机械工程测试技术试卷及答案

机械工程测试技术试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在测量系统中，能够将非电量转换为电量的装置是（）A.记录仪B.传感器C.放大器D.滤波器2.下列传感器中，属于能量转换型（自源型）的是（）A.电阻应变片B.热敏电阻C.压电式加速度计D.电容式位移传感器3.用一阶系统测量频率为f的正弦信号，若要求幅值误差不超过5%，则该系统的时间常数τ应满足（）A.τB.τC.τD.τ4.电阻应变片的灵敏度系数K的定义是（）A.单位应变引起的电阻变化率B.单位应力引起的电阻变化C.单位应变引起的电压输出D.单位应力引起的电压输出5.在动态应变测量中，电桥采用半桥双臂接法（相邻桥臂为工作片，感受相反应变）与单臂接法相比，其输出灵敏度（）A.提高一倍B.提高两倍C.不变D.降低一半6.压电式传感器最好与（）配合使用。A.电荷放大器B.电压放大器C.功率放大器D.调制解调器7.为了从调幅波中恢复出原被测信号，常用的解调方法是（）A.滤波B.鉴频C.同步解调D.整流8.对周期信号进行整周期截断，是获得准确频谱的先决条件，这主要是为了消除（）A.频谱混叠B.栅栏效应C.泄漏误差D.量化误差9.已知某信号的最高频率为=1000

HA.500B.1000C.1500D.200010.光栅传感器利用莫尔条纹现象进行测量，以下哪项不是莫尔条纹的特点（）A.位移放大作用B.误差平均效应C.方向判别功能D.温度自补偿功能二、多项选择题（每题3分，共15分，全部选对得3分，选对但不全得1.5分，有选错得0分）1.测试系统的静态特性指标主要包括（）A.灵敏度B.线性度C.回程误差D.幅频特性E.稳定时间2.下列传感器中，可用于非接触式测量的有（）A.涡流式位移传感器B.光电编码器C.电阻应变片D.红外测温仪E.电容式麦克风3.关于电桥测量电路，下列说法正确的有（）A.直流电桥平衡条件为相邻桥臂电阻乘积相等B.交流电桥平衡时需同时满足电阻平衡和电容平衡C.全桥接法的灵敏度是单臂接法的四倍D.采用半桥双臂接法可以补偿温度误差E.电桥输出电压与电源电压成反比4.信号调理电路的主要功能包括（）A.放大B.滤波C.调制与解调D.阻抗变换E.A/D转换5.在数字信号处理中，减少频谱泄漏的方法有（）A.整周期采样B.提高采样频率C.采用合适的窗函数D.增加采样点数E.提高A/D转换器的位数三、填空题（每空1分，共15分）1.测试系统实现不失真测试的频域条件是：系统的幅频特性为______，相频特性为______。2.金属电阻应变片的电阻相对变化量主要由______效应引起，其表达式为≈______。3.电感式传感器根据原理可分为______、______和______三大类。4.在振动测试中，常用______传感器测量振动位移，用______传感器测量振动加速度。5.热电偶回路产生热电势的必要条件是：两电极材料______且两接点温度______。6.光线示波器的振子是一个______系统，其固有频率必须远大于被测信号的频率，才能保证记录波形不失真。7.磁带记录仪的直接记录方式（DR）适用于记录______信号，而调频记录方式（FM）可用于记录______信号。8.相关函数描述了信号在______域上的相似程度，功率谱密度函数则描述了信号在______域上的能量分布。四、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）1.（）测试系统的精度越高，其灵敏度也一定越高。