机械工程测试技术课后习题答案

第一章习题

1.测试技术的静态特性是什么？其用哪些性能指标来描述？它们一般

用哪些公式表示？

①测试技术的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，测试技术的

输入与输出之间的关系。

②衡量测试技术静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复

性、分辨率、阈值、稳定性、漂移和静态误差。

③线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、阈值、稳定性、漂移和

静态误差。

2.测试技术的动态特性是什么？其分析方法有哪几种

①测试技术的动态特性是指测试技术的输出对随时间变化的输入量

的响应特性，它反映了输出值真实再现变化着的输入量的能力。

②阶跃响应、频率响应

3.测试技术数学模型的一般描述方法有哪些？

传感器数学模型可分为静态和动态数学模型。其中传感器静态数学模

型一般多用多项式来描述，而动态数学模型通常采用微分方程和传递

函数等来描述。

4.测试技术系统有哪些典型环节?写出不同环节的微分方程。

输入，输出方程、传递函数、频率响应和单位阶跃

5.为什么说零阶测试技术的动态特性是最理想的？

因为零阶没有滞后

6.简述系统误差和随机误差出现的原因及特点。

系统误差：系统误差是由固定不变的或按确定规律变化的因素所造成

的。

系统误差的特征是：在同一条件下多次测量同一量值时，绝对值和符

号保持不变；或当条件改变时，按一定规律变化。系统误差在某些情

况下对测量结果的影响还比较大，因此，研究系统误差产生的原因，

发现、减小或消除系统误差，使测量结果更加趋于正确和可靠，是误

差理论的重要课题之一，是数据处理中的一个重要的内容。

随机误差：随机误差是由于感官灵敏度和仪器精密程度的限制、周围

环境的干扰及伴随着测量而来的不可预料的随机因素的影响而造成

的。

它的特点是大小无定值，一切都是随机发生的，因而又把它称为偶然

误差

7.标准误差的意义是什么？

标准误越小，抽样误差越小，样本对总体的代表性越好

8.有效数字的运算原则和规则是什么？有效数字的确定方法是什么？

一般规定，数值中的可靠数字与所保留的1位（或2位）可疑数字统称

为有效数字。

加减运算、乘除运算、

第二章习题

1.简述传感器的定义及主要分类。

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件

或装置，在有些国家或科学领域，也将传感器称为变换器、检测器或

探测器等。

机械类、电阻类、电感类、电容类、压电类、光电类、磁电类、霍尔

效应类、辐射类、流体类。

2.试绘出典型传感器的构成框图。

图2-1传感器的组成

3.应从哪些方面评价或选用传感器？

(1)传感器要有足够的容量：传感器的工作范围或量程足够大，具

有一定的过载能力。

(2)传感器要与系统匹配性好：灵敏度高。输出量与被测量之间具

有确定的线性关系。

(3)传感器的实用性和适应性强：对被测对象影响小，内部噪声小

且不受干扰。

(4)传感器的反应速度快，工作可靠性好。

(5)传感器的精度适当，稳定性好：静态响应和动态响应要满足要

求。

4.在选用传感器时应该遵循什么原则？

1.测量对象与测量环境

2.灵敏度

3.频率响应特性

4.线性范围

5.稳定性

5.传感器的技术性能包括哪些？

①差动技术

②平均技术

③补偿与修正技术

④屏蔽、隔离与干扰技术

⑤稳定性处理

第三章

1.什么是电阻应变效应？

一根金属导线受拉时电阻增大受压时电阻减小，这种现象称为金属材

料的电阻应变效应

2.什么是金属丝材料的应变灵敏系数?金属丝的应变灵敏系数的物理

意义是什么？

金属应变片的灵敏系数就是指输出电压变化与应力变化的比值。

应变片的灵敏系数K是指在应变片灵敏轴线方向的单一应力作用下，

应变片的电阻相对变化dR/R与应变片试件表面上的轴向应变£*的

比值。

3.什么是半导体的压阻效应？它与金属的电阻应变效应有什么本质

区别？

所谓半导体的压阻效应，是指当半导体受到应力作用时一，由于载流子

迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。

从原理上讲，应变式压力传感器，是外界的压力（或拉力）引起应变

材料的几何形状（长度或宽度）发生改变，进而导致材料的电阻发生

变化。检测这个电阻变化量可以测得外力的大小。

压阻式压力传感器通常是半导体压敏材料。半导体压阻式传感器在受

到外力后，自身的几何形状几乎没有什么改变，而是其晶格参数发生

改变，影响到禁带宽度。禁带宽度哪怕是非常微小的改变，都会引起

载流子密度很大的改变，这最终引起材料的电阻率发生改变。

4.电阻应变片的基本测量电路有哪些？它们各有何特点?

