許同樂(lè)-機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課后習(xí)題及答案

1、 思考題與習(xí)題0-1 舉例說(shuō)明什么是測(cè)試？答：測(cè)試的例子：為了確定一端固定的懸臂梁的的固有頻率，可以采用錘擊法對(duì)梁盡享激振，在利用壓力傳感器、電荷放大器、波形記錄器記錄信號(hào)波形，由衰減的振蕩波形便可以計(jì)算出懸臂梁的固有頻率。結(jié)論：由本例可知，測(cè)試是指確定被測(cè)對(duì)象懸臂梁固有頻率的全部操作，是通過(guò)一定的技術(shù)手段-激振。拾振、記錄、數(shù)據(jù)處理等，獲取懸臂梁固有頻率的信息過(guò)程。0-2 以方框圖的形式說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)的組成，簡(jiǎn)述主要組成部分的作用。答：測(cè)試系統(tǒng)的方框圖如圖0-1所示。：各部分的作用如下。傳感器是將被測(cè)信息轉(zhuǎn)換成某種電信號(hào)的器件；信號(hào)調(diào)理是把來(lái)自傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合傳輸和處理的形式；信號(hào)處理環(huán)

2、節(jié)可對(duì)來(lái)自信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)的信號(hào)，進(jìn)行各種運(yùn)算。濾波和分析；信號(hào)顯示、記錄環(huán)節(jié)將來(lái)至信號(hào)處理環(huán)節(jié)的信號(hào)顯示或存儲(chǔ)；模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換是進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，以便于用計(jì)算機(jī)處理。0-3 針對(duì)工程測(cè)試技術(shù)課程的特點(diǎn)，思考如何學(xué)習(xí)該門(mén)課程？答：本課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，只有在學(xué)習(xí)過(guò)程中密切聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，注意物理概念，才能真正掌握有關(guān)知識(shí)。在教學(xué)環(huán)節(jié)中安排與本課程相關(guān)的必要的實(shí)驗(yàn)及習(xí)題，學(xué)習(xí)中學(xué)生必須主動(dòng)積極的參加實(shí)驗(yàn)及完成相應(yīng)的習(xí)題才能受到應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠?xùn)練，才能在潛移默化中獲得關(guān)于動(dòng)態(tài)測(cè)試工作的比較完整的概念，也只有這樣，才能初步具有處理實(shí)際測(cè)試工作的能力。思考題與習(xí)題1-1 信號(hào)的

3、分哪幾類以及特點(diǎn)是什么？1、 按信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律分為確定性信號(hào)和分確定性信號(hào)，確定信號(hào)分為周期信號(hào)（包括諧波信號(hào)和一般周期信號(hào)）和非周期信號(hào)（準(zhǔn)周期信號(hào)和以便非周期信號(hào)）；非確定性信號(hào)包括平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)（包括各態(tài)歷經(jīng)信號(hào)和非各態(tài)歷經(jīng)信號(hào)）和非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。2、 按信號(hào)幅值隨時(shí)間變化的連續(xù)性分類，信號(hào)包括連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)，其中連續(xù)信號(hào)包括模擬信號(hào)和一般模擬信號(hào)，離散信號(hào)包括一般離散信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。3、 按信號(hào)的能量特征分類，信號(hào)包括能量有限信號(hào)和功率有限信號(hào)。1-2 什么是單位脈沖函數(shù)？它有什么特性？如何求其頻譜？單位脈沖函數(shù)的定義在時(shí)間內(nèi)矩形脈沖（或三角形脈沖及其他形狀脈沖）的面積為1，當(dāng)

