工程测试与信号分析复习指南(09机研考试委员会).pdf

机研 09 级考试委员会提供（仅供参考） 工程测试与信号分析工程测试与信号分析 填空题：填空题： 1.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( C )传感器. A 压电式 B 电阻式 C 电涡流式 D 电容式 2.常用于测量大位移的传感器有( A ). A 光栅式 B 应变电阻式 C 磁栅式 D 感应同步器 3.当测量较大的压力时,应采用下列何种弹性元件( A ). 有待考查 A 柱式弹性元件 B 梁式弹性元件 C 环式弹性元件 D 轮辐式弹性元件 4.压电式加速度计,灵敏度与固有频率间关系为( B ). 有待考查 A 灵敏度高,固有频率高 B 灵敏度低,固有频率高 C 灵敏度高,固有频率下降 D 灵敏度低,固有频率下降 5.( B )的基本工作原理是基于压阻效应. A 金属应变片 B 半导体应变片 C 压敏电阻 D 光敏电阻 6.金属电阻应变片的电阻相对变化主要是由于电阻丝的( A )变化产生的. A 尺寸 B 电阻率 C 形状 D 材质 7.光敏元件中( B )是直接输出电压的. A 光敏电阻 B 光电池 C 光敏晶体管 D 光导纤维 8.压电式传感器是个高内阻传感器,因此要求前置放大器的输入阻抗( B ). A 很低 B 很高 C 较低 D 较高 9.光敏电阻受到光照射时,其阻值随光通量的增大而( D ). A 变大 B 不变 C 变为零 D 变小 10.半导体热敏电阻随着温度的上升,其阻值( A ). A 下降 B 上升 C 保持不变 D 变为零 11.在尘埃、油污、温度变化较大伴有振动等干扰的恶劣环境下测量时,传感器的选用必须首先考虑( C )因素. A 响应特性 B 灵敏度 C 稳定性 D 精确度 12.超声波传感器是实现( A )转换的装置. A 声电 B 声光 C 声磁 D 声压 13.压电式传感器常用的压电材料有( A ). A 石英晶体 B 金属 C 半导体 D 钛酸钡 14.压电式传感器使用( B )放大器时,输出电压几乎不受联接电缆长度变化的影响. A 调制放大器 B 电荷放大器 C 电压放大器 15.压电元件并联连接时,( D ). A 输出电荷量小,适用于缓慢变化信号测量. B 输出电压大,并要求测量电路有较高的输入阻抗. C 输出电压小,并要求测量电路有较高的输入阻抗. D 输出电荷量大,适用于缓慢变化信号测量. 16.常用的光电元件传感器包括( A ). BD 是转换元件，若是单选此题有待考查 A 电荷耦合器 B 光敏电阻 C 压电晶体 D 光敏晶体管 17.由许多个 MOS 电容器排列而成的,在光像照射下产生( D )的信号电荷,并使其具备转移信号电荷的自扫描 功能,即构成固态图像传感器. A 电子 B 空穴 C 磁场变化 D 光生载流子 18.基于( D )类型的传感器是从被测对象以外的辅助能源向传感器提供能量使其工作,称为能量控制型传感器. A 压电效应式 B 热电效应 C 光生电动势效应 D 磁阻效应 机研 09 级考试委员会提供（仅供参考） 简答题简答题 1.列出你身边的测试技术应用的例子。 观察你工作、生活中的测试技术应用例子，如复印机、空调、冰箱等，写出其中的测量环节即可 2.目前数字信号处理正在逐步取代用模拟电路实现的模拟信号处理，为什么 ？ 用数学计算与计算机显示代替复杂的电路和机械结构，计算机软硬件发展的有力推动 4.按采样数据 x(1),x(2),，x(n)，计算信号的时域波形参数 ？ Fs=10Hz,Xi0,2,3,0,-1,-2,0,2,3,0,-1,-2,0 峰值：P=3；双峰值：P=6；均值：EXi=4/13；均方值：EXi；方差： ；周期：6 5.A/D，D/A 转换器的主要技术指标有那些 ？ 分辨率、转换精度、转换速度、信号输入范围 6.信号量化误差与 A/D 转换器位数的关系 ？ 位数越多量化误差越小，精度越高 7.采样定理的含义？ 要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号,必须满足: (1)信号是频带受限的;(2)采样率至少是信号最高频率的两倍. 8.数字信号处理中采样信号的频谱为何一定会产生能量泄漏 ？ 数字信号处理的主要数学工具是博里叶变换而傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。不过，当 运用计算机实现工程测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行 分析。做法是从信号中截取一个时间片段，然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理，得到虚拟的无限长 的信号，然后就可以对信号进行傅里叶变换、相关分析等数学处理。