机械工程测试与信息处理考试题目及答案

机械工程测试与信息处理考试题目及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.在测量过程中，下列哪一项属于随机误差的典型特征？（）A.系统性地偏大或偏小B.在一定条件下保持不变C.误差大小和符号呈随机变化，但服从统计规律D.重复测量结果完全一致2.电阻式应变片的核心敏感元件是？（）A.金属应变梁B.电阻丝C.弹性体D.参考电阻3.当需要测量频率较高的动态信号时，选择传感器时应优先考虑其？（）A.灵敏度B.线性范围C.工作频率范围D.测量精度4.在信号调理中，低通滤波器的主要作用是？（）A.放大信号中的低频成分，抑制高频成分B.放大信号中的高频成分，抑制低频成分C.提高信号的信噪比D.延迟信号通过5.将一个频率为f的连续时间信号经过理想采样后，为了避免频谱混叠，采样频率fs必须满足什么条件？（）A.fs≥fB.fs<fC.fs≥2fD.fs≤2f6.在时域分析中，自相关函数主要用于？（）A.检测信号中的周期成分B.比较两个不同信号的相关性C.分析信号的功率谱密度D.对信号进行滤波7.测量系统的分辨率是指？（）A.系统允许的最大误差B.系统能够区分的最小输入量变化C.系统的灵敏度D.系统的线性度8.在数据采集系统中，ADC（模数转换器）的主要作用是？（）A.将模拟信号放大B.将模拟信号滤波C.将模拟信号转换为数字信号D.将数字信号转换为模拟信号9.以下哪种传感器属于电容式传感器？（）A.电阻应变片B.压电传感器C.电容式位移传感器D.磁电传感器10.数字滤波器与模拟滤波器相比，其主要优点之一是？（）A.频率响应更平滑B.可根据需要方便地改变滤波特性C.不受温度影响D.处理速度更快二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在题后的横线上）1.测量误差按照其性质和产生的原因，可以分为系统误差、______和粗大误差。2.传感器的灵敏度是指输出量与输入量之比，常用的单位例如对于位移传感器，可以是mm/V或______。3.信号调理的目的是将传感器输出的微弱信号进行放大、滤波、______等处理，以便于后续的传输、显示或记录。4.傅里叶变换将信号的时域波形转换为______的表示形式。5.数据采集系统通常由传感器、信号调理电路、______和接口电路组成。6.测试系统的标定是指确定测量系统中输入量与输出量之间______的过程。7.相位响应是描述传感器输出信号相对于输入信号在______上变化特性的指标。8.差动变压器是一种常用的______传感器，它利用变压器原理测量衔铁的位移。9.均方根误差是衡量测量结果重复性好坏的重要指标，它反映了测量值分散______。10.在进行信号分析时，功率谱密度函数描述了信号功率在______上的分布情况。三、简答题（每题5分，共25分。请简要回答下列问题）1.简述测量误差的随机误差、系统误差和粗大误差的特点及处理方法。2.简述电阻应变片的工作原理及其主要特性。3.简述滤波器在信号调理中的作用以及常见的滤波器类型。4.简述采样定理的内容及其意义。5.简述数据采集系统的主要性能指标及其含义。四、计算题（每题10分，共30分。请列出计算步骤，得出最终结果）1.某测量系统由传感器、放大倍数为100的放大器和精度为±0.5%的ADC组成。已知传感器输出电压范围为0-5mV，ADC的分辨率为12位。求该测量系统的最大非线性误差和量化误差。2.已知某信号的表达式为x(t)=0.5sin(100πt)+0.2cos(200πt)。求该信号的幅值频谱函数X(f)。（假设π=3.14）3.设某系统的传递函数为H(s)=10/(s+2)，其中s=jω。当输入信号为x(t)=sin(2t)时，求系统输出的稳态响应y(t)。五、综合设计题（15分）设计一个用于测量旋转机械轴振动位移的测试系统方案。简要说明系统组成（包括传感器类型、信号调理电路、数据采集设备等），并说明选择这些元件的依据。试卷答案一、选择题1.C解析：随机误差是指在重复测量条件下，误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化，但就大量测量而言，其值在一定的范围内服从统计规律。2.B解析：电阻应变片的核心部分是敏感栅，由电阻丝按一定方式弯曲粘合在绝缘基底上，其电阻值的变化反映了所粘贴物体表面的应变。3.C解析：传感器的动态特性决定了它能否准确测量变化的信号。测量高频信号要求传感器具有足够高的工作频率范围和良好的频率响应特性。4.A解析：低通滤波器允许低频信号通过，同时衰减高频信号，其目的是抑制信号中的高频噪声或干扰。