机械工程测试技术.doc

第三章 常用传感器与敏感元件3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。

解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。

3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。

解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。

3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。

电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。

半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。

选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。

3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g ＝2，R ＝120。

设工作时其应变为1000，问R ＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式R /R =S g 得 R =S g R =2100010-6120= 1）I 1=R =120=0.0125A=2）I 2=(R +R )=(120+0.012475A= 3）=(I 2-I 1)/I 1100%=%4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。

如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量的电流；如果采用毫安表，无法分辨的电流变化。

一般需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。

3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析。

20022N A dLS d μδδ==- 又因为线圈阻抗Z =L ，所以灵敏度又可写成20022N A dZ S d μωδδ==-图3-84 题3-4图由上式可见，灵敏度与磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率、铁芯磁导率0，气隙等有关。

机械工程测试技术基础习题解答教材：机械工程测试技术基础，熊诗波黄长艺主编，机械工业出版社，2006 年 9 月第 3 版第二次印刷。

绪论0-1 叙述我国法定计量单位的基本内容。

解答：教材P4~5，二、法定计量单位。

0-2 如何保证量值的准确和一致？解答：（参考教材P4~6，二、法定计量单位~五、量值的传递和计量器具检定）1、对计量单位做出严格的定义；2、有保存、复现和传递单位的一整套制度和设备；3、必须保存有基准计量器具，包括国家基准、副基准、工作基准等。

3、必须按检定规程对计量器具实施检定或校准，将国家级准所复现的计量单位量值经过各级计算标准传递到工作计量器具。

0-3 何谓测量误差？通常测量误差是如何分类表示的？解答：（教材 P8~10，八、测量误差）0-4 请将下列诸测量结果中的绝对误差改写为相对误差。

①1.0182544V ±7.8μV②(25.04894 0±.00003)g③(5.482 0±.026)g/cm 2解答：①7.8 10-6 /1.0182544 7.6601682/10 6②0.00003/25.04894 1.197655/10 6③0.026/5.482 4.743‰0-5 何谓测量不确定度？国际计量局于1980 年提出的建议《实验不确定度的规定建议书INC-1(1980) 》的要点是什么？解答：(1)测量不确定度是表征被测量值的真值在所处量值范围的一个估计，亦即由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度。

(2)要点：见教材P11。

0-6 为什么选用电表时，不但要考虑它的准确度，而且要考虑它的量程？为什么是用电表时应尽可能地在电表量程上限的三分之二以上使用？用量程为150V 的 0.5 级电压表和量程为30V 的 1.5 级电压表分别测量 25V 电压，请问哪一个测量准确度高？解答：(1)因为多数的电工仪表、热工仪表和部分无线电测量仪器是按引用误差分级的（例如，精度等级为0.2 级的电表，其引用误差为0.2% ），而引用误差 =绝对误差 /引用值其中的引用值一般是仪表的满度值(或量程 )，所以用电表测量的结果的绝对误差大小与量程有关。

机械工程测试技术基础熊诗波课后习题答案1《机械工程测试技术基础》-第三版- 熊诗波等著绪论0-1 叙述我国法定计量单位的基本内容。

解答：教材P4~5，二、法定计量单位。

0-2 如何保证量值的准确和一致？解答：（参考教材P4~6，二、法定计量单位~五、量值的传递和计量器具检定）1、对计量单位做出严格的定义；2、有保存、复现和传递单位的一整套制度和设备；3、必须保存有基准计量器具，包括国家基准、副基准、工作基准等。

3、必须按检定规程对计量器具实施检定或校准，将国家级准所复现的计量单位量值经过各级计算标准传递到工作计量器具。

0-3 何谓测量误差？通常测量误差是如何分类表示的？解答：（教材P8~10，八、测量误差）0-4 请将下列诸测量结果中的绝对误差改写为相对误差。

①1.0182544V±7.8μV ②(25.04894±0.00003)g ③(5.482±0.026)g/cm 2 解答：①-667.810/1.01825447.6601682/10±⨯≈±②60.00003/25.04894 1.197655/10±≈±③0.026/5.482 4.743±≈‰0-5 何谓测量不确定度？国际计量局于1980年提出的建议《实验不确定度的规定建议书INC-1(1980)》的要点是什么？解答：(1)测量不确定度是表征被测量值的真值在所处量值范围的一个估计，亦即由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度。