无线长的信号被截断以后，其频谱发生了 畸变，原来集中在 f(0)处的能量被分散到两个较宽的频带中去了(这种现象称之为频谱能量泄漏)。 用计算机进行信号处理时不可能对无限长的信号进行测量与运算，而使用有限时间片段进行分析，这个过 程通常叫信号截断。然后对截断信号进行周期拓展之后进行数学片理，拓展后的信号与真实信号是不同的，因 此造成能量泄漏（即原来集中在某一频率下的能量，被分散到较宽的频带中去了） 。信号截断产生能量泄漏是必 然的， 因为窗函数是一个频带无限的函数， 而原信号是一个限频带信号， 截断之后也必然成为频带无限的函数， 即信号在频域的能量分布被扩展了。无论采样频率多高，只要信号一经截断，就不可避免地引起混叠。 9.用 FFT 计算的频谱为何一定会存在栅栏效应误差 ？ 对采样信号的频谱,为提高计算效率,通常采用 FFT 算法进行计算,设数据点数为 N = T/dt = T*fs ，则计算得 到的离散频率点为 Xs(fi) , fi = i*fs/N , i = 0,1,2,N/2 ，频域采样以后，只能得到采样点的频率成分，其余的频 率成分被舍去，这就相当于透过栅栏观赏风景,只能看到频谱的一部分,而其它频率点看不见,因此很可能使一部 分有用的频率成分被漏掉,此种现象被称为栅栏效应。 10.窗函数的作用是什么 ？ 做数字处理时，从信号中截取一个时间片段，然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理。为了减少频 谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。泄漏与窗函数频谱的 两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱，为此， 在时间域中可采用不同的窗函数来截断信号。 11.信号调理的内容和目的 ？ 信号调理的目的是便于信号的传输与处理。内容如下： 1.传感器输出的电信号很微弱，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.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。 A 机研 09 级考试委员会提供（仅供参考） 12.信号放大电路的种类，如何根据传感器输出特性选择合适的放大电路 ？ 种类：直流放大器、交流放大器、直流电桥、交流电桥、电荷放大器 根据需要放大的信号特性及放大器的特性进行选择： 1、 直流放大器，低频保留高频截止；交流放大器，高频保留低频截止 2、 同相放大器有非常高的输入阻抗和很低的输出阻抗，常用于前置放大器 3、 只要放大交流信号时，可采用集成交流电压同相方大器 13.信号调制与解调的种类 ？ 调制：调幅、调频、调相，目的：解决信号的放大及传输问题 调幅(AM)：y t = A x(t)cos (2ft+ ) 调频(FM)：y t = Acos 2f + x t t + 调相(PM)：y t = Acos 2ft + x t + 14.幅度调制与解调的原理 ？ 调幅是将一个高频信号（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。 Y(t)= x(t)* A*cos(2 ft+ )。解调：将信号 x(t)直接与载波信号相乘，得到的调制信号有极性变化，在解调 的时候，必须乘以与原载波信号相同相位的载波信号才能复原，这种也叫同步解调。 当原信号分布轴线的两侧时，还使用直接相乘则会发现解调后的信号变形了，为了解决这个问题，我们在 调制的时候加入一个大小为 D 直流分量，使 x(t)+D 在轴的同一侧，这样再进行调制放大，解调的时候乘以载波 信号，滤波，减去加入的直流分量 D 可复原原信号。 （用自己的话写的啦，书上的自己看！ ） 15.调幅波的失真，如何消除 ？ 过调失真：对于非抑制调节调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则 x(t)的相位将偏差 180 消除：加入足够大的直流偏置（使信号在轴的同一边，书上写的太专业！ ） 重叠失真：调幅波是由一对每边为 fm 的双边带信号组成的，当载波信号的频率较低时，正频端的下边带 将与正频端的下边带重叠（类似于频率混迭效应） 消除：载波信号的频率要高于调制信号的最高频率，一般都至少是数倍甚至十倍于信号中的最高频率。 16.如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的频谱来选择滤波器种类？ 