机械工程测试技术基础四
-
机械工程测试技术基础
(
第三版
)
试卷集
.
一、填空题
１、周期信号的频谱是离散的，而非周期信号的频谱是
连续
的。
２、
均方值Ψ
x
2
表示的是信号的强度，它
与均值μ
x
、方差σ
x
2
的关系是
。
３、测试信号调理电路主要有
电桥
、
放大
、
调制解调电路
。
４、
测试系统的静态特性指标有
非线性度
、
灵敏度
、
回程误差
。
５、灵敏度表示系统输出与输入之间的比值，是定度曲线的
斜率
。
６、传感器按信号变换特性可分为
组合型
、
一体化型
。
７、当
时，可变磁阻式电感传感器的输出和输入成近似线性关系，其
灵敏度
S
趋
于
。
８、和差特性的主要内容是相临、相反两臂间阻值的变化量符合
相邻相反
、
相对
相同
的变化，才能使输出有最大值。
９、信号分析的过程主要包括：
信号分析
、
信号处理
。
10
、系统动态特性在时域可用
传递函数
来描述，在复数域可用
频率函数
来描
述，在频域可用
-
脉冲响应函数
-
来描述。
11
、高输入阻抗测量放大电路具有高的共模抑制比，即对共模
信号有抑制作用，对
差
模
信号有放大作用。
12
、动态应变仪上同时设有电阻和电容平衡旋钮，原因是导线间存在
分布电容
。
13
、压控振荡器的输出电压是方波信号，其
频率
与输入的控制电压成线性关系。
14
、调频波的解调又称
鉴频
，其解调电路称为
鉴频器
。
15
、滤波器的通频带宽和响应时间成
反比
关系。
16
、滤波器的频率分辨力主要由其
带宽
B
决定。
1
7
、对于理想滤波器，滤波器因数λ＝
1
。
18
、带通滤波器可由低通滤波器（
f
c2
）和高通滤波器（
f
< br>c1
）
串联
而成（
f
c2
>
f
c1
）
。
19
、测试系统的线性度和滞后度是由
系统
误差引起的；而重复性误差是
由
随机
误差引起的。
二、问答题（共
30
分）
１、
什么是测试？说明测试系统的构
成及各组成部分的作用。
（
10
分）<
/p>
答：
测试是测量和试验的综合，是一种
研究型的探索型的、论证型的测量过程，
也是
获取信息的过程。
（
1
）
测量对象
（
2
）
传感器：
在测试系统和被测试对
象之间建立了一定的连接关系，它直接感受被
测量并将其转换成电信号。是测试系统中的
关键部件。
（
3
）
中间转换电路（信号调理电路）
：
作用是将传感器的输出信号
进行传输
、放大
和转换，使其适合显示、纪录、数据处理。
（
4
）
信号处理单衣：
它是以计算机为
核心对中间转换电路的输出信号作进一步地处
理（如：计算、频谱分析、数据储存等）<
/p>
显示、记录部分：
作用是输出测试结果
２、
说明电阻丝应变片和半导体应变
片的异同点，各有何优点？（
10
分）
相同之处在于：都是将被测量的变化转换为电阻的变化，且
dR
/R=(1+2H)
ε
+
λ
E
ε
,
其中
H
为材料的泊桑比，
E
为材
料的弹性模量，
(1+2H)
ε是由几何尺寸变化引起的
阻值变化，λ
E
ε是由电阻率的变化引起的阻
值变化。
不同的是，
电阻应变片是利
用导体形变引起的阻值变化，
所以
dR/R
≈
(1+2H)
ε，
S
≈
1+2H
；而半导体应变片是利用半导体材料的
压阻效应使电阻率发生变化引起电
阻变化。所以
dR/R=
λ
E
ε，
S
≈λ
E
。
各自的优点分别为：
电阻丝应变片具有相当高的适应性；半导体应变片的灵敏度高
，一般为电阻丝应
变片的
50-70
倍
。
３、
选用传感器的原则是什么？（<
/p>
10
分）
基本
原则是：选用的传感器其性能应当与被测信号的性质相匹配。
（
1
）静态特性方面：
a
、应使被测量的变化范围在传感器的线性范围以内，并保证线性误
差在允许范
围内；
b
、传感器的分辨率（力）从数据上应小于测量要求的分
辨率（力）
c
、
满足实际要求的条件下
，精度不宜过高。
三、计算题（共
55
分）
１、
已知信号
x(t)
=e
-t
(t
≥
0)
，
(1)
求
x(t)
< br>的频谱函数
X(f)
，并绘制幅频谱、相频谱。
(2)
求
x(t)
的自相关函数
R
