机械工程测试技术-第四章

机械工程测试技术课后习题及答案第一章传感器及检测系统的基本概念1、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用2、怎样选择仪表的量程大小？3、测量误差可以分为哪几类？引起各类误差的原因是什么？4、传感器按照被测物理量来分，可以分为哪几种？5、某电路中的电流为10A，用甲乙两块电流表同时测量，甲表读数为10.8A，乙表读数为9.5A，请计算两次测量的绝对误差和相对误差。

6、用1.0级量限100V的电压表甲，0.5级量限250V的电压表乙分别测量某电压，读数皆为80V，试比较两次测量结果的准确度。

7、有三台测温仪表，量程均为0～800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？解答：1、一个完整的工程检测系统包括：传感器、信号调理电路、信号处理电路和显示记录部分。

各部分作用：传感器——感受被测量，并将其转换为电信号；信号调理电路——将传感器输出信号进行放大和转换；信号处理电路——对电信号进行计算和分析；显示记录部分——显示记录测试结果。

2、应根据被测量的大小，兼顾仪表的准确度等级和量程，使其工作在不小于满度值2/3以上的区域。

3、测量误差可以分为：系统误差、随机误差和疏失误差三类。

引起的原因如下:系统误差——仪器误差、零位误差、理论误差、环境误差和观察者误差等随机误差——温度、磁场，零件摩擦、间隙，气压和湿度的变化，测量人员分辨本领的限制等疏失误差——操作、读数、记录和计算等方面的人为误差等4、传感器按被测物理量可以分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。

5、绝对误差：△I= I﹣I=10.8-10=+0.8A；△I= I﹣I=9.5-10=﹣0.5A相对误差：γ甲=△I甲/ I0=+0.8/10=8%；γ乙=△I乙/ I0=﹣0.5/10=﹣5%6、最大绝对误差：△V m甲=±K%·V m甲=±1.0%×100=±1.0V；△V m乙=±K%·V m乙=±0.5%×250=±1.25V最大相对误差：γm甲=△V m甲/ V=±1.0/80=±1.25%；γm乙=△V m乙/ V=±1.25/80=±1.56%故：甲表测量结果的准确度高于乙表。

第一章习题1.测试技术的静态特性是什么?其用哪些性能指标来描述?它们一般用哪些公式表示?①测试技术的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，测试技术的输入与输出之间的关系。

②衡量测试技术静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、阈值、稳定性、漂移和静态误差。

③线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、阈值、稳定性、漂移和静态误差。

2.测试技术的动态特性是什么?其分析方法有哪几种①测试技术的动态特性是指测试技术的输出对随时间变化的输入量的响应特性，它反映了输出值真实再现变化着的输入量的能力。

②阶跃响应、频率响应3.测试技术数学模型的一般描述方法有哪些?传感器数学模型可分为静态和动态数学模型。

其中传感器静态数学模型一般多用多项式来描述，而动态数学模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。

4.测试技术系统有哪些典型环节?写出不同环节的微分方程。

输入，输出方程、传递函数、频率响应和单位阶跃5.为什么说零阶测试技术的动态特性是最理想的?因为零阶没有滞后6.简述系统误差和随机误差出现的原因及特点。

系统误差：系统误差是由固定不变的或按确定规律变化的因素所造成的。

系统误差的特征是：在同一条件下多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变；或当条件改变时，按一定规律变化。

系统误差在某些情况下对测量结果的影响还比较大，因此，研究系统误差产生的原因，发现、减小或消除系统误差，使测量结果更加趋于正确和可靠，是误差理论的重要课题之一，是数据处理中的一个重要的内容。

随机误差：随机误差是由于感官灵敏度和仪器精密程度的限制、周围环境的干扰及伴随着测量而来的不可预料的随机因素的影响而造成的。

它的特点是大小无定值，一切都是随机发生的，因而又把它称为偶然误差7.标准误差的意义是什么?标准误越小，抽样误差越小，样本对总体的代表性越好8.有效数字的运算原则和规则是什么?有效数字的确定方法是什么? 一般规定，数值中的可靠数字与所保留的1位(或2位)可疑数字统称为有效数字。

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。

第四章常用机械量测试实验
振动参数测量综合实验实验一磁电式传感器
一、数据记录：
二、曲线图：
v(cm/s)
z（µm）
压电式传感器一、数据记录：
二、曲线图：
2
实验二电涡流传感器轴心轨迹测量实验
一、分析为什么采用两个电涡流传感器进行轴心轨迹的测量，简述其实验原理？
二、拷贝实验系统运行界面，并分析实验结果。

三、调节旋转开关，给定不同的电机转速，观察其波形变化，并分析产生变化的原因。

实验三多传感器测量距离、位移实验
一、拷贝实验过程中系统运行界面。

二、启动电机控制实验一维运动平台进行前后移动，分别记录不同位置下，光栅尺的读数及红外传感器、超声波传感器以及直线位移传感器的读数，并通过拟合工具求出各传感器的拟合
三、根据上面求出的拟合曲线系数及定标脚本的“传感器定标芯片”，标定各传感器，然后启动电机，在不同的位置下，记录光栅尺与各传感器的读数，并分析实验结果。

