2025年大学大二（测控技术与仪器）精密仪器设计阶段测试试题及答案

2025年大学大二（测控技术与仪器）精密仪器设计阶段测试试题及答案

（考试时间：90分钟满分100分）班级______姓名______第I卷（选择题共30分）每题有一个或多个正确答案，请将正确答案填写在括号内。（总共10题，每题3分，每题的备选答案中，有一个或多个符合题意，错选、多选不得分，少选且选择正确的每个选项得0.5分）1.精密仪器设计中，以下哪些因素会影响仪器的精度？（）A.机械结构的稳定性B.传感器的分辨率C.电路的噪声水平D.操作人员的熟练程度2.关于仪器的静态特性，下列说法正确的是（）A.量程是指仪器能够测量的最大被测量值与最小被测量值之差B.线性度表示仪器输出与输入之间的线性关系程度C.重复性是指仪器在相同条件下，多次测量同一被测量时，测量结果的一致性D.分辨率反映了仪器能够分辨的最小被测量变化量3.在精密仪器设计中，选择材料时需要考虑的因素有（）A.力学性能B.物理性能C.化学性能D.价格4.仪器的放大电路设计应满足的要求有（）A.足够的放大倍数B.良好的线性度C.低噪声D.高输入电阻和低输出电阻5.以下属于精密仪器中常用的传感器类型有（）A.应变式传感器B.压电式传感器C.磁电式传感器D.光电式传感器6.关于仪器的动态特性，下列描述正确的是（）A.响应特性包括阶跃响应和频率响应B.时间常数越小，仪器对输入信号的响应越快C.固有频率越高，仪器的响应越迅速D.阻尼比影响仪器的响应特性，合适的阻尼比可使响应无振荡或振荡最小7.精密仪器设计中，机械结构设计的基本原则有（）A.精度原则B.可靠性原则C.经济性原则D.工艺性原则8.仪器的误差来源包括（）A.原理误差B.制造误差C.运行误差D.环境误差9.以下哪些方法可以提高仪器的抗干扰能力？（）A.屏蔽技术B.滤波技术C.接地技术D.隔离技术10.在精密仪器设计中，微处理器的选型需要考虑的因素有（）A.运算速度B.存储容量C.接口类型D.功耗第II卷（非选择题共70分）11.简答题：简述精密仪器设计中，如何提高仪器的分辨率？（10分）12.论述题：阐述仪器静态特性和动态特性之间的关系，并举例说明在实际仪器设计中如何协调两者以满足性能要求。（15分）13.设计题：设计一个简单的应变式测力传感器电路，要求画出电路原理图，并说明各元件的作用。（15分）14.材料分析题：材料：在某精密仪器设计项目中，设计人员发现仪器在工作过程中出现了较大的测量误差。经过检查，发现仪器的机械结构存在一定的变形，导致传感器输出信号不准确。同时，电路中的噪声也对测量结果产生了影响。问题：请分析该仪器测量误差产生的原因，并提出相应的改进措施。（15分）15.综合应用题：有一个需要测量微小位移的精密测量任务，要求测量精度达到微米级别。请设计一个基于光学原理的测量方案，包括测量原理、主要组成部分及其作用，并说明如何提高测量精度。（15分）答案：1.ABC解析：机械结构不稳定会影响仪器的定位精度等；传感器分辨率直接决定能分辨的最小变化量从而影响精度；电路噪声会干扰测量信号导致精度下降。操作人员熟练程度主要影响测量的准确性和效率，但不是直接影响仪器精度的因素。2.BCD解析：量程是指仪器能够测量的最大被测量值与最小被测量值之和，A错误；线性度反映输出与输入线性关系程度，B正确；重复性体现多次测量同一量时结果的一致性，C正确；分辨率能分辨最小被测量变化量，D正确。3.ABCD解析：材料力学性能影响仪器结构强度等；物理性能如热膨胀系数等会影响仪器精度；化学性能决定材料耐腐蚀性等；价格则关系到成本和经济性。