(2)要点：见教材P11。

0-6为什么选用电表时，不但要考虑它的准确度，而且要考虑它的量程？为什么是用电表时应尽可能地在电表量程上限的三分之二以上使用？用量程为150V 的0.5级电压表和量程为30V 的1.5级电压表分别测量25V 电压，请问哪一个测量准确度高？解答：(1)因为多数的电工仪表、热工仪表和部分无线电测量仪器是按引用误差分级的（例如，精度等级为0.2级的电表，其引用误差为0.2%），而引用误差=绝对误差/引用值其中的引用值一般是仪表的满度值(或量程)，所以用电表测量的结果的绝对误差大小与量程有关。

第三章 常用传感器与敏感元件3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。

解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。

3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。

解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。

3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。

电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。

半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。

选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。

3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g ＝2，R ＝120Ω。

设工作时其应变为1000με，问∆R ＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式∆R /R =S g ε得∆R =S g ε R =2⨯1000⨯10-6⨯120=0.24Ω 1）I 1=1.5/R =1.5/120=0.0125A=12.5mA2）I 2=1.5/(R +∆R )=1.5/(120+0.24)≈0.012475A=12.475mA 3）δ=(I 2-I 1)/I 1⨯100%=0.2%4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。

如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量12.5mA 的电流；如果采用毫安表，无法分辨0.025mA 的电流变化。

一般需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。

3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析。

名词解释1.测量:以确定被测物属性量值为目的的全部操作；测试则是具有实验性质的测量，或者可理解为测量和实验的结合。

2.测试:是具有试验性质的测量,或者可理解为测量和试验的结合。

3.测试技术:是指测试过程中所涉及的测试理论、测试方法、测试设备等.4.测试方法：是指在实施测试中所涉及的理论运算方法和实际操作方法。

5.直接测量法:指被测量直接与测量单位进行比较，或者用预先标定好的测量仪器或测试设备进行测量,而不需要对所获取数值进行运算的测量方法。

6.间接测量法：指被测量的数值不能直接由测试设备来获取,而是通过所测量到的数值同被测量间的某种函数关系运算而获得的被测值的测量方法。

7.静态测量:被测值被认为恒定不随时间变化的测量称为静态测量．8.测量系统的静态特性:是指被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢是测量系统的输入、输出及其关系的特性或技术指标．9.动态测量：被测量值随时间变化的这种测量称为动态测量。

10.测量系统的动态特性:是指测量系统的输出对于快速变化的输入信号的动态响应特性。

11.系统的动态测量误差：测量系统低于动态量的测量过程中，若测量系统的动态响应特性不够理想,则输出信号的波形与输入信号的波形相比就会产生畸变，这种畸变造成的测量误差称为测量系统的动态测量误差.12.确定性信号：能够用明确的数学关系式描述的信号,或者可以用实验的方法以足够的精度重复产生的信号。

13.非确定性信号：又称随机信号。

如果描述随机信号的各种统计特征(如平均值、均方根值、概率密度函数等)不随时间推移而变化，这种信号成为平稳随机信号；反之，如果在不同采样时间内测得的统计参数不能看作常数,则这种信号就称为非平稳随机信号. 14.传感器：是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

15.参数式传感器:将输入的工程参数变化转变为电参数变化的传感器。

一、填空（每空1份，共20分）1.测试技术的基本任务是获取有用的信息2.从时域看，系统的输出是其输入与该系统脉冲响应函数的卷积。

3.信号的时域描述，以时间(t) 为独立变量；而信号的频域描述，以频率f 或)(ω为独立变量。

4.如果一个信号的最高频率为50Hz，为了防止在时域采样过程中出现混叠现象，采样频率应该大于 100Hz。

5.在桥式测量电路中，根据其激励电压（或工作电压或桥压或电源）的性质，可将其分为直流电桥与交流电桥。

6.金属电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体机械形变引起的电阻变化，后者利用半导体电阻率的（或半导体压阻效应）变化引起的电阻变化。

7.压电式传感器是利用某些物质的压电效应而工作的。

8.带通滤波器的上下限截止频率为fc2、fc1，其带宽B =12ccff-；若其带宽为1/3倍频程则fc2= 32 fc1。

9.属于能量控制型的传感器有电阻式传感器、涡电流传感器电容式传感器、电感式传感器等。

10. 根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅、调频、调相。

11. 相关滤波的工作原理是同频相关不同频不相关/同频检测原理12 测试装置的动态特性可以用传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数进行数学描述。

二、选择题（把正确答案前的字母填在空格上，每题1分，共10分）1．不能用确定的数学公式表达的信号是 D 信号。

A 复杂周期B 非周期C 瞬态D 随机2．平稳随机过程必须 B 。

A 连续 B统计特征与时间无关 C 各态历经 D 统计特征等于时间平均3．一阶系统的动态特性参数是 C 。

A 固有频率B 阻尼比C 时间常数D 灵敏度4．系统在全量程内，输入量由小到大及由大到小时，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间的最大差值称为 A 。

