机械工程测试技术基础试题复习题及答案

机械工程测试技术基础试题复习题及答案一、选择题（每题2分，共40分）1.下列哪项不属于测试系统静态特性指标？A.线性度B.固有频率C.灵敏度D.重复性答案：B2.压电式传感器适用于测量：A.静态力B.动态力C.恒定温度D.直流电压答案：B（压电效应具有电荷泄漏特性，难以测量静态量）3.某电阻应变片的灵敏度系数K=2.0，当应变ε=500με时，电阻相对变化量ΔR/R为：A.0.001B.0.002C.0.01D.0.1答案：A（ΔR/R=K·ε=2×500×10⁻⁶=0.001）4.一阶系统的时间常数τ越小，其：A.响应速度越慢B.通频带越窄C.对阶跃输入的响应上升时间越短D.固有频率越低答案：C（时间常数τ决定一阶系统的响应速度，τ越小，上升时间（约3τ）越短）5.测量某轴径三次，结果为φ50.02mm、φ50.03mm、φ50.01mm，算术平均值为：A.50.02mmB.50.01mmC.50.03mmD.50.025mm答案：A（(50.02+50.03+50.01)/3=50.02）6.以下哪种信号属于随机信号？A.正弦信号B.方波信号C.噪声信号D.阶跃信号答案：C（随机信号无确定数学表达式，无法预测未来值）7.电感式传感器的工作原理基于：A.压电效应B.压阻效应C.电磁感应D.热电效应答案：C（电感式传感器利用线圈电感量变化，基于电磁感应原理）8.二阶系统的阻尼比ζ=0.7时，其频率响应的幅频特性最接近：A.理想低通特性B.理想带通特性C.理想高通特性D.理想带阻特性答案：A（ζ=0.7时，二阶系统的幅频特性在通频带内最平坦，接近理想低通）9.用热电偶测量温度时，若冷端温度未补偿，会引入：A.随机误差B.系统误差C.粗大误差D.引用误差答案：B（冷端温度未补偿属于固定规律的误差，为系统误差）10.信号的时域分析主要研究信号的：A.频率成分B.幅值随时间变化规律C.相位关系D.能量分布答案：B（时域分析关注信号幅值与时间的关系）11.下列哪种传感器可用于非接触式位移测量？A.电阻应变片B.电涡流传感器C.电感式差动变压器D.压阻式传感器答案：B（电涡流传感器通过电磁感应实现非接触测量）12.测量误差按性质分类不包括：A.系统误差B.随机误差C.绝对误差D.粗大误差答案：C（绝对误差是误差的表示形式，非性质分类）13.一阶系统的传递函数为H(s)=1/(τs+1)，其幅频特性|H(jω)|=：A.1/√(1+(τω)²)B.√(1+(τω)²)C.1/(1+τω)D.1/(τω)答案：A（将s=jω代入传递函数，取模即得）14.为提高应变片电桥的灵敏度，可采用：A.半桥双臂工作B.半桥单臂工作C.全桥四臂工作D.增大供桥电压答案：C（全桥四臂工作时，输出电压为单臂的4倍，灵敏度最高）15.随机信号的均值表示信号的：A.波动程度B.直流分量C.频率特性D.能量大小答案：B（均值为信号的静态分量，即直流成分）16.压电式传感器配用电荷放大器时，输出电压与：A.电荷量成正比B.电容成正比C.电阻成正比D.电感成正比答案：A（电荷放大器输出电压U=Q/Cf，Cf为反馈电容，故与电荷量Q成正比）17.二阶系统的固有频率ω₀越高，其：A.可测信号的最高频率上限越高B.阻尼比越大C.时间常数越大D.灵敏度越低答案：A（固有频率决定系统的动态测量范围，ω₀越高，可测高频信号能力越强）18.下列哪种信号处理方法可用于提取信号的频率成分？A.时域微分B.傅里叶变换C.均值计算D.均方根计算答案：B（傅里叶变换将时域信号转换为频域，显示频率成分）19.测量系统的动态特性通常通过______输入下的响应来测试。A.阶跃B.正弦C.脉冲D.以上都是答案：D（阶跃、正弦、脉冲输入均可用于测试动态特性）20.某测量结果的不确定度为±0.05mm，置信概率95%，表示：A.测量值有95%的概率落在真值±0.05mm范围内B.真值一定在测量值±0.05mm范围内C.误差的绝对值不超过0.05mmD.系统误差为0.05mm答案：A（不确定度表示在一定置信概率下，测量结果的分散性范围）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、______、迟滞和______。答案：灵敏度；重复性2.电阻应变片的工作原理是______效应，其灵敏度系数由______和______共同决定。答案：应变电阻；材料的压阻系数；几何尺寸变化3.一阶系统的阶跃响应中，输出达到稳态值的______所需时间约为τ（时间常数），达到______所需时间约为3τ。答案：63.2%；95%4.压电式传感器不能测量______信号，原因是______。答案：静态；压电材料的电荷会通过绝缘电阻泄漏5.信号可分为确定性信号和______信号，其中确定性信号又可分为周期信号和______信号。答案：随机；非周期6.电桥按工作方式分为单臂、半桥和全桥，全桥的输出灵敏度是单臂的______倍。答案：47.测量误差的主要来源包括______、______、环境误差和人员误差。答案：仪器误差；方法误差8.二阶系统的频率响应特性由______和______两个参数决定。