4.ABCD解析：放大电路需有足够放大倍数以放大微弱信号；良好线性度保证输出与输入准确关系；低噪声避免干扰测量信号；高输入电阻和低输出电阻有利于信号传输和匹配。5.ABCD解析：应变式传感器利用应变测量力等物理量；压电式传感器可用于测量力、压力等；磁电式传感器可测速度等；光电式传感器广泛应用于各种测量。6.ABCD解析：仪器动态特性包含响应特性，阶跃响应和频率响应是重要方面，A正确；时间常数越小响应越快，B正确；固有频率越高响应越迅速，C正确；合适阻尼比可优化响应特性，D正确。7.ABCD解析：精度原则保证仪器测量准确；可靠性原则确保仪器稳定工作；经济性原则控制成本；工艺性原则利于制造加工。8.ABCD解析：原理误差是设计原理不完善导致；制造误差因加工等产生；运行误差在运行中出现；环境误差受环境因素影响。9.ABCD解析：屏蔽技术可防止电磁干扰；滤波技术滤除噪声；接地技术消除共模干扰；隔离技术切断干扰传播途径。10.ABCD解析：运算速度影响数据处理能力；存储容量决定能存储的数据量；接口类型方便与其他设备连接；功耗关系到仪器续航和散热等。11.可从以下方面提高仪器分辨率：选用高分辨率的传感器，其能检测到更小的被测量变化；优化放大电路，采用低噪声高增益的放大芯片，提高信号放大倍数，使微小变化能更明显体现；对仪器的机械结构进行精细设计和制造，减少传动间隙等，保证输入量的微小变化能准确传递到传感器；采用数字信号处理技术，对采集到的信号进行细分处理，提高分辨率。12.仪器静态特性描述了仪器在稳态下的性能，如量程、线性度、重复性、分辨率等，反映了仪器对不同大小被测量的测量能力和测量准确性。动态特性描述仪器对随时间变化的输入信号的响应特性，如响应特性、时间常数、固有频率、阻尼比等，体现仪器跟踪快速变化信号的能力。关系：静态特性是仪器性能的基础，动态特性则决定了仪器在实际工作中对变化信号的适应能力。例如在一个测量振动的加速度计设计中，静态特性决定了其能测量的加速度范围和精度，而动态特性中的固有频率和阻尼比等则决定了它能否准确跟踪振动信号的变化，只有两者协调，比如选择合适的固有频率以避免共振，合适的阻尼比使响应不过于振荡，才能使加速度计在测量振动时既保证测量范围准确又能快速准确跟踪振动变化。13.电路原理图：应变片与一个精密电阻组成电桥电路，应变片粘贴在受力物体上，当物体受力产生应变时，应变片电阻变化，电桥失去平衡，输出一个与应变相关的电压信号。电源为电桥提供激励电压。放大器对电桥输出的微弱电压信号进行放大，以便后续处理。作用：应变片感受力产生的应变从而改变电阻，是核心敏感元件；精密电阻用于平衡电桥初始状态；电源提供能量使电桥工作；放大器放大微弱信号利于测量和后续处理。14.原因：机械结构变形导致传感器感受的物理量不准确，进而使输出信号错误，影响测量结果。电路噪声干扰测量信号，叠加在有用信号上导致测量误差。改进措施：对机械结构进行优化设计，增加加强筋等提高结构刚度，减少变形；采用高精度加工工艺制造机械部件，保证尺寸精度和形状精度。对于电路，采用低噪声的电子元件，如低噪声运放；设计合适的滤波电路，滤除高频和低频噪声；采用屏蔽技术，减少外界电磁干扰对电路的影响。15.测量原理：利用光的干涉原理，如迈克尔逊干涉仪原理。当被测物体发生微小位移时，两束相干光的光程差发生变化，导致干涉条纹移动，通过测量干涉条纹的移动量来确定微小位移。主要组成部分及其作用：光源提供稳定的相干光；分光镜将一束光分成两束；反射镜用于反射光