(2025年)工程测试技术试题及答案

(2025年)工程测试技术试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某应变片的灵敏度系数为2.1，初始电阻120Ω，当受到轴向应变ε=1500με时，其电阻变化量ΔR约为（）A.0.378ΩB.0.252ΩC.0.42ΩD.0.504Ω2.用于旋转机械非接触式转速测量时，最适宜的传感器是（）A.压电式加速度传感器B.电涡流式传感器C.热电偶D.压阻式压力传感器3.动态测试中，为避免信号混叠，采样频率应至少为被测信号最高频率的（）A.0.5倍B.1倍C.2倍D.4倍4.某温度测试系统的静态特性方程为y=0.8x+2（y为输出电压mV，x为温度℃），当输入温度50℃时，理论输出应为（）A.42mVB.40mVC.38mVD.36mV5.以下不属于传感器静态特性指标的是（）A.线性度B.固有频率C.迟滞D.重复性6.压电式传感器测量静态力时，输出信号会逐渐衰减，主要原因是（）A.传感器固有频率低B.电荷泄漏C.灵敏度随时间降低D.温度漂移7.采用半桥接法进行应变测量时，若两个工作片分别粘贴在试件的受拉和受压表面，其主要目的是（）A.提高灵敏度B.实现温度补偿C.增大测量范围D.降低非线性误差8.频谱分析中，若信号采样频率为10kHz，可识别的最高频率成分是（）A.5kHzB.10kHzC.20kHzD.2.5kHz9.测量某机床振动时，若振动频率范围为50-5000Hz，应选择的加速度传感器固有频率至少为（）A.2500HzB.5000HzC.10000HzD.15000Hz10.以下抗干扰措施中，用于抑制共模干扰的是（）A.信号电缆屏蔽层单端接地B.采用差分放大器C.增加滤波电路D.缩短传感器与放大器距离二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、______和转换电路三部分。2.电桥按工作方式可分为单臂电桥、半桥和______，其中______接法的灵敏度最高。3.动态测试中，信号失真分为幅值失真和______，其根本原因是测试系统的______特性不能满足信号频带要求。4.误差按性质可分为系统误差、______和粗大误差，其中______可通过多次测量取平均减小。5.压电式传感器需要配合______使用，其作用是将高内阻的电荷信号转换为低内阻的电压信号。6.应变片的温度误差主要由______和______两个因素引起，常用的补偿方法有______和线路补偿法。7.信号调理电路通常包括放大、______、滤波和______等功能模块。8.振动测试中，加速度、速度和位移信号可通过______或______运算相互转换。9.虚拟仪器的核心是“软件即仪器”，其硬件平台主要由______、数据采集卡和______组成。10.测量不确定度反映了测量结果的______，通常用______或扩展不确定度表示。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述电感式传感器与电涡流式传感器的工作原理差异及应用场景区别。2.说明应变片粘贴工艺中“表面处理”和“固化”步骤的关键要求，并分析其对测量精度的影响。3.动态测试系统的频率响应函数H(f)包含哪两个部分？分别说明其对测试结果的影响。4.列举三种常见的信号干扰类型，并分别提出对应的抑制措施。5.比较热电偶与热电阻的测温原理，说明各自在高温测量中的优缺点。四、计算题（每题10分，共20分）1.某应变测试系统采用全桥接法，四个应变片均粘贴在钢试件（弹性模量E=200GPa）表面，灵敏度系数K=2.0，初始电阻R=120Ω。当试件受拉应力σ=150MPa时，求：（1）应变ε；（2）单臂电阻变化量ΔR；（3）电桥输出电压Uo（激励电压Ui=5V）。2.对某旋转机械振动信号进行采样，已知信号主要频率成分为100Hz、500Hz和2000Hz。（1）确定最小采样频率fs；（2）若实际采样频率取5kHz，计算各频率成分的奈奎斯特间隔；（3）若误将采样频率设为3kHz，分析可能出现的问题及解决方法。五、综合分析题（20分）某企业需对高速列车齿轮箱轴承进行振动监测，要求实时采集加速度信号并分析故障特征（如轴承内外圈损伤频率）。请设计一套完整的测试系统，包括：（1）传感器选型及安装方式；（2）信号调理电路设计要点；（3）数据采集参数设置（采样频率、采样时长）；（4）可能的干扰源及抑制措施；（5）信号分析方法（需说明如何从加速度信号中提取故障特征）。