机械工程测试技术参考

第二章信号分析基础（一）填空题测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。这些物理量就是信号，其中目前应用最广泛的是电信号。信号的时域描述，以时间为独立变量；而信号的频域描述，以频率为独立变量。周期信号的频谱具有三点：离散性，谐波性，收敛性。非周期信号包括准周期信号和瞬态非周期信号。描述随机信号的时域特征参数,有均值，均方值，方差对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是偶对称，虚频谱（相频谱）总是奇对称。7、信号x(t)的均值μx表示信号的直流分量，方差描述信号的波动量。当延时τ＝0时，信号的自相关函数Rx(0)=，且为Rx(τ)的均方值。周期信号的自相关函数是同频率周期信号，但不具备原信号的相位信息。为了识别信号类型，常用的信号分析方法有概率密度函数、和自相关函数。11、为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有傅里叶变换法、和滤波法设某一信号的自相关函数为，则该信号的均方值为=A，均方根值为xrms=。（二）判断对错题（用√或×表示）各态历经随机过程一定是平稳随机过程。（对）信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。（对）非周期信号的频谱一定是连续的。（错）非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。（错）随机信号的频域描述为功率谱。（对）互相关函数是偶实函数。（错）（三）单项选择题1、下列信号中功率信号是（）。A.指数衰减信号B.正弦信号、C.三角脉冲信号D.矩形脉冲信号2、周期信号x(t)=sin(t/3)的周期为（）。A.2π/3B.6πC.π/3D.2π3、下列信号中周期函数信号是（）。A.指数衰减信号B.随机信号C.余弦信号、D.三角脉冲信号4、设信号的自相关函数为脉冲函数，则自功率谱密度函数必为（）。A.脉冲函数B.有延时的脉冲函数C.零D.常数5、两个非同频率的周期信号的相关函数为（）。A.0B.1C.πD.周期信号6、概率密度函数提供的信号的信息是（）。A.沿频率轴分布B.沿时域分布C.沿幅值域分布D.沿强度分布7、不能用确定的数学公式表达的信号是（）。A．复杂周期信号B．瞬态信号C．随机信号D.非周期信号8、已知函数x(t)的傅里叶变换为X(f)，则函数y(t)=2x(3t)的傅里叶变换为（）。A． B．C．D．2X(f)（四）简答和计算题求正弦信号的绝对均值μ|x|和均方根值xrms。求正弦信号的均值，均方值，和概率密度函数p(x)。求指数函数的频谱。求被截断的余弦函数的傅立叶变换。求指数衰减振荡信号的频谱。6、已知信号，试计算并绘图表示（1）傅里叶级数实数形式的幅值谱、相位谱；（2）傅里叶级数复数形式的幅值谱、相位谱；（3）幅值谱密度。已知信号，求信号的自相关函数，并画出自功率谱（双边幅值谱）。求频率相同的单位方波和正弦波的互相关函数。相关滤波器的基本原理是什么？举例说明其工程应用。同频相关、不同频不相关。应用：通过两个间隔一定距离的传感器来不接触地测试物体的速度。试根据一个信号的自相关函数图形，讨论如何确定该信号中的常值分量和周期成分。信号的常值分量为其自相关函数均值的开方，周期成分与其自相关函数周期成分的频率相同、幅值成比例关系；某一系统的输入信号为x(t)，若输出y(t)与输入x(t)相同，输入的自相关函数和输入—输出的互相关函数之间的关系为，试说明该系统起什么作用？该系统的作用是使信号幅值不变、相位提前T；第三章测试系统的基本特性（一）填空题某一阶系统的频率响应函数为，输入信号，则输出信号的频率为0.5，幅值，相位。试求传递函数分别为和的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度123为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有傅里叶变换、和滤波法。