
（5）激光有哪些特点？
答案：
激光具有方向性好、亮度高、相干性好的特点。
（6）简述激光器的组成。
答案：
工作物质,激励能源和谐振腔三个部分。
（7）激光器按照工作物质分有哪几种?
答案：
气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器。
四、思考题
1、影响磁栅传感器的性能主要因素有哪些？
答案：
影响磁栅传感器的性能主要因素有：
磁尺磁性涂层的均匀程度和磁信号录制的均匀性；磁头和磁芯的剩磁效应；对外磁场干扰的敏感性；磁尺上磁信号的尺寸误差和磁头的间距误差对测量精度的影响；激磁绕组的平衡。
2、画出在交流激励情况下霍尔元件的电路连接方法。
答案：
在交流激励情况下，为了获得较大的霍尔电势，可采用下图的连接方法：
还可以采用差分放大电路：
3、画出霍尔元件的表示符号。
答案：
霍尔元件的符号：
4、霍尔元件主要技术指标有哪些？
答案：
霍尔元件主要技术指标有：
（1）输入、输出电阻；
（2）额定激励电流和最大允许激励电流；
（3）不等位电势与不等位电阻；
（4）霍尔电势温度系数。
5、画出磁敏二极管结构图和表示符号。
答案：
磁敏二极管结构：
包括P+区、r区、N+区和I区。
结构图如下：
表示符号为：
6、画出磁敏三极管结构图和表示符号。
答案：
磁敏三极管结构：
表示符号为：
第三章温度测量
一、内容提要
1、温标：
温标及符号
温标的物理基础
单位及符号
定义的固定点及分度
与摄氏温标的换算
摄氏温标
t
根据水银的体积随温度呈线性变化的特性
度（℃）
1个标准大气压力下的水的冰点是0℃、沸点是100℃
华氏温标
F
根据水银的体积随温度呈线性变化的特性
度（℃）
1个标准大气压力下的水的冰点是32F、沸点是212F
列氏温标
R
根据水与酒精的混合物的体积随温度呈线性变化的特性
度（℃）
1个标准大气压力下的水的冰点是0R、沸点是80R
R=0.8t
热力学温标
T
根据热力学第二定律，在理想的可逆循环中，测量热量而测知温度
开尔文（K）
1个标准大气压力下的水的三相点是273.16K
国际实用温标
T、t
对热力学温标所采用的一个国际协议性温标
开尔文（K）
度（℃）
化学纯净物质的平衡态温度，即三相点，它们是：
平衡氢三相点：
13.81K氧的三相点：
54.361K
水的三相点：
0.01℃
金的三相点：
1064.43℃
2、热电偶测温元件的特点：
测温的准确度较高；结构简单，维修方便；测温范围较广；信号传送较远，便于集中检测及自动控制；可能制造出热容量较小、动态响应快的测温元件。
3、热电偶：
由两种不同的导体组成闭合回路称为热电偶。
热电偶的基本工作原理是基于物体的热电效应。
4、热电效应：
由两种不同的导体组成闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将产生电势。
两个接点温度差别越大，所产生的电势也越大；组成回路的导体材料不同，所产生的电势也不一样，这个现象称为物体的“热电效应”。
5、热电偶的基本规律
均质导体定律：
用均质导体组成闭合回路，则不论此导体是否存在温度梯度，均不产生电动势，即回路中无电流；反之，此导体一定是非均质的。
中间导体定理：
在热电偶的任一部位接入第三根导体，只要保持两接入点温度相同（图中为t0），则导体C的接入对回路电势没有影响。
参考电极定理：
任意两导体A、B分别与第三根导体C组成热电偶，而且这两热电偶的接点温度对应相同。
如果知道了这两热电偶的热电特性EAC（t，t0）和EBC（t，t0），则由导体A、B组成的热电偶的热电特性EAB（t，t0）为：
中间温度定理：
热电偶的热电势只决定于热电偶的材料和冷、热接点的温度差，而与温度沿热电极的分布以及热电极的参数和形状无关。
6、普通型热电偶的结构特点：
气密性能好；具备一定的抗压和抗湾能力；物理、化学性能稳定；热导性能好。
7、铠装热电偶的结构特点：
一般来说，铠装热电偶的外径、热容量都比较小，适合用于测量热容量较小的物体的温度；时间常数小，响应速度快；可以在小范围弯曲变形；长度最多可达100米；绝缘性能较差；由于加工工艺较为特殊，热电极在不同程度上留有残余应变；电阻高，机械强度较差。
8、热电偶参考温度有三种情况：
用冰点器使参考端温度恒定在0度；若热电偶参考端温度不是0度，而是处在某一恒定值时的修正方法；参考端温度Tn为波动值时的修正方法：
（1）用补偿导线将参考端的温度移到温度较为稳定的地方，再按上例进行修正。
（2）用冷端温度补偿器直接进行补偿。
9、热电偶的显示仪表一般分为两种：
一是用补偿法来进行测温，例如电子电位差计等；另一类显示仪表是动圈式仪表。
10、热电偶的测量线路有三种：
热电偶串联测量线路：
热电势大、精度比单热电偶高。
热电偶并联测量线路：
热电势小、当部分热电偶断路时不会中断整个并联线路的工作，其测量结果基本有效。
温差测量线路。
11、传热误差：
辐射传热误差、导热误差。
12、新型温度传感器：
PN结和集成电路温度传感器、直接以频率输出的温度传感器、光纤传感器。
二、重点内容
温标和热电偶测温
三、典型例题
1、填空题
（1）热电偶的基本工作原理是基于物体的。
答案：
热电效应
