自动检测技术和应用
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若干个、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，对气温变化不敏感。由于它是需要加热才能工作的，因此，即使在-70℃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100℃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。
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
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。
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。请根据已学过的知识，设计一台粮食含水量测试仪，要求：1）能显示在标准质量（100g）条件下粮食的含水量（一般为10%～20%）；
2）能进行粮食品种的选择（能输入不同的纠正系数）；
3）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）；
4）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：
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300~500mm为宜。探头要安装绝缘手柄，插入粮食的深度在200~400mm
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
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△Ri< 电桥平衡U0=0 () 3 i124 o 1234 () 2-3 4 R U R R R U R R R R ? ??? =-+- 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A p sinwt(单位为mm）的振幅A p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。 答:1、1.6mm 2、T=20ms，f=50Hz 3、多次谐波的合成 4、2.5mm 5、技术指标：型号电涡流测振动系统 量程mm 0.5~60 测量距离mm 0~60 测量频率Hz 5000 分辨率um 0.1 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。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。 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）。 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=26 P140 2题： 6-2．用压电式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C f。 答：U0=70*10*3=2100mv C f=Q/U0=3*70/2.1=100pF 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L=2m ，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/h 2、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ρ=900kg/m 3 ，管道直径D =1m ， a = 45°，测得△f = 10Hz ，求: 1) 管道横截面积A ；2）流体流速v ；3）体积流量q V ；4）质量流量q m ； 5) 1小时的累积流量q 总。 答：1、A=π*D 24=3.14*1/4=0.785m 2 2、v=?f ?D/sin 2α=10*1/sin2*45°=10m/s 3、qv=A*v=0.785*10=7.85m 3/s 4、qm=ρ*qv=900*7.85=7065kg/s 5、q 总=qm*3600=7065*3600=25434t 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N1=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I D为多少毫安？（注：红外发光二极管的正向压降U LED=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Dp2，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？ 答: 1、I D=（5-1.2）/0.51=7.5mA 2、f=3001/10s=300Hz 3、n=(f*1s)/N1=300.1/50≈6圈n=60×300.1/60=300r/min 4、数码显示器的示值等于转速n 5、N=3001/60=50.0167圈=50圈，又6度 6、10倍