5.C解析：根据采样定理，为了避免频谱混叠，采样频率必须大于信号最高频率的2倍。6.A解析：自相关函数是信号与其自身在不同时间延迟下的相关程度度量，主要用于检测信号中的周期成分或分析信号的时域特性。7.B解析：分辨率是指测量系统能够区分出的最小输入量变化，它决定了测量的精细程度。8.C解析：ADC（模数转换器）的功能是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，以便于数字系统的处理和传输。9.C解析：电容式传感器是基于电容变化原理进行测量的传感器，当被测量的位移、压力等物理量变化时，引起传感器极板间的距离或面积变化，从而改变电容值。10.B解析：数字滤波器可以用软件或硬件实现，其特性可以通过改变算法或系数来方便地调整，具有很高的灵活性和可调性。二、填空题1.随机误差2.Ω/V或mV/V3.调制4.频域5.数据采集卡（或DAQ）6.函数关系（或映射关系）7.相位8.位移9.程度10.频率三、简答题1.随机误差：大小和符号随机变化，具有统计规律性，可采取多次测量取平均值的方法减小其影响。系统误差：在重复测量条件下保持不变或按确定规律变化，可通过对测量系统进行校准或修正来减小或消除。粗大误差：由于操作失误或意外扰动引起的明显偏离正常值的误差，应剔除含有粗大误差的测量数据。2.电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即当金属导体受到机械变形时，其电阻值会发生相应的变化。电阻应变片通过将敏感栅粘贴在弹性体表面，当弹性体发生应变时，敏感栅也随之变形，导致其电阻值改变，通过测量电阻值的变化，可以推算出弹性体的应变大小，从而实现位移、压力等物理量的测量。主要特性包括：灵敏度高、测量范围广、结构简单、使用方便、成本低廉、频响特性好等。3.滤波器在信号调理中的作用是选择性地通过或抑制信号中的特定频率成分，从而提高信号的质量，去除噪声或干扰，使信号更适合后续的处理和分析。常见的滤波器类型包括：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。低通滤波器允许低频信号通过，抑制高频信号；高通滤波器允许高频信号通过，抑制低频信号；带通滤波器允许特定频率范围内的信号通过，抑制该范围之外的信号；带阻滤波器抑制特定频率范围内的信号，允许该范围之外的信号通过。4.采样定理内容：一个连续时间信号x(t)如果最高频率为fmax，则对该信号以不低于2fmax的频率进行采样，所得到的离散时间序列x(n)能够唯一地恢复原始连续时间信号x(t)。意义：采样定理为数字信号处理提供了理论基础，它规定了采样频率的下限，确保了采样后的数字信号能够不失真地反映原始模拟信号的信息。5.数据采集系统的主要性能指标包括：采样频率：指每秒钟对模拟信号进行采样的次数，它决定了系统的最高可测频率。分辨率：指系统能够区分的最小输入量变化，通常用位数表示，分辨率越高，测量越精细。精度：指测量结果与真实值之间的接近程度，包括线性度、迟滞、重复性等误差因素。带宽：指系统能够有效测量的信号频率范围。信噪比：指信号有效值与噪声有效值之比，通常用分贝表示，信噪比越高，信号质量越好。四、计算题1.最大非线性误差：由放大器和ADC的精度决定，最大误差为(0.005*100)+(0.005*(2^12-1)/2^12*5)=5mV+0.01953mV=5.01953mV量化误差：由ADC的分辨率决定，最小量化单位为5*(2^12-1)/2^12=0.01953mV2.X(f)=0.5*(1/(j2πf-j100π))+0.2*(1/(j2πf+j200π))X(f)=0.5*(1/(j2π(f-50)))+0.2*(1/(j2π(f+100)))X(f)=-0.25*(1/(f-50))+0.1*(1/(f+100))3.Y(s)=H(s)*X(s)=(10/(s+2))*(1/(s^2+4s+4))Y(s)=10/((s+2)(s^2+4s+4))=10/((s+2)(s+2)^2)Y(s)=10/((s+2)^3)y(t)=10*(t*e^(-2t)/2!)=5t*e^(-2t)（t≥0）五、综合设计题系统组成：传感器：选用加速度传感器，安装在旋转机械轴的测点上，用于测量轴的振动加速度。信号调理电路：包括放大电路、滤波电路和线性化电路。放大电路将传感器输出的微弱电信号放大到适合后续处理的幅度；滤波电路（如带通滤波器）去除噪声和干扰信号，保留与振动频率相关的有效信号；线性化电路将传感器输出的非线性信号转换为线性信号。数据采集设备