A 回程误差B 绝对误差C 相对误差D 非线性误差5．电阻应变片的输入为 B 。

A 力B 应变C 速度D 加速度6． D 用于评价系统的输出信号和输入信号之间的因果性。

《机械工程测试技术》实验指导书实验一、霍尔传感器的直流激励特性一、实验目的加深对霍尔传感器静态特性的理解。

掌握灵敏度、非线性度的测试方法，绘制霍尔传感器静态特性特性曲线，掌握数据处理方法。

二、实验原理当保持元件的控制电流恒定时，元件的输出正比于磁感应强度。

本实验仪为霍尔位移传感器。

在极性相反、磁场强度相同的两个钢的气隙中放置一块霍尔片，当霍尔元件控制电流I不变时，Vh与B成正比。

若磁场在一定范围内沿X方向的变化梯度dB/dX为一常数，则当霍尔元件沿X方向移动时dV/dX=RhXIXdB/dX=K，K为位移传感器输出灵敏度。

霍尔电动势与位移量X成线性关系，霍尔电动势的极性，反映了霍尔元件位移的方向。

三、实验步骤1.有关旋钮初始位置：差动放大器增益打到最小，电压表置2V档，直流稳压电源置±2V档。

2..RD、r为电桥单元中的直流平衡网络。

3.差动放大器调零，按图6－1接好线，装好测微头。

4.使霍尔片处于梯度磁场中间位置，调整RD使电压表指示为零。

5.上、下旋动测微头，以电压表指示为零的位置向上、向下能够移动5mm，从离开电压表指示为零向上5mm的位置开始向下移动，建议每0.5mm读一数，记下电压表指示并填入数据记录表。

6.用以上的位移和输出电压数据，绘出霍尔传感器静态特性的位移和输出电压特性V-X曲线, 指出线性范围。

7.将位移和输出电压数据分成两组，用“点系中心法”对数据进行处理，并计算两点联线的斜率，即得到灵敏度值。

实验可见：本实验测出的实际是磁场的分布情况，它的线性越好，位移测量的线性度也越好，它们的变化越陡，位移测量的灵敏度也就越大。

数据记录表四、思考题1.为什么霍尔元件位于磁钢中间位置时，霍尔电动势为0。

2.在直流激励中当位移量较大时，差动放大器的输出波形如何？实验二、电容传感器的直流特性实验内容：加深对电容传感器静态特性的理解。

掌握灵敏度、非线性度的测试方法，绘制电容传感器静态特性曲线，掌握数据处理方法。

吉林大学机械工程测试技术复习资料(DOC)机械工程测试技术绪论1、测试基本任务：—获取有用信号。

2、误差定义：测量误差=测量结果-真值3、误差分类：系统误差、随机误差、粗大误差4、误差表示：绝对误差，相对误差=绝对误差÷真值第一章信号及其描述1、信号分类：2、傅里叶级数三角函数展开式3、欧拉公式4、傅里叶级数复数函数展开式5、周期信号频谱具有三个特点：（1）周期信号的频谱是离散的。

（2）每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是诸分量频率的公约数。

（3）各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角。

6、周期信号强度表示：7、傅里叶变换对：8、傅里叶变换的主要性质 1）奇偶虚实性：奇偶性不变，偶函数虚实性不变，奇函数虚实性相反。

2）对称性：3）时间尺度改变特性：(1)当时间尺度压缩(k>1)时，图 c 其频谱的频带加宽，幅值降低。

(2)当时间尺度扩展(k<1)时，图 a 其频谱的频带边窄，幅值增高。

(3)压缩时间尺度,提高处理信号效率,后续处理频带加宽,容易失真。

(4)扩展时间尺度，处理后续信号容易，但效率太低。

4）时移和频移特性：5）卷积特性：6)微分和积分特性：9、几种典型信号频谱：（一）矩形窗函数的频谱：（二）δ函数及其频谱δ函数的采样性质：（1）任意函数 f(t) 与δ (t-t0) 的乘积是一个强度为 f(t0) 的δ函数δ(t-t0)。