（2）热电势包括有和两部分。
答案：
温差电势接触电势
（3）热电偶的基本规律主要有、、和。
答案：
均质导体定律中间导体定律中间温度定律参考电极定律
2、选择题
（1）热电偶按照（）情况来划分，又可分为标准化热电偶和非标准化热电偶。
A）工业标准化B）热电偶的结构类型
C）电极材料D）测温范围
答案：
A
（2）（）热电偶分为棒形热电偶、树枝形热电偶、耙形或梳形热电偶。
A）标准化B）非标准化C）多点式D）高温
答案：
C
（3）热电偶串联测量线路的特点是（）。
A）热电势小、精度比单热电偶高。
B）热电势大、当部分热电偶断路时不会中断整个并联线路的工作，其测量结果基本有效。
C）热电势大、精度比单热电偶高。
D）热电势小、当部分热电偶断路时不会中断整个并联线路的工作，其测量结果基本有效。
答案：
C
（4）传热误差包括辐射传热误差和（）。
A）附加误差B）随机误差C）系统误差D）导热误差
答案：
D
3、简答题
（1）热电偶测温元件有哪些特点？
答案：
测温的准确度较高；
结构简单，维修方便；
测温范围较广；
信号传送较远，便于集中检测及自动控制；
可能制造出热容量较小、动态响应快的测温元件。
（2）简述热电偶的结构组成。
答案：
热电偶是由两种不同的导体组成闭合回路。
组成热电偶的导体称为“热电极”。
热电偶所产生的电势称为“热电势”。
热电偶中温度高的一端叫“热端”，也叫“热接点”；另一端则叫“冷端”，也叫“冷接点”。
（3）什么是热电效应？
答案：
由两种不同的导体组成闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中将产生电势。
两个接点温度差别越大，所产生的电势也越大；组成回路的导体材料不同，所产生的电势也不一样，这个现象称为物体的“热电效应”。
四、计算题
已知：
华氏温标与摄氏温标关系如下：
现已知当前华氏温度为77F，试计算当前摄氏温度值t。
答案：
已知
可知：
当前摄氏温度值t为25℃。
]
五、思考题
1、什么是均质导体定律？
答案：
用均质导体组成闭合回路，则不论此导体是否存在温度梯度，均不产生电动势，即回路中无电流；反之，此导体一定是非均质的。
2、什么是中间导体定律？
答案：
在热电偶的任一部位接入第三根导体，只要保持两接入点温度相同（图中为t0），则导体C的接入对回路电势没有影响。
3、简述普通型热电偶的结构特点。
答案：
气密性能好；
具备一定的抗压和抗湾能力；
物理、化学性能稳定；
热导性能好。
4、简述铠装热电偶的结构特点。
答案：
一般来说，铠装热电偶的外径，热容量都比较小，适合用于测量热容量较小的物体的温度；
时间常数小，响应速度快；
可以在小范围弯曲变形；
长度最多可达100米；
绝缘性能较差；
由于加工工艺较为特殊，热电极在不同程度上留有残余应变；
电阻高，机械强度较差。
5、在利用PN结温度传感器测量温度时应注意哪些问题？
答案：
在利用PN结温度传感器测量温度时应采用定电流或定电压电源，而且如果温度范围拓宽，要注意其特征（电压与温度的关系）的分数性。
第四章压力测量
一、内容提要
1、压力的定义：
在物理学中，将流体介质垂直作用于单位面积的力称为压强，而在工程上把它称为压力，经常以符号P表示：
P=F/S（8-1）
式中F——流体介质垂直作用于物体表面的力（N）；
S——承受力的面积（m2）。
2、压力的分类
（1）在工程技术中流体压力又分为：
表压力（相对压力）：
当绝对压力大于大气压时，该绝对压力与大气压之差。
绝对压力：
相对于零压力（即绝对真空）所测得的压力，它是表压力和大气压力之和。
差压：
两个相关压力之间的相对差值。
（2）在工程上，还按压力随时间的变化关系分为：
静压：
不随时间变化或随时间变化缓慢的压力。
动压：
随时间作快速变化的压力。
总压：
流体运动方向垂直面上的压力，为静压、动压之和。
3、压力的单位
（1）物理大气压（atm）：
当温度为0℃、重力加速度为9.80665m/s2、高度为0.760m、密度为13.5951×103kg/m3的水银柱所产生的压力。
工程大气压（at）：
一平方厘米的面积上均匀作用有一公斤力时所产生的压力。
（2）毫米液柱
以液柱如水银、水或其它液体的高度来表示压力的大小。
常用的有毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱（mmH2O）。
1毫米汞柱压力又称为1托（1Torr）。
在标准情况下，即在温度为0℃、密度为13.5951×103kg/m3，重力加速度为9.80665m/s2时
而对于水柱来说，在其标准情况下，即温度为4℃、密度为1000kg/m3、重力加速度为9.80665m/s2时
（3）CGS制单位（bar）：
一平方厘米的面积上均匀作用有106达因力时所产生的压力，单位是巴。
巴是厘米·克·秒制中的压力单位，曾常用于气象学和航空测量技术中，它的千分之一是mbar或mb。
（4）国际单位制（Pa）：
每平方米的面积上作用有一牛顿的力，即帕斯卡。
它是国际单位制（SI）中规定的压力单位，也是我
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