1、“檢測技術與鉆井工程儀表”課程試題庫參考答案二、 概念解釋題（每題15 分）圖l1. 檢測系統(tǒng)的各個組成部分通常以信息流的過程來劃分，一般由信號采集、信號處理（變換）和結果表達（顯示、記錄）三部分組成（如圖1所示）。舉二個鉆探（井）工程中的實際例子說明檢測系統(tǒng)組成。參考答案：例一，（1）被測信號：鉆壓，物理量：油壓；（2）傳感器：電阻應變片；（3）中間變換：電橋將電阻變換為電壓；（4）顯示、記錄：數字電壓表等。例二，（1）被測信號：流量，物理量：流動速度；（2）傳感器：渦輪流量計；（3）中間變換：渦輪將速度信號變換為脈沖頻率；（4）顯示、記錄：頻率計數裝置。2. 儀表使用一段時間后必須對其進行

2、標定，請解釋標定的內容與方法。參考答案：必須選擇一精度更高的同類傳感器對該儀表進行標定。標定時，讓被測量按一定的間距取值，從精度更高的傳感器讀數并畫出標定曲線（一般為直線），再與該儀表的實測曲線對比，可確定儀器的線性度。3. 請解釋傳感器及儀表的回程誤差（滯環(huán)）。參考答案：實際測試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對應于同一個輸入量往往有不同的輸出量，即輸出-輸入特性曲線不重合的程度叫滯環(huán)，這種現(xiàn)象是由于儀表元件的能耗所致。4. 請解釋傳感器及儀表的負載效應及其在工程檢測應用中的注意事項。參考答案：任何檢測儀表（裝置或系統(tǒng)）總需要從被測對象中（或各環(huán)節(jié)間）吸取一些能量，這勢必改變被測

3、量的真實數值，從而引起測量誤差，這種現(xiàn)象即稱為裝置或系統(tǒng)的“負載效應”。在工程檢測應用中應注意輸出環(huán)節(jié)的輸出阻抗應愈小愈好；而負載環(huán)節(jié)的輸入阻抗必須越高越好。5. 有三個電壓表，其精度和量程分別為1.5級100mv；1.0級200mv和0.5級1v，若用上述電表測量85mv的電壓，可能產生的相對誤差各是多少？根據這一結果說明選擇儀表時量程和精度等級應如何考慮？參考答案：可能產生的相對誤差分別是：100mv×1.5%=1.5 mv，200mv×1.0%=2.0 mv，1000 mv×0.5%=5 mv。說明選擇儀表時，其量程和精度等級應綜合考慮，既要選擇精度等級較高

4、的儀器，又應使被測值盡量接近儀表的滿量程，這樣測量結果越精確，即“2/3以上范圍使用”原則。6. 請舉例解釋隨機誤差、系統(tǒng)誤差和疏失誤差（粗差）的含義。參考答案：在同一條件下，多次測量同一被測量，會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差。隨機誤差是由于某些無法嚴格控制的復雜因素造成的，例如，測量環(huán)境的無規(guī)律振動、電磁場干擾等。系統(tǒng)誤差在測量過程中保持恒定或遵循一定規(guī)律變化。系統(tǒng)誤差產生于測量儀表不準，或測量方法不正確，或介質溫度、環(huán)境條件對測量儀器的影響等。系統(tǒng)誤差可通過儀器校準、補償等措施減小或消除。疏失誤差是明顯偏離真值的誤差，這種誤差的數值和符號

5、沒有任何規(guī)律。應將該數據從測量結果中剔除。7. 某待測鉆機的轉速為1000 r/min，現(xiàn)有1.0級精度，量程為1000 r/min及2.0級精度，量程為3000 r/min的兩個轉速表，請問使用哪一個轉速表較好，并說明原因。參考答案：根據應接近儀表滿量程和“2/3以上范圍使用”原則，使用精度1.0量程1000 r/min的轉速表較好。因為它的最大絕對誤差不超過10 r/min，而使用精度2.0量程3000 r/min轉速表的最大絕對誤差可能達60 r/min。8. 舉例說明傳感器的基本功能環(huán)節(jié)敏感元件。參考答案：在工程檢測中常用彈性元件作為檢測力、力矩、壓力等機械量的敏感元件。首先彈性元件在