当测试系统的输出与输入之间的关系为时，该系统能实现测试。此时，系统的频率特性为。传感器的灵敏度越高，就意味着传感器所感知的被测量越小。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为最佳。（二）选择题不属于测试系统的静特性。（1）灵敏度（2）线性度（3）回程误差（4）阻尼系数从时域上看，系统的输出是输入与该系统响应的卷积。（1）正弦（2）阶跃（3）脉冲（4）斜坡两环节的相频特性各为和，则两环节串联组成的测试系统，其相频特性为。（1）（2）（3）（4）一阶系统的阶跃响应中，超调量。（1）存在，但<5％（2）存在，但<1（3）在时间常数很小时存在（4）不存在忽略质量的单自由度振动系统是系统。（1）零阶（2）一阶（3）二阶（4）高阶一阶系统的动态特性参数是。（1）固有频率（2）线性度(3)时间常数（4）阻尼比用阶跃响应法求一阶装置的动态特性参数，可取输出值达到稳态值倍所经过的时间作为时间常数。（1）0.632（2）0.865（3）0.950（4）0.9828、属于传感器动态特性指标的是（）。（1）重复性（2）线性度（3）灵敏度（4）固有频率9、测试装置能检测输入信号的最小变化能力，称为（）。（1）精度（2）灵敏度（3）分辨率（4）精密度10、不属于测试系统的静特性是（）。（1）灵敏度（2）.线性度（3）回程误差（5阻尼系数（三）判断对错题（用√或×表示）一线性系统不满足“不失真测试”条件，若用它传输一个1000Hz的正弦信号，则必然导致输出波形失真。（错）在线性时不变系统中，当初始条件为零时，系统的输出量与输入量之比的拉氏变换称为传递函数。（对）当输入信号一定时，系统的输出将完全取决于传递函数，而与该系统的物理模型无关。（对）传递函数相同的各种装置，其动态特性均相同。（对）测量装置的灵敏度越高，其测量范围就越大。（错）幅频特性是指响应与激励信号的振幅比与频率的关系。（错）（四）简答和计算题什么叫系统的频率响应函数？它和系统的传递函数有何关系？测试装置的静态特性和动态特性各包括那些？静态特性:灵敏度、线性度、回程度、稳定性动态特性：一阶：时间常数二阶：阻尼比、固有频率测试装置实现不失真测试的条件是什么？系统的幅频特性在输入信号频谱范围内为常数系统地相频特性是过原点且具有负斜率的直线某测试装置为一线性时不变系统，其传递函数为。求其对周期信号的稳态响应。将信号输入一个传递函数为的一阶装置，试求其包括瞬态过程在内的输出的表达式。有一传感器，其实测的输入/输出特性曲线（校准曲线）与拟合直线的最大偏差为△Lmax=4℃，而理论满量程测量范围为（－40～120）℃，试求该传感器的线性度。7、压电式加速度传感器与电荷放大器联接，电荷放大器又与一函数记录仪联接,如下图所示。已知，传感器的电荷灵敏度kq=100pC/g，电荷放大器ku=1mv/pC，被测加速度a=0.5g。若函数记录仪的灵敏度ky=2mm/mV，求记录仪在纸上的移动距离y=?aa压电式传感器kq电荷放大器ku对象圣对象函数记录仪ky对象圣对象y题2图第四章信号调理（一）填空题电桥的作用是把电感、电阻、电容的变化转化为电压或电流输出的装置。在桥式测量电路中，按照激励电压的性质，电桥可分为直流和交流电桥。在桥式测量电路中，根据工作时阻抗参与变化的桥臂数可将其分为半桥与全桥测量电路。调幅是指一个高频的正（余）弦信号与被测信号相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。信号调幅波可以看作是载波与调制波的相乘。调频波的解调又称为鉴波。调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，使其输出为等幅波，而频率与信号电压成正比。常用滤波器的上、下截止频率、的定义为幅频特性曲线下降为最大值的对应的频率，其带宽，若为倍频程滤波器与的关系为。RC低通滤波器中RC值愈大，则上截止频率愈低。（二）选择题设有一电路，是工作桥臂，，，是固定电阻，且。工作时，则电桥输出电压（）。为电桥的电源电压。（1）（2）（3）（4）调幅过程相当于在时域中将调制信号与载波信号。

