工程测试与信号基础部分课后答案

绪论 测量是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作； 测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。 测试技术研究的主要内容包括四个方面，即：测量原理、测量方法、测量系统、数据处理 测试技术的任务：1)新产品设计；2)设备改造；3)工作和生活环境的净化及监测；4)工业自动 化生产； 5)科学规律的发现和新的定律、公式的诞生。 测试方法的分类：1) 按是否直接测定被测量的原则分类：直接测量法和间接测量法。2)按传感 器是否与被测物体有机械接触的原则分类：接触测量法与非接触测量法。3) 按被测量是否随时 间变化分类：静态测量和动态测量 Chap1 信号是载有信息的物理变量，是传输信息的载体。 信息是事物存在状态或属性的反映。 区别与联系：信息蕴含于信号之中，信号中携带着人们所需要的有用信息。 信号的分类：一、按所传递的信息的物理属性分类：机械量(如位移、速度、加速度、力、 温度、流量等)、电学量(如电流、电压等)、声学量( 如声乐、声强等) 、光学量等等。二、 按照时间函数取值的连续性和离散性分类：分为连续时间信号和离散时间信号。三、按照 信号随时间变化变化的特点来分类：可分为确定性信号和非确定性信号两大类。四、按照 信号能否重复来分类：确定性信号（周期信号和非周期信号）和非确定性信号（平稳随机 信号和非平稳随机信号） 。四、模拟信号与数字信号 信号的描述与分析：通常以四种变量域来描述信号，即时间域、幅值域、频率域、时频域， 对应的信号分析有时域分析、幅域分析、频域分析、时频分析。 一、时域分析 1. 峰值和峰峰值 峰峰值表示信号的动态范围，即信号大小的分布区间。 2. 均值 表示信号大小的中心位置或常值分量，也称为固定分量或直流分量。 3. 方差和均方差 表示了信号的分散程度或波动程度 5. 自相关函数 相关的概念 A. 相关系数 定量说明随机变量 与 之间的相关程度xy B. 自相关函数 自相关函数描述了信号一个时刻的取值与相隔 时间的另一个时刻取值的依赖关系，即相 似程度。 自相关函数是偶函数，它的极大值出现于 0 处。 周期信号的自相关函数是与原信号周期相同的周期信号。 6. 互相关函数 表示两个信号之间依赖关系的相关统计量，即它表示了两个信号的相关程度。 互相关函数主要应用于检测和识别存在于噪声中的有用信号。 一） 周期信号的频谱分析 1)周期信号的三角函数展开式与频谱图 例题 1：周期性矩形波的频谱 矩形波各次谐波的幅值衰减是很慢的，第 21 次谐波的幅值才衰减为基波的近乎 5。此矩形波的频谱图 例题 2：周期性三角波的频谱。 三角波高次谐波衰减得很快，其第 5 次谐波的幅值就衰减为基波的 125。它相当于矩形波的第 25 次谐波。也就是说，三角波比矩形波更接 近于正、余弦波形。 A、傅里叶变换 1-2、描述周期信号的频率结构可采用什么数学工具？如何进行描述？周期信号是否可以进 行傅里叶变换？为什么？ 答：傅里叶级数展开式。根据具体情况可选择傅里叶级数三角函数展开式和傅里叶级数复 指数函数级数展开式两种形式。周期信号不可以直接进行傅里叶变换，因为周期信号不具 备收敛可积的条件，其频域描述只能运用傅里叶级数展开式来描述。 1-4、周期信号、非周期信号和随机信号在不同领域的描述中有何不同？用什么方法可以鉴 别混杂在一起的这三种信号？用什么方法可以将它们分离开来？ 答：不同性质信号的样本记录，具有不同的概率密度函数。因此，可以通过分析概率密度 函数来确定被测信号所含的成分。 Chap2 静态特性主要是指测试系统对于不随时间变化的输入量的响应特性，即系统输 入与输出的关系。 静态特性的评定指标：1.线性度 2.迟滞 3.重复性 4.灵敏度 5.分辨力和阈值 6. 稳定性和温度稳定性 7.漂移 8.静态误差精度 动态特性是指测试系统对随时间变化得输入量得响应特性。其评定指标为频率 响应和瞬态响应 任何一个测试系统不可能在非常宽广的频带内满足不失真的测试条件，我 们将 不等于常数时所引起的失真称为幅值失真， 与 之间的非线性)(A )( 关系所引起的失真称为相位失真。一般情况下，测试系统既有幅值失真又有相 位失真。 改善传感器性能的技术途径：.结构、材料与参数的合理选择、.差动 技术、.平均技术、.稳定性处理、.屏蔽、隔离与干扰抑制、.零示法、 微差法与闭环技术 、.补偿与校正、.集成化、智能化与信息融合 2-5、不失真测试条件能够保证信号的什么不失真？对于复杂输入信号如何才能保证输出信 号不失真？实际测试系统的特性与不失真测试条件有何差距？ 答：保证波形不失真。复杂的输入信号保证不失真：系统的幅频特性为常量，相频特性是 过原点且具有负斜率的直线。