4、時(shí)，的極限，稱為函數(shù)。函數(shù)用標(biāo)有“1”的箭頭表示。顯然的函數(shù)值和面積（通常表示能量或強(qiáng)度）分別為： 函數(shù)的性質(zhì)積分篩選特性。當(dāng)單位脈沖函數(shù)與一個(gè)在t=0處連續(xù)且有界的信號(hào)相乘時(shí)，其積的積分只有在t=0處得到，其余各點(diǎn)乘積及積分均為零，從而有：這就表明，當(dāng)連續(xù)時(shí)間函數(shù)與單位沖激信號(hào)或者相乘，并在時(shí)間內(nèi)積分，可得到在t=0點(diǎn)的函數(shù)值或者點(diǎn)的函數(shù)值，即篩選出或者。沖擊函數(shù)是偶函數(shù)，即。乘積（抽樣）特性：若函數(shù)在處連續(xù)，則有 卷積特性：任何連續(xù)信號(hào)與的卷積是一種最簡(jiǎn)單的卷積積分，結(jié)果仍然是該連續(xù)信號(hào)，即同理，對(duì)于時(shí)延單位脈沖，有可見(jiàn)，信號(hào)和函數(shù)卷積的幾何意義，就是使信號(hào)延遲脈沖時(shí)間。函數(shù)的頻譜單位脈沖

5、信號(hào)的傅立葉變換等于1，其頻譜如下圖所示，這一結(jié)果表明，在時(shí)域持續(xù)時(shí)間無(wú)限短，幅度為無(wú)限大的單位沖擊信號(hào)，在頻域卻分解為無(wú)限寬度頻率范圍內(nèi)幅度均勻的指數(shù)分量。1-3 正弦信號(hào)有何特點(diǎn)？如何求其頻譜？答：正弦信號(hào)有如下特點(diǎn)：兩個(gè)同頻率的正弦信號(hào)相加，雖然他們的振幅和相位各不相同，但相加結(jié)果仍然是原頻率的正弦信號(hào)；一個(gè)正弦信號(hào)等于另一個(gè)正弦信號(hào)頻率的整數(shù)倍，則其合成信號(hào)是非正弦信號(hào)；正弦信號(hào)對(duì)時(shí)間的微分與積分任然是同頻率的正弦信號(hào)。 利用偶拉公式及其傅立葉變換，有： 正弦信號(hào)的頻譜圖如下圖所示：1-4 求指數(shù)函數(shù)的頻譜和雙邊指數(shù)函數(shù)的頻譜。解：?jiǎn)芜呏笖?shù)函數(shù)表達(dá)式為： 式中：為正實(shí)數(shù)，單邊指數(shù)信號(hào)如

6、下圖所示：?jiǎn)芜呏笖?shù)信號(hào)頻譜為： 幅度和相位分別為： 頻譜如上圖b,c所示。雙邊指數(shù)信號(hào)。雙邊指數(shù)信號(hào)如下圖所示，其時(shí)間表示式為，其中a為正實(shí)數(shù)，傅立葉變換為： 雙邊指數(shù)信號(hào)的傅里葉變換是一個(gè)正實(shí)數(shù)，相位譜等于零。幅頻譜如下圖所示。由于雙邊指數(shù)信號(hào)為實(shí)偶對(duì)稱函數(shù)，因此為的實(shí)偶對(duì)稱函數(shù)。1-5設(shè)有一組合信號(hào)，有頻率分別為724Hz， 44 Hz，500 Hz，600 Hz的同相正弦波疊加而成，求該信號(hào)的周期。答：合成信號(hào)的頻率是各組成信號(hào)頻率的最大公約數(shù)，則： 而：，所以該信號(hào)的周期為0.25s。1-6 從示波器熒光屏中測(cè)得正弦波圖形的“起點(diǎn)”坐標(biāo)為（0，1），振幅為2，周期為4，求該正弦波的表達(dá)

7、式。解：已知幅值A(chǔ)=2,頻率而在t=0時(shí)，,將上述參數(shù)代人一般表達(dá)式得：，。所以：1-7求正弦信號(hào)的單邊、雙邊頻譜，如果該信號(hào)延時(shí)后，其頻譜如何變化？解：，所以可得正弦信號(hào)單邊頻譜圖，如圖a所示。雙邊頻譜圖如圖b所示。信號(hào)延時(shí)后，其實(shí)頻圖如圖e所示，虛頻圖如圖f所示：1-8 求被截?cái)嗟挠嘞液瘮?shù)的傅里葉變換。解：令 即 而 由傅立葉變換的卷積性質(zhì)，函數(shù)與其它函數(shù)的卷積特性可得： 所以： 1-9 求指數(shù)衰減振蕩信號(hào) 的頻譜。解： 思考題與習(xí)題2-1 簡(jiǎn)要說(shuō)明線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)?為何說(shuō)理想的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)是線性系統(tǒng)?答：線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)：疊加特性，即若比例特性，即對(duì)于任意常數(shù)，都有微分特性，系統(tǒng)對(duì)輸入