（1）相乘（2）相除（3）相加（4）相减电路中鉴频器的作用是。（1）使高频电压转变成直流电压（2）使电感量转变为电压量（3）使频率变化转变为电压变化（4）使频率转变为电流一选频装置，其幅—频特性在区间近于平直，在区间急剧衰减，这叫滤波器。（1）低通（2）高通（3）带通（4）带阻一带通滤波器，其中心频率是，-3dB带宽是，则滤波器的品质因数等于。（1）（2）（3）（4）为测量和记录的正弦信号，最好选用型号的振动子比较合适。（1）FC6－120(2)FC6—120A(3)FC6—400（4）FC6—1200伺服式记录仪的特点是。（1）记录缓变信号幅值准确性高（2）记录缓变信号幅值准确性低（3）记录中频信号幅值准确性高（4）记录高频信号准确性高8、载波频率为，被调制信号的最高频率为，两者的关系为（）。A．>>B.>C．<D．<<9、在电桥测量中，由于电桥接法不同，输出的电压灵敏度也不同，可以得到最大输出的接法是（）。A．单臂电桥B．1/2臂电桥C．差动电桥D．全臂电桥10、一选频装置，其幅—频特性在区间近于平直，在区间急剧衰减，这叫（）滤波器。A.低通B.高通C.带通D.带阻11、仅使频率在之间的信号通过，应采用（）。A．带阻滤波器B．低通滤波器C．带通滤波器D．高通滤波器（三）判断对错题（用√或×表示）平衡纯电阻交流电桥须同时调整电阻平衡与电容平衡。（对）调幅波是载波与调制信号的叠加。（错）带通滤波器的波形因数值越大，其频率选择性越好。（错）将高通与低通滤波器串联可获得带通或带阻滤波器。（对）（四）简答和计算题何谓电桥平衡？要使直流电桥平衡，桥臂参数应满足什么条件？交流电桥应满足什么条件？电桥平衡是指使得对角支路中电流为零的状态。直流平衡条件：交流平衡条件：电感式：电容式：调幅波的解调方法有哪几种？同步解调、整流、包络法检波等。测量放大器有什么特点?测量放大器无论是直流还是交流的共模抑制比都非常大，失真也很小。能够获得低噪声和低漂移的输出等等。抗混滤波器的作用是什么？它选用何种滤波器？其截止频率如何确定？作用：过滤掉信号的高频成分和干扰，人为地将信号带宽限定在一定的范围内。选用：低通滤波器截止频率：一般选择采用频率为抗频混低通滤波器名义上的截止频率的2.5到4倍，视为滤波器的截止特性而定。以阻值，灵敏度的电阻丝应变片与阻值为的固定电阻组成电桥，供桥电压，若其负载电阻为无穷大，应变片的应变。求单臂电桥的输出电压及其灵敏度。求双臂电桥的输出电压及其灵敏度若为调制信号，为载波，为调幅波（如图所示）利用傅里叶变换性质说明调幅过程的原理。画出载波与调幅波的双边频谱图。第五章数据采集与处理习题（一）填空题在数字信号处理中，为避免频率混叠，应使被采样的模拟信号成为有限带宽，还应使采样频率满足采样定理即。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100Hz。在设计数据采集系统时，选择A／D转换器所依据的主要技术指标是位数m和输入范围。一般，要求A／D转换器的位数至少要比精度要求的分辨力高。A／D转换器是将模拟信号转换为数字信号的装置．N位D／A转换器分辨力为。当多个信号的采样共同使用一个A／D转换器时，必须采用多路分时法切换，完成此切换的器件是多路模拟开关。（二）判断对错题（用√或×表示）频率分辨力越高，则泄漏误差越小。（错）A/D转换器的位数越多，则量化误差越小。（对）对于周期信号，经整周期采样后，可完全避免栅栏效应。（对）窗函数频谱的主峰瓣宽度越窄，旁瓣幅度越小，用其截取信号所引起的误差越小。（对）互相关函数是偶实函数。（错）利用系统输入x(t)与输出y(t)的自功率谱密度函数，可求该系统的频率响应函数。（对）若系统是完全线性的，则输入-输出的相干函数一定为1。（错）（三）、单项选择题1、在A／D转换器中，若被采样模拟信号的最高频率分量为，则采样频率应（）。A．=B．>C．<D．>22、若模/数转换器输出二进制数的位数为10，最大输入信号为2.5V，则该转换器能分辨出的最小输入电压信号为（）。A．1.22mVB．2.44mVC．3.66mVD．4.88mV3、A／D转换器的位数越多，则（）。A．转换精度越低B转换速度越快C．转换精度越高D．分辨力越低（四）简答和计算题1、模数转换器的输入电压为0～10V。为了能识别2mV的微小信号，量化器的位数应当是多少？若要能识别1mV的信号，量化器的位数又应当是多少？2、模数转换时，采样间隔分别取1ms，0.5ms，0.25ms和0.125ms。按照采样定理，要求抗频混滤波器的上截止频率分别设定为多少Hz（设滤波器为理想低通）？3、某信号的幅值频谱如下图。试画出当采样频率fs分别为1)2500Hz，2)2200Hz，3)1500Hz时离散信号在0～fN之间的幅值频谱。ffHz02008001200A(f)22.801.80题图5-54、已知某信号的截频fc＝125Hz，现要对其作数字频谱分析，频率分辨间隔＝1Hz。问：1)采样间隔和采样频率应满足什么条件？2)数据块点数N应满足什么条件？3)原模拟信号的记录长度T＝?5、信号从连续到离散的过程中会出现哪些误差，怎样减少和避免这些误差。解：(a

