《现代测试技术》章节习题含答案(大学期末)

《现代测试技术》章节习题含答案(大学期末)一、选择题（每题2分，共20分）1.测试系统的静态特性中，反映输入量在正反行程中输出量差异的指标是（）A.线性度B.迟滞C.重复性D.灵敏度2.以下哪种传感器基于压阻效应工作？（）A.压电式加速度传感器B.应变片式力传感器C.电容式位移传感器D.光电编码器3.信号调理电路中，用于抑制50Hz工频干扰的常用滤波器是（）A.低通滤波器B.高通滤波器C.带通滤波器D.带阻滤波器4.某12位A/D转换器的参考电压为5V，其分辨率对应的电压间隔约为（）A.1.22mVB.2.44mVC.4.88mVD.9.76mV5.虚拟仪器系统的核心是（）A.数据采集卡B.计算机C.软件D.传感器6.动态测试中，若测试系统的幅频特性在200Hz时衰减3dB，则该系统的截止频率约为（）A.100HzB.200HzC.300HzD.400Hz7.以下哪种干扰抑制措施属于“接地技术”的应用？（）A.信号线缆采用屏蔽层单端接地B.电源端并联去耦电容C.电路中加入RC滤波D.采用差分放大器8.激光干涉测长系统中，利用光的（）特性实现位移测量。A.反射B.折射C.干涉D.衍射9.智能测试系统中，用于故障诊断的机器学习算法通常需要（）A.大量标注的历史数据B.实时性极高的计算资源C.无需先验知识D.固定的特征提取方法10.某温度传感器的灵敏度为2mV/℃，测量范围0~100℃，当输出电压为150mV时，对应的温度是（）A.50℃B.60℃C.75℃D.150℃二、填空题（每空1分，共20分）1.测试系统的静态特性指标包括线性度、迟滞、重复性和______。2.传感器的基本组成通常包括敏感元件、______和转换电路。3.信号调理的主要目的是______、抑制干扰和匹配阻抗。4.数据采集系统的关键参数有采样频率、______和动态范围。5.一阶测试系统的时间常数τ越小，其响应速度越______（填“快”或“慢”）。6.压电式传感器适用于______（填“静态”或“动态”）测量，原因是其输出信号易受______影响。7.抗混叠滤波器应设置在A/D转换器______（填“前”或“后”），其截止频率应小于等于______的一半。8.虚拟仪器的软件体系中，LabVIEW采用______编程方式，适合快速构建测试系统。9.光纤传感器按工作原理可分为功能型（传感型）和______（传光型）。10.智能测试系统的核心技术包括______、大数据分析和人工智能算法。11.电桥电路中，采用半桥接法时，若两个应变片分别受拉和受压，可实现______（填“温度补偿”或“灵敏度提升”）。12.频率响应函数H(jω)是______与输入正弦信号的傅里叶变换之比。13.某测试系统的幅频特性为|H(jω)|=1/√(1+(τω)²)，则其为______阶系统。14.数字信号处理中，FFT的主要作用是快速计算______。15.电磁兼容性设计中，减小环路面积可抑制______干扰。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述测试系统动态特性的主要评价指标及其物理意义。2.对比电阻应变片与压阻式传感器的工作原理，说明二者的主要区别。3.说明在数据采集过程中，为什么需要设置采样保持电路？4.列举三种常见的干扰类型，并分别给出一种抑制方法。5.虚拟仪器与传统仪器的主要区别是什么？简述其优势。四、计算题（每题10分，共30分）1.某压力传感器的输入输出数据如下表所示（输入为压力p/MPa，输出为电压U/mV）：p012345U正行程0.12.03.95.87.79.6U反行程0.22.14.05.97.89.7（1）计算该传感器的迟滞误差（以满量程输出的百分比表示）；（2）采用最小二乘法拟合理想直线，计算其线性度（以满量程输出的百分比表示）。2.某测试系统的信噪比（SNR）要求为40dB，已知系统噪声电压有效值为5μV，求允许的最小信号电压有效值。（提示：SNR=20lg(S/N)）3.对频率成分为50Hz、200Hz、500Hz的模拟信号进行采样，若采样频率为600Hz，根据采样定理分析是否会发生混叠？若发生混叠，混叠后的频率是多少？五、综合分析题（每题10分，共20分）1.设计一个基于热电偶的温度测试系统，要求测量范围0~500℃，精度±1℃。需说明：（1）传感器选型依据；（2）信号调理电路的组成及作用；（3）数据采集卡的关键参数选择；（4）可能的干扰源及抑制措施。2.某旋转机械的振动测试系统在运行中出现输出信号漂移现象，输出值随时间缓慢增加。请分析可能的故障原因（至少列出3种），并提出对应的排查方法。答案一、选择题1.B2.B3.D4.A（5V/(2¹²-1)≈1.22mV）5.C6.B（3dB对应截止频率）7.A8.C9.A10.C（150mV/2mV·℃⁻¹=75℃）二、填空题1.灵敏度2.转换元件3.放大信号（或调理信号）4.分辨率（或位数）5.快6.动态；电荷泄漏（或绝缘电阻）7.前；采样频率8.图形化（或G语言）9.非功能型10.传感器网络（或物联网）11.灵敏度提升（或温度补偿与灵敏度提升）12.输出正弦信号的傅里叶变换13.一14.离散傅里叶变换（DFT）15.电磁感应（或磁场耦合）三、简答题1.