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传感器与测试技术期末考试试卷一、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 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 100 Hz。5 在桥式测量电路中，根据其 激励电流 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：前者利用形变效应 引起的电阻变化，后者利用 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 = ；若其带宽为1/3倍频程则fc2 = 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、电感式传感器等等。10 根据载波受调制的参数不同，调制可分为 调频 、 调幅 、 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。A 传递函数 B 互相关函数 C 互谱密度函数 D 相干函数7 为使电缆的长短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8 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是d 传感器。A 电容式 B 压电式 C 电阻式 D 电涡流式9 信号分析设备可分析的频率低于磁带记录仪记录信号的频率，可将磁带 b ，也可达到分析的目的。 A 重放速度放快 B 重放速度放慢 C 重放速度不变 D 多放几次10. 一阶系统的阶跃响应中，超调量 d 。 A 存在，但5 B 存在，但2倍 C、（.-.）D、.1倍18、 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19、 当时,信号x（t）的自相关函数Rx（）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20、 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9021、 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22、 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23、 自相关函数一定是（B ）函数。 A、奇 B、偶 C、周期 D、非周期24、 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25、 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（2 ）倍A、4 B、2 C、10 D、526、 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27、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28、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。29、幅值调制装置实质是一个C、低通滤波器 、高通滤波器 、乘法器 、振荡器30、理想滤波器在通带内的幅频特性为A 、常数 、零 、零或常数 、无法确定31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32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33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34设时域信号x(t)的频谱为X(f)，则时域信号（C ）的频谱为X(ff0）。 A . B. C. D. 35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36一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 37一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（） A. 加大一倍 B. 减小一倍 C. 不变 D. 加大两倍 二、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。(T)2、周期信号各次谐波的频率只能是基波频率的整数倍。(T)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。(T)4、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。(F)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。(T)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。(F)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。(T)8、当0时，自相关函数值最小值。F9、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。(f)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。(T)11、信噪比越大则有用信号的成分越大,噪声影响也大。(T)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。(T)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。(F)14、周期信号频谱具有发散性、谐波性、离散性。(f)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。(F) 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。(F)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。(T)18、差动半桥接法的灵敏度是单臂电桥灵敏度的3 倍。(F) 19、任意函数和函数的卷积，就是将该函数在自己的横轴上平移到函数所对应的位置。(F)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。(T)21非周期信号的频谱都是连续的。（ T）22随机信号是确定性信号。（F）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。（T ）24变间隙式差动变压器是一种电容式传感器。（F）25选择好的窗函数对信号进行截断，可以减少能量泄漏。（T ）26非周期信号的频谱一定是离散的。（F ）27瞬态信号是能量有限信号。（T ）28变面积型电容传感器的灵敏度不为常数。（ F ）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。（F ）30测试系统的灵敏度越高测量性能越好。（F）三、填空题1、 若x(t)的傅立叶变换是X(f),则x(kt)的傅立叶变换是1/k*X(f/k)2、 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（）=-t）。3、 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_4、 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。5、 压电式传感器是利用某些物质的_压电效应_而工作的6、 调幅波可以看作是载波与调制波的相乘。