8、微分的響應(yīng)等同于對(duì)原輸入響應(yīng)的同階微分，即積分特性，在系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零時(shí)，系統(tǒng)對(duì)輸入積分的響應(yīng)等同于對(duì)原輸入響應(yīng)的同次積分，即頻率保持特性，若輸入為某一頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為與輸入同一頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)。2-2測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性各包括哪些?答測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性包括靈敏度、分辨率、非線性度、回程誤差、穩(wěn)定度、漂移等。動(dòng)態(tài)特性包括幅頻特性和相頻特性2-3什么是傳遞函數(shù)?什么是頻響函數(shù)?什么是脈沖響應(yīng)函數(shù)?試說(shuō)明它們之間的關(guān)系。答：傳遞函數(shù)初始條件為零時(shí)，線性系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)兩者拉普拉斯變換之比，記為。頻率響應(yīng)函數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出量的傅立葉變換與輸入量的傅立葉變換之比，記為。脈

9、沖響應(yīng)函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)單位脈沖輸入的響應(yīng)叫做測(cè)量系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)，也叫做權(quán)函數(shù)，用表示。三者之間的關(guān)系：脈沖響應(yīng)函數(shù)與頻率響應(yīng)函數(shù)之間是傅里葉變換和逆變換的關(guān)系，與傳遞函數(shù)之間是拉普拉斯變換和拉普拉斯逆變換的關(guān)系。2-4已知系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)，則測(cè)量系統(tǒng)對(duì)任意輸入時(shí)的響應(yīng)是什么?答：測(cè)試系統(tǒng)對(duì)任意輸入的相應(yīng)，是輸入與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積。2-5從時(shí)域說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)不失真測(cè)量條件是什么?答：在時(shí)域范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)不失真的條件是：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相比，只要是幅值上擴(kuò)大,時(shí)間上滯后，即。2-6從頻域說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)不失真測(cè)量條件是什么?答：在頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)試的條件即為幅頻特性是一條平行于軸的直線，相頻

10、特性是斜率為的直線。2-7 一壓電式壓力傳感器的靈敏度為1OpCMPa，后接靈敏度為8mVpC的電荷放大器，最后用靈敏度為25mm/V的筆式記錄儀記錄信號(hào)。試求系統(tǒng)總的靈敏度，并求當(dāng)被測(cè)壓力變化p=8Mpa時(shí)記錄筆在記錄紙上的偏移量y。解：系統(tǒng)總的靈敏度為：s=1OpCMPa*8mVpC*25mm/V=當(dāng)被測(cè)壓力變換為p=8Mpa時(shí)，y=*8Mpa=0.016m2-8 圖2.35為由三個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的測(cè)試系統(tǒng)。分別指出它們各屬于哪一種環(huán)節(jié)，求出系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)和總的靜態(tài)靈敏度。圖 2-35解 2-9 將周期信號(hào)輸入一個(gè)頻響函數(shù)為 的測(cè)量系統(tǒng)，試求其穩(wěn)態(tài)輸出。解：設(shè)，則。當(dāng)系統(tǒng)有輸入，則有輸出，

11、且。=0.05s，同樣可求得當(dāng)輸入為時(shí)，有輸出，且。此裝置對(duì)輸入信號(hào)具有線性疊加和頻率保持性，系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定響應(yīng)為：2-10 已知某線性裝置的幅頻特性和相頻特性分別為，現(xiàn)測(cè)得該裝置的穩(wěn)態(tài)輸出為，試求該裝置的輸入信號(hào)。解：由得即，2-11 想用一個(gè)時(shí)間常數(shù)的一階裝置作正弦信號(hào)的測(cè)量，如要求限制振幅誤差 在5以內(nèi)。 試問(wèn)：(1)該裝置所能測(cè)量的正弦信號(hào)的最高頻率為何值? (2)利用該裝置測(cè)量周期為002s的正弦信號(hào)，其幅值誤差將為多少?2-12 由質(zhì)量彈簧阻尼組成的二階系統(tǒng)如圖2.36所示，為物體的質(zhì)量，為彈簧剛度系數(shù)，為阻尼系數(shù)，若系統(tǒng)輸入為力，輸出為位移。試求：(1)系統(tǒng)微分方程； (2)系統(tǒng)

