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2013现代检测技术复习题及答案


《现代检测技术》2013 年复习提纲及答案
1. 系统误差有什么特点?请简要叙述如何判别和确定系统误差的方法。

答:(1)①按一定规律重复出现。②不服从正态分布。③相当于不准确度。④可以校正。 (2) a.在规定的测量条件下多次测量同一个被测量,从所得测量结果与计量标准所复现 的量值之差可以发现并得到恒定的系统误差的估计值。b.在测量条件改变时,例

如随时间、 温度、频率等条件改变时,测量结果按某一确定的规律变化,可能是线性地或非线性地增长 或减小,就可以发现测量结果中存在可变的系统误差。 总之,对于恒定的系统误差采用:标准和对比、改变测量条件、理论计算及分析的方法,对 于变值系统误差中累进性系统误差采用马利科夫准则计算, 对于周期性的系统误差的检查采 用阿贝-赫梅特准则。 2. 等精度测量某电流 10 次,测量结果如下表所示,请判断其系统误差。 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ∑ xi 101.05 100.90 100.90 100.70 100.60 100.50 100.40 100.30 100.35 100.30 1006.00 vi +0.45 +0.30 +0.30 +0.10 0 -0.10 -0.20 -.030 -0.25 -0.30 vivi+1 0.135 0.090 0.030 0 0 0.020 0.060 0.075 0.075 0.485 vi2 0.2025 0.0900 0.0900 0.0100 0.0000 0.0100 0.0400 0.0900 0.0625 0.0900 0.6850

表 1 测量结果及计算表

x?

x ? ?100.60
i

n

2. 解:观察残差 vi 的符号和数值,有明显的下降趋势,估计存在变值系统误差。利用马利 科夫准则进行判断,因 n 为偶数,取 k=5,利用公式求:M

M ? ? vi ? ? vi ? 1.15 ? (?1.15) ? 2.3 ?? vi 测量中存在累进性系统误差。
i ?1 i ?6
n ?1 i ?1

5

10

用阿卑-赫梅特准则判断,得: A ?

?v v

i i ?1

? 0.485

vi2 0.68 2 ? ? 0.076 求出均方根误差的平均值: ? ? ? 9 i ?1 n ? 1
10 2

1

n ? 1? 2 ? 3 ? 0.076 ? 0.228
显然 A ? 3.

n ? 1? 2 ,表明测量值中存在周期性系统误差。
n 1 2 3 4 vi -0.04 -0.01 -0.02 -0.02 n 5 6 7 8 vi 0.04 0.01 -0.03 0.04

已知某电容的剩余误差及测量值的标准差的估计值分别为:

? ? 0 2? ,在置信概率为 0.99 时,试说明显著性水平α 的物理意义,并使用格罗布 = 7F . 0
斯准则判断有无粗大误差。临界值见附表 1。 答:设对电容量的多次测量是等精度独立测量,为了检验 xi (i ? 1,2,..., n) 中是否存在粗大误 差,将 xi 按照大小顺序排列成顺序统计量 x(i ) ,即: x1、x7、x3、x4、x2、x6、x5、x8 按测量值的大小顺序排列得: x(1) ? x1 , x(8) ? x8 由格罗布斯公式导出了 g ?8 ? ? 显 著 性 水 平 为

x?8 ? ? x

?

? g ?1? ?

x ? x?1?

?

?

0.04 ? 1.481 0.027

? ? 1 ? p ? 1 ? 0.99 ? 0.01 , g 0 (8,0.01) ? 2.22 , 显 然

g (1) ? g (8) ? 1.48 ? g 0 (8,0.01) ,故测量数据中不存在粗大误差。
4. 什么叫光纤的数值孔径?如何计算。 答: (1)入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输,只是在某个角度范围内的入射光才 可以。这个角度α 的正弦值就称为光纤的数值孔径(NA = sinα ) 。 (2)数值孔径表达式 NA ?
2 n12 ? n2 ,其中 n1 表示纤芯折射率,n2 表示包层折射率,是