6、力、力矩、壓力等作用下產生變形，再通過其上貼的應變片，或它連接的鐵心、線圈把變形轉為電阻、電感、電容的變化，最終輸出與被測物理量成比例的電量信號。常用彈性敏感元件有：彈簧、彈性柱體、等強度懸臂梁、膜片、波紋管等。9. 舉例說明傳感器的基本功能環(huán)節(jié)傳感元件。參考答案：例如，檢測技術中用得最廣泛的電阻應變式傳感元件。電阻應變式傳感元件能把彈性敏感元件的變化轉換成電阻值的變化。當彈性敏感元件產生應變時，使應變片敏感柵電阻絲變形，電阻值隨變形而改變，便可實現(xiàn)應變-電阻的轉換，用來檢測位移、力和溫度等物理量。圖210. 圖2為柱式應變壓力傳感器，請指出其中的敏感元件是什么，傳感元件是什么，它們分別在壓力

7、測量過程中起什么作用？參考答案：其中的敏感元件是彈性柱體3，傳感元件是電阻應變片2。當Z方向作用有載荷時，彈性柱體3產生變形，其上的電阻應變片也隨之伸長或縮短，從而引起與作用載荷成比例的電阻變化。再通過電橋可測出與電阻變化成比例的電壓，從而確定Z方向的載荷大小。11. 請解釋等臂電橋的“和差特性”。參考答案：應變片在直流電橋中有三種基本線路：(a) 單臂接法橋路中一個橋臂為隨被測對象變形的應變片，(b)半橋接法兩個橋臂為工作應變片，(c)全橋接法四個橋臂為工作應變片。單臂接法 半橋接法 全橋接法 電橋的和差特性：若相鄰橋臂的應變極性相同，電橋的輸出電壓與兩應變之差有關；若相鄰橋臂應變的極性相反

8、，則輸出電壓與兩應變之和有關。實測中常利用和差特性來增大電橋的輸出電壓。12. 請解釋應變片的溫度補償。參考答案：由于應變引起的電阻變化很小，溫度的干擾將嚴重影響其測量準確性。溫度補償方法可消除這種干擾，使電橋輸出僅與傳感器的應變有關。常采用橋路補償或應變片自補償兩種方法。可在電橋電源回路上另外串接一只溫度敏感電阻，以便抵消由傳感器溫升所增加的虛假信號。應變片自補償是指選用有溫度自補償功能的電阻應變式傳感器。13. 完善圖3并解釋霍爾效應。參考答案：霍爾效應是這樣的一種電磁現(xiàn)象：把通有電流I的導體或半導體置于磁場強度為H的磁場中，并且磁場方向與電流方向垂直，那么，在垂直于磁場與電流的方向上，將

9、會產生一個正比于電流和磁場強度的霍爾電勢：式中：RH霍爾常數，其值取決于材料性能；h霍爾元件的薄片厚度；I控制電流；H穿過元件的磁場強度；KH霍爾元件的靈敏系數。14. 請解釋熱電偶的工作原理熱電效應。參考答案：熱電效應的實現(xiàn)是把兩種不同材質導體A和B串接成一閉合回路，如果兩結合點間出現(xiàn)溫差，則在回路中就有電流產生，兩節(jié)點間的電動勢稱為熱電勢。這兩種不同導體的組合稱為熱電偶。熱電勢是由兩個導體的接觸電勢和同一導體的溫差電勢組成。15. 請解釋壓電效應，并舉例說明其工程應用。參考答案：某些晶體當沿著一定的方向受到外力作用時，在晶體的兩個特定晶面上便產生符號相反的電荷；外力撤去后，該晶體又恢復其不