2.（）二阶系统的固有频率越高，其工作频带就越宽。3.（）半导体应变片的灵敏度系数比金属电阻应变片大得多，但其温度稳定性也更好。4.（）差动变压器式传感器（LVDT）的输出电压与铁芯位移成正比，且能辨别方向。5.（）所有压电材料都具有热释电效应。6.（）带通滤波器的品质因数Q值越高，其通频带越宽，频率选择性越好。7.（）在光线示波器记录中，为了减小圆弧误差，应尽量减小光臂长度。8.（）A/D转换器的位数越多，其量化误差就越小。9.（）自相关函数是偶函数，且在时延τ=0处取得最大值。10.（）传递函数相同的装置，其频率响应函数也相同。五、简答题（每题5分，共20分）1.简述测试系统的基本组成及各部分的作用。2.什么是电桥的和差特性？试以半桥双臂接法（两工作片接入相邻桥臂）为例说明如何利用该特性提高灵敏度并实现温度补偿。3.简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器连接时，其低频特性有何不同？为什么在测量动态信号时通常推荐使用电荷放大器？4.什么是调制与解调？在测试技术中，为何常常需要对信号进行调制？六、计算与分析题（共20分）1.（8分）用时间常数为τ=0.5

(1)写出该一阶系统的频率响应函数H((2)分别计算信号中两个频率成分(=2

ra(3)写出系统稳态输出的表达式y(2.（12分）采用阻值R=120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压=3V。应变片粘贴在等截面悬臂梁的根部上表面，梁的弹性模量E=2.0×(1)求梁根部上表面的最大动应变。（提示：等截面悬臂梁自由端受集中静载荷F时，根部最大应力=，应变ϵ=。动载荷问题中，动应变与静应变的关系为=·，其中动载系数=1+，为将冲击物重量mg作为静载荷时梁自由端的静挠度，对于悬臂梁(2)若采用单臂电桥（仅一个应变片为工作片），计算电桥的最大输出电压Δ。(3)若希望将输出电压提高，可采用何种电桥接法？画出桥路连接示意图，并计算此时的最大输出电压。答案与解析一、单项选择题1.B解析：传感器是测试系统的首要环节，其功能是将被测非电量（如力、位移、温度）转换为便于后续处理的电量（如电压、电流、电荷）。2.C解析：能量转换型传感器又称发电型或有源型，其输出电能直接由被测非能量输入转换而来，无需外部电源，如压电式、热电偶、光电式等。A、B、D均为能量控制型（参量型），需要外部电源激励。3.C解析：一阶系统的幅频特性为A(ω)=。幅值误差δ=|A(ω)−1|4.A解析：电阻应变片的灵敏度系数K=5.A解析：单臂接法输出为=Kϵ。半桥双臂接法（相邻臂，应变相反）输出为6.A解析：压电传感器输出电荷量小，内阻极高。电荷放大器以电容为反馈，输出电压与输入电荷成正比，且电缆分布电容影响小，低频特性好，更适合与压电传感器配用。7.C解析：同步解调（相敏检波）既能恢复原信号幅值，又能辨别极性，是调幅波解调的常用方法。滤波、整流无法恢复信号极性。8.C解析：对周期信号进行DFT时，若非整周期截断，会在频谱中引入额外的频率分量，造成频谱泄漏。整周期截断可避免此问题。9.D解析：根据香农采样定理，为避免混叠，采样频率必须大于信号最高频率的两倍，即>2。故至少为2000