桥式电路，调频电路，运算放大器式电路

桥式电路是将电容式传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂或两个

相邻臂，另两个臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个

二次线圈

在调频电路中，电容式传感器被接在谐振回路中，当传感器电容

Cx发生改变时，其振荡频率f也发生相应变化，实现由电路到频率

的转换。由于振荡器的频率受电容式传感器电容的调制，这样就实现

了C—f的转换，因而被称为调频电路。

将电容式传感器接入运算放大器式电路中作为电路的反馈元件。

该电路的最大特点是能够克服变极距式电容传感器的非线性。

5.电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？它们各有何特

八占、、？•

电阻应变片的工作原理是利用导体形变引起阻值的变化；

而半导体应变片是利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。

金属应变片的优点包括：制作方便，温度稳定性和可重复性好等；主

要缺点：灵敏度低，横向效应等；

半导体应变片的优点包括：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小和体

积小等；主要缺点：温度稳定性差、灵敏度系数非线性大。

6.某截面积为5cm?的试件，已知材料的弹性模量为2.0X1011N/m2,

沿轴向受到105N的拉力，若沿受力方向粘贴一阻值为120。、灵

敏系数为2的应变片，试求出其AR

7.试说明差动式电容传感器与差动变压器式传感器工作原理的区别。

1.相同点：自感式传感器与差动变压器式传感器相同点：工作原理都

是建立在电磁感应的基础上，都可以分为变气隙式、变面积式和螺旋

式等。

2.不同点：结构上，自感式传感器是将被测量的变化转化为电感线圈

的电感值变化。差动变压器式电感式传感器是把被测量的变化转换为

传感器互感的变化，传感器本身是互感系数可变的变压器

8.差动变压器和普通变压器的工作原理有何区别？如何提高差动变

压器的灵敏度？

差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm,行程越小，灵敏度越高。

为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以「10kHz为

好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。

9.试说明电涡流式传感器的工作原理和特点。

10.电容式传感器分为几种类型？各有什么特点？各适用于什么场

合？

分为三种类，变极距式电容传感器、变面积式电容传感器和变介电常

数式电容传感器。

11.什么是压电效应？压电材料有哪些？压电式传感器的结构和应用

特点是什么？能否用压电式传感器测量静态压力？

压电式传感器是以某些物质的压电效应为基础的一种发电式传感器。

压电效应是可逆的，即存在逆压电效应，因此，压电式传感器是一种

双向传感器。

石英晶体、钛酸钢和错钛酸钢

(1)基座和外壳。

(2)压电元件。

(3)敏感元件。

(4)预载件。

(5)引线及接插件。

具有刚度大、测量范围宽、线性及稳定性高、动态特性好等优点。

不能。

12.为什么压电式传感器通常被用来测量动态参数或瞬态参数？

压电式传感器是通过压电晶体受压产生电荷移动产生测量数值，如果

达到稳态没有电荷移动就没有数据了，所以压电不能测量从0开始的

状态，需要用压阻式。

13.用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵

敏度为70pC/g(g为重力加速度)，电荷放大器的灵敏度为10mV/pC,

试确定输入3g(平均值)加速度时电荷放大器的输出电压U0(平均

值，不考虑正负号)，并计算此时该电荷放大器的反馈电容Cf。

14.用压电式单向脉动力传感器测量一正弦变化的力，压电元件用两

片压电陶瓷并联，压电常数为200X10-12C/N,电荷放大器的反馈

电容Cf=2000pF,测得输出电压U0=5sin3t(V)。求：

(1)该压电式传感器产生的总电荷Q(峰值)为多少pC?