x
(
τ
)
。
（
15
分）
２、
二阶系统的阻尼比ξ
=0.2
，
求ω
=
ω
n
时的幅值误差和相位误差，
如果使幅值误差不大
于
10
％，应取多大阻尼比？。
（
10
分）
３、
一电容传感器，其圆形极板
r =
4mm
，工作初始间隙δ
0
=0.3mm
，
（
1
）工作时如果传感器的工作间隙变化Δδ
=
±
2
μ
< br>m
，求电容的变化量。
（
2
）如果测量电路灵敏度
S
1
=100mv/pF
，读数仪表灵敏度
S
2
=5
格
/mv
，在
Δδ
=
±
2
μ
m
时，读数仪表的指示值变化多少格？
（ε
0
=
8.85×
10
-12
F/m
）
(
8
分
)
４、
已知
R
C
低通滤波器的
R=1K
Ω，
C=1MF
，当输入信号μ
x
< br>=
100sin1000t
时，
求输出信号μ
y
。
（
7
分）
<
/p>
５、
（
1
）在下
图中写出动态应变仪所包含的各个电路环节。
（
2
）如被测量
x(t) = sin
ω
t
，载波
y(t)=sin
6
ω
t
，画出各环节信号的波形图。<
/p>
(15
分
一、填空题：
2
2
2
1
、
连续
2
、
¢<
/p>
x
=H
x
+
ó
x
3
、电桥、放大、调制解调电路
4
、非线性度、灵敏度、回程误差
5
、斜率
6
、组合型、一体化型
7
、Δó〈
〈ó
0
定位
8
、相邻相反
相对相同
9
、信号分析、信号处理
10
、传递函数、频率函数、脉冲响应函数
11
、
差模
12
、分布电容
13
、频率
14
、鉴频、
鉴频器
15
、反比
16
、带宽
B
17
、
1 18
、串联
19
、系统、随机
一、
问答题
1
、
答：测
试是测量和试验的综合，是一种研究型的探索型的、论证型的测量过程，也是
获取信息的
过程。
（
5
）
测量对象
（
6
）
传感器：在测试系统和被测试对象之间建立了一定的连接关系，它直接感受被测量
并将其转换成电信号。是测试系统中的关键部件。
（
7
）
中间转换电路（信号调理电路）
：作用是将传感器的输出信号
进行传输、放大和转
换，使其适合显示、纪
录、数据处理。
（
8
）
信号处理单衣：它是以计算机为核心对中间转换电路的输出信号作进一步地处理
（如：计算、频谱分析、数据储存等）
（
9
）
显示、记录部分：作用是输出测试结果。
2
、答：
相
同之处在于：都是将被测量的变化转换为电阻的变化，且
dR/R=(1+2H)
ε
+
λ
E
ε
,
其中
H
为材料的泊桑比，
E
为材料的弹性模量，
(1+2H)
ε是由几何尺寸变化引起的阻值变
化
，λ
E
ε是由电阻率的变化引起的阻值变化。
< br>
不同的是，电阻应变片是利用导体形变引起的阻值变化，所以
< br>dR/R
≈
(1+2H)
ε，<
/p>
S
≈
1+2H
；
而半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应使电阻率发生变化引起电阻变化。所
以
dR/R=
λ
E
ε
，
S
≈λ
E
。
各自的优点分别为：
电阻丝应变片具有相当高的适应性；半导体应变片的灵敏度高，一般为电阻丝应变片的
50-70
倍。
3
、基本原则是：选用的传感器其性能应当与被测信号的性质相匹配。
<
/p>
（
1
）静态特性方面：
< br>a
、应使被测量的变化范围在传感器的线性范围以内，并保证线性误
差在允许范围内；
b
、传感器的分辨率（力）从数据
上应小于测量要求的分辨率（力）
c
、
满足实际要求的条件下，精度不宜过高。
3.
解：
（
1
）∵
S=
c
< br>0
=-
2
0
=-4.94
×
< br>10
-9
F/m
∴当
=
2Hm
时，
-6
c
=S
•
=-4.94
×
10
-9
F/m
×（
2
×<
/p>
10
m
）
=-+9.88
×
10
-15
F
（
2
< br>）读取仪表的变化格数为：
9.88
< br>×
10
-15
×
10
12
S
1
•
S
2
=9.88
×
10
-3
×
100
×
5
=4.94
（格）
< br>4.