H10.D解析：莫尔条纹具有位移放大、误差平均和方向判别三大特点。温度自补偿不是莫尔条纹的特性，而是某些传感器结构（如差动式）或应变片接法的功能。二、多项选择题1.ABC解析：静态特性是指在静态（或缓变）输入下系统的输入输出关系，主要指标有灵敏度、线性度、回程误差、分辨率、漂移等。D幅频特性是动态特性，E稳定时间是时域动态特性。2.ABD解析：涡流式、光电式、红外式均为非接触测量。电阻应变片需粘贴，为接触式。电容式麦克风测量声压，振膜需接触声场，通常不归类为严格意义上的非接触测量。3.BCD解析：A错误，直流电桥平衡条件为相对桥臂电阻乘积相等（=）。B正确，交流电桥平衡需阻抗平衡。C正确，全桥（四臂工作，对臂同号，邻臂异号）输出=K4.ABCD解析：信号调理电路负责对传感器输出信号进行预处理，包括放大、滤波、调制解调、阻抗匹配等。E（A/D转换）属于信号采集或数字化部分，通常不归入调理电路。5.AC解析：减少频谱泄漏的主要方法是使截断长度等于信号周期的整数倍（整周期采样），或采用旁瓣衰减较快的窗函数（如汉宁窗）。B提高采样频率可防混叠，但不直接减少泄漏。D增加点数（不改变截断长度）只能使频谱线更密（减小栅栏效应），不能减少泄漏。E提高位数减小量化误差，与泄漏无关。三、填空题1.常数；与频率成线性关系解析：不失真条件：幅频特性A(ω)2.应变；K·ϵ解析：金属应变片基于金属丝的应变效应，3.变磁阻式（自感式）；差动变压器式（互感式）；电涡流式解析：电感式传感器主要分为这三类。4.电涡流（或电容）；压电式加速度解析：非接触测位移常用电涡流或电容传感器。测加速度最常用的是压电式加速度计。5.不同；不同解析：热电效应产生热电势的两个必要条件。6.二阶扭振解析：光线示波器的核心是磁电系振子，其运动特性可用二阶系统描述。7.高频；低频甚至直流解析：DR方式利用磁带的剩磁特性，对低频响应差，适于记录高频（>50Hz）信号。FM方式抗干扰能力强，频响可从直流到高频。8.时；频解析：相关分析是时域分析方法，功率谱分析是频域分析方法。四、判断题1.×解析：精度反映系统误差与随机误差的综合，灵敏度是输出变化与输入变化之比，两者无必然联系。高灵敏度系统可能噪声大，精度低。2.√解析：二阶系统的固有频率是其动态特性的重要参数，在阻尼比一定的情况下，越高，其工作频带（如幅值误差在一定范围内的频率区间）通常越宽。3.×解析：半导体应变片基于压阻效应，灵敏度系数（K≈100-200）远大于金属应变片（K≈2），但其电阻温度系数大，温度稳定性差。4.√解析：LVDT次级两线圈反接，铁芯位移使互感变化，输出交流电压的幅值与位移大小成正比，相位反映位移方向。5.×解析：热释电效应是晶体因温度变化产生电荷的现象。所有压电材料都具有压电效应，但只有具有自发极化且极化方向随温度变化的晶体才具有热释电效应。6.×解析：品质因数Q=/B7.×解析：圆弧误差是由于记录纸弯曲、光点沿弧线运动造成的。增大光臂长度可使光点运动轨迹更接近直线，从而减小圆弧误差。8.√解析：n位A/D转换器的量化电平为q=/，量化误差绝对值最大为9.√解析：自相关函数(τ)=10.√解析：传递函数H(s)是系统复频域描述，频率响应函数H(jω)五、简答题1.解析：一个完整的测试系统通常由以下部分组成：传感器：直接作用于被测对象，将被测非电量转换为电量。是测试系统的“感觉器官”。传感器：直接作用于被测对象，将被测非电量转换为电量。是测试系统的“感觉器官”。信号调理电路：对传感器输出的微弱电信号进行加工处理，如放大、滤波、调制/解调、阻抗变换等，使其适于传输或后续环节处理。信号调理电路：对传感器输出的微弱电信号进行加工处理，如放大、滤波、调制/解调、阻抗变换等，使其适于传输或后续环节处理。信号记录与显示装置：将调理后的信号以模拟或数字形式记录下来（如示波器、记录仪、存储卡），或实时显示出来供观察。