在阶跃光纤的条件下推导出来的, 即认为纤芯区域的折射率是均匀的。 但多模光纤目前大多 为渐变光纤, 其纤芯区域中的折射率是渐变的。 所以对应于的数值孔径叫做最大理论数值孔 径 NAt,而在实际中却最常使用强度有效数值孔径 NAe ,它们两者的关系为 NAt=1.05NAe 5. 被测量对光波的调制有几种类型?简述其中四种光纤传感器的工作原理和特点。 答: (1)根据被测量对光波的调制方式可分为:1.光强调制型 2.相位调制型 3.偏振态调制型 4.波长调制型 5.光谱调制型 (2)①光强调制型光纤传感器的工作原理及特点:利用光纤中光强的变化来探测外界物理 量,探头结构一般也不复杂,被测对象十分广泛。其缺点是抗干扰能力较差,这主要是由于 光纤中的光强容易受光纤振动、弯曲等的影响。②波长调制型传感器的工作原理及特点:利 用反射(或透射)谱的波长变化来实现物理量的测量,其反射(透射)谱的波长与光栅的折 射率调制周期及纤芯的有效折射率有关。 当外界温度和应变变化时会影响光纤光栅的折射率 调制周期和纤芯折射率变化,从而引起光纤光栅的反射(透射)谱峰值波长的移动可以做分
2

布式传感器,测量温度、位移。③偏振态调制型光纤传感器的工作原理及特点:一种利用光 偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。 有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成 的电流、磁场传感器;利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感 器; 利用物质的光弹效应构成的压力、 振动或声传感器; 以及利用光纤的双折射性构成温度、 压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊,因此灵敏度高。④相位调 制传感器其基本原理: 利用被测对象对敏感元件的作用, 使敏感元件的折射率或传播常数发 生变化,而导致光的相位变化,使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化,通过检测干涉条 纹的变化量来确定光的相位变化量,从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、 压力或振动传感器;利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器;利用电致伸缩的电场、电压传 感器以及利用光纤赛格纳克(Sagnac)效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。这类传感 器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统,因此成本高。 6. 什么叫布拉格波长?简述利用布拉格光栅检测温度和应力的工作原理。 答:1)布拉格波长:当一束光照射到具有周期结构的材料上(光栅)时,由于周期结构对光的 发射具有波长选择性,如果光波波长满足布拉格条件即称为布拉格波长。 2)布拉格光栅检测原理:光纤布拉格光栅是通过改变光纤芯区折射率,使其产生小的周 期性扰动而形成。由于扰动仅会对很窄, 的一小段光谱产生影响(典型光谱宽度约 0105 ~ 013nm) ,因此当宽带光波在光栅中传输时,入射光波将在相应的频率上被反射回来,其余的透 射光波则几乎不受影响。这样,光纤光栅实际上就起到了光波选择反射镜的作用。当光栅周 围的温度或应力发生变化时,将导致光栅栅距周期及纤芯折射率的变化,从而使光纤布拉格光 栅中心波长发生移动。通过检测布拉格波长移动的情况,即可获得待测温度、应力的变化情 况。 7. 简述红外检测的特点。主要影响红外检测的因素有哪些? 答:红外检测技术的特点:非接触检测、操作安全、灵敏度高、检测效率高。存在的缺点: 温度值确定有一定难度、物体内部状况难以确定、设备价格昂贵。 主要影响红外检测的因素:测量角度的影响,表面反射的影响,表面的影响。 8. 磁超声检测的特点是什么?有何应用限制? 答:电磁超声检测的特点:(1)电磁超声借助电磁场作为发送和接收超声波的介质,所以不 需要油、水之类的耦合剂;(2)通过改变磁铁的结构和形状,改变信号发射和接收线圈的排 列方式,就可以分别产生纵波、横波和表面波等不同模式的波,特别是 SH 波;(3)可对高温 物体和表面有锈垢及油漆层的物体直接检测,因而可减轻工作量,节约能源。EMAT 甚至能 检测 750℃的高温物体,常规超声无法做到;(4)由于不需要耦合剂,不存在接触压力变化问 题,探伤灵敏变稳定;(5)不能用于非金属检测。 9. 声发射检测的基本原理是什么? 答:工作原理:从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面,引起可以用声发射传感 器探测的表面位移,这些探测器将材料的机械振动转换为电信号,然后再被放大、处理和记 录。 10. 微机电的特征是什么? 答:主要特征表现为: 1)微型化零件 2)由于受制造工艺和方法的限制,结构零件大部分为两维的、扁平零件 3)系统所用材料基本为半导体材料,但也越来越多地使用塑料和金属材料 4)机械和电子被集成为相当独立的子系统,比如传感器、执行器和处理器 11. 简单说明全息干涉检测与散斑干涉检测特点。 答:全息散斑主要用来测量物体的三维变形,可以定量的测出物体的具体的变形量;剪切散

