机械工程测试技术试卷及答案

填空题（20分，每空1分）1测试技术是测量和实验技术的统称。工程测量可分为（静态测量和（动态测量）。2测量结果与（被测真值）之差称为（测量误差）。3将电桥接成差动方式习以提高（灵敏度），改善非线性，进行（温度）补偿。4为了补偿（温度）变化给应变测量带来的误差，工作应变片与温度补偿应变片应接在（相邻）桥 臂上。5调幅信号由载波的（幅值）携带信号的信息，而调频信号则由载波的 濒率）携带信号的信息。6绘制周期信号x（t）的单边频谱图，依据的数学表达式是（傅氏三角级数中的各项系数），而双边 频谱图的依据数学表达式是（傅氏复指数级数中的各项系数）。7 信号的有效值又称为均（方根值），有效值的平方称为（均方值屮2），它描述测试信号的强度（信号 的平均功率）。8 确定性信号可分为周期信号和非周期信号两类，前者频谱特点是（离散的），后者频谱特点是（连 续的）。9为了求取测试装置本身的动态特性，常用的实验方法是（频率响应法）和（阶跃响应法）。10. 连续信号x（t）与5 （t-to）进行卷积其结果是：x（t） *5餌 （x（t-to）。其几何意义是把原函数图像平移至（fo）位置处。11、带通滤波器的中心频率F=500HZ,负3分贝点的带宽B=10HZ,则该滤波器的品质因数Q（50）。 12调幅过程在频域相当于（频率搬移）过程，调幅装置实质上是一个（乘法器）。13周期信号的傅氏三角级数中的n是从（0到+8。展开的。傅氏复指数级数中的n是从（一 到（+8）展开的。14周期信号x （t）的傅氏三角级数展开式中：a表示（余弦分量的幅值），b表示（正弦分量的幅nn值）,a表示（直流分量）。015余弦函数只有（实频。谱图，正弦函数只有（虚频）谱图。16 单位脉冲函数5 to）与在2点连续的模拟信号f的下列积分：)。这一性质称为（脉冲采样）。17、若x（t）的傅立叶变换是X（f）,则x（kt）的傅立叶变换是 18、测试装置输出波形无失真但有时间延迟的不失真测试条件是：装置的幅频特性为（常数），相频特性为（卩3）二-t（Q）。19、x(t)的频谱是X (f) ,y(t)的频谱是Y(f),若在频域内X(f)与Y(f)作相乘运算，则对应在时域内x(t)与y(t)应作卷积20、一个理想的测试装置，其输入和输出之间应该具有(线性)关系最佳。21、压电式传感器是利用某些物质的压电效应而工作的22、调幅波可以看作是载波与调制波的(相乘)。23、为了提高便极距型电容传感器的灵敏度,线形度及减小外部条件对测量精度的影响，实际应用 时常常采用(差动式)工作方式24、频率不同的两个正弦信号,其互相关函数(Rxy(T )=(0 )。25、 滤波器分离信号中相邻频率成份的能力称为(分辨能力)，它取决于滤波器的(带宽)。26、压电式传感器在使用电压前置放大器时，连接电缆长度改变，测量系统的灵敏度也发生变化27、 测试系统通常由(传感器)，(信号的调理和转换)及(信号处理)所组成。28、对连续时域信号作加窗截断处理，必然会引起频谱的(泄露)现象。29、 能用确切数学式表达的信号称为(确定性信号)，不能用确切数学式表达的信号称为(随机信 号)。30、选择窗函数对信号进行截断时，应力求其频谱的主瓣宽度(窄)些，旁瓣幅度(小)些。31、根据滤波器的选频作用分，滤波器可分为(低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波 器)。32、由5函数卷积特性，任一函数x(t)与具有时移to的单位脉冲函数8(tto)的卷积为x=(tto),8(t) 函数的频谱密度函数为二、选择题(20分，每题2分)1 直流电桥同一桥臂增加应变片数时，电桥灵敏度将(C)。A. 增大B.减少C.不变 D.变化不定2 调制可以看成是调制信号与载波信号(A)。A相乘 B.相加C.相减 D.相除3描述周期信号的数学工具是(D)。A. 相关函数B.拉氏变换C.傅氏变换D.傅氏级数4下列函数表达式中，(B)是周期信号。