四、重复步骤上述过程，多测几组数据，选用不同的拟合阶次，然后比较其测量结果。

实验四力传感器标定及称重实验
一、应用于称重的传感器主要有那些，简述称重实验台的结构原理。

二、并采用三次不同组合（如一大一小；两中等；两大或两小）的砝码进行标定，拷贝实验系统界面，然后称取同样质量的砝码，分别记录下五组数据。

三、根据上面测得数据分析本称重实验台的测量误差。

第一章 信号的分类与描述1-1 求周期方波（见图1-4）的傅里叶级数（复指数函数形式），划出|c n |–ω和φn –ω图，并与表1-1对比。

解答：在一个周期的表达式为00 (0)2() (0)2T A t x t T A t ⎧--≤<⎪⎪=⎨⎪≤<⎪⎩ 积分区间取（-T/2，T/2）000000002202002111()d =d +d =(cos -1) (=0, 1, 2, 3, ) T T jn tjn tjn t T T n c x t et Aet Ae tT T T Ajn n n ωωωππ-----=-±±±⎰⎰⎰所以复指数函数形式的傅里叶级数为 001()(1cos )jn tjn t n n n Ax t c ejn e n∞∞=-∞=-∞==--∑∑ωωππ，=0, 1, 2, 3, n ±±± 。

(1cos ) (=0, 1, 2, 3, )0nI nR A c n n n c ⎧=--⎪±±±⎨⎪=⎩ ππ21,3,,(1cos )00,2,4,6, n An A c n n n n ⎧=±±±⎪==-=⎨⎪=±±±⎩πππ1,3,5,2arctan1,3,5,200,2,4,6,nI n nRπn c πφn c n ⎧-=+++⎪⎪⎪===---⎨⎪=±±±⎪⎪⎩没有偶次谐波。

其频谱图如下图所示。

图1-4 周期方波信号波形图1-2 求正弦信号0()sin x t x ωt =的绝对均值x μ和均方根值rms x 。

解答：00002200000224211()d sin d sin d cos TTT Tx x x x x μx t t x ωt t ωt t ωt T T TT ωT ωπ====-==⎰⎰⎰rmsx ==== 1-3 求指数函数()(0,0)at x t Ae a t -=>≥的频谱。

第四章 信号调理、记录和显示
一、重点内容及难点 （一）电桥
1、电桥平衡条件：
2、应变电桥输出电压表达式： 半桥单臂
e
u R ΔR u 0
041≈
；半桥双臂
e
u R R u 0
021∆=；全桥e u R R
u 0
0∆=。

（二）滤波器
1、分类：从选频角度，可将滤波器分为：低通、高通、带通和带阻滤波器。

其中低通滤波器是最根本的。

2、主要参数：
（1）滤波器的截止频率 （2）滤波器的带宽B ： （3）品质因数Q ：
3、实际滤波器（RC 低通、高通、带通） 二、章节测试题 （一）填空题
1、RC 低通滤波器的动态特性参数是 ，其在 元器件两端输出信号。

2、RC 高通滤波器是 阶系统，动态特性参数是 ，其在 元器件两端输出信号。

3、滤波器的带宽越宽，其滤波的分辨率就越 。

4、电桥的作用是把电感、电阻、电容的变化转化为 输出的装置。

5、在桥式测量电路中，按照 的性质，电桥可分为直流和交流电桥。

6、在桥式测量电路中，根据工作时阻抗参与变化的可将其分为半桥与全桥测量电路。

7、常用滤波器的上、下截止频率
f、2c f的定义
1c
为，其带宽B＝。

8、RC低通滤波器中RC值愈，则上截止频率愈低。

（二）简答题
1、简述滤波器的作用
(三)计算题
1、P152课后习题4-1
2、P153课后习题4-10
3、P153课后习题4-11。

第一章单元测试1、多选题：测试系统由（）组成。

选项：A:测量装置B:试验装置C:数据处理装置D:显示记录装置答案: 【测量装置;试验装置;数据处理装置;显示记录装置】2、单选题：下列哪一种是人工产生信号经自然的作用影响而形成的信号（）。

选项：A:振动信号B:机械探伤信号C:地震信号D:物理信号答案: 【机械探伤信号】3、判断题：试验装置是使被测对象处于预定的状态下，并将其有关方面的内在联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门装置（）选项：A:对B:错答案: 【对】4、判断题：测试装置是将测量装置输出的信号进一步进行处理，以排除干扰和噪声污染，并清楚地估计测量数据的可靠程度。

（）选项：A:错B:对答案: 【错】5、判断题：显示记录装置是测试系统的输出环节，它可将对被测对象所测得的有用信号及其变化过程显示或记录（或存储）下来，数据显示可以用各种表盘、电子示波器和显示屏等来实现。

