《测试技术》课后习题答案

第一章 1答： 测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法，是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。 2答： 测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。传感器将被测物理量检出并转换为电量，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/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。 3答： 在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试 技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。 4答： 例如： 全自动洗衣机中用到如下传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器 (洗净度 ) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测 )。 第二章 1答： 信号波形是指被测信号幅度随时间的变化历程。 2答： 从信号描述上分 为 ：确定性信号与非确定性信号； 从信号的幅值和能量上 分为 ：能量信号与功率信号； 从分析域上 分为 ：时域与频域； 从连续性 分为 ：连续时间信号与离散时间信号； 从可实现性 分为 ：物理可实现信号与物理不可实 现信号。 3答： 可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。 4答： 在所分析的区间（ -，），能量为有限值的信号称为能量信号，能量不是有限值的信号称为功率信号。 5答： 周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不保留原信号的相位信息。 6 答： 信号频域分析是采用傅立叶变换将时域信号 x(t)变换为频域信号 X(f)。时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。 信号频谱 X(f)代表了信 号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。 7答： 周期函数展开为傅立叶级数的物理意义 : 把一个比较复杂的周期信号看成是许多不同频率的简谐信号的叠加。 8答： 平均值、方差、均方值、概率密度函数 、 自相关函数、互相关函数 、 自功率谱密度函数、互功率谱密度函数、相干函数等。 第三章 1答： 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。 2答： 传感器由敏感器件与辅助器件组 成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 3 答： 工作原理：利用电阻应变片受力产生应变而使电阻值发生变化的原理来测量被测参数的大小。 特点： 性能稳定，精度高。 测量范围广。 对环境条件适应能力强。 应变式传感器在称重，测力，测压力，扭力，加速度等参量方面得到广泛应用。 4答： 电容式传感器是把被测物理量转化为电容器电容量变化的一种传感器。 特点： 输入能量小，灵敏度高。 动态特性好。 能量损失小。 结构简单，适应性好。 类型：变间隙式电容传感器、变面积式电容传感器、变介电常数式电容传感器 使用中应注意： （ 1） 变间隙式电容传感器非线性较大，应采用差动结构和电路进行改善。 (2)电缆电容影响大。 解决方法：采用双层屏蔽电缆。采用小型集成电路，放在传感器内部，即传感器分测量电路一体化。 5答： 电感式传感器是利用电磁感应原理，把被测量非电量转换为线圈电感的变化。 特点： 结构简单，工作可靠； 灵敏度高，分辨率较大； 测量的精度较高； 频率响应较低，不宜 测试 高频动态参数 。 广泛用于测量位移及能引起位移变化的参量，如力，压力，速度，加速度，流量，厚度等。 6答： 压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。物质在机械力作用下发生变形时，内部产生极化现象， 在它的两个表面上将产生符号相反的电荷 ，去掉外力时电荷立即消失。 特点： 灵敏度高，信噪比大，工作可靠，体积小，重量轻。 固有频率高，频带宽，动态响应特性好。主要用于测量动态参量，不适用于测静态参量。 要求绝缘电阻高，要求采用严格的绝缘措施，使用绝缘性能良好的材料。 在测量加速度，动态压力 、 力方面得到广 泛应用。 使用中应注意： (1) 主要用于测量动态参量，不适用于测静态参量。 (2) 要求有很高的绝缘电阻。 (3) 使用电压放大器时，当改变电缆长度时，前置放大器输入电压与传感器灵敏度都会发生变化。因此，在使用中，电缆不是规定的长度时，要重新标定灵敏度。 7答： 霍耳式传感器的工作原理是利用霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，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。 8答： 热电偶是由两种不同的导体 两端相连组合闭合回路。如果两端温度T 和 0T 不相等时，回路中就有电流通过，即回路内出现了电动势，该电动势称为热电势。 基本定律： （ 1）中间导体定律 在热电偶回路中，只要接入的中间导体两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。 （ 2） 连接导体定律 在热电偶回路中，如果热电偶 A 和 B 分别与连接导体 ,相连接，接点温度分别为0, n。则该回路的热电势等于热电偶 A， B 在温度为0,(0,温度为0,(0 ),(),(),( 00 B （ 3） 中间温度定律 两种导体 A 和 B 组成的热电偶，当接点温 度为0,于该热电偶一个接点温度为 T ，另一个接点温度为一个接点温度为0 );(),(),( 000 （ 4） 相配定律 由导体 组成的热电偶，当接点温度为0于由导体 组成的热电偶，在两端温度也为0组成的热电偶，在两端温度也为0 ),(),(),(),(),( 00000 冷端补偿： 冰点法 、修正法、补偿电桥法 9答： 传感器选择的基本原则 ： （ 1）传感器的使用环境：实验设备允许传感器的体积大小、安装方式以及信号的引出方式等；使用的温度，湿度，严酷度范围等 （ 2）传感器的静态性能包括 量程、灵敏度和线性度等。