（2）此时作用在其上的正弦脉动力（瞬时值）为多少？

15.试说明磁电感应式速度传感器非线性误差产生的原因及补偿办法

（画图说明）。

16.试证明霍尔式位移传感器的霍尔电压与位移成正比关系。

第四章

1.什么是激光、激光器和激光传感器？试述激光产生的机理。

激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常

状态下，多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的

作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2O

光子能量E=E2-El=hv,式中，h为普朗克常数；v为光子频率。反之,

在频率为v的光的诱发下，处于能级E2的原子会跃迁到低能级释放

能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多

数处于高能级（粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从

而使频率为v的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式

的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。

2.试述光纤的结构和传光原理。

光纤由纤芯、包层、涂敷层和护套组成。

光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。

3.什么是智能传感器？应从哪些方面研究和开发智能传感器？

智能传感器（intelligentsensor）是具有信息处理功能的传感器。

智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传

感器集成化与微处理机相结合的产物。

①微电子学②微结构③纳米科学④智能器件原理和智能材料的设计

方法

4.智能传感器的实现主要有哪些途径？

非集成化实现和集成化实现

5.什么是MEMS传感器？

MEMS是指集微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、

通信和电源于一体的微型机电系统。

第五章

1.什么是虚拟仪器？虚拟仪器相对于传统仪器有哪些优势？

虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过

程通信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵

的模块化仪器系统。

功能软件化、功能软件模块化、模块控件化、仪器控件模块化、硬件

接口标准化、系统集成化、程序设计图形化、计算可视化、硬件接口

软件驱动化。

2.什么是VISA库？它有什么特点？

虚拟仪器软件体系结构(virtualinstrumentationsoftware

architecture,VISA)是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。一

般称这个I/O函数库为VISA库。

它驻留于计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器

之间的软件层连接，以实现对仪器的程序控制，它对于仪器驱动程序

开发者来说是一个个可调用的操作函数集。

3.LabVIEW有哪几种结构类型？

一类是图形化的编程语言，其中较具代表性的有HPVEE.LabVIEW

(laboratoryvirtualinstrumentengineering)等；另一类是文

本式的编程语言,如C、VisualC++、LabWindows/CVI等。

4.LabVIEW中有哪几种创建和运行程序的模板？它们有哪些用途？

LabVIEW中有三种用来创建和运行程序的模板：工具模板，控制模板

和函数模板。工具模板包括了程序的创建、修改和调试时用的工具；

控制模板主要用于在前面板中添加指示器和控制器；而函数模板则

用于创建框图程序，它包含了很多函数子模板。

5.虚拟仪器通用测试平台由哪几部分组成？它们又包括哪些部分？

一般分为三部分。1.前面板2.流程图3.图标/连接器

第六章

1.信号分类的方法有哪些？

信号的实际用途分类、信号所具有的时间函数特性分类、

2.信号与信息的关系是什么？

消息指的是信号要传递的内容，是本质；信号是是消息传递的形式,

比如是电信号、光信号等，是载体；信息是指传达给人的消息、，能

消除受信者的某些不确定性；通信好像和上面几个都没什么关系，

就是传递消息呗，互通信息，就叫通信。

3.确定性信号中的非周期信号与准周期信号的区别是什么？

1、频谱不同

周期信号的频谱中的谱线是分开的，中间没有连在一起，而非周期信

号的频谱则是连续的。

2、有无重复

周期信号是瞬时幅值随时间重复变化的信号，而非周期性信号则不会

重复。

3、三角函数换算不同

周期信号可以用一组整数倍频率的三角函数表示，所以在频域里是离

散的频率点。准周期信号做Fourier变换的时候，n趋向于无穷，所

以在频谱上就变成连续的了。

4.试回答下列函数哪些是周期函数？哪些是非周期函数？若是周期

函数，试求周期T。

A.Xi(t)=sin33tB.X2(t)=sin(t/3)C.x3(t)=e'

A、B为周期性函数。

5.什么是时限信号？什么是频限信号？

1.时限信号

时限信号在时域有限区间(3,t2)内定义，而其外恒等于零，如矩

形脉冲、三角脉冲和余弦脉冲等。若信号在时域无穷区间内定义，则

称之为时域无限信号。前面所述的周期信号、指数衰减信号和随机信

号等都是时域无限信号。

2.频限信号

与时限信号的定义类似,频限信号在频域内占据一定的带宽(fl,f2),

而其外恒等于零，如正弦信号、sinc(t)和限带白噪声等。若信号在

频域内的带宽延伸至无穷区间，则称之为频域无限信号。

一个信号不可能在时域和频域上都是有限的。

6.单位冲激信号的定义和特点是什么？

某个动作只发生在一个很短的瞬间，而在其他时刻没有任何动作。

(1)对称性(偶函数)。

(2)时域压扩性。

(3)抽样特性(筛选特性)。

7.求正弦信号x(t)=Asin3t的均方值力

武二「x2p(x)dx=5

J-82

8.什么是信号的均值、均方值、方差？它们分别描述了信号的什么特

征？

1.均值

均值E：x(t)］表示集合平均值或数学期望值，用NX表示。

2.均方值

信号x(t)的均方值E：x2(t)],或称为平均功率巾2x,其表达式为

V>E[x2(t)]=liml£x2(t)dt

3.方差

oj=E[(x(t)-Ex(t))2l=lim-fT[x(t)-^1dt

信号x(t)的方差的表达式为LV"…id。]…

(6-19)

Oxz描述了信号的波动量，反映了信号围绕均值的波动程度。Ox称

为均方差或标准差。

可以证明，Ox?、力X?和Ux?有以下关系力x?=。x?+Ux?