动态特性评价指标包括：（1）时间常数τ（一阶系统）：反映系统响应输入阶跃信号的速度，τ越小响应越快；（2）固有频率ω₀（二阶系统）：决定系统的谐振频率，ω₀越高可测信号的频率范围越宽；（3）阻尼比ξ（二阶系统）：影响系统的动态响应形态（欠阻尼、临界阻尼、过阻尼）；（4）频带宽度：幅频特性中幅值衰减不超过-3dB的频率范围，表征系统能准确测量的信号频率范围。2.区别：（1）电阻应变片基于金属的应变效应（几何尺寸变化引起电阻变化）；压阻式传感器基于半导体的压阻效应（应力引起载流子迁移率变化导致电阻率变化）；（2）应变片灵敏度系数小（约2），压阻式灵敏度系数大（约100~200）；（3）应变片温度稳定性较好，压阻式易受温度影响需补偿；（4）应变片适用于大应变测量，压阻式适用于小应变高灵敏度场景。3.原因：（1）A/D转换需要一定时间（转换时间），若在转换期间模拟信号变化，会导致转换误差；（2）采样保持电路在采样阶段跟踪信号，保持阶段冻结信号值，确保A/D转换期间输入信号稳定；（3）尤其对于高频信号或多通道同步采集，采样保持可提高转换精度和同步性。4.干扰类型及抑制方法：（1）工频干扰（50Hz及其谐波）：采用带阻滤波器（陷波滤波器）抑制；（2）电磁辐射干扰（如射频信号）：使用屏蔽线缆并正确接地（单端接地或双端接地）；（3）地电位差干扰：采用浮地技术或隔离放大器，消除不同接地点的电位差；（4）热噪声（器件内部噪声）：降低电路工作温度，选用低噪声器件（如低噪声运放）。5.区别与优势：（1）传统仪器硬件固化，功能由厂商定义；虚拟仪器以计算机为平台，功能通过软件定义（“软件即仪器”）；（2）优势：灵活性高（可自定义功能）、扩展性强（通过添加采集卡或软件模块升级）、成本低（复用计算机资源）、数据处理能力强（结合数字信号处理算法）。四、计算题1.（1）迟滞误差计算：各点正反行程差值：ΔU₁=0.1mV，ΔU₂=0.1mV，ΔU₃=0.1mV，ΔU₄=0.1mV，ΔU₅=0.1mV，ΔU₆=0.1mV；最大迟滞偏差ΔH_max=0.1mV；满量程输出U_FS=9.6mV（正行程）或9.7mV（反行程），取平均约9.65mV；迟滞误差γ_H=(ΔH_max/U_FS)×100%≈(0.1/9.65)×100%≈1.04%。（2）线性度计算：输入p=[0,1,2,3,4,5]，输出U正行程=[0.1,2.0,3.9,5.8,7.7,9.6]（取正行程数据拟合）；设理想直线为U=kp+b，最小二乘法计算：k=(nΣpU-ΣpΣU)/(nΣp²-(Σp)²)=(6×(0×0.1+1×2.0+…+5×9.6)-(0+1+2+3+4+5)(0.1+2.0+…+9.6))/(6×(0²+1²+…+5²)-(15)²)计算得Σp=15，ΣU=29.1，ΣpU=0×0.1+1×2.0+2×3.9+3×5.8+4×7.7+5×9.6=0+2+7.8+17.4+30.8+48=106；Σp²=0+1+4+9+16+25=55；k=(6×106-15×29.1)/(6×55-225)=(636-436.5)/(330-225)=199.5/105≈1.9；b=(ΣU-kΣp)/n=(29.1-1.9×15)/6=(29.1-28.5)/6=0.6/6=0.1；理想直线方程U=1.9p+0.1；各点偏差：p=0时0.1-0.1=0；p=1时2.0-2.0=0；p=2时3.9-3.9=0；p=3时5.8-5.8=0；p=4时7.7-7.8=-0.1；p=5时9.6-9.6=0；最大绝对偏差ΔL_max=0.1mV；线性度γ_L=(ΔL_max/U_FS)×100%≈(0.1/9.65)×100%≈1.04%。2.SNR=40dB=20lg(S/N)→lg(S/N)=2→S/N=100；已知N=5μV，故S=100×5μV=500μV=0.5mV。3.采样频率f_s=600Hz，根据Nyquist采样定理，最高可测频率f_max≤f_s/2=300Hz；原信号频率50Hz（≤300Hz，无混叠）、200Hz（≤300Hz，无混叠）、500Hz（>300Hz，会混叠）；混叠频率f_alias=f_sf=600-500=100Hz（或f_alias=|fkf_s|，k=1时为100Hz）。五、综合分析题1.（1）传感器选型：K型热电偶（镍铬-镍硅），测量范围-200~1300℃，满足0~500℃需求；线性度较好（约±0.75%），成本低，适合工业场景。（2）信号调理电路：①冷端补偿电路（如AD594芯片），消除参考端温度变化影响；②低噪声放大器（如OP07），放大微弱热电势（约40μV/℃，500℃时20mV）；③低通滤波器（如RC二阶滤波），抑制高频干扰（如电磁噪声）；④隔离电路（如线性光耦），避免地电位差干扰。（3）数据采集卡参数：分辨率≥16位（500℃×1℃精度需至少9位，但考虑噪声和干扰，16位可保证0.0076℃分辨率）；采样频率≥10Hz（温度变化缓慢，10Hz足够）；输入范围±10V（调理后信号≤20mV×放大倍数，放大100倍后2V，±10V范围足够）。（4）干扰源及抑制：①电磁辐射（如电机）：使用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地；②地电位差：采用隔离放大器或浮地设计；③热噪声：降低放大器工作温度，选用低噪声运放；④工频干扰：加入50Hz陷波滤波器。2.可能故障原因及排查：（1）传感器漂移：热电偶老化或应变片粘结层失效，导致灵敏度随时间变化；排查方法：更换传感器并对比输出，或用标准源校准传感器。（