滤波器种类：低通、高通、带通、带阻 测试信号中有用的信号如果是低频信号，或其干扰信号是高频噪声，则要使用低通滤波器 测试信号中有用的信号如果是高频信号，混低频干扰信号则要使用高通滤波器 测试信号中的干扰信号如果是某个频段的信号则要使用带阻滤波器 测试信号中有用的信号如果是某个频段的信号则要使用带通滤波器 声明：这此由小狼自己说的，仅供参考，详情请看书本 17.有一批涡轮机叶片，需要检测是否有裂纹，请列举出两种以上方法，并简述所用传感器工作原理。 现有常用的裂纹检测方法有：射线、超声、漏磁和渗透 裂纹检测，如果在表面的直接用位移传感器就行了，电容式，红外位移传感器测量到表面距离。 内部裂纹检测则要用到探伤，超声波探伤，涡流探伤 涡流探伤：利用电磁感应原理，检测导电构件表面和近表面缺陷的一种探伤方法，用激磁线图使导电构件 内产生涡电流，涡流磁场的作用使线圈的等效阻抗发生变化，变化程度不仅与距离有关，还与电阻率、磁导率 等有关，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。按探测线圈的形状不同，可分为 穿过式(用于线材、 棒材和管材的检测)、 探头式(用于构件表面的局部检测)和插入式(用于管孔的内部检测)三种。 声波探伤：利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来 检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反 射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。 （黄小狼的个人观点，仅供参考！ ） 18.选用传感器的基本原则是什么？在实际中如何运用这些原则？ 主要考虑灵感度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面 一般来说灵感度越高越好，但在灵感度确定时，要考虑灵敏度过高引起的干扰问题及量程 响应特性指测频范围内，保持不失真的测量条件，响应总是延迟的，但延迟越少越好 线性范围内工作是保证传感器测量精度的基本条件 机研 09 级考试委员会提供（仅供参考） 稳定性是长期使用后输出特性不变化的性能，与时间和环境有关。恶劣工作环境中优先考虑的因素。 精确度是输出与被测量的对应程度，是否真实反映测量，直接影响到整个测试系统 测量方式：接触式、非接触式、破坏与非破坏性测量，在线与非在线测量等 （个人认为输出方式也很重要，电流、电压等模拟量输出还是直接数字信号输出） 19.为什么能用自相关分析消去周期信号中的白噪声信号干扰。 因为随机信号的自相关函数随 值增大而很快趋于 0，而周期信号的自相关函数仍是同频率的周期信 号，只是不具有原信号的相位信息。 20.在系统特性测量中常用白噪声信号作为输入信号，然后测量系统的输出，并将输出信号的频谱做为系统频率 特性。请用卷积分定理解释这样做的道理。 白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声， 所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。 在 其频谱上是一条直线。 系统频率特性：传递函数的一种特殊情况，是定义在复平面虚轴上的传递函数。 时域卷积分定理：两个时间函数的卷积的频谱等于各个时间函数的乘积，即在时域中两信号的卷积等效于 在频域中频谱相乘。 频域卷积分定理：两个时间函数的频谱的卷积等效于时域中两个时间函数的乘积。 y(t)=h(t)*x(t),对 y(t)作付式变换，转到相应的频域下 Y(f)=H(f)X(f)，由于 x(t)是白噪声，付式变换转到频域 下为一定值，假定 X(f)=1，则有 Y(f)=H(f)，此时就是传递函数。 （个人解释，非官方，仅供参考） 21.调幅波是否可以看做为是载波与调制信号的叠加，为什么？ 使载波振幅按照调制信号改变的调制方式叫调幅，经过调幅的电波叫调幅波。它保持着高频载波的频率特 性，包络线的形状则和信号波形相似，是一个相乘的过程，不可以简单的看做是载波信号与调制信号的叠加， 但是如果放到对数域中去，就可以实现线性叠加。 22.什么是调制，调制的目的是什么？ 调制就是对信号源的信息进行处理，如信号放大等，使其变为适合于信道传输的形式的过程，通过改变高 频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。 调制的目的是为了信号放大、去除干扰噪声、实现远程传输。 23.调频信号与调幅信号有何相同之处？有何不同之处？ 都是通过载波信号调制而成的。 不同的是调幅时载波的幅值与频率都是一定的，而调频所用的载波的频率是随信号源的电压幅值而变化的 疏密不同的等幅波。简言之，调幅载波等幅等频，调频载波等幅差频。 24.