检测技术题库-问答题-答案

三、 问答题答案（每题25分）

1. 请根据应变片的工作原理推导出金属应变片灵敏度的计算公式：K0=1+2μ。

答题要点：⑴导体的电阻R??l；⑵当电阻丝受到拉伸或压缩时，其几何尺寸和电S阻值同时发生变化，电阻的相对变化

dRdldSd????；⑶电阻丝dS?2?rdr，则RlS?dSdrdldr，当电阻丝沿轴向伸长，?2，若电阻丝的纵向应变为??，横向应变为?1?Srlr沿径向同时缩小时，有关系?1????；⑷

d??是电阻丝的电阻率相对变化，与电阻丝轴向

正应力?有关，

d????L???LE?；⑸代入，可得

dR?(1?2?)???LE?；⑹对于金R属应变片第二项可忽略，则灵敏度K0=

dR/??1?2?。 R2. 为什么膜片式应变压力传感器的箔式组合应变片要做成如

图1的形式？

答题要点：箔式组合应变片做成如图1的形式，使位于膜片中心的两个电阻R1、R3感受正的切向应变ετ，则按圆周方向排列的丝栅被拉伸而电阻增大；而位于膜片边缘的两个电阻R2和R4感受负的径向应变εr，则按径向排列的丝栅被压缩而电阻减小。利用直流电桥的和差特性，把这四个电阻组成全桥可得到最大的测量灵敏度，并具有温度自补偿作用。

3. 根据电阻应变片的工作原理可得出公式

图1

dR请解释公式中各符号?(1?2?)???LE?，

R的物理意义，并写出金属电阻应变片和半导体电阻应变片的灵敏度表达式。 答题要点：⑴电阻的相对变化

dR；⑵电阻丝的泊桑系数?；⑶电阻丝的纵向应变?；R⑷电阻丝材料的压阻系数?L；⑸电阻丝材料的弹性模量E；⑹金属电阻应变片的灵敏度表达式K0=1+2μ；⑺半导体电阻应变片的灵敏度表达式K0=?LE。

4. 有一测量吊车起重量的传感器（如图2），应如何把R1、R2、R3、R4组成桥路（填入b

图），使吊起重物m时桥路的输出最大，并写出输出的电压表达式。

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答题要点：⑴R1、R2、R3、R4组成桥路如图，将使吊起重物m时桥路的输出最大；⑵输出的电压

1U0?UiK0(?1??2??3??4)；⑶∵?1??2,?3??4；

41⑷∴最终电压表达式U0?USK0(?1??2??3??4)

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5. 根据铁磁材料的压磁效应，并参照图3，解释压磁式

压力传感器的工作原理（可以画图辅助说明）。

答题要点：⑴压磁元件上冲有四个对称的孔，孔1，2间绕有激磁绕组（初级绕组） ω1,2，孔3，4间绕有测量绕组（次级绕组）ω3,4 ，相互成正交；⑵不受外力时，当激磁绕组ω1,2通过一定的交变电流，A、B、C、D四部分的磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，合成磁场强度H平行于测量绕组ω3,4的平面，故不会产生感应电势；⑶在压力F作用下，A、B区将受很大的应力σ，而C、D区基本上处于自由状态，A、B区磁导率产下降，磁阻增大，而C、D区的μ基本不变，这样铁芯中的磁导率不再均匀，激磁线圈ω1,2产生的磁力线重新分布，合成磁场强度H不再与测量绕组ω3,4平面平行，部分磁力线与ω3,4相交链而产生感应电势e；⑷F值愈大，交链的磁通愈多，e值也愈大，就可以表示被测力F的大小。

第5题图 压磁元件的工作原理

6. 举例说明霍尔元件在检测技术中的应用，并简述其工作原理。

答题要点：⑴霍尔开关式转速传感器，把几个永磁体作为信号源固定在回转器立轴六方套外径上，保证它与立轴同步回转却不参加上、下移动，而在回转器外壳上安装探头，探头内封有霍尔开关。⑵立轴回转时，每当信号源接近一次探头中的霍尔开关，就有一个电脉冲输出，检测两次脉冲之间的时间t（秒），即为立轴的每1/N转的时间。⑶则立轴转速

n?

