(2025年)工程测试技术习题附答案

(2025年)工程测试技术习题附答案一、选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种传感器基于压阻效应工作？A.金属应变片B.半导体应变片C.压电陶瓷传感器D.热电偶2.为抑制测试信号中的50Hz工频干扰，应选用：A.低通滤波器（截止频率30Hz）B.高通滤波器（截止频率60Hz）C.带通滤波器（通带40-60Hz）D.带阻滤波器（阻带45-55Hz）3.某测试系统的幅频特性为A(ω)=1/(1+(ωτ)²)^0.5，其动态响应属于：A.一阶系统B.二阶系统C.零阶系统D.高阶系统4.电桥测量电路中，采用半桥双臂接法（两个应变片）时，若两个应变片分别受拉和受压，输出电压与单臂接法相比：A.增大1倍B.增大2倍C.增大4倍D.不变5.以下哪项不是测试系统静态特性指标？A.线性度B.固有频率C.灵敏度D.迟滞6.热电偶测温时，为消除冷端温度变化的影响，常用方法是：A.增大热端面积B.补偿导线法C.提高测量电路增益D.增加热电偶长度7.信号采集时，若采样频率为f_s，为避免混叠，被采信号的最高频率应满足：A.f_max<f_sB.f_max<f_s/2C.f_max>f_sD.f_max>f_s/28.某加速度传感器的灵敏度为20mV/g（g为重力加速度），当输入加速度为5g时，输出电压为：A.100mVB.25mVC.4mVD.50mV9.以下哪种误差可以通过多次测量取平均减小？A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.绝对误差10.测量齿轮转速时，选用磁电式转速传感器，其工作原理基于：A.压电效应B.霍尔效应C.电磁感应D.压阻效应二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器一般由________、________和转换电路三部分组成。2.信号调制的常用方式有________调制、________调制和相位调制。3.测试系统的动态特性在时域中常用________和________来描述。4.应变片的灵敏系数K表示单位________引起的________变化。5.电桥的平衡条件是________，实际应用中常用________或________实现调零。6.误差按性质可分为________、________和粗大误差。7.压电式传感器适用于________测量（填“静态”或“动态”），原因是其输出为________信号。8.数据采集系统的核心部件包括________、________和微处理器。9.一阶系统的时间常数τ越小，其响应速度越________（填“快”或“慢”），截止频率越________（填“高”或“低”）。三、简答题（每题8分，共40分）1.比较电阻应变片与压阻式传感器的工作原理及应用场景差异。2.说明电桥电路在测试系统中的作用，并推导单臂电桥（应变片接一臂，其余为固定电阻）的输出电压公式（设电桥电源电压为U，应变片初始电阻为R，应变引起的电阻变化为ΔR，且ΔR<<R）。3.简述测试系统频率响应函数H(jω)的定义及物理意义，说明其与幅频特性A(ω)、相频特性φ(ω)的关系。4.解释信号混叠现象的产生原因，并说明在数据采集前应采取的预防措施。5.某温度测试系统的阶跃响应曲线显示超调量为15%，调整时间（5%误差带）为0.8s，判断该系统属于几阶系统？并分析超调量和调整时间对测试结果的影响。四、综合题（每题20分，共40分）1.设计一个测量机械轴扭矩的测试系统，要求：（1）选择合适的传感器类型并说明原理；（2）设计信号调理电路（含电桥接法、放大器选型）；（3）选择数据采集设备（需说明采样频率、分辨率要求）；（4）分析可能的误差来源及减小措施。