7、 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8、 频率不同的两个正弦信号,其互相关函数Rxy( )=(0 )9、 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 ）。10、 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11、 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。12、 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。13、 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。14、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。15、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。16、由函数卷积特性，任一函数x(t)与具有时移to的单位脉冲函数(tto)的卷积为x=(tto)，(t)函数的频谱密度函数为四、简答题1、 差动型变磁阻式电感传感器在使用时常把两个线圈接在电桥的两个相邻桥臂中，试问：（1）此电桥需接入何种激励电压？高频正弦电压（2）该电桥的输出电压是何波形？高频正弦波的幅值随传感器输出波的变化而变化（3）输出电压的幅值与传感器的什么量有关？灵敏度（4）输出电压大小能否反映被测量的方向？欲知被测量的方向，测量电路中应带有什么环节?不能，在测量电路之后接入差动相敏检波电路2、 在用应变仪测量机构的应力，应变时，如何消除由于温度变化所产生的影响？利用电桥的和差特性，将两片应变片分别接到测量机构的相对面上，并接入电桥中相邻的桥臂上，使得由于温度变化而导致的输出电压无用值相互抵消。3、把一个变阻器式传感器按如图接线，它的输入量是什么？输出量是什么？在什么条件下，它的输出量与输入量之间有较好的线性关系？ 输入量是被测量的位移。输出量是电压值。只有当变阻器 的最大电阻值与后接电路的输入电阻比值趋于0时，它的输出量与输入量之间有较好的线性关系4、金属电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何特点？前者是利用导体形变引起阻值变化，后者是利用半导体电阻率变化引起阻值变化。金属电阻丝应变片稳定性和温度特性好，但灵敏度系数小。 半导体应变片应变灵敏度大；体积小；能制成具有一定应变电阻的元件，但温度稳定性和可重复性不如金属应变片。5、简述压电效应现象；石英晶体所产生的横向和纵向压电效应产生的电荷聚集在哪里？其大小分别如何计算？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，这一现象称为压电效应现象。石英晶体所产生的众向压电效应产生的电荷聚集在与电轴 (X) 垂直的平面上，其大小为。石英晶体所产生的横向压电效应产生的电荷聚集在与电轴 (X) 垂直的平面上，其大小为。a、b分别为晶体片的长度和厚度。6、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？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。 7、试用方框图描述测试系统的组成，并简述测试工作的全过程。传感器将被测物理量(如噪声,温度等) 检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。 8、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？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。9、试说明二阶测试系统的阻尼度大多采用的原因。阻尼比在这个范围内可提高系统响应的快速性，以及工作的范围更大些。10、简述涡流式传感器的工作原理，它有哪些特点?把一个线圈放到一块金属导体板附近，相距为，当线圈通以高频交流电流 i 时，便产生磁通，此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生闭合的感应电流 i1，即涡电流，涡电流也会产生交变磁场1 ，根据楞次定律，涡电流产生的交变磁场1与线圈的磁场变化方向相反，1总是抵抗的变化，由于涡电流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗 Z 发生变化，变化程度与有关。11、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?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。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。12、试述霍尔效应及其用来测量位移的原理。将霍尔元件置于磁场B中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 五、计算分析题1、试用相关分析的知识说明如何确定深埋在地下的输油管裂损的位置。裂损处可视作向两侧传播声响的声源，在两侧管道上分别安置传感器1和传感器2，并将两传感器信号输出端接到相关分析仪器上。因为放置传感器的两点距裂损处不等远，则漏油的音响传至两传感器就有时差，在互相关图上处有最大值，这个就是时差。由就可确定裂损处到两传感器中点的距离为，为音响在管道中的传播速度。2、简述霍尔效应现象，并说明如图所示利用霍尔传感器是如何测位移的？p1113、求周期信号x(t)=0.6cos(10t+30o)+0.3cos(100t-60o)通过传递函数为H(s)=1/(0.005s+1)的装置后所得到的稳态响应。（10分）解：根据线性系统的叠加特性以及同频率特性，可设稳态响应函数为y（t）=0.6A(10)cos(10t+30o+(10)+0.3A(100)cos(100t-60o+(100)由H(s)=1/(0.005s+1)可得H(j)=1/(j0.005+1)，则A()=1/,()=-arctan（）故A(10)= (10)= A(100)= (100)=4、有人在使用电阻应变仪时，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，在下列情况下，是否可提高灵敏度？说明为什么？(11分)1） 半桥相邻双臂各串联一片；2）半桥相邻双臂各并联一片。5、试用相关分析的知识说明如何测量热轧钢带的运动速度。（10分）钢带表面的反射光经透镜聚焦在相距为d的两光电池上，当钢带上某一不反射点处经过透镜时，将会导致反射光强度的波动，再经光电池转换为电信号在进行相关处理。由于两光电池有间距，故反射光强度的波动有时差，由互相关图上可得处有最大值，这个就是时差，则该钢带的运动速度。6、用一个时间常数为0.35s的一阶测试系统，测量周期分别为5s、1s、2s的正弦信号，求测量的幅值误差各是多少?一阶系统的响应函数为H()=1/(j+1)，则幅频特性A()= 1/，故其测量的幅值误差为,代入值可得。7、已知电阻应变仪交流电桥的电桥电源为，输入信号x(t)的幅值谱如图所示。电桥输出信号经相敏检波、低通滤波后输出。试分别画出电桥输出信号、相敏检波输出信号和低通滤波器输出信号幅值谱Xm(jf)、 Xe(jf)、 Xf(jf)。8、如图为一存在质量不平衡的齿轮传动系统，大齿轮为输入轴，转速为600r/min，大、中、小齿轮的齿数分别为40，20，10。右图为在齿轮箱机壳上测得的振动信号频谱：请根据所学的频谱分析知识，判断是哪一根齿轮轴为主要的振动源？ 由频谱图可知，在频率为40Hz左右的振荡最为剧烈，由传动链关系可得各齿轮的转动频率分别为：大齿轮为10Hz，中齿轮为20Hz，小齿轮为40Hz，故可得小齿轮轴为主要的振动源。9、用图解法近似画出如图所示周期指数衰减余弦信号的频谱图,并简述图解过程.(提示:利用时域和频域的卷积关系解题)
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