低通、高通、带通、带阻滤波器各有什么特点，画出它们的理想幅频特性图。 在书上 180 那里的那 4 个图，特点是选择性通过，其他的极大的衰减，当然选择不同，所以各有特点啦！ 简算题简算题： 1. 信号)(t)(x 210cos te t 是能量信号还是功率信号？或者都不是。 一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号，一般持续时间无限的信号属于功率信号。 由于 x(t)在一个周期之内功小于 2*e*e*T，是一个定值，小于无穷，因此是一个功率信号。 2. 判明 x(n)=ej(n/8-pi)是否为周期信号？若是周期信号，求其周期。 x n = ej( n 8)= cos n 8 + jsin(n 8 ) 是一个周期信号，周期为16 3. 信号 x(t)=sin(4t)+sinsqrt(2)t是否为周期信号，若是周期信号，求其周期。 x t = sin 4t + sin ( 2t)，由两个周期信号合成，但各周期信号频率不成公倍数，所以为准周期信号。 4. 设有一个复杂信号， 由频率分别为 728Hz、 44Hz、 500Hz、 700Hz 的周期正弦波叠加而成， 求该信号的周期。 728、500、700 与 44 公约数为 4，500 与 700 的公约数为 100，728 与 700 公约数为 7*4。所以频率的公倍 机研 09 级考试委员会提供（仅供参考） 数为728 44 500 700 64 7 100 = 728 11 500 16 = 4004000，所以周期为/2002000 5.绘出 x(t)=e-0.7tsin(2 t)的波形曲线。 此信号可以看为一个调幅后的信号，先画一个 x(t)=e-0.7t 再画 sin(2 t)。 5. 用公式求正弦信号 100sin(2 *200*t)的均值与均方值。 平均值：Ex = 100sin 2 200 t 0.005 0.005 dt = 0.5 sin 2x 1 1 dx = 0，奇函数嘛！ 均方值：Ex2= 10000 sin 2 200 t 2 0.005 0.005 dt = 10000 1 cos 800t 0.005 0 dt = Ex2= 50 cos 4x 1 0 dx = 50 7.有周期三角波，如图所示，求其均值与均方值。 平均值：Ex = 2 A(1 2t/T) 0.5T 0 dt = AT 0.5AT = 0.5AT，偶函数也可以求面积嘛！ 均方值：Ex2 = A(1 + 2t/T)2 0 0.5T dt + A(1 2t/T)2 0.5T 0 dt = A2T + T/3 8.求周期方波信号的自相关函数，其周期为 T，幅值为 A. 自相关函数：Rx = x t x t d 由于这是一个具有一定周期的功率信号，故上式要改写为 Rx = 1 T x t x t 0.5T 0.5T dt 当 /4,x = 1 T x t x t 0.5T 0.5T dt = 1 T A 2 0.25T 0.5T dt + 1 T (A2) 0.25T 0.25T dt + 1 T A2 0.25T 0.25T dt + 1 T (A2) +0.25T 0.25T dt + 1 T (A)2 0.5T +0.25T dt = 1 4 A2/T 当 T 4 T 2 ,Rx = 1 T x t x t 0.5T 0.5T dt = 1 T (A2) 0.75T 0.5T dt + 1 T (A2) 0.25T 0.75T dt + 1 T (A2) 0.25T 0.25T dt + 1 T A2 0.25T 0.25T dt + 1 T (A2) 0.5T 0.25T dt = 0.25 4 A2/T 当 T 2 3T 4 ,Rx = 1 T x t x t 0.5T 0.5T dt = 1 T (A2) 0.25T 0.5T dt + 1 T (A2) 0.75T 0.25T dt + 1 T (A2) 0.25T 0.75T dt + 1 T A2 0.25T 0.75T dt + 1 T (A2) 0.5T 0.25T dt = 0.25+ 4 A2/T 当 3T 4 ,x = 1 T x t x t 0.5T 0.5T dt = 1 T A2 1.25T 0.5T dt + 1 T (A2) 0.25T 1.25T dt + 1 T A2 0.75T 0.25T dt + 1 T (A2) 0.25T 0.75T dt + 1 T A2 0.5T 0.25T dt = 1 + 4 A2/T 机研 09 级考试委员会提供（仅供参考） 9.已知周期矩形脉冲信号在一个周期内的表达式为 ) 2 (0 ) 2 ( )( t tA tx 试求其幅值谱。 任何周期函数都可以展成傅里叶级数，常用的三角函数形式为 x t = a0