3

斑出现的条纹图是蝴蝶型的, 主要用来检测物体是否有缺陷, 无法定量的检测物体的具体变 形量,只可定性。散斑干涉检测特点:光路简单、对隔振要求低、测量位移导数时能自动去 除刚体位移、对缺陷受载后的应变集中十分灵敏。 12. 什么叫采样定理?图像采集中,采样密度受什么因素制约? 答:采样定理指的是:在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率 fs.max 大于信号中 最高频率 fmax 的 2 倍时(fs.max>=2fmax),采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的 信息, 一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 5~10 倍; 采样定理又称奈奎斯特定 理。 采样密度主要取决于采集物质的代表性,欲找寻目标的大小和欲取得的资料的详细程度。而 这一切又与不同的工作阶段有关。比较摄像元件 CCD 和 CMOS 的特点。 13. 选择一个图像采集卡应考虑哪些因素? 答:选择图像采集卡时,需考虑如下因素 1)采集方式:采集方式可分为连续采集,同步采集和异步采集,连续采集是采集卡 连续接收相机的数据信号, 但是不能控制相机的采集时间, 一般用于监控中的采集卡只需要 这种采集方式就可以了;同步采集:不改变相机与板卡之间的同步关系,采集从下一个场有 效信号开始;异步采集:改变相机与板卡的同步关系,采集从相机复位后的第一个场有效信 号开始。对于检测运动中的目标物体时,相机和采集卡必须要具备异步采集功能。 2)采样精度:采样精度可分为空间精度和灰阶精度,空间精度有纵向精度和横向精 度,纵向精度,有些采集卡只支持隔行采集,即信号两场分别曝光,这种卡只能采集静态物 体, 对于运动物体需要整场曝光; 横向精度是指采集图像时采集矩阵水平方向位置的左右偏 差,表现为单个像素点的抖动,点抖动与采样主频率密切相关,采样主频率越高,要求的抖 动时间越小;灰阶精度是指采集支持的最高采样位数,一般是 8 位,即 256 个灰度等级,对 于检测一些细小印刷缺陷时可能需要 10 位,即 1024 个灰度等级。 3)传输速度:传输速度由采集卡与主机的接口方式和传输方式决定,目前采集卡的 接口方式有 PCI、PCI-X、PCI-E,后两者的接口传输速度要高于前者;数据的传输方式有: FIFO-PC,帧存-FIFO-PC,后者的传输方式要快于前者,但是其设计复杂,成本较高。 4)其它需求:如支持软件的功能,大多采集卡的厂商多是把其采集卡和其专用图像 处理软件捆绑销售的, 因此在选择采集卡的同时还必须考虑视觉系统要选用的软件与采集卡 是否兼容; 支持通道数目, 在有些情况下需要多个相机同时采集, 如果采集卡支持多路通道, 则可以节约成本。 14. 详述几种常用的图像处理和分析方法。 答:模拟图像处理和数字图像处理 模拟图像处理:包括光学图像处理和电子图像处理(电子光学处理)方法。 数字图像处理: 就是将图像转换成一个数据矩阵存放在图像存储器中, 然后再利用数字计算 机,或其它的大规模集成数字器件,对图像信息进行数字运算或处理。 15. 用 1/2”CCD 摄像头观测,被测物体宽 440 毫米,高 330 毫米,镜头焦点距物体 2500 毫 米。问应该选用多大焦距的镜头?(注意纵向分辨率和横向分辨率的不一致)

答: f=wL/W 或 f=hL/ H 式中:f ;镜头焦距 w :图象的宽度(被摄物体在 ccd 靶面上成象宽度)

4

W :被摄物体宽度 L :被摄物体至镜头的距离 h :图象高度(被摄物体在 ccd 靶面上成像高度)视场(摄取场景)高度 H :被摄物体的高度 ccd 靶面规格尺寸:单位 mm 规格 规格 1/3"1/2"2/3"1" w 4.8 6.4 8.8 12.7 h 3.6 4.8 6.6 9.6 由公式可以算出:焦距 f=6.4*2500/440 ≈ 36 毫米或焦距 f=4.8*2500/330 ≈ 36 毫米。

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