信号记录与显示装置：将调理后的信号以模拟或数字形式记录下来（如示波器、记录仪、存储卡），或实时显示出来供观察。信号分析与处理装置：对获得的信号进行分析、变换、计算，提取有用的特征信息，如频谱分析、相关分析、模态分析等。现代测试系统该部分常由计算机完成。信号分析与处理装置：对获得的信号进行分析、变换、计算，提取有用的特征信息，如频谱分析、相关分析、模态分析等。现代测试系统该部分常由计算机完成。此外，还包括激励装置（为某些测试提供输入）和电源等辅助设备。此外，还包括激励装置（为某些测试提供输入）和电源等辅助设备。2.解析：电桥的和差特性：电桥的输出电压与各桥臂的电阻变化率满足线性叠加原理。当各臂电阻变化较小时，有：电桥的和差特性：电桥的输出电压与各桥臂的电阻变化率满足线性叠加原理。当各臂电阻变化较小时，有：≈应用示例：在半桥双臂接法中，将两个完全相同的应变片,作为工作片，粘贴于构件同一位置（如悬臂梁上下表面），使其感受大小相等、符号相反的应变（=ϵ,=−ϵ提高灵敏度：由和差特性，≈(Kϵ温度补偿：温度变化使两应变片产生相同的电阻变化Δ，代入公式：≈()=，温度引起的电阻变化Δ被抵消，实现了温度补偿。温度补偿：温度变化使两应变片产生相同的电阻变化Δ，代入公式：≈3.解析：与电压放大器连接：输出电压与压电元件的电荷量、电缆分布电容及放大器输入电容有关。等效电路的时间常数较小，低频截止频率较高，低频响应差。电缆电容的变化会直接影响测量系统的灵敏度，故对电缆要求高。与电压放大器连接：输出电压与压电元件的电荷量、电缆分布电容及放大器输入电容有关。等效电路的时间常数较小，低频截止频率较高，低频响应差。电缆电容的变化会直接影响测量系统的灵敏度，故对电缆要求高。与电荷放大器连接：以电容为反馈的深度负反馈运算放大器。输出电压与输入电荷成正比，与电缆分布电容无关。其等效电路时间常数很大，低频截止频率极低（可低至0.001Hz），低频特性好。与电荷放大器连接：以电容为反馈的深度负反馈运算放大器。输出电压与输入电荷成正比，与电缆分布电容无关。其等效电路时间常数很大，低频截止频率极低（可低至0.001Hz），低频特性好。推荐原因：电荷放大器具有工作频带宽（低频特性好）、灵敏度与电缆长度无关、允许使用长电缆等突出优点，非常适合测量动态信号（如振动、冲击），能更真实地反映低频分量。推荐原因：电荷放大器具有工作频带宽（低频特性好）、灵敏度与电缆长度无关、允许使用长电缆等突出优点，非常适合测量动态信号（如振动、冲击），能更真实地反映低频分量。4.解析：调制：用被测缓变信号（调制信号）去控制某种高频载波（如正弦波、脉冲波）的某个参数（幅值、频率、相位），使其按调制信号的规律变化的过程。调制：用被测缓变信号（调制信号）去控制某种高频载波（如正弦波、脉冲波）的某个参数（幅值、频率、相位），使其按调制信号的规律变化的过程。解调：从已调波中恢复出原调制信号的过程。解调：从已调波中恢复出原调制信号的过程。测试中采用调制的原因主要有：测试中采用调制的原因主要有：1.便于信号传输：许多传感器输出信号频率很低（如应变、温度），直接放大传输易受工频干扰。调制后变为高频信号，便于放大和远距离传输，抗干扰能力强。2.改善信噪比：通过窄带滤波，可以只放大载波频率附近的信号，抑制噪声。3.实现某些测量原理：如差动变压器式传感器（LVDT）、电涡流传感器本身就利用调幅原理。4.分离多路信号：在遥测或多通道测量中，可用不同频率的载波进行调制，实现频分复用。六、计算与分析题1.解析：(1)一阶系