量程，一般最大信号为满量程的 60 80；精度，线性度和灵敏度等反映传感器的精度；灵敏度决定信号的信噪比 （ 3）传感器的动态特性，响应速度，频率特性等 第四章 1答： 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。 2答： 测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。 3答： 静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。 4答： 灵敏度、非线性度、回程误差、重复性、分辨力、可靠性等。 5答： 时域条件： 测试系统的输出 y(t)与输入 x(t)满足关系 y(t)=6答： 不失真测试系统的幅频特性和相频特性应分别满足 A( )=数 ( )=7答： 8答： 设计原则： 阻尼比 =有频率 尽可能大。 选用原则：被测信号的有意义的频率成分必须包含在测量装置的可用频率范围之内。 一般， 9 答： 21()12幅频特性 2221()12 相对幅值误 差 2221 1 0 0 %11 1 0 0 %12 n0.6 n22211 1 0 0 %4 0 0 4 0 01 2 0 . 78 0 0 8 0 02 . 5 3 % 第五章 1答： 信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 （ 1） 传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 （ 2） 有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。 （ 3） 某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。 2 答： 一阶 通滤波器、一阶 通滤波器、 通滤波器、 阻滤波器 。 （ 1 分 ）2（ 1 分 ）1 分 ）1 分 ）1 分 ）1 分 ）1 分 ）1 分 ）调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化 4 答： 调频是利用信号 x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号 x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波 . 5 答： 将信号记录在磁带上，并能以电信号重新输出，这就便于和数据处理机、电子计算机联用，进行高精度、高速的数据分析处理。 可以快录、快放或快录、慢放，很容易做到压缩时间轴，对分析、研究瞬 态过程或长时间过程有利。 工作频带宽，从直流到 1上，信噪比高，线性度好，零点漂移小，易于实现多点记录。 第六章 1 答： 绝对误差是指测得值与真值之差。 相对误差是指绝对误差与被测真值的比值 。 2答： 引用误差是指测量误差的最大绝对值与仪表满量程的百分比。一般仪表常用此指标表示仪器的精度等级。 3解：使用 300V， 电表，示值相对误差为： % 0080 %0 x 使用 100V， 值相对误差为： %0 080 % x 故选用 100V， 4答： 工具误差、环境误差、方法误差、人员误差。 5答： 系统误差是指误差的数值大小和正负在测量过程中恒定不变，或按一定规律变化的误差。当误差的数值大小和正负确定时，称为已定的系统误差。当误差按一定规律变化时称为未定系统误差或变值系统误差。 6答： 指那些误差数值特别大，超出规定条件下预计的误差。它一般是由测量者粗心大意引起的或者仪器发生异常引起的。 两个常用的判定准则：拉依达准则和格罗布斯准则 。 7答： （ 1） 单峰性：概率密度在中心处最大，即无误差情况出现的几率最大。 （ 2）对称性：函数为偶函数，即绝对值相等的正误差和负误差出现的机会相同。 （ 3） 有界性：由函数分析，误差范围为 , ， 但误差出现在区间 3,3 之 外 的 可 能 性 极 小 （ ）， 因 此 可 认 为 3,3 为随机误差的极限。 （ 4） 抵偿性：当测量次数增加到无限多次时，随机误差的算术平均值为零。 8答： （ 1）贝塞尔公式计算标准偏差精度较高，但计算量较大， 主要用于测量次数较多和精度要求较高的场合； （ 2）极差法计算方便迅速，在测量次数较少（ n10）计算精度与贝塞尔公式相当，主要用于测量次数较少和精度要求不高的场合。 9答： （ 1）已定系统误差不影响残余误差和标准偏差的计算，对测量的精密度无影响。因此，在最终误差的表示形式中，一般不包括已定系统误差 （ 2） 未定系统误差将以算术平均值的形式影响测量结果。未定系统误差直接影响残余误差的数值，即测量结果的精密度。 10 解： (1) 计算 a 和 b 的算术平均值 11 9 8 1 0 1 1 0 0 9 9 1 0 2 1005a 11 1 0 9 . 9 1 0 . 2 9 . 8 1 0 . 1 105b (2) 计算 a 和 b 的标准偏差 212 2 2 2 219 8 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 9 9 1 0 0 1 0 2 1 0 0511 . 5 8 212 2 2 2 211 0 1 0 9 . 9 1 0 1 0 . 2 1 0 9 . 8 1 0 1 0 . 1 1 0510 . 1 5 8 (3) 计算 a 和 b 的标准偏差 1 . 5 8 1 0 . 7 0 75aa n m 0 . 1 5 8 1 0 . 0 7 0 75bb n m (4) 计算面积 21 0 0 1 0 1 0 0 0S a b m (5) 计算面积的标准偏差 222 2 2 2 2 22 2 2 21 0 0 . 7 0 7 1 0 0 0 . 0 7 0 7 9 . 9 9 8S a 第七章 1答： 表格法 （数字法） 、 图示法 、 经验公式法 。 2答： 建立经验公式的步骤大致如下： （ 1）描 绘曲线 ： 将测量数据以自变量为横坐标，函数值为纵坐标逐点绘出，并连成测量曲线。 （ 2）对曲线进行分析，并确定公式的基本形式 （ 3）确定公式中的常量 ： 确定公式中的常量的过程称为拟合或者回归。 （ 4） 检验公式的准确性 ： 将测量数据的自变量代入公式计算函数值，检查其与测量值是否一致。如差别较大，则应调整经验公式的常数，甚至经验公式的型式，直至达到要求为止。 3答： 在具有等精度的多次测量中，所求得的最可靠值，是各测量值的残差平方和为最小时所求得的值。用最小二乘法所求得的拟合直线使得各数据点与拟合直线间的残 差平方和为最小。 4答： 首先由图形曲线确定它是属于哪种函数类型。在确定了函数类型之后，再设法将其转化为线性函数，求得相应的线性函数的