答案一、选择题1.A2.B3.C4.A5.B6.B7.A8.A9.C10.B二、填空题1.转换元件2.全桥；全桥3.相位失真；频率4.随机误差；随机误差5.电荷放大器6.应变片电阻温度系数；试件与应变片线膨胀系数差异；温度自补偿法7.调制；解调（或线性化处理）8.积分；微分9.计算机；传感器/调理模块10.分散性；标准不确定度三、简答题1.电感式传感器基于电磁感应原理，通过线圈电感量变化（如气隙变化或铁芯位移）测量位移，适用于静态或低频位移测量（如机床导轨间隙检测）；电涡流式传感器利用金属导体在交变磁场中产生电涡流的反作用，导致线圈阻抗变化，属于非接触测量，适用于高温、油污环境下的位移、振动测量（如汽轮机轴位移监测）。2.表面处理需打磨试件表面至粗糙度Ra≤3.2μm，并用丙酮清洗去除油污，确保应变片与试件良好粘结；固化需按胶黏剂要求控制温度（如环氧树脂胶60℃固化2h）和压力（0.1-0.3MPa），避免气泡和脱胶。若处理不当，会导致应变传递失真（如粘结层过厚引起应变损失）或零点漂移（残留油污导致粘结强度不足）。3.频率响应函数包含幅频特性|H(f)|和相频特性φ(f)。幅频特性决定不同频率成分的幅值衰减程度，若信号频率超出系统通频带，会导致幅值失真；相频特性决定各频率成分的相位延迟，非线性相位特性会导致相位失真（如方波信号出现前沿畸变）。4.（1）电磁干扰：来自动力线或高频设备，措施为屏蔽电缆+单端接地；（2）接地干扰：多接地点电位差引起，措施为一点接地；（3）温度干扰：环境温度变化导致传感器漂移，措施为温度补偿（如应变片双片补偿）或恒温箱。5.热电偶基于塞贝克效应（两种不同金属导体端点温差产生热电势），适用于高温测量（可达1600℃），但需要冷端补偿；热电阻基于金属电阻随温度变化的特性（如Pt100），精度高（±0.1℃），但最高温度仅约850℃，高温下易氧化。四、计算题1.（1）应变ε=σ/E=150×10⁶Pa/(200×10⁹Pa)=750×10⁻⁶=750με（2）ΔR=K×R×ε=2.0×120Ω×750×10⁻⁶=0.18Ω（3）全桥输出Uo=(ΔR1/R-ΔR2/R+ΔR3/R-ΔR4/R)×Ui/4，因全桥四臂均受拉（假设对称布置），ΔR1=ΔR3=+0.18Ω，ΔR2=ΔR4=-0.18Ω（若为对臂受拉受压），则Uo=(0.18/120+0.18/120+0.18/120+0.18/120)×5/4=(0.72/120)×1.25=0.006×1.25=0.0075V=7.5mV（注：若四臂均受同号应变，输出为(4×ΔR/R)×Ui/4=ΔR/R×Ui=0.18/120×5=0.0075V，结果一致）2.（1）最高频率fmax=2000Hz，最小采样频率fs≥2fmax=4000Hz（4kHz）（2）奈奎斯特间隔=fs/2=5kHz/2=2.5kHz，各频率成分（100Hz、500Hz、2000Hz）均小于2.5kHz，无混叠（3）若fs=3kHz，奈奎斯特频率=1.5kHz，2000Hz＞1.5kHz，会发生混叠，混叠频率=2000Hz-3kHz=-1000Hz（等效于1000Hz）。解决方法：增加采样频率至≥4kHz，或在采样前加抗混叠低通滤波器（截止频率≤1.5kHz）五、综合分析题（1）传感器选型：选用压电式加速度传感器（如PCB352C33），频率范围0.3-10kHz（覆盖轴承故障频率，通常为几倍转频，假设转频50Hz，故障频率约50×8=400Hz至50×20=1000Hz），灵敏度100mV/g（满足信号幅度要求）。安装方式：采用M5螺纹刚性连接（避免磁座松动引起高频衰减），测点选择轴承座垂直、水平和轴向三个方向。（2）信号调理：前置电荷放大器（输入阻抗＞10¹²Ω，抑制电荷泄漏），设置高通滤波（截止频率1Hz，去除低频干扰）和低通滤波（截止频率5kHz，防止混叠），增益调整至输出电压0-5V（匹配数据采集卡量程）。（3）数据采集参数：采样频率fs≥2×最高故障频率（假设轴承外圈故障频率约3kHz），取fs=10kHz；采样时长根据分析要求，需至少包含5个转频周期（转频50Hz，周期0.02s，5周期0.1s，实际取1-5s以覆盖统计特性）。（4）干扰源及抑制：①电磁干扰（变频器、电机）：使用屏蔽电缆，放大器外壳接地，传感器接地与系统共地；②机械噪声（齿轮啮合振动）：通过带通滤波（中心频率设为轴承故障频率）提取特征