解：
∵低通滤波器的截止频率
W
c2
=2
f
c2
=2
•
1
2
而输入信号
H
x
=100sin100t
的频率
Wx=1000Hz
W
c2
，
1
-9<
/p>
所以低通滤波器相当于积分器，
H
y
=
=10
Hxdt
100
sin
1000
tdt
RC
=10
-10
sin
（<
/p>
1000t-90
0
）
< br>
5
．解：见课本
101
页，图
3-19
动态应变仪方框图，以及各波形图。
一、填空题（每空
0.5
分，共
15
分）
1
、非周期信号可分为瞬变非周期信号和
信号。
２
、均方值Ψ
x
2
表示的是信号的
，它与均值μ
x
、方差σ
x
2
< br>的关系是
。
３、测试系统的静态特性指标有
、
、
。
４、测试系统的组成类型大体分为
和
。
５、当
时，可
变磁阻式电感传感器的输出和输入成近似线性关系，其灵敏度
S
趋
于
。
６、
和差
特性的主要内容是相临、
相反两臂间阻值的变化量符合
、
的变化，
才能使输出有最大值
７、信号分析的过程主要包括：
、
。
1
1
10
9
Hz
RC
８、动态应变
仪上同时设有电阻和电容平衡旋钮，原因是导线间存在
。
９、在数据采集系统中，常采用
放大器。
10
、根据载波受调制的参数的不同，调制可分为
、
、
。
11<
/p>
、压控振荡器的输出电压是方波信号，其
与输入的控制电压成线性关系。
12
、调频波的解调电路称为
。
13
、滤波器的频率分辨力主要由其
决定。
14
、
决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。
15
、带通滤波器可由低通滤波器（
f
c2
）和高通滤波器（
f
c1
）
而成（
f
c2
>
f
c1
）
。
16
、用滤波的方法从信号提取的频率成分越窄，即带宽越小，
需要的时间就越
。
17
、如
信号的自相关函数为
Acos
ωτ，则其均方值Ψ
x
2
=
。
18
、低
通滤波器对阶跃响应的建立时间
T
e
带
宽
B
成
、
，或者说它们之间的乘机
是
。
19
、测试系统的线性度和滞后度是由
误差引起的；而重复性误差是
由
误差引起的。
二、问答题（共
30
分）
１、
什么是测试？简述测试技术的含
义。
（
10
分）
２、说明电阻丝应变片和半导体应变片的异同点，各有何优点？（
< br>10
分）
３、简述调幅波的特
点。
（
10
分）
三、计算题（共
55
分）
５、
已知信号
x(t)
=e
-t
(t
≥
0)
，
(1)
求
x(t)
< br>的频谱函数
X(f)
，并绘制幅频谱、相频谱。
(2)
求
x(t)
的自相关函数
R
x
(
τ
)
。
（
10
分）
2
、求周期信号
x(t)
＝
cos10t + sin (100t
－
45
°
)
通过时间常数为
0.005s
的一
阶系统的输出信号。
（
10
分）
3
、磁电式速度传感器线圈平均直径
D
=25mm
，气隙磁感应强度
B=6000Gs
，如传感器的灵
敏度
S=600mv/cm/s
，则工作线圈匝数应为多少？（
7
分）
4
、已知调幅波
x
m
(t)
＝
(
100
+ 30 cos
Ω
t
+20 cos3
Ω
t
)cos
ω
c
t
，
其中
f
c
=10KHz
，
< br>f
Ω
=500Hz
。试求：
（
1
）
x
m
(t
)
所包含的各分量的频率和幅值。
（
2
）绘出调制信号与调幅波的频谱。
（
13
分）
５、
（
1
）在
下图中写出动态应变仪所包含的各个电路环节。
（
2
）如被测量
x(t) = sin
ω
t
，载波
y(t)=si
n6
ω
t
，画出各环节信号的波形图。
(15
分
)
一、填空题：
2
2
2
2
、
非周期
2
、
¢
x
=H
x<
/p>
+
ó
x
3
、灵敏度、非线形度、回程误差
4
、组合型
一体化型
5
、Δ
ó〈
〈ó
0
6
、相邻相反
相对相同
7
、信号加工、信号变换，提取又有信号的过程
8
、分
布电容
9
、程序控制
10
、调幅、调频、调相
11
、鉴频
12
、鉴频器
13
、带宽
B
14
、
信频程选择性
15
、串联
16
、长