实际测试系统不可能在很宽的频率范围内满足不失真测试的 条件。所以实际的测试系统不可避免的会产生幅值失真和相位失真，即使只在某一频率范 围内工作，也难以完全理想地实现不失真的测试。 2-8、进行某次动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度 为 90.9nC/MPa，将它 与增益为 0.005V/nC 的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记 录仪的灵敏度为 20mm/V。试计算该测量系统的总灵敏度。又当压力变化 3.5MPa 时，记录 笔在记录纸上的偏移量是多少？ 解：总灵敏度 MPamVnCMPanCkk /09./2/05./9.030210 记录的位移= m815. 2-10、想用一个一阶系统作 100HZ 正弦信号的测量，若要求限制幅值误差在 5%以内，则 时间常数 应取多少？若用该系统测试 50HZ 正弦信号，试问此时的幅值误差和相角差是？ sfjH523)(1023.5)0(182.095)( %5)(1%1)( 422 2 又 /411 242 09)13.50( %3.1)3.5(%) tgtf Chap3 3-1 3-7涡流传感器特点：结构简单、使用方便、分辨率高、不受油污等介质的影响以及可实现 非接触式测量等。应用：轴振摆测量、轴心轨迹测量、转速测量、材料厚度测量、物件计 数、表面探伤。 3-9 压电效应：某些材料在承受机械应变作用时，内部就产生极化现象，从而在材料的相 应表面会产生电荷；当外力除去后，又重新恢复到原来的状态，这种现象称为压电效应。 石英石英晶体的压电特性： 3-10 电感式传感器分类：按其转换方式不同分为自感式传感器、互感式传感器、涡流式传 感器；按其结构形式不同又可分为变气隙式、变面积式和镙管式 Chap4 4-1 信号调理的作用是信号调理就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能 够识别的标准信号。信号调理可以将数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，它能 够帮助直接连接到广泛的传感器和信号类型来实现的。信号调理技术可以将数据采集系统 的总体性能和精度提高 10 倍。 4-2 直流电桥的和差特性是相邻两桥臂电阻变化使各自引起的输出电压相减；相对两桥臂 电阻变化使各自引起的输出电压相加。其作用表明了桥臂电阻变化对输出电压的影响。利 用该特性，在实际应用中可以合理布置应变片进行温度补偿，提高电桥的灵敏度。 4-3 什么是信号调制？在测控系统中为什么要进行信号调制？常用的信号调制方法有哪几 种？什么是解调？ 信号调制是指利用某种信号（如被测信号）来控制并改变某一高频振荡信号的某个参 数（如幅值、频率或相位等）使其随着该信号的变化而变化的过程。因为信号调制是各种 通信系统的重要基础，广泛用于广播、电视、雷达、测量仪表等电子设备。常用的信号调 制方法有模拟调制和数字调制两种。解调则是指从已调波中恢复出调制信号的过程，即调 制的逆过程。 4-4 在调制过程中，将控制高频振荡的低频信号称为调制波或调制信号。将载送低频信号 的高频振荡波称为载波或被调信号。将经过调制后所得到的高频振荡波称为已调波或已调 信号。 4-5 什么是调幅？试写出调幅信号的数学表达式，并画出它的波形。 调幅是将一个高频振荡信号（载波）与被测信号（调制信号）相乘，使高频振荡信号 的幅值随被测信号的变化而变化。 表达式与图p144 4-6 什么是调频？试写出调频信号的数学表达式，并画出它的波形。 调频是利用调制信号控制高频振荡波的频率使其随调制信号而变化的过程。 表达式与 图p149 Chap6 6-3 常见的接触式、非接触式测振传感器有哪些？其结构与工作原理各有何特点？ 答：接触式测振传感器中的磁电式速度传感器和压电式加速度计，其机电转换较方便，应 用较多；非接触式测振传感器中的涡流式传感器属于相对式传感器，因其本身优点诸多， 也被广泛应用于工业现场。 6-7 常见的角位移传感器有哪些？其结构与工作原理有何特点？ 答：电阻式滑线式角位移传感器和电阻式变阻器角位移传感器及旋转变压器式角位移传感 器。 6-10 试对比金属丝电阻与热敏电阻的测温特性。 答：、热敏电阻具有随温度的变化电阻值变化的特性。热敏电阻由半导体材料制成，它的 电阻温度系数基金数的大几百倍，有着极其灵敏的电阻温度效应，同时它还具有体积小、 反应快等优点。热敏电阻按其电阻随温度变化的典型特性可分为三类：负温度系数热敏电 阻，正温度系数热敏电阻和临界温度电阻器。负温度系数热敏电阻的电阻值会随温度上升 而下降，切电阻温度的变化范围大。 6-11 试结合热电效应说明热电偶的冷端补偿原理及方法。 答：从 热电效应的原理可