5cosl0兀 t当t 0x(t)= 0当 t 0A.1” x(t) = 20e LaJ cos20n t (a t +s)C x(t) = 5sin 20n t + 10cos10n t (a t +a)5 时域信号的时间尺度压缩时，则其频带的变化为(B)。A.频带变窄、幅值增高 B.频带变宽、幅值压低C.频带变窄、幅值压低 D.频带变宽、幅值增高6 非线性度是表示定度曲线(A)的程度。A 偏离其拟合直线 B.接近真值 C.正反行程的不重合7一般来说，测试系统的灵敏度越高，贝V其测量范围(B)。A.越宽 B.越窄 C.不变8下列哪一种敏感元件不属于弹性式压力敏感元件(D)A.波登管B 膜片C.波纹管D.电阻应变片9对于单向应力状态的测量，贴应变片时，应变片的方向与主应力方向应该相交成(A)A.0B. 45C. 90D. 3010二阶装置引入合适阻尼的目的是(C)。A 使系统不发生共振 B.使得读数稳定C.获得较好的幅频、相频特性11 为了保证实现极距变化型差动电容传感器的差动工作，传感器的两个电容应当连接成A )。A.并联电路B.串联电路 C.电桥电路12 要使RC低通滤波器的通带加宽，则RC值应(B)。A.增加 B.减少 C.不变13 描述非周期信号的数学工具是C。A三角函数 B.拉氏变换 C.傅氏变换D.傅氏级数14 下列信号中.C信号的频谱是连续的。A x(t)二 Asin(wt +咒)+ B sin(3wt + 出)B x(t) = 5sin 30t + 3sin 50! x(t) = e-at sin & t C.015 数字信号的特征是B B.时间、幅值上均离散A.时间上离散、幅值上连续C.时间、幅值上都连续D.时间上连续、幅值上量化16 测试装置能检测输入信号的最小变化能力，称为(D )。A.精度 B.灵敏度 C.精密度D.分辨率17测试装置的脉冲响应函数与它的频率响应函数间的关系是(B )。A.卷积 B.傅氏变换对 C.拉氏变换对D.微分18多种信号之和的频谱是C。A.离散的B.连续的C.随机的D.周期的 19.二阶装置，用相频特性中e(w) = -9时所对应的频率w作为系统的固有频率的估计值，该值 与系统阻尼率的大小(B )A.有关 B无关 C.略有关系D.有很大关系20滤波器的上、下截止频率为fc2, fci，中心频率f0 ；贝陀们的关系是(A )。21、差动式变极距式电容传感器的灵敏度是变极距式传感器的_ 倍.A、2B、3C、4D、522、信号有多种类型，从分析域上看，经典的分析方法有_D_和_。A、时域法，相频法B、时域法，幅频法C、相频法，幅频法D、时域法，频域法23、压电式传感器的转换原理是利用晶体材料的_B。A、电阻应变效应B、压电效应C、电磁感应D、霍尔效应24、传感器的静态特性中，输出量的变化量与引起此变化的输入量的变化量之比称为_B。A、线性度B、灵敏度C、稳定性D、回程误差25、若电容式传感器在真空中，其覆盖板面为一圆形，r=20cm，极板间距d=2mm，其电容量为： 答案都是错的。A、1.11X109B、1.11X1015 C、3.27X109D、3.27X10926、信息与信号二者间关系是_C。A、信息与信号相同B、信息包含信号C、信息在信号之中D、信息与信号无关27、当两信号的互相关函数在tO有峰值，表明其中一个信号和另一个信号时移tO时，相关程度B。A、最低 B、最高C、适中D、一般28、传感器的灵敏度越高，意味着传感器所能感知的A_越小。