答案：固有频率ω₀；阻尼比ζ9.随机信号的统计特性通常用均值、______和______来描述。答案：方差；均方值10.数据采集系统的基本组成包括传感器、______、______、A/D转换器和计算机。答案：信号调理器；放大器三、简答题（每题6分，共30分）1.简述测试系统静态特性和动态特性的区别与联系。答：静态特性描述测试系统在输入量不随时间变化（或变化缓慢）时的输出-输入关系，指标包括线性度、灵敏度、迟滞等；动态特性描述系统对随时间变化输入的响应能力，指标包括时间常数（一阶）、固有频率和阻尼比（二阶）等。联系：静态特性是动态特性的基础，动态特性影响系统对动态信号的测量精度，实际测试中需同时满足静态和动态要求。2.比较电阻应变片电桥中半桥双臂工作与全桥四臂工作的优缺点。答：半桥双臂工作时，两个应变片接入相邻桥臂，输出电压为单臂的2倍，可补偿温度误差；全桥四臂工作时，四个应变片接入桥臂，输出电压为单臂的4倍，灵敏度最高，且温度补偿和非线性误差补偿效果更好。缺点：全桥需要更多应变片和更复杂的布片工艺，成本较高；半桥灵敏度低于全桥，但结构更简单。3.说明一阶系统时间常数τ的物理意义及其对测量的影响。答：τ是一阶系统的重要动态参数，物理意义为系统输出达到稳态值63.2%所需的时间。τ越小，系统响应速度越快，可测信号的最高频率越高（通频带越宽）；τ越大，响应越慢，适合测量变化缓慢的信号。实际应用中需根据被测信号的频率范围选择τ，确保系统能实时跟踪输入变化。4.简述压电式传感器的工作原理及使用注意事项。答：工作原理：基于压电效应，当压电材料受外力作用时，表面产生电荷，电荷量与外力成正比。注意事项：①不能测量静态或准静态信号（电荷泄漏）；②需配用高输入阻抗的前置放大器（电荷放大器或电压放大器）；③避免高温、潮湿环境（影响绝缘性能）；④连接电缆需屏蔽，防止电磁干扰。5.什么是信号的频谱分析？简述其在机械测试中的应用。答：频谱分析是通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，显示信号的频率成分及其幅值、相位关系的过程。应用：①故障诊断（如齿轮箱振动信号的频谱可识别齿轮磨损、断齿等故障频率）；②噪声源识别（分析噪声信号的频率成分，确定主要噪声源）；③动态特性测试（通过正弦激励下的响应频谱计算系统的频率响应函数）；④信号滤波（根据频谱选择滤波器参数，去除干扰频率成分）。四、计算题（每题10分，共30分）1.某一阶测量系统的时间常数τ=0.05s，输入信号为x(t)=10+5sin(20t)V。求系统的稳态输出y(t)，并分析幅值误差。解：一阶系统的频率响应函数为H(jω)=1/(1+jτω)，幅频特性|H(jω)|=1/√(1+(τω)²)，相频特性φ(ω)=-arctan(τω)。输入信号包含直流分量（ω=0）和交流分量（ω=20rad/s）。直流分量：ω=0时，|H(0)|=1，φ(0)=0，故输出直流分量为10×1=10V。交流分量：ω=20rad/s，τω=0.05×20=1，|H(j20)|=1/√(1+1²)=1/√2≈0.707，φ(20)=-arctan(1)=-45°。交流分量输出幅值为5×0.707≈3.535V，相位滞后45°，故交流分量为3.535sin(20t-45°)V。稳态输出y(t)=10+3.535sin(20t-45°)V。幅值误差=（实际输出幅值-输入幅值）/输入幅值×100%=(3.535-5)/5×100%≈-29.3%。2.用分度值为0.02mm的游标卡尺测量轴径10次，结果如下（单位：mm）：50.02、50.04、50.03、50.05、50.03、50.02、50.04、50.03、50.01、50.03。求：（1）算术平均值；（2）单次测量的标准偏差；（3）算术平均值的标准偏差（置信概率取68.3%）。解：（1）算术平均值x̄=(50.02+50.04+50.03+50.05+50.03+50.02+50.04+50.03+50.01+50.03)/10=500.3/10=50.03mm。（2）单次测量的标准偏差σ=√[Σ(xi-x̄)²/(n-1)]，计算各xi-x̄：0.01,+0.01,0,+0.02,0,-0.01,+0.01,0,-0.02,0。平方和=(-0.01)²×2+(0.01)²×2+(0.02)²×2+0×4=0.0001×2+0.0001×2+0.0004×2=0.0002+0.0002+0.0008=0.0012。σ=√(0.0012/9)=√(0.0001333)≈0.0115mm。（3）算术平均值的标准偏差σx̄=σ/√n=0.0115/√10≈0.0036mm（置信概率68.3%时，测量结果表示为50.03±0.0036mm）。3.某二阶测量系统的固有频率f₀=1000Hz，阻尼比ζ=0.6，输入信号为x(t)=2sin(2π×500t)V。求系统的稳态输出幅值和相位差。解：二阶系统的频率比η=ω/ω₀=2πf/(2πf₀)=f/f₀=500/1000=0.5。幅频特性A(η)=1/√[(1-η²)²+(2