60Nt(r/min)，式中：N——永磁体信号源的个数。

7. 电涡流传感器能否测量大位移量？为什么？

答题要点：⑴电涡流在金属导体的径向上有一定的形成范围，与线圈外径有固定的比例

2

关系。在线圈中心的轴线附近等于线圈外径处，电涡流密度最大；而在距离为线圈外径1.8倍处，涡流密度则衰减为最大值的5％。深度尺寸应控制在t（t=x/D）范围内，其中x—线圈与导体间的距离，D—线圈外径，一般t=0.05~0.15，否则灵敏度将下降。⑵变面积式电涡流传感元件是利用被检测导体与传感器线圈之间相对覆盖面积的变化，致使次生磁场反射强度变化，据此电涡流效应的变化，亦可以测量出被检测导体的位移值x。⑶综上所述，电涡流传感器不适宜测量大位移量。

8. 在用转盘钻机钻进（如石油钻井、工程施工基桩孔等）的

场合，是靠钻具自重加压，为准确了解钻头上的轴向载荷，就必须用拉力传感器来检测钢丝绳上的拉力。举一种测钢丝绳拉力的例子说明其工作原理（文字+示意图）。 答题要点：⑴液压式拉力传感器的工作原理是把钢丝绳的拉力变换成液体压力，通过测液体压力来表示钢丝绳的拉力。⑵该传感器的结构如图所示。钢丝绳拉力S?pFa，由于F，a，第8题图 液压式拉力传感器 2bb都是定值故只要测出油压p，就可测出钢丝绳的拉力S。⑶可以直接用表头显示输出，也可以再接上一个压力传感器把钢丝绳拉力变换为电信号输出。

9. 参考图4简述用笛簧接点元件传感器测量液面的

工作原理。

答题要点：⑴笛簧接点元件放在非磁性材料管子内，在非磁性材料的浮子内则装有磁铁。⑵当浮子随着液位上升而升高，其中的磁铁达到图中位置时，开关闭合，当液位下降开关断开。⑶这种开关的优点是闭合与断开的磁滞非常小，即使磁铁的灵敏度、磁力有了变化，动作位置也不会有大的偏离。这种方法的优点是价格低廉，能够检测粘度高的液体液面，但是要特别注意不能让浮子偏移。

10. 参考图5简述光栅式位移（速度）传感器的

工作原理。

答题要点：⑴首先通过绳轮把立轴下移的线位移转化为敏感元件——主光栅的角位移。⑵光栅系统由光栅、光源、光路和测量电路等组成。

图5

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图4

主光栅与运动件同步转动，指示光栅固定不动。⑶光栅式传感器的计数和辨向：光电元件输出的近似正弦波形信号经整形为方波，利用其陡直的前沿触发计数器进行计数；通过指示光栅两组刻线条纹，由两个光电元件取出两路相位相差90°的独立脉冲电信号，其中一个信号用于计数，一个用于方向辨别。⑷主光栅每输出一个脉冲对应的立轴位移是

(D?d)?式中：D——绳轮直径(mm)；d——绳径(mm)；t——光栅密度(线／度)。⑸

360t?L进尺为L?tL??(脉冲数)，钻速是位移的速率，即Vm?3.6式中：ΔL——进尺增量

?ttL?(mm)；Δt——采样周期(s)。

11. 根据电容式传感元件可变参数的不同，可以把电容式传感元件分为几种类型？并举例说

明每种类型的工作原理（文字+示意图）。

答题要点：⑴电容式传感元件分为三种类型：面积变化型(图a)、极距变化型(图b)及介质变化型(图c)；⑵电容器的电容量为：C???S，式中：ε——极板间介质的介电常数(F?／m)；S——两平行极板间相互遮盖面积(m2)；δ——两平行极板之间的距离(m)。如果保持其中的两个参数不变，而仅仅改变另外的一个参数，而且使该参数与被检测的非电量之间存在关系，那么电容量C就反映了被检测参数的变化，并通过交流电桥测量出来。⑶面积变化型常用于角位移的检测，或较大的线位移检测(图a)；极距变化型可用来检测两个极板之间微小的线位移(图b)；介质变化型则多用于物位检测(图c)，以及各种电介质的湿度测定。