17
、
A
18
、反比；常数
19
、串联
二、问答题
1
、答：测试是测量和试验的综合，是一种研究型的探索型的、论证型的测量过程，
也是获取信息的过程。
（
10
）
测量对象
（
11
）
<
/p>
传感器：在测试系统和被测试对象之间建立了一定的连接关系，它直接感受
被测量并将其转换成电信号。是测试系统中的关键部件。
（
12
）
<
/p>
中间转换电路（信号调理电路）
：作用是将传感器的输出信号
进行传输、放大
和转换，使其适合显示、纪录、数据处理。
（
13
）
<
/p>
信号处理单衣：
它是以计算机为核心对中间转换电路的输出信号作
进一步地处理
（如：计算、频谱分析、数据储存等）
（
14
）
显示、记录部分：作用是输出测试结果。
2
、答：相同之处在于：
都是将被测量的变化转换为电阻的变化，且
dR/R=(1+2H)
ε
+
λ
E
ε
,
其中
H
为材料的
泊桑比，
E
为材料的弹性模量，
(1+2H)
ε是由几
何尺寸变化引起的阻值变化，λ
E
ε
是由电阻率的变化引起的阻值变化。
不同的是，电阻应变片是利用导体形变引起的阻值变化，所以
dR/R
< br>≈
(1+2H)
ε，
S
≈
1+2H
；而半导
体应变片是利用半导体材料的压阻效应使电阻率发生变化引起电阻
变化。所以
dR/R=
λ
E
ε，
S
≈λ
E
。
各自的优点分别为：
电阻丝应变片具
有相当高的适应性；半导体应变片的灵敏度高，一般为电阻丝应变片的
50-70
倍。
3
、特点有：
（
1
）
当调制信号
x(t)>0
时，调幅波
x
m
(t)
与载波
y(t)
同频同相，其幅值的大小与
x
(t)
的大小有关；
x(t) y(t)
（
2
）
当
x(t)<0
时，
x
m
(t)
与载波
y(t)
同频反相，其
幅值大小仍与
x(t)
的大小有关；
（
3
）
调幅波是一高频，但其包洛线和调制信号
x(t)
< br>相似，其副值受
x(t)
变化的影响，
< br>y(t)
的频率越高，即波形越宽，相似程度越好。
<
/p>
三、计算题：
1
、
x(f)=
则
│
x(f)
│
=
频谱图如下：<
/p>
x(t) e
-j2
ft
dt=-
1
[e
(-j2
1
j<
/p>
2
f
f-1)
]
0
=
1
1
j
2
f
1
1
4
< br>
f
2
2
(f)=-arctg(2
< br>
f)
(2) Rx(
< br>)=
x(t)x(t+
)dt=<
/p>
e
e
0
t
(
t
)
dt
=e
0
e
2
t
dt
=
1
-
τ
e
2
2
、解：对于二阶系统：当
w=w
n
时，
A(w) =1/2
ζ
，
1
(
w
)
=-90
。
幅值误差
=[ A(w)-1]
Χ
100%=150%A
m
相位误差
=
ф
(w)=
-90
。
如使幅值误差不大于
10%
，则∣
A(w)-1
∣
≤
0.1
即
0.9
≤
A(w)
≤
1/2
ζ≤
0.
1
∴
1/2.2
≤ζ≤
1/1.8,
阻尼比应在
0.46~0.55
之间选取。
3.
解：∵磁感应传感器的灵敏度
S=WRl,
所以
线圈匝数
W =S/ R
l,
有
B=6000GS=0.6T=0.6VS/m
2
v=
D=25<
/p>
mm,S=600mv/cm/s=0.6v/10
-2
m/s=25
Χ<
/p>
10
-3
m
∴
W=0.6/(0.6
Χ
25
)=4
Χ
10
3
/
≈
1274(
匝
)
4.
解：
（
1
）
∵
x
m
(t)=
（
100+30cos
Ω
t+20cos3
Ω
t
）
cosW
C
t
=100 cosW
C
t+15cos
(W
C
+
Ω
)
t+15cos(
W
C
-
Ω
)t
+10cos(
W
C
+3
Ω
)t
+10cos(
W
C
-3
Ω
)t
其中
Ω
=
KHZ
W
C
=20 KHZ
所以
x
m
(
t)
包括五个分量，幅值和频率分别我：
20
< br>
KHZ
，
100
；
21
KHZ
，
15
；
19
KHZ
，
15
；
23
KHZ
，
10
；
17
KHZ
，
10
。
（
2
）由（
1
）可得调幅波和调制信号分别如下：<
/p>