2.某测试系统的幅频特性为A(ω)=1/√(1+(ω/100)²)，相频特性为φ(ω)=-arctan(ω/100)。（1）判断该系统的类型（零阶、一阶或二阶）；（2）计算系统的时间常数τ；（3）当输入信号为x(t)=5sin(50t)+3sin(200t)时，计算输出信号的幅值和相位；（4）分析输入信号中各频率成分的幅值误差（以百分比表示）。答案一、选择题1.B2.D3.A4.B5.B6.B7.B8.A9.C10.C二、填空题1.敏感元件；转换元件2.幅度；频率3.阶跃响应；脉冲响应4.应变；电阻5.对臂电阻乘积相等；调零电位器；补偿电阻6.系统误差；随机误差7.动态；电荷（或电压，随时间变化的）8.模数转换器（ADC）；信号调理电路9.快；高三、简答题1.电阻应变片基于金属的应变-电阻效应（几何尺寸变化引起电阻变化），灵敏度较低（K≈2），适用于静态或低频动态应变测量；压阻式传感器基于半导体的压阻效应（载流子迁移率变化引起电阻率变化），灵敏度高（K≈100-200），但温度敏感性强，适用于小应变、高灵敏度要求的动态测量（如微型压力传感器）。2.电桥作用：将电阻、电感等参数变化转换为电压或电流输出，实现信号放大与传输。单臂电桥输出电压U_o=U·(ΔR)/(4R)（推导：电桥初始平衡时U_o=0，应变后R1=R+ΔR，其余臂为R，输出U_o=U·(R/(R+ΔR+R)-R/(R+R))≈U·(ΔR)/(4R)，因ΔR<<R，忽略高阶小项）。3.H(jω)=输出傅里叶变换/输入傅里叶变换，反映系统对不同频率信号的传递特性。A(ω)=|H(jω)|为幅频特性，表示各频率成分幅值的缩放倍数；φ(ω)=∠H(jω)为相频特性，表示各频率成分的相位滞后或超前。4.混叠现象：采样频率不足时，高频信号被“折叠”为低频信号，导致频谱失真。预防措施：采样前通过低通滤波器（抗混叠滤波器）限制信号最高频率f_max≤f_s/2（f_s为采样频率）。5.该系统为二阶系统（一阶系统无超调）。超调量反映系统响应的振荡程度，过大会导致测量值短期偏离真实值；调整时间反映系统进入稳态的速度，过长会影响动态测量的实时性。四、综合题1.（1）传感器选择：电阻应变片（沿轴45°和135°粘贴，利用扭矩引起的剪切应变转换为拉压应变）。原理：扭矩T=K·ε·R³（K为系数，ε为应变，R为轴半径），应变片将ε转换为电阻变化。（2）信号调理：采用全桥接法（四片应变片，两对分别受拉/压），输出电压U_o=U·(ΔR1-ΔR2+ΔR3-ΔR4)/(4R)，提高灵敏度和温度补偿；放大器选用低噪声运算放大器（如AD620），增益G=1+50kΩ/R_g（R_g为增益电阻）。（3）数据采集设备：采样频率f_s≥2f_max（f_max为扭矩变化最高频率，假设轴转速3000rpm，扭矩波动频率≤50Hz，故f_s≥100Hz）；分辨率16位（满足应变测量精度±0.1%FS，FS为满量程）。（4）误差来源：应变片温度漂移（采用温度自补偿片或电桥补偿）、导线电阻影响（三线制接法）、放大器噪声（屏蔽电缆+接地）、采样频率不足（设置抗混叠滤波器f_c≤50Hz）。2.（1）一阶系统（幅频特性符合1/√(1+(ωτ)²)形式）。（2）τ=1/100=0.01s（对比标准一阶系统A(ω)=1/√(1+(ωτ)²)，得ωτ=ω/100，故τ=0.01s）。（3）输入信号频率f1=50/(2π)≈7.96Hz，f2=200/(2π)≈31.83Hz。对于f1：A(ω1)=1/√(1+(50/100)²)=1/√1.25≈0.894，φ1=-arctan(50/100)=-26.56°，输出幅值5×0.894≈4.47，相位-26.56°。对于f2：A(ω2)=1/√(1+(200/100)²)=1/√5≈0.447，φ2=-