10、帶電狀態(tài)。而且，在作用力方向改變時，其特定晶面上電荷的極性也隨之改變。稱為正壓電效應。相反，如果對晶體施加一交變電場激勵，晶體本身又會產生機械變形，這種現(xiàn)象則稱為逆壓電效應或電致伸縮效應。在工程中常采用壓電式力傳感器來測力，也可做成壓電式超聲波傳感器。16. 請解釋光電效應，并舉例說明其工程應用。參考答案：某些物質吸收光子能量后將出現(xiàn)某些電的效應，稱為物質的光電效應。有：外光電效應（光電管等）；內光電效應（光敏電阻等）和阻擋層光電效應（光電池等）。例如，光電式轉速傳感器，在被測轉軸上涂有黑白相間的反光標志，光源發(fā)射的光線經過透鏡投射到被測旋轉物體上。被測轉軸旋轉時，明（白條）暗（黑條）反光標志

11、交替變換，光電元件隨轉軸的明暗反光變換輸出與轉速相對應的光電脈沖信號，即可測得旋轉物體的轉速。17. A/D轉換把模擬信號隨時間的變化轉換成數字信號時，必須遵循“采樣定理”，請解釋采樣定理。參考答案：連續(xù)信號能由一組瞬時測量值或者由時間間隔相同的采樣信號值表示和構成。采樣時必須遵循采樣定理：采樣頻率必須大于信號最高頻率分量的兩倍。這樣，模擬信號所包含的信息就可全都包含在其樣值中。18. 圖4為用應變片測彎曲的情況，請根據圖中電橋的接法寫出輸出電壓U0的表達式。參考答案：圖419. 分別寫出電阻應變片測量橋路單臂接法、半橋接法和全橋接法的電壓輸出公式。參考答案：單臂接法 半橋接法 全橋接法 20

12、. 電渦流傳感器除了能測量位移外，還能測量哪些非電量？第21題圖 “兩功率計法”測三相功率參考答案：電渦流式傳感器除了能測量位移外，還可以檢測金屬導體的振動、厚度、轉速、溫度、硬度等參數，并進行無損探傷。21. 用兩個功率計測量電機的三相總功率時，按一定的規(guī)則把兩個功率計接到三根火線上能測出功率P1、P2，那么總功率是它們的代數和P1+P2。請解釋（簡述+示意圖）兩個功率計與三根火線的連接方式。參考答案：用“兩功率計法”測三相功率時，必須遵循以下接線規(guī)則：兩功率計的電流支路串入任意兩相線，它們的“發(fā)電機端”（即接線柱標有“*”號者，參見圖）必須在電源一側。兩功率計的電壓支路的“發(fā)電機端”接到各

13、自功率計電流支路所在的那一相線上，而“非發(fā)電機端”都接在第三根線上。22. 靶式流量計具有結構簡單，安裝維護方便，適于測量含固相顆粒漿液（如泥漿、砂漿）等優(yōu)點，請分析其缺點或使用的局限性。參考答案：缺點及使用中的局限性：由于靶式流量計的刻度為非線性，測量結果易受流體密度變化的影響，且對插入管道中的部分密封要求較高，故在使用中必須注意進行實際標定，同時不適用于來測壓力很高的流體。23. 請解釋（簡述+示意圖）間接法測鉆桿扭矩的思路與方法。參考答案：間接法測扭矩分別測出驅動電機的三相有功功率(參見第21題的內容及插圖)和鉆機立軸的轉速，然后通過硬件或軟件按下式算出鉆進扭矩M (Nm)第23題圖 轉

14、速傳感器1信號源；2探頭；3回轉器外殼；4立軸 式中：N三相有功功率 (kw)；n立軸轉速 (rmin)；傳動效率。霍爾開關式轉速傳感器（見圖）把永磁體作為信號源固定在回轉器立軸六方套外徑上，保證它與立軸同步回轉卻不參加上、下移動，而在回轉器外殼上安裝有霍爾開關的探頭。立軸回轉時，每當信號源接近一次探頭的霍爾開關，就有一個電脈沖輸出，檢測兩次脈沖之間的時間t（秒），即可測出立軸轉速式中：N永磁體信號源的個數。24. 試分析兩種或兩種以上常用的沖擊器沖擊頻率檢測方法。參考答案：（1）通過壓力傳感器測量沖擊器上、下缸壓力，用差動變壓器位移傳感器測量活塞的位移量，并輸出波形，都可反映出沖擊頻率，但它