(6-20)

显然，Ox?对应电信号中交流成分的功率；NX?描述了信号的静态量,

对应电信号中直流成分的功率。

9.设X(f)为周期信号X(t)的频谱，试证明傅里叶变换的频移特性。

即，若x(t)―^X(f)则x(t)e幻2w一^x(fTfo)。

10.求指数衰减振荡信号xt=e-utsin30t(0^t<°°)的频谱。

11.简要说明周期信号频谱的特点。

①离散型

②谐波性

③收敛性

12.简要说明自相关函数的性质特点。

(1)自相关函数是T的偶函数

(2)当工=0时，自相关函数具有最大值，等于信号的均方值小与

均值平方上：的和。

(3)周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，不收敛，但

不具有原信号的相位信息。

(4)两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，但保留了

原信号的相位差信息。

(5)两个非同频率的周期信号互不相关。

(6)随机信号x(t)的自相关函数将随T值的增大而很快衰减至均值

的平方。

(7)若随机信号x(t)是由噪声n(t)和独立的信号h(t)组成的，则

x(t)的自相关函数是这两部分信号各自自相关函数的和。

13.已知有限带宽白噪声信号的自功率谱密度函数S*f),试求其自相

关函数。(提示：利用维纳辛钦定理。)

14.常见的信号一般可通过哪几个参数来描述？

15.随机信号的自相关函数在T分别为多少时最大、最小?

第七章

1.拟用固有频率fn=80Hz、阻尼比&=0.7的惯性式测振装置（见图7

35）测频率f=45Hz的加速度时，其振幅误差为多少？若用此装

置记录频率为5Hz的振动位移的振幅范围为±0.1mm,则可测试的

最大加速度为多少？

；c中匕

//

j

图7-35习题1图

2.如果有两台惯性式测振传感器，其固有角频率和阻尼比分别为3

ni=250rad/s,Ii=0.5,3n2=80rad/s,（.2=0.6,现在要测量转速

n=3500r/min的电机的简谐振动位移，应当选用哪台传感器？为什

么？

3.用压电式加速度传感器及电荷放大器测量振动，若传感器的灵敏度

为7pC/g,电荷放大器的灵敏度为80mV/pC,试确定输入a=3g时系

统的输出电压。

4.若某旋转机械的工作转速为3000r/min,为分析机组的动态特性,

需要考虑的最高频率为工作频率的8倍，问：

⑴应选择何种类型的振动传感器？并说明原因。

⑵在进行A/D转换时，选用的采样频率至少为多少？

5.惯性式位移传感器具有1Hz的固有频率，被认为是无阻尼的振动

系统，当它受到频率为2Hz的振动时，仪表指示振幅为1.25mm,

求该振动系统的真实振幅。

6.用压电式加速度传感器与电荷放大器测量某机器的振动。已知，传

感器的灵敏度为80pC/g,电荷放大器的反馈电容C=0.01nF,测

得输出电压的峰值Uom=0.4V,振动频率为80Hz。求：

(1)机器振动加速度的最大值ACm/s?)。

⑵假定振动为正弦波的振动速度v(t)o

(3)振动幅度的最大值Xo

第八章

1.简述测速发电机是采用什么测速原理进行测速的。

根据电磁感应原理，当转子绕组供给励磁电压并随被测电机转动时一，

定子绕组则产生与转速成正比的感应电动势。

2.变磁通式、霍尔式和电涡流式三种传感器的测速方法有什么不同点

和相似点？

3.扭矩的测试方法有哪些？

电磁齿式转矩传感器、数字式扭矩传感器、压磁式扭矩传感器、电容

式扭矩传感器、钢弦式扭矩传感器。

4.功率的测试方法有哪些？

汽车底盘测功机、发动机测功机。

5.应力应变的测试原理是什么？

工程中常用电阻应变片(计)作为传感器来测量应变、应力及与之相

关的物理量。将电阻应变片粘贴在被测构件的表面，当被测构件在外

力作用下变形时，电阻应变片敏感栅随之变形，敏感栅的电阻值也将

发生相应的变化，其变化量的大小与构件表面所受外力成一定的比例

关系，经后接测量电路（如测量电桥）将电阻的变化转换为电信号输

出，由显示记录仪器记录或输入计算机进行数据处理，就可以得到被

测量的应变值或应力值。通过应变与应力的力学关系，可计算出被测

构件所受应力的大小。

6.流量的测试方法有哪些？

差压式流量计、电磁式流量计、涡轮流量计、容积式流量计、超声流

量计。

第九章

1.评价噪声的主要技术参数是什么？各代表什么物理意义？

声压级、声强级和声功率级。

声压：当声波在声场中传播时，声场中任意一点的压强会在当地静态

大气压强的基础上叠加一个波动分量，这个波动分量就称为该点的瞬

时声压。

声强：声波作为一种波动形式，具有一定的能量，因此也常用能量的

大小即用声强和声功率来表征其强弱。

声功率：声功率是声源在单位时间内发射出的总能量，用W表示，单

位是瓦（W）。

2.A、B、C三种不同计权网络在测试噪声中各有什么用途？

(1)A计权网络是效仿倍频程等响曲线中的40方曲线而设计的，