第11题图

12. 简述互感式电感传感元件——差动变压器测量位移的工作原理（文字+示意图）。

答题要点：⑴互感型传感元件由一个可动铁芯，一个两段式或三段式骨架上绕以相应线圈组而构成。其初级线圈输入一定频率和幅值的激励电压。当被测量使铁芯产生位移，改变了初级和次级线圈之间的电磁耦合程度，次级线圈感应电势的变化量即比例于被测量的变化。⑵差动变压器次级线圈是独立绕制的两个对称线圈（如图a），当可动铁芯处于中间位置时，由于两个次级线圈是反接的，故其输出电压为零。当可动铁芯因被测量变化而产生相应的向上或向下位移时，则次级

第12题图

4

线圈亦有表征位移方向的差动输出（如图b）。⑶差动变压器被广泛应用于检测线位移、力、重量、流量等工程参数。

13. 如果要求监测钻进过程的进尺和机械钻速，你认为采用何种检测原理(或传感器)较合

适，并简述其完成非电量转换成电量的变换链（变换流程或原理）。

答题要点：⑴说明选用何种检测原理(或传感器)的理由。⑵用文字+示意图说明如何把非电量——钻进过程的进尺和机械钻速，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。

14. 工业生产中常常需要对产品进行计数（产品的性能可假设，如反光固体、磁性固体等），

请设计2种计数方法并说明其工作原理（文字+示意图）。

答题要点：⑴说明选用何种检测原理(或传感器)进行计数的理由。⑵用文字+示意图说明如何把生产线上的产品数量，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。

15. 转速是钻井（探）工程中的重要参数之一。试说明在设备变速箱铭牌已标明各档转速的

情况下，还要测量转速的理由，并列举二种或二种以上测量转速的传感器工作原理（文字+示意图），比较其优缺点。

答题要点：⑴测量转速的理由有三：动力机的转速与铭牌上的理论值有差异；转速是间接法测扭矩时的必备参数；转速值是分析钻进工况不可缺少的一个参量。⑵用文字+示意图举两例说明如何把非电量——转速，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。

16. 试分析霍尔开关式转速传感器是如何检测钻机立轴转速的（文字+示意图）？

答题要点：⑴简述霍尔开关和它的集电极开路输出特性，有磁场作用时输出端将由高电平变为低电平（5V→0V）。⑵霍尔开关式转速传感器的组成。永磁体作为信号源固定在回转器立轴六方套外径上，保证它与立轴同步回转却不参加上、下移动，而在回转器外壳上安装探头，探头内封有霍尔开关。⑶立轴回转时，每当信号源接近一次探头就有一个电脉冲输出，检测两次脉冲之间的时间t（秒），则立轴转速，n?源的个数。

17. 钻井（探）工程普遍采用体积流量——某瞬时单位时间内流过管道某一截面处流体的体

积数Q = S v （L/min）。因此，在被测介质密度ρ一定的条件下，当速度v不变时，可借助测S来测量体积流量；而当截面积S不变时，可借助测v来测量体积流量。请分别举出一种按照上述原理工作的流量测量仪表，并解释之（文字+示意图）。