A、被测量B、输出量C、频率特性D、显示值29、测试工作的任务主要是要从复杂的信号中提取C )A、干扰噪声信号B、正弦信号C、有用信号 D、频域信号30、时域信号的时移，则频谱变化为(D )A、扩展 B、压缩 C、不变 D、相移31、记录磁带快录慢放，放演信号的频谱带宽(D )A、变窄，幅值压低B、扩展，幅值压低C、扩展，幅值增高D、变窄，幅值增高32、用二阶系统作测量装置时，为获得较宽的工作频率范围，则系统的阻尼比应(D )A、愈大愈好B、愈小愈好C、接近1/2 D、接近1/V233、对二阶系统输入信号x(t)=A sinwt+Asint,则系统稳态输出方程的通式为(D)A、 A sin(w t+m ) +A sin(w t+m ) B、 A A sinw tsinw t1 1 1 2 2 2 1 2 1 2C、 A sinw t+A sinw tD、 A sin(w t+m )+A sin(w t+m )1 1 2 2 1 1 1 2 2 234、概率密度函数提供了随机信号(B)的信息A、沿频域分布B、沿幅值域分布C、沿时域分布D、强度方面35、在测量位移的传感器中，符合非接触测量，而且不受油污等介质影响的是(D )A、电容式B、压电式C、电阻式D、电涡流式36、只使在fefe间频率的信号通过，应采用(B )滤波器1 2A、带阻B、带通C、高通D、低通37、在选用振子时，除了使阻尼比接近0.7外，应使被测正弦信号的最高频率f (C)振动子的固有m 频率f。nA、等于 B、2 倍 C、W(0.5-0.6) D、0.1 倍38、 为使电缆的长度不影响压电式传感器的灵敏度，应选用(B )放大器。A、电压B、电荷C、微分D、积分39、当t8时，信号x （t）的自相关函数Rx （t）呈周期性变化，说明该信号（B ）。A、为周期信号B、含有周期成份C、为离散信号D、为非周期信号40、正弦信号的自相关函数，使原有的相位信息（B ）A、不变B、丢失C、移相 D、一定变为9041、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、瞬态C、非周期D、随机42、非线性度是表示定度曲线（B ）的程度。A、接近真值B、偏离其拟合直线C、正反行程不重合D、滞后现象43、自相关函数一定是（B ）函数。A、奇B、偶C、周期D、非周期44、 为了能从调幅波中很好地恢复出原被测信号，通常用（D）做为解调器。A、鉴频器B、整流器C、鉴相器 D、相敏检波器45、采样时为了不产生频谱混叠，采样频率必须大于信号最高频率的（B）倍A、4 B、2 C、10 D、546、压电式传感器前置放大器的主要作用是（B ）。A、把传感器的低阻抗输出变换为高阻抗输出B、把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出C、调制传感器的输出信号D、对传感器的输出信号尽行检波47、 在电桥测量电路中，由于电桥接法不同，输出的电压灵敏度也不同，D接法可以获得 最大的输出。A、单臂电桥B、差动半桥C、补偿电桥 D、全桥48、压电传感器所使用的前置放大器在电路中起着很重要的作用，以下说法错误的是_B。 A、将传感器的高阻抗输入变成低阻抗输出。B、将传感器的底阻抗输入变成高阻抗输出。C、将压电传感器的微弱信号放大。D、电压放大器和电荷放大器的区别在于电荷放大器带有一个深度负反馈。49、幅值调制装置实质是一个CA、低通滤波器B、高通滤波器 C、乘法器 D、振荡器50、理想滤波器在通带内的幅频特性为AA、常数 B、零 C、零或常数D、无法确定51 变极距型电容传感器的输出与输入，成（A ）关系。A.非线性B.线性C.反比D.平方52如果窗函数频谱的主瓣峰值相对于左右旁瓣峰值越大，则该窗函数的泄漏误差（A ）。A.越小B.越大 C.不定D.不确定53 不能用涡流式传感器进行测量的是（D ）。A.位移 B.材质鉴别 C.探伤 D.非金属材料54设时域信号x（t）的频谱为X（f）,则时域信号（C ）的频谱为Xf+f）A x（t -1 ） B x（t +1 ） Cx（t0j2們D x（t）ej2驹0055 压电式传感器后面的放大器的主要功能为（C ）。A.阻抗变换B.信号放大C.阻抗变换和信号放大D.不确定56 一个相邻双臂工作的测力电桥，如果将两工作臂的一个应变片均改为两个应变片串联，则电桥 的输出电压（D）A.加大一倍B .减小一倍 C .不变 D.