12、的傳遞函數(shù)、幅頻特性和相頻特性； (3)試說(shuō)明系統(tǒng)阻尼比多采用的原因； (4)結(jié)合不失真測(cè)試的條件，說(shuō)明其工作頻段應(yīng)如何選擇。圖 2-36 解：、系統(tǒng)微分方程為 傳遞函數(shù) 幅頻特性 相頻特性 系統(tǒng)阻尼比多采用的原因：答：當(dāng)時(shí)，二階系統(tǒng)具有較好的綜合特性，例如，當(dāng)時(shí)，在0的帶寬內(nèi)，的變化不超過(guò)5%，同時(shí)也接近直線，所以，此時(shí)波形失真較小。思考題與習(xí)題3-1 傳感器主要包括哪幾部分？試舉例說(shuō)明。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。如氣體壓力傳感器。其內(nèi)部的膜盒就是敏感元件，它的外部與大氣壓力相通，內(nèi)部感受被測(cè)壓力p，當(dāng)p發(fā)生變化時(shí)，引起膜盒上半部分移動(dòng)，可變線圈是傳感器的轉(zhuǎn)換元

13、件，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化?；倦娐穭t是完成上述電感變化量接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。3-2 請(qǐng)舉例說(shuō)明結(jié)構(gòu)型傳感器與物性型傳感器的區(qū)別。答：結(jié)構(gòu)型傳感器主要是通過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。例如，電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量的變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感的變化。物性型傳感器則是利用敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。例如，水銀溫度計(jì)是利用水銀的熱脹冷縮性質(zhì)；壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)等。3-3 金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何區(qū)別？答：金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別在于：金屬電阻應(yīng)變片是基于電阻應(yīng)

14、變效應(yīng)工作的；半導(dǎo)體應(yīng)變片則是基于壓阻效應(yīng)工作的。3-4 有一電阻應(yīng)變片（見(jiàn)圖3-105），其靈敏度S0=2，R=120，設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?000，問(wèn)R=？設(shè)將此應(yīng)變片接成圖中所示的電路，試求：1）無(wú)應(yīng)變時(shí)電流指示值；2）有應(yīng)變時(shí)電流指示值；3）試分析這個(gè)變量能否從表中讀出？解：由得，即，1.5VmV圖3-105 題3-4圖3-5 電容式傳感器常用的測(cè)量電路有哪幾種?答：變壓器式交流電橋、直流極化電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大電路。3-6 一個(gè)電容測(cè)微儀其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙=0.3mm，求：1）工作時(shí)，如果傳感器與工件的間隙變化量=1m時(shí)，電容變化量是多少？2）如果測(cè)量電路

15、的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在=1m時(shí)，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？3-7 差動(dòng)變壓器的輸出電壓信號(hào)如果采用交流電壓表指示，能否反映鐵芯的移動(dòng)方向？試描述差動(dòng)變壓器經(jīng)常采用的差動(dòng)相敏檢波電路的原理。3-8 欲測(cè)量液體壓力，擬采用電阻應(yīng)變式、電感式、和壓電式傳感器，請(qǐng)繪出可行方案的原理圖，并作比較。3-9 壓電式傳感器所采用的前置放大器的主要作用？前置放大器主要包括哪兩種形式，各有何特點(diǎn)？答：前置放大器的主要作用，一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出，二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式電荷放大器是一個(gè)帶有反饋電容