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60(r/min)，式中：N——永磁体信号Nt

答题要点：⑴借助测S来测量体积流量：浮子流量计垂直安装，钻井液由锥管的下端流入把浮子顶起，直到液体的上顶力和浮子重量相平衡为止。浮子升起的高度与流量大小成正比。浮子流量计以改变流通截面积的大小来反映被测流量的大小，流体流过环隙的平均速度

v是一个常数。⑵借助测v来测量体积流量：可以举多普勒超声流量计、电磁流量计或涡轮

流量计等任一种流量计来解释其工作原理。

18. 试说明检测钻井过程中功率参数的意义，并举例简述测量钻进功率的传感器工作原理

（文字+示意图）。

答题要点：⑴功率检测的意义：施工中的功率消耗值是选择设备的依据；钻进功耗反映了岩石破碎的难易程度；钻进功率及其变化趋势是反映孔内工况，预报事故的重要依据；是间接法测钻进扭矩的重要参数。⑵可以用“两功率计法”测三相功率。但必须说明其接线规则：两功率计的电流支路串入A、B线，“发电机端”必须在电源一侧，两功率计的电压支路的“发电机端”接到A、B线上，而“非发电机端”都接在C线上。⑶也可以用“功率传感器”测三相功率。功率传感器借助电压互感器和电流互感器取出与IA、IB成比例的小电流信号、与UAC、UBC成比例的低电压信号，再由“功率变换器”完成运算，并输出与有功功率成比例的毫伏级直流信号。

19. 如果要求监测钻进过程的泵压和扭矩，你认为采用何种检测原理(或传感器)较合适，并

简述其完成非电量转换成电量的变换链（变换流程或原理）。

答题要点：⑴说明选用何种检测原理(或传感器)监测泵压和扭矩的理由。⑵用文字+示意图说明如何把非电量——泵压和扭矩，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。

20. 运用注浆法进行软地基处理时，泵压和注浆量的检测计量相当重要，请运用所学知识选

择或设计相应类型的传感器，并说明其检测原理和选择的理由。

答题要点：⑴说明选用何种检测原理(或传感器) 监测泵压和注浆量的理由。⑵用文字+示意图说明如何把非电量——泵压和注浆量，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。

21. 石油钻井要求检测从井内返回的泥浆量，请选择性设计合适的传感器，并简述选择理由

及传感器的工作原理。

答题要点：⑴说明选用何种检测原理(或传感器) 监测返回泥浆量的理由。⑵用文字+示意图说明如何把非电量——返回泥浆量，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。尤其必须注意井内返

6

第18题图“两功率计”测三相功率

回的泥浆往往压力小，流速低，粘度大、含有固相颗粒，液流的截面积并不恒定。

22. 石油钻井要求随时检测泥浆池泥浆液面的高度，请选择性设计合适的传感器，并简述选

择理由及传感器的工作原理。

答题要点：⑴测量物位的方法有很多种，说明选用何种检测原理(或传感器)检测泥浆液面高度的理由。⑵用文字+示意图说明如何把非电量——液面高度，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。

23. 为检测油压钻机（由油压缸、油压卡盘驱动）钻进过程中的钻压和进尺量，你认为采用

何种检测原理（或传感器）较合适？并简述选择理由及传感器的工作原理。

答题要点：⑴测量钻压和进尺量的方法有很多种，说明选用何种检测原理(或传感器)的理由。⑵用文字+示意图说明如何把非电量——钻压和进尺量，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。

24. 液动冲击器的单次冲击功和冲击频率是其重要参数，请为检测冲击功和冲击频率，选择

性设计合适的传感器，并简述如何通过所选传感器的输出来确定冲击功和冲击频率（文字+示意图）。

答题要点：⑴说明选用何种检测原理(或传感器) 检测冲击功和冲击频率的理由。⑵用文字+示意图说明如何把非电量——冲击功和冲击频率，一步步转换为方便检测的电量。⑶要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。⑷可以是“奇思妙想”，但必须具有可行性。