)分辨率造成的量化误差。

解决方法：提高量化位数

(b)

转换频率不够高造成的频谱混叠。

解决方法：提高采样频率

(c)

偏移误差输入信号为零时输出信号不为零的值。

解决方法：调零

(d)能量泄露误差。解决方法：窗函数频谱的主峰瓣宽度越窄，旁瓣幅度越小第六章传感器原理与测量电路习题（一）填空题属于能量控制型的传感器有电阻、电容、电感、涡流等，属于能量转换型的传感器有压电、磁电等（每个至少举例两个）。金属电阻应变片与半导体应变片的物理基础的区别在于：前者利用金属丝几何变形引起的电阻变化，后者利用半导体材料的电阻率变化变化引起的电阻变化。为了提高变极距电容式传感器的灵敏度、线性度及减小外部条件变化对测量精度的影响，实际应用时常常采用差动工作方式。压电式传感器的测量电路（即前置放大器）有两种形式：电荷放大器和电压放大器，后接电荷放大器时，可不受连接电缆长度的限制。涡流式传感器的变换原理是利用了金属导体在交流磁场中的电涡流效应。磁电式速度计的灵敏度单位是。压电式传感器是利用某些物质的电介质压电效应而工作的。（二）选择题电阻应变片的输入为。（1）力（2）应变（3）速度（4）加速度结构型传感器是依靠的变化实现信号变换的。（1）本身物理性质（2）体积大小（3）结构参数（4）电阻值不能用涡流式传感器进行测量的是。（1）位移（2）材质鉴别（3）探伤（4）非金属材料变极距面积型电容传感器的输出与输入，成关系。（1）非线性（2）线性（3）反比（4）平方半导体式应变片在外力作用下引起其电阻变化的因素主要是。（1）长度（2）截面积（3）电阻率（4）高通压电式传感器输出电缆长度的变化，将会引起传感器的产生变化。（1）固有频率（2）阻尼比（3）灵敏度（4）压电常数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传感器。（1）电容式（2）压电式（3）电阻式（4）电涡流式自感型可变磁阻式传感器，当气隙变化时，其灵敏度与之间的关系是：＝。（1）（2）（3）（4）光电倍增管是利用效应制成的器件。（1）内光电（2）外光电（3）光生伏特（4）阻挡层光敏元件中是直接输出电压的。（1）光敏电阻（2）光电阻（3）光敏晶体管（4）光导纤维11、下列传感器属于发电型位移传感器的是（）。A.电阻式位移传感器B.电容式位移传感器C.电感式位移传感器D.磁电式位移传感器12、测量范围大的电容式位移传感器的类型为（）A．容栅型B．变极距型C．变介质型D．变极板面积型13、在光栅式位移传感器中，为了分辨小于栅距W的位移量，必须采用（）。A．放大电路B．辨向电路C．微分电路D．细分电路14、可用作测量小位移的传感器有（）。A．电涡流传感器B．感应同步器C．光栅D．磁尺15、压电传感器是高内阻传感器，因此，要求前置放大器的输入阻抗（）。A．很高B.较高C．很低D．较低16、半导体应变片的工作原理是基于（）。A.压磁效应B.压电效应C.压阻效应D.霍尔效应（三）判断对错题（用√或×表示）滑线变阻器式传感器不适于微小位移量测量。（对）涡流式传感器属于能量控制型传感器（对）压电加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。（错）磁电式速度拾振器的上限工作频率取决于其固有频率。（错）（四）简答和计算题哪些传感器可选作小位移传感器？电涡流传感器，电容传感器，微波测距传感器。