16、Cf的高增益運(yùn)算放大器。因傳感器的漏電阻和電荷放大器的輸入電阻都很大，可視為開(kāi)路，傳感器與電荷放大器連接的等效電路如圖3-47所示。由于忽略漏電阻故電壓放大器，其輸出電壓與電容C（包括連接電纜的寄生電容Cc、放大器的輸入電容Ci和壓電式傳感器的等效電容Ca）密切相關(guān)，因電纜寄生電容Cc比Ci和Ca都大，故整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜寄生電容的變化非常敏感。連接電纜的長(zhǎng)度和形狀變化會(huì)引起Cc的變化，導(dǎo)致傳感器的輸出電壓變化，從而使儀器的靈敏度也發(fā)生變化。故目前多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器。3-10 熱電偶回路有哪些特點(diǎn)？熱電偶基本定律包括哪些內(nèi)容？答： 熱電偶回路有以下特點(diǎn)：1）如果構(gòu)成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體

17、相同，則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)為零；2）如果熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)也為零；3）熱電偶AB的熱電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無(wú)關(guān)，只與接點(diǎn)溫度有關(guān)。 熱電偶基本定律：中間導(dǎo)體定律、參考電極定律、中間溫度定律。3-11 光電效應(yīng)主要包括哪幾種形式？基于各光電效應(yīng)的光電器件有哪些？答：光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。外光電效應(yīng)亦稱為光電子發(fā)射效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。外光電效應(yīng)的：光電管內(nèi)光電效應(yīng)的：光電導(dǎo)效應(yīng)的光敏電阻、光生伏特效應(yīng)的光電倍增管。3-12 光纖傳感器主要有哪幾類？試舉出兩類光

18、纖傳感器的應(yīng)用實(shí)例。答：光纖傳感器按其傳感原理分為傳光型（非功能型），光纖傳感器、傳感型（功能型）光纖傳感器和拾光型光纖傳感器。兩類光纖傳感器的應(yīng)用實(shí)例：（1）功能型（傳感型）光纖傳感器。如下圖a所示，光纖既是傳播光線的介質(zhì)，又作為敏感元件，被測(cè)量作用于光纖，使其內(nèi)部傳輸光線的特性發(fā)生變化，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得被測(cè)量信息。（2）非功能型（傳光型）光纖傳感器。如下圖b所示，光纖僅作為光線傳輸?shù)慕橘|(zhì)，利用其他敏感元件實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制。（3）拾光型光纖傳感器。如下圖c所示，光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子如輻射式光纖溫度傳感器、光纖多普勒速度計(jì)等。光源光電器件電信號(hào)光纖

19、被測(cè)對(duì)象光源光電器件電信號(hào)光纖被測(cè)對(duì)象敏感元件光電器件電信號(hào)被測(cè)對(duì)象光纖 a b c3-13 何謂霍爾效應(yīng)？用霍爾元件可以測(cè)量哪些物理量？答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)方向通以電流，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栐梢詼y(cè)量磁場(chǎng)、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。3-14 CCD固態(tài)圖像傳感器如何實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移過(guò)程，在工程測(cè)試中有哪些應(yīng)用？答：電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體以P型硅為例，金屬電極和硅襯底為電容器的兩極，為介質(zhì)，在金屬電極上加正向電壓G時(shí)，由此形成的電場(chǎng)穿過(guò)薄層，吸引硅中的電子在的

20、界面上，而排斥界面附近的空穴，因此形成一個(gè)表面帶負(fù)電荷，而里面沒(méi)有電子和空穴的耗盡層。與此同時(shí)，界面處的電勢(shì)發(fā)生相應(yīng)變化，若取硅襯底內(nèi)的電位為零，表面勢(shì)S的正值方向朝下，當(dāng)金屬電極上所加的電壓G超過(guò)MOS晶體上開(kāi)啟電壓時(shí)，界面可存儲(chǔ)電子。由于電子在那里勢(shì)阱較低，可以形象的說(shuō)，半導(dǎo)體表面形成了電子勢(shì)阱，當(dāng)光照射到CCD硅片表面時(shí)，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這是在柵極電壓的作用下，空穴被排斥出耗盡區(qū)而電子被收集在勢(shì)阱中，形成信號(hào)電荷存儲(chǔ)起來(lái)，如果G保持時(shí)間不長(zhǎng)，則在各個(gè)MOS電容器的勢(shì)阱中儲(chǔ)積的電荷取決于照射到該點(diǎn)的光強(qiáng)。電荷包的轉(zhuǎn)移：若MOS電容器之間排列足夠緊密，使得相鄰的M