25. 简述浮子流量计、多普勒超声流量计、电磁流量计、涡轮流量计和靶式流量计的工作原

理，并比较其用于钻井现场的优缺点。

答题要点：⑴体积流量的定义Q = S v（L/min）；⑵浮子流量计：浮子升起的高度与流量大小成正比。浮子流量计以改变流通截面积的大小来反映被测流量的大小。优点：结构简单，故障率很低，测量范围宽。缺点：因固相颗粒的磨损而影响其精度和寿命。⑶多普勒超声流量计。当发射换能器向流体中发射连续超声时，经流体中气泡、悬浮粒子等反射回来的超声波将产生多普勒频移并被接收换能器接收。流速正比于频移Δf，得到了Δf就可测出流速。优点：属于非接触式测量，对流体固相含量没有要求。缺点：检测电路较复杂，探头的安装有严格要求。⑷电磁流量计。被测电解性液体流过管道时切割磁力线，在和磁场及流动方向垂直的方向上产生感生电势，测出感生电势与磁感应强度的比值就可以测得流量Q。优点：故障率低，测量范围宽。缺点：结构较复杂，要用非导磁材料的管道。⑸涡轮流量计由导流器、涡轮和磁电转换器组成，流体经过导流器推动涡轮转动，磁电式转换器的脉冲数与流量成正比。优点：测量精度高，抗干扰能力强。缺点：属于接触式测量，主要用于洁净液

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体或气体。⑹靶式流量计。当流体流过装有靶的管道时，靶对流体产生阻力。靶受到的反作用力，经杠杆传给力变换器，测出力就可得出流量。优点：结构简单，适于测量大粘度、小流量和含有固相颗粒的浆液，可用于研究流体在管道中的流场分布。缺点：密封要求较高，不适用于压力很高的流体。

26. 参照图6，分析重锤-磁针式测斜仪是如何把非电量——钻

孔顶角和方位角转换成电量的？并简述其工作原理。 答题要点：⑴随着顶角不同，利用重锤悬垂原理引起电阻变化，采用平衡电桥原理，通过测量电阻来指示钻孔顶角的数值。测量时，框架重锤始终旋转到钻孔的下帮，顶角测量杆与顶角电阻间有一阻值，通过集流环把这一阻值信号传输到地面。钻孔顶角越大，电阻值也越大。⑵利用罗盘定向原理和方位电

图6

阻来测量方位。当钻孔倾斜时，框架重锤旋转到钻孔下帮，仪器的罗盘盒依靠重锤作用而使罗盘盒表面呈水平，保证罗盘中间的磁针指北。磁针下嵌有环形的方位电阻，磁针所接触的方位电阻大小即是钻孔与磁北方向的夹角。测出此电阻，就等于测到了孔段该点的方位角。

27. 请参照图7分析光栅的遮光作用，为什么测量钻探进尺和机械钻速的光栅传感器必须用

两块光栅（转动的主光栅、固定不动的指示光栅）？它如何实现进尺和机械钻速的检测？

图7

答题要点：⑴图7(a)为起始位置，(b)、(c)、(d)、(e)分别为主光栅相对指示光栅移过W／4、W／2、3W／4和W时的位置。因为刻制光栅时使线宽a=缝宽b=W／2，如果两光栅完全叠合，则没有光线透过。假设光强为2I，则对应于(a)、(b)、(c)、(d)四个位置上的透光量分别为I，I／2、0和I／2；移过一个栅距后（图7 e），又重复图中（a）的状态。⑵遮光作用与位移成线性关系，亮度变化曲线应呈三角形。但由于光的衍射等原因，输出的波形近似于正弦波。⑶当硅光电池接收到明暗变化的光信号后，它就转换成与亮度近于线性关系的电信号。光电元件输出的近似正弦波形信号经整形为方波，利用其陡直的前沿触发计数器进

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行计数。⑷采用主光栅和指示光栅，是为了两个光电元件取出两路相位相差90°的独立脉冲电信号，其中一个信号用于计数，一个用于方向辨别。⑸主光栅每输出一个脉冲对应的立