加大两倍57 一个相邻双臂工作的测力电桥，如果将两工作臂的一个应变片均改为两个应变片串联，则电桥 的输出电压（D）A.加大一倍B.减小一倍 C.不变 D.加大两倍三、简答题（共30 分）1. 信号分析和处理必需遵循的原则有哪几点？（4 分）答：各环节的输入量与输出量之间应保持一一对应的关系，并尽量不失真；（2） 尽可能减小或消除各种干扰。（2）2. 周期信号的频谱具有哪几个特点？（6分）答：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倍数上，基波频率是各分量频率的公约数。（2） 各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角。工程中常见的周期信号，其谐波幅值 总的趋势是随谐波次数的增高而减小的。因此，在频谱分析中没必要取那些次数过高的谐波分 量。（2）3现有电阻Ri和R2，电感L和电容C,连结成四臂交流电桥，试画出能满足电桥平衡的正确接桥方法，并写出该电桥的平衡条件。（设激励为巴，输出为Uo ）。（5分）答：正确的接桥方法如图所示：（3）电桥的平衡条件是：RR12=jwL - jwC4有人在使用电阻应变片时，发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥上增加电阻应变片数以提高灵敏度。试问，在半桥上各串联一片的情况下，是否可以提高灵敏度？为什么？（5 分）1 ARu = u 答：不能提高灵敏度。因为半桥双臂时，其输出电压为： o 2 i R2 AR _ AR当量桥臂各串联电阻应变片时，其电阻的相对变化量为2RR （2）即仍然没有发生变化，故灵敏度不变。要提高灵敏度只能将双臂电桥改为全桥连接。这时ARu u o i R 。（ 1 ）*5.什么是调制和解调？为什么要调制？（5 分）答：所谓调制，就是在调制信号（测试信号）的控制下，使载波信号（工作信号）的某些参数（如 幅值、频率、相位）发生变化的过程。（2）解调，就是从已调制波中恢复出调制信号的过程 一般的被测量，如力、位移、应变等，经传感器检测变换后，常常是一些缓变的电信号。（1） 经过调制后，采用交流放大，比直接用直流放大，效果好；另外，调制波抗干扰能力强，也便 于传输。（ 2）6. 在机械工程中常见的有哪些参数的测量？（5 分） 答：在机械工程的测试过程中，常见的参数测量有：应力的测量；应变的测量；扭矩的测量、振动信号的测量；声强测量；声发射测量；位移的测量；流量的测量；压力的测量等。7. 测量按测量值获得的方法进行分类有哪些？（6） 答：直接测量指无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测值得测量。（等精度直接测量和不等精度直接测量）；（2）间接测量指在直接测量值的基础上，根据已知函数关系，计算被测量的量值的测量；（2） 组合测量指将直接测量或间接测量与被测量值之间按已知关系组合成一组方程（函数关 系），通过解方程组得到被测值得方法。（2）8. 重复性误差和迟滞误差有何区别? （ 6） 答：重复性是指测试装置在输入按同一方向做全量程连续多次变动时，所得特性曲线不一致的程度。迟滞是测试装置在正反行程中输入输出曲线的不重合程度。*9.什么是不失真测试，不失真测试的条件是什么？（4）答：若Ao10都是常数，如果一个测试装置，则有y二A0x（t -10），即认为该测试装置实现了不失真测量。（2）这表明，输出信号较输入信号，幅值放大了A0倍，时间上滞后了10，波形一致。对上式作傅里叶变换，有YAoe_jtX）。所以，若要实现输出波形不失真，其幅频、相频特性应满足如下条件A（）二Ao=常数；）= _to。（2）10. 电器式传感器包括哪几种，各自的工作原理如何？（5）答：包括电阻式、电感式、电容式三种。电阻式传感器工作原理：把被测量转换为电阻变化的一种装置；（2） 电感式传感器工作原理：把被测量如位移转换为电感量变化的一种装置；（2） *电容式传感器工作原理：把被测物理量转换为电容量变化的一种装置。