21、OS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合，那么就可以使信號(hào)電荷在各個(gè)勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移，并盡可能的向表面勢(shì)S最大的位置堆積，因此，在各個(gè)柵極上加以不同幅值的正向脈沖，即可以改變他們對(duì)應(yīng)的MOS的表面勢(shì)，亦可以改變勢(shì)阱的深度，從而使信號(hào)電荷由淺阱向深阱自由移動(dòng)。CCD固態(tài)圖像傳感器在工程測(cè)試中的應(yīng)用：物位、尺寸、形狀、工件損傷的測(cè)量；作為光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié)，如電視攝像、傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別和圖像識(shí)別的輸入環(huán)節(jié)；自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程的控制敏感元件。思考題與習(xí)題4-1 在一懸臂梁的自由端同時(shí)作用和梁長(zhǎng)度方向一致的拉力F和垂直于梁長(zhǎng)度方向的力F1。試在靠近梁固定端處貼兩組應(yīng)變片，一組僅測(cè)力F，另一組僅測(cè)力F1，并且畫(huà)

22、出橋路。4-2為什么在動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀上除了設(shè)有電阻平衡旋鈕外，還設(shè)有電容平衡按鈕?答：為了調(diào)節(jié)分布電容用4-3用電阻應(yīng)變片接成全橋，測(cè)量某一構(gòu)件的應(yīng)變，已知其變化規(guī)律為如果電橋激勵(lì)電壓：試求此電橋的輸出信號(hào)頻譜。解：電橋輸出電壓，S為電阻應(yīng)變片的靈敏度；因?yàn)椋?，所以?-4已知調(diào)幅波xa(t)=(100+30cosWt+20cos3Wt)coswct，其中fc=10kHz，fW=500Hz。試求：1）xa(t)所包含的各分量的頻率及幅值；2）繪出調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波的頻譜。解：1）xa(t)=100coswct +15cos(wc-W)t+15cos(wc+W)t+10cos(wc-3W)t+10co

23、s(wc+3W)t各頻率分量的頻率/幅值分別為：10000Hz/100，9500Hz/15，10500Hz/15，8500Hz/10，11500Hz/10。2）調(diào)制信號(hào)x(t)=100+30cosWt+20cos3Wt，各分量頻率/幅值分別為：0Hz/100，500Hz/30，1500Hz/20。調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波的頻譜如圖所示。f0An(f)調(diào)制信號(hào)頻譜1500f8500An(f)9500100001150020301001001015105001510調(diào)幅波頻譜4-5 什么是調(diào)制和解調(diào)，調(diào)制和解調(diào)的作用是什么？答：所謂調(diào)制就是使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一信號(hào)的控制下而發(fā)生變化的過(guò)程。 從已調(diào)制

24、波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程，稱為解調(diào)。調(diào)制的主要作用：便于區(qū)分信號(hào)和噪聲，給測(cè)量信號(hào)賦予一定特征。調(diào)制的主要作用：已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)。4-8 圖4-18 所示電路，A1 、A2、 A3工作在理想狀態(tài)，R1=R2=100k，RG=10k，R3=R5=20k，R4=R6=60k，試求儀器放大器的差模增益。如果A2同相輸入端接地，電路的共模抑制能力是否降低？為什么？4-9 已知RC低通濾波器(圖4-28)，R1 k，C1F試求：1) 確定各函數(shù)式、。答：，2) 當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，求輸出信號(hào)，并比較其幅值及相位關(guān)系。,4-10 已知低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)式中，=0.05s，當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，求其輸出，并