(D?d)?式中：D——绳轮直径(mm)；d——绳径(mm)；t——光栅密度(线

360t?L／度)。⑹进尺为L?tL??(脉冲数)，钻速Vm?3.6式中：ΔL——进尺增量(mm)；Δt——

?t轴位移是tL?采样周期(s)。

28. 请从压磁式扭矩传感器、光栅式扭矩传感器、相位差式扭矩传感器中任选一种解释（简

述+示意图）其检测原理。

答题要点：⑴用文字+示意图说明该传感器如何把非电量——扭矩，一步步转换为方便检测的电量。⑵解释检测原理，要求技术思路逻辑合理，变换流程清晰。

29. 测定液动冲击器的冲击功还可以用速度法和应力波法，请任选一种解释（简述+示意图）

其检测工作原理。

答题要点：⑴用文字+示意图说明速度法或应力波法测定冲击功的检测原理。⑵解释该传感器如何把非电量——扭矩，一步步转换为方便检测的电量。

30. 钻头进尺量（线位移）和平均钻速是衡量钻头质量，划分岩石级别和判断孔内工况的重

要依据。但在硬地层中瞬时钻速很小，分别说明用测速发电机和磁电脉冲原理测量时，可采取什么措施来提高硬地层钻进中的位移和瞬时钻速分辨率。

答题要点：⑴用测速发电机。可借助绳辆或伞齿轮+软轴的方法把进尺的平动变为转动，再利用增速变速箱进一步提高转速，从而提高硬地层钻进中的位移和瞬时钻速分辨率。⑵用磁电脉冲式钻速仪。借助钢丝绳牵引把水龙头的向下位移转化成一个导磁齿轮的回转，它不直接测与瞬时钻速成正比的电信号，而是测量对应一定位移量的两次脉冲之间的时间。当钻进坚硬岩石钻速很低时，该时间间隔增大，信号将增强，从而提高了钻速仪的分辨率和精度。

31. 试分析压力式液位计和差压式液位计（图8所示）的工作原理，并比较它们的应用条件。 答题要点：⑴压力式液位计。液体的密度为一常数，则对定点的压力与物料的高度H成正比H?p，式中：p——物料对容器底部的压力；ρ——物料的密度；g——重力加速度。因

?g此，通过测量出压力p就可测出物料相对容器底部的高度。当压力计的安装高度与容器底部高度不一致时，须对公式加以修正。⑵差压式液位计。它一端与容器底部用法兰直接连通，而另一端通过引压管与液面上部空间（气体）相通。为了避免引压管中由于液柱高度的变化而影响测量结果，在引压管上端装有平衡容器，且充以被测液体，使其保持液柱高度h2。通过测高压端压力和低压端压力之压差便可抵消液面上部的介质压力P，所测压差仅随被测液面高度H变化。⑶应用条件：压力式液位计容器是敞口的，如果在密闭容器中测量液位

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图8

高度，当液面上部的介质压力与大气压力不同时，尤其是液面上部的压力还有变化的情况下，便不能用压力式液位计，而应用差压式液位计。因为这时容器底部受到的压力除与液面高度有关外，还与液面上部压力有关。

32. 参照图9，分析重锤-磁针式测斜仪的测量电路——直流

平衡电桥的工作原理，四个桥臂中三个臂连接标准的已知电阻，而在BC臂连接被测电阻Rx。电源接通电桥开始工作后，调节Rl电阻，使检流计指示为零，便可计算出被测电阻Rx的值。请解释求出Rx的依据，又如何由Rx阻值来确定钻孔的顶角和方位角。

答题要点：⑴根据电桥原理，如两相对桥臂上的电阻值乘积相等（即R1·R3= R2·Rx），电桥达到平衡，检流计指示为零。在已知R1、R2、R3电阻的情况下，可计算出被测电阻Rx的数值Rx?图9

R2?R3。当Rx阻值变化时，调节Rl电阻，使检流计R1指示为零，仍可计算出被测电阻Rx的值。⑵把图9的基本线路改变成如图9-1的测量线路，R1、R2、R3为固定的线绕电阻，R4为平衡电阻，R5为电缆补偿电阻。把Rx定为井下仪器的可变电阻，它的大小随所测顶角和方位角而变化。⑶测量时调整R4平衡电阻，使(R1+ R4') ·R3=R2·(R4''+R5+Rx)，保证电桥平衡，

图9-1 顶角和方位角电桥测

这时从平衡电阻R4轴柄上装的刻度盘即可读出顶角和方位角（电阻），从而达到测量目的。

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