（）选项：A:对B:错答案: 【对】第二章单元测试1、单选题：下列函数表达式中，（）是周期信号。

选项：2、单选题：.()sin2cos3 fttt =+ 的基本周期是（）。

选项：A:4πB:2πC:πD:3π答案: 【3π】3、单选题：信号可以分为能量信号和（）。

选项：A:功率信号B:物理信号C:振动信号D:确定信号答案: 【功率信号】4、多选题：δ函数的性质有（）。

选项：A:视域扩散性B:偶函数对称性C:原点对称性D:抽样特性答案: 【视域扩散性;偶函数对称性;抽样特性】5、判断题：在信号分析中，以信号的实际用途加以分类，这样信号可以分为确定性信号与非确定性信号、能量信号与功率信号、时限信号与频限信号、连续时间信号与离散时间信号等。

（）选项：A:错B:对答案: 【错】第三章单元测试1、多选题：（）不属于测试系统的静特性。

选项：A:回程误差B:阻尼系数C:线性度D:灵敏度答案: 【阻尼系数;线性度;灵敏度】2、单选题：从时域上看，系统的输出是输入与该系统（）响应的卷积选项：A:阶跃B:斜坡C:脉冲D:正弦答案: 【脉冲】3、判断题：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。

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。

《机械工程测试技术基础》课后答案章节测试题第一章信号及其描述（一）填空题1、测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、信号的时域描述，以为独立变量；而信号的频域描述，以为独立变量。

3、周期信号的频谱具有三个特点：，，。

4、非周期信号包括信号和信号。

5、描述随机信号的时域特征参数有、、。

6、对信号的双边谱而言，实频谱(幅频谱）总是对称，虚频谱（相频谱)总是对称.（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。

（）（三）简答和计算题1、求正弦信号的绝对均值μ|x|和均方根值x rms。

2、求正弦信号的均值,均方值，和概率密度函数p(x）。

3、求指数函数的频谱。

4、求被截断的余弦函数的傅立叶变换。

5、求指数衰减振荡信号的频谱.第二章测试装置的基本特性（一）填空题1、某一阶系统的频率响应函数为，输入信号,则输出信号的频率为，幅值，相位。

2、试求传递函数分别为和的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

3、为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有、和。

4、当测试系统的输出与输入之间的关系为时，该系统能实现测试。

此时，系统的频率特性为.5、传感器的灵敏度越高，就意味着传感器所感知的越小.6、一个理想的测试装置，其输入和输出之间应该具有关系为最佳.（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和，则两环节串联组成的测试系统,其相频特性为。

（1) （2）(3）（4）4、一阶系统的阶跃响应中，超调量。

第一章测试1.（）以确定被测对象属性和量值为目的的全部操作。

A:计量B:测试C:测量答案:C2.传感器是直接作用于被测量，按一定规律被测量转换成同样或别种量输出，通常是（）。

A:磁信号B:光信号C:电信号D:力信号答案:C3.直接作用于被测量，按一定规律被测量转换成同样或别种量输出的装置是（）。

A:信号处理装置B:激励装置C:传感器D:信号调理装置答案:C4.用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值的方法称为（）。

A:组合测试B:直接测量C:组合测量D:间接测量答案:B5.对与未知待测量有确切函数关系的其他变量进行直接测量，然后再通过函数关系计算出待测量的方法称为（）。

A:组合测量B:间接测量C:直接测量D:组合测试答案:A第二章测试1.信号的时域与频域描述方法是依靠（）来确立彼此的关系。

A:相乘B:拉氏变换C:傅氏变换D:卷积答案:C2.瞬变非周期信号的频谱是（）。

A:基频的整数倍B:脉冲函数C:离散的D:连续的答案:D3.下列函数哪些是非周期函数（）。

A:x (t)=sin3ω0tB:x (t)= sinω0t+sinω0tC:x (t)= cosω0+cos2ω0tD:x (t)= cos8ω0t ，答案:B4.脉冲函数的频谱是（）。

A:逐渐降低B:均匀谱C:非均匀谱D:逐渐增高答案:B5.已知函数的傅里叶变换为，则函数的傅里叶变换为（）。

A:B:C:D:答案:C6.周期信号的频谱是（）。

A:离散的B:脉冲函数C:随机的D:连续的答案:A7.设时域信号的频谱为，则时域信号（）的频谱为。

A:B:C:D:答案:B8.时域信号的时间尺度压缩时，则其频带的变化为（）。

A:频带变窄、幅值增高B:频带变宽、幅值增高C:频带变宽、幅值压低D:频带变窄、幅值压低答案:C9.不能用确定的数学公式表达的信号是（）信号。

A:瞬态B:复杂周期C:非周期D:随机答案:D10.以下（）的频谱为连续频谱。

A:周期方波B:矩形窗函数C:周期矩形脉冲D:正弦函数答案:B第三章测试1.下列不属于测试系统静态特性的是（）。