15、們都只能在實驗臺上檢測沖擊頻率。（2）在生產現(xiàn)場，可利用安裝在地面高壓送水管路上的壓電式壓力傳感器把液體壓力的脈動變換為相應的電壓變化，再通過整形電路和電子計數器顯示沖擊器的實際工作頻率。25. 鉆井現(xiàn)場可以用壓力式（壓力式、差壓式）、浮力式（浮筒式、浮子開關式）、電氣式（電阻式、電容式、電感式）、聲波式等液位檢測儀來測量泥漿池的液量。請任舉一例解釋（簡述+示意圖）其測量液位的思路與方法。參考答案：超聲波液位計的工作原理如圖，已知探頭到容器底部的距離H，則液位高度h為 其中，從發(fā)射到接收的時間為t，而經過精確測定的超聲波在介質中的傳播速度為c。應注意探頭須固定在液面可能到達的最高位置之上，即H

16、>hmax。26. 請解釋（簡述+示意圖）用差動變壓器測量位移時，能根據輸出辨別位移方向的原因。參考答案：差動變壓器次級線圈是獨立繞制的兩個對稱線圈，當可動鐵芯處于中間位置時，由于兩個次級線圈是反接的，故其輸出電壓為零。當可動鐵芯因被測量變化而產生相應的向上或向下位移時，則次級線圈亦有表征位移方向的差動輸出（如圖）。第26題圖差動變壓器式電感傳感元件的工作原理(a、b)工作原理；(c)輸出特征。27. 請解釋，測量小應變和大應變時，應分別選用靈敏度高的金屬絲應變片，還是半導體應變片？參考答案：測量小應變時，應選用半導體應變片，因為半導體應變片的靈敏度比金屬絲應變片高許多倍。測量大應變時，

17、應選用靈敏度高的金屬絲應變片，雖然金屬絲應變片比半導體應變片的靈敏度小很多，但對于大應變靈敏度高的金屬絲應變片夠用了，而且成本低。28. 試分析造成金屬電阻應變片輸出變化的原因，主要是由于電阻絲的尺寸變化，還是電阻率的變化？參考答案：對于電阻應變片可推導出以下公式：，對金屬電阻絲來講可簡化為。由于金屬材料在彈性范圍內泊松比為常數，所以金屬應變片的電阻變化量與縱向應變呈線性關系。即造成金屬電阻應變片輸出變化的主要原因是電阻絲的尺寸變化。29. 舉例說明，利用正電壓效應和逆壓電效應分別可制成什么傳感器。參考答案：（1）壓電式力傳感器利用正電壓效應，以壓電晶體為換能元件，輸出與作用力成正比的電信號。

18、（2）壓電式超聲波傳感器利用壓電元件實現(xiàn)發(fā)射或接收超聲波信號，可以由一個探頭兼具發(fā)射和接收兩種功能，這種探頭同時應用正壓電效應和逆壓電效應。30. 鉆頭進尺量（線位移）和平均鉆速是衡量鉆頭質量，劃分巖石級別和判斷孔內工況的重要依據。但在硬地層中瞬時鉆速很小，分別說明用測速發(fā)電機、磁電脈沖原理測量線位移和鉆速時，可采取什么措施來提高硬地層鉆進中的位移和瞬時鉆速分辨率。參考答案：（1）測速發(fā)電機。可借助繩輛或傘齒輪+軟軸的方法把進尺的平動變?yōu)檗D動，再利用增速變速箱進一步提高轉速，從而提高硬地層鉆進中的位移和瞬時鉆速分辨率。（2）磁電脈沖式鉆速儀。用鋼絲繩牽引一個導磁齒輪回轉，它不直接測與瞬時鉆速成正比的電信號，而是測量對應一定位移量的兩次脈沖之間的時間。當鉆進堅硬巖石鉆速很低時，該時間間隔增大，信號將增強，從而提高了鉆速儀的分辨率和精度。31. 分析滑線變阻器式傳感器適于測量大位移量，還是微小位移量，原因何在。參考答案：當被測對象的位移（x或）變化時，帶動觸點在滑線變阻器式傳感器基體的裸露部分滑動，如果電位計中流過一定的電流，就能把觸點的位置以電壓的形式輸出。但是，由于傳感器裸露的電阻線有