11、什么是调制，调制的目的是什么，如何实现对信号进行调幅和解调？ 答：调制是指利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号的某个参数的过程。信号调理的的目 的是（1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输 （2）提高信号传输中的抗干扰能力和信 噪比对信号进行调幅是将一个高频载波信号与被测信号相乘，使得高频信号的幅值随被测信号 的变化而变化。可使用同步解调、相敏检波的方式来实现对信号进行解调。12、什么是负载效应？对于电压输出的环节，减轻负载效应的措施有哪些？ 答：当一个装置联接到另一装置上时，由于发生能量交换而使前装置的联接处甚至整个装置的状态和输出都将发生变化的现象称为负载效应；对于电压输出的环节，减轻负载效应的办法有: （1） 提高后续环节（负载）的输入阻抗；（2）在原来两个相联接的环节之中，插入高输入阻抗、低输出 阻抗的放大器，以便一方面减小从前环节吸取能量，另一方面在承受后一环节（负载）后又能 减小电压输出的变化，从而减轻负载效应；（3）使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不从 前环节吸取能量。13、何谓压电效应?压电式传感器对测量电路有何特殊要求?为什么? 答：某些物质在外力的作用下，不仅几何尺寸发生了变化，而且内部极化，某些表面上出现电荷， 形成电场。当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这一性质称为压电效应。压电式传感器的 测量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容Ci以加大时间常数尺0。主要是为了在测量动态量时，获得一定的输出电压并实现不失真测量。四、计算题（共20 分，每小题 10 分）1. 求如图所示三角脉冲信号的频谱。x（t）= 2AtTT0 t 2T- t 02 （2）1 fT/2 /、J 2 fT/22A ,4A 1JT/2 x(t)dt = JT tdt =12T T/2T 0 TT2 2T/2Atcosn tdt = A(cosn兀1) o ToT2 (n )202 JT/2 x(t)cos n tdt = JT T/20 T4 A2 A (1)n 1 =i (n兀)20n = 1,3,5(n 兀)2n = 2,4,6 2)出此得x(t)的三角函数形式傅里叶级数展开为A 4 Ax(t) = a +(a cos n t + b sm n t)= 一0n0 n0n=11cosn=1,3,5匹tT(1)n 次谐波分量的幅值An1)n 次谐波分量的相位b申=arctan f = 兀 nann2成桥路时的输出电压 u =？0ARRR(b)R解：如图(b)组桥时的输出电压为 )画出x(t)的频谱如图所示。2用电阻应变片及双臂电桥悬臂梁的应变*。其贴片及组桥方法如图所示。已知图中R =R =R =R =120,上下贴 1 1 2 2片位置对称, 应变片的灵敏度系数 k=2。 应变值e = 10 x 10-3，电桥供桥电压u=3v。试分别求出如图组iR + ARRu = (11 一)uo R +AR + R 2 ARR + R i12R +AR iR + R11-u 一一u = i22i-u = k 8 u = 0.03(V)2 Ri 2 i如图(c)组桥时的输出电压为R + AR + R + AR1111)uR + AR + R + AR + R2 + R 一 AR 一 ARR + R i1 1 1 1 2 2 2 2R+2AR11 AR=u u =4 Ri 2 i 2 Ru = 0.03(V ) i5)3.对称方波的波形图如图所示。求傅里叶级数的三角形式展开，f(t) =)( 2 )并画出频谱。