相位测量激光传感器涡流传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么？涡流式传感器能否测量大位移量？为什么？答：优点：能对位移，厚度，表面温度，速度，应力，材料损伤等进行非接触式连续测量，体积小，结构简单，不怕油等介质污染。不能，只有在小范围才能保证一定线性度电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？答：厚度，表面温度，速度，应力。电涡流传感器能否测量塑料物体移动的位移？若能测量理由是什么？不能测量理由是什么？应采取什么措施改进，就可以用电涡流传感器测量了。答：电涡流传感器不能测量塑料物体移动的位移，因为检测对象错误。塑料不能产生涡流，要在塑料上加装金属材质的物体。压电式加速度传感器与压电式力传感器在结构上有何不同，为什么？答：加速度传感器要通过质量块把加速度转换为力作用在压电片上试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器。用简图说明该传感器的结构并简要说明其作用原理；两个线圈通常应该接在什么电路中？用图说明如何接法。某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径，工作初始极板间距离，介质为空气。问：如果极板间距离变化量，电容的变化量是多少？如果测量电路的灵敏度，读数仪表的灵敏度（格／mV）在时，读数仪表的变化量为多少？选用传感器的基本原则是什么？选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题2响应特性传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。3线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。4稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度6测量方式传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。什么是物性型传感器?利用其物理性变化实现信号转换的传感器,如热敏电阻传感器、光电式传感器。什么是压电效应？压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。为什么压电式加速度传感器要使用高输入阻抗电荷放大器？因为压电式传感器输出的电信号很微弱，为了提高灵敏度，需要使用电荷放大器。什么是结构型传感器?结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，井将其转换为电信号实现测量的。第七章振动的测试（一）填空题1、单自由度系统质量块受力所引起的受迫振动，位移共振频率

系统固有频率，速度共振频率

系统固有频率，加速度共振频率

系统固有频率。2、单自由度系统质量块受力所引起的受迫振动，在相位共振处位移始终落后于激振力

度。3、单自由度系统基础运动所引起的受迫振动，当激振频率

固有频率时，质量块和壳体之间的相对运动和基础振动近于相等。4、激励方式分为

，

，

。5、按所测的振动性质可将拾振器分为

和

。6、阻抗头的前端是