（2）该乘积在有限区间的积分是 f(t) 在 t=t0 的值 f(t0) （3）此性质对连续信号的离散采样是十分重要的。

δ函数与其它函数的卷积：x(t ) ? ? (t ? t 0 ) ? x(t ? t 0 )（三）正、余弦函数的频谱密度函数：（四）周期单位脉冲序列的频谱：第二章测试装置的基本特性一、对测量装置的基本要求：输入量、输出量，系统的传输特性，知道其中两个可以推出第三个。

t0 t0 二、线性系统及其主要性质： dx (t ) dy (t ) x(t )dt ? y(t )dt ? 叠加原理、比例特性、、、频率保持性 dt dt 0 0 三、测量装置的特性静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰性四、测量装置的静态特性：??五、测量装置的动态特性的数学描述 1、传递函数（复数域 H（s）） 2、频率响应函数（频域 H（w）） 3、脉冲响应函数（时域 h（t））六、环节的串联和并联 1、环节串联：2、环节并联：七、一阶二阶系统的特性八、测量装置对任意输入的响应：系统的输出就是输入与系统的脉冲响应函数的卷积。

机械工程测试技术基础试题和答案1（二）判断对错题（用√或×表示）1、各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（）2、信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（）3、非周期信号的频谱一定是连续的。

（）4、非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（）5、随机信号的频域描述为功率谱。

（）（二）1、√；2、√；3、╳；4、╳；5、√；1、一线性系统不满足“不失真测试”条件，若用它传输一个1000Hz 的正弦信号，则必然导致输出波形失真。

（）2、在线性时不变系统中，当初始条件为零时，系统的输出量与输入量之比的拉氏变换称为传递函数。

（）3、当输入信号)(t x 一定时，系统的输出)(t y 将完全取决于传递函数)(s H ，而与该系统的物理模型无关。

（）4、传递函数相同的各种装置，其动态特性均相同。

（）5、测量装置的灵敏度越高，其测量范围就越大。

（）6、幅频特性是指响应与激励信号的振幅比与频率的关系。

（）（三）╳√√√╳╳（三）判断对错题（用√或×表示）1、滑线变阻器式传感器不适于微小位移量测量。

（）2、涡流式传感器属于能量控制型传感器（）3、压电加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。

（）4、磁电式速度拾振器的上限工作频率取决于其固有频率。

（）（三）√√╳╳（二）选择题1、不属于测试系统的静特性。

（1）灵敏度（2）线性度（3）回程误差（4）阻尼系数2、从时域上看，系统的输出是输入与该系统响应的卷积。

（1）正弦（2）阶跃（3）脉冲（4）斜坡3、两环节的相频特性各为)(1ωQ 和)(2ωQ ，则两环节串联组成的测试系统，其相频特性为。

（1）)()(21ωωQ Q （2）)()(21ωωQ Q + （3）)()()()(2121ωωωωQ Q Q Q +（4）)()(21ωωQ Q - 4、一阶系统的阶跃响应中，超调量。

（1）存在，但（3）在时间常数很小时存在（4）不存在5、忽略质量的单自由度振动系统是系统。

机械工程测试技术课后习题及答案熊诗波第四版引言《机械工程测试技术》是机械工程专业的一门基础课程，对于培养学生的实际操作能力和问题解决能力具有重要意义。

本文档整理了该课程的课后习题及答案，供学生参考和复习使用。

第一章传感器基础习题11.什么是传感器？2.传感器的工作原理有哪些？3.传感器分类及其应用领域。

4.请简要说明接触和非接触式传感器的区别。

习题21.并联电阻电桥是如何工作的？2.串联电阻电桥是如何工作的？3.请简述电桥测量中的三种电感器速敏电桥的特点。

习题31.请简述压力传感器的原理及其应用领域。

2.温度传感器有哪些工作原理？请分别说明。

3.光电传感器在机械工程中的应用有哪些？第二章机械测量习题11.弹簧测力计的测量原理是什么？2.请简述测力计的容量和灵敏度的概念。

3.注意事项：在何种情况下应避免在静荷载工作？习题21.请说明磁电测量的优点和缺点。

2.用什么方法可以准确地测量温度？3.请列举机械测量中常见的温度测量方法。

习题31.请简述力矩传感器的原理及其应用。

2.什么是浮子液位计？它的测量原理是什么？3.请简要说明测量转速的常见方法。

第三章自动控制检测技术习题11.请简要说明PID控制器的工作原理。

2.请列举几种常见的控制阀。

3.什么是传感器偏差？如何进行校准？习题21.对于机械手，什么是位姿？2.请简述闭环控制的基本原理。

3.请说明比例控制的特点。

习题31.请简单介绍气动传感器的工作原理。

2.什么是静态特性曲线？3.数据采集系统的组成有哪些？结语本文档总结了《机械工程测试技术》课后习题及答案，涵盖了传感器基础、机械测量和自动控制检测技术等内容。

对于学习该课程的学生来说，希望本文档可以起到辅助和复习的作用。

但仍然建议学生在解答习题时充分理解知识点，并多做实践操作，以提升自己的实际能力。