解：由图可知，它是正负交替的周期信号。其直流分量为：a0=0(1),其脉宽等于周期的一半,TT =1即 2 ，( 1 )将此代入式可得.nw T sin Et w22 E . n 兀=忌卢陀 2因此，对称方波的傅立叶级数三角函数形式为：1 . n兀2 F11-sin - cos nw t = (cos w t w t + w t n21 兀i3i5i(3)4如图所示为两直流电桥，其中图(a)称为卧式桥，图(b)称为立式桥，且R1 = R2 = R3 = R4 = Ro ,两电桥的输出电压叫、*2为应变片，*3、*4为固定电阻。试求在电阻应变片阻值变化为AR时,表达式并加以比较。解：图（a）中,卧式桥的输出电压为R + A RR + AR + R AR1 1 2R4 u R + R i34(R +AR0I 2 R0R )2R丿0Rui( 4 )2R0图 （b） 中，立式桥的输出电压为R + AR=11R +AR + R1ui14AR AR2u =i23R - AR + R2R AR )0I 2R +AR 2R AR 丿00R +AR02R -AR= o u 4R AR2 i02R0AR )4)由此可知，当时,AR-u，在忽略了高阶无穷小之后，两电桥的输出电压是u一样的，均为 o1 A R=-u2 R io1）不同之处是：立式桥由非线性误差，而卧式桥没有，所以卧式桥更精确。（1）五、判断题1、测试工作的任务主要是要从复杂的信号中提取有用信息。（/）2、周期信号各次谐波的频率只能是基波频率的整数倍。（/）3、一般把控制高频震荡波的缓变信号称为调制波，载送缓变信号的高频震荡称为载波，调制后的震荡波称为已调波。（04、测量环节作为被测量环节的负载，两环节将保持原来的传递函数。（X）5、一个理想的测试装置，其输入和输出之间应具有线性关系为最佳。（/）6、压电传感器的前置放大器的主要作用是对传感器输出信号进行解调。（X）7、周期信号的频谱是由无限多条离散谱线组成，每一条谱线代表一个谐波分量。（/）8、当t=0时，自相关函数值最小值。（X）9、滤波器中，一般规定幅频特性值等于1.414A时所对应的频率称为截止频率。（X）10、用二阶系统作测量装置时，为获得较宽的工作频率范围，则系统的阻尼比应接近0.707。（/）11、信噪比越大则有用信号的成分越尢噪声影响也大。（/）12、用二阶系统作测量装置时，影响幅值测量误差大小的参数有灵敏度。（/）13、在电桥测量电路中，由于电桥接法不同，输出的电压灵敏度也不同，差动半桥接法可以获得最 大的输出。 （X）14、周期信号频谱具有发散性、谐波性、离散性。 （X）15、对于电压放大器来说，当改变电缆的型号尺寸，输出电压将不改变。 （X）16、前置放大器在电路中起到了放大传感器微弱信号和将传感器的低阻抗输出变换为高阻抗输出的 作用。 （X）17、霍尔式传感器是目前国内外应用最广的一种磁敏传感器之一，其工作原理为霍尔效应。（/）18、差动半桥接法的灵敏度是单臂电桥灵敏度的3 倍。 （X）19、任意函数和5函数的卷积，就是将该函数在自己的横轴上平移到5函数所对应的位置。（X）20、调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频震荡波的某个参数。使其按被测信号的规律变化， 以利于信号的放大与传输。（021 非周期信号的频谱都是连续的。（/）22随机信号是确定性信号。（X）23传递函数不仅反映了系统的稳态过程，还反映了系统响应的过渡过程。（/ ）24变间隙式差动变压器是一种电容式传感器。（x）25选择好的窗函数对信号进行截断，可以减少能量泄漏。（/）26 非周期信号的频谱一定是离散的。（X ）27 瞬态信号是能量有限信号。（/）28变面积型电容传感器的灵敏度不为常数。（X ）29 在直流电桥中，只要满足任意两相邻桥臂的阻值之乘积等于另外两相邻桥臂阻值的乘积，则 电桥一定处于平衡。（ X ）30测试系统的灵敏度越高测量性能越好。（x）