25、比較與的幅值與相位有何區(qū)別。解：，4-11 可實(shí)現(xiàn)的典型濾波網(wǎng)絡(luò)有哪些，各有什么特點(diǎn)？低通、高通、帶通及帶阻濾波器各有什么特點(diǎn)?思考題與習(xí)題5-1 信號(hào)處理的目的是什么？信號(hào)處理有哪些主要方法？各個(gè)方法的主要內(nèi)容是什么？答：信號(hào)處理的目的是：1）分離信號(hào)和噪聲，提高信噪比；2）從信號(hào)中提取有用的特征信號(hào)；3）修正測(cè)試系統(tǒng)的某些誤差，如傳感器的線性誤差、溫度影響因素等。信號(hào)處理系統(tǒng)可用模擬信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬信號(hào)處理系統(tǒng)有一系列能實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)算的電路，諸如模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)組成。數(shù)字信號(hào)處理是用數(shù)字方法處理信號(hào)，它即可在通用計(jì)算機(jī)上通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用專

26、用信號(hào)處理機(jī)來(lái)完成。5-2 什么是采樣定理?它在信號(hào)處理過(guò)程中起何作用？采樣定理（也稱為奈奎斯特采樣定理或香農(nóng)采樣定理，對(duì)連續(xù)信號(hào)（也稱為模擬信號(hào)）進(jìn)行等間隔采樣形成采樣信號(hào)，采樣信號(hào)的頻譜是原連續(xù)信號(hào)的頻譜儀采樣頻率為周期進(jìn)行周期性的延拓而形成的。（2）設(shè)連續(xù)信號(hào)屬帶限信號(hào)，最高截止頻率為，如果采樣角頻率，那么讓采樣信號(hào)通過(guò)一個(gè)增益為，截至頻率為的理想低通濾波器，可以唯一地恢復(fù)出原連續(xù)信號(hào)。否則，如果，會(huì)造成采樣信號(hào)中的頻譜混疊現(xiàn)象，不可能無(wú)失真地恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。5-3 柵欄效應(yīng)對(duì)周期信號(hào)處理有何影響？如何避免？答：由于周期信號(hào)的頻譜是離散的，柵欄效應(yīng)會(huì)使周期信號(hào)的非采樣點(diǎn)上重要的信息被忽略

27、，從而丟失重要的或具有特征信息的頻率成分，導(dǎo)致整個(gè)信息處理失去意義，對(duì)周期信號(hào)處理，避免柵欄效應(yīng)的非常有效的措施是“整周期截取”。5-4求正弦信號(hào)的絕對(duì)值和均方根值。解：正弦信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為：，5-5求正弦信號(hào)的均值、均方值和概率密度函數(shù)。解：， 5-6考慮模擬信號(hào)(1) 確定避免混疊所需要的最小采樣率。答：F=100(2) 假設(shè)信號(hào)采樣率為Hz，求采樣后得到的離散時(shí)間信號(hào)。 答：(3) 假設(shè)信號(hào)的采樣率為Hz，求采樣后得到的離散時(shí)間信號(hào)。答：(4) 如果生成與（3）得到的相同樣本，相應(yīng)的信號(hào)頻率為多少？5-7 考慮模擬信號(hào)該信號(hào)的奈奎斯特率為多少？答：50Hz5-8 試述正弦波信號(hào)、正弦波

28、加隨機(jī)噪聲信號(hào)、窄帶隨機(jī)噪聲信號(hào)和寬帶隨機(jī)噪聲信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)。答：、單一頻率正弦信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)是同頻率的余弦函數(shù)，永不衰減； 、正弦波加隨機(jī)噪聲信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)具有明顯的周期性，并且在是都不衰減； 、窄帶隨機(jī)噪聲信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)具有緩慢的衰減性，為零； 、寬帶隨機(jī)噪聲信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)具有很快的衰減性，稍大時(shí)為零。5-9 相關(guān)分析和功率譜分析在工程上各有哪些應(yīng)用？答：應(yīng)用相關(guān)分析可以辨識(shí)不同類型的信號(hào)，有效地檢測(cè)出信號(hào)中有無(wú)周期成分、線性定位、和相關(guān)測(cè)速測(cè)距；還可以分析復(fù)雜信號(hào)的頻譜、在混有周期成分的信號(hào)中提取特定的頻率成分。功率譜分析可獲得系統(tǒng)的頻率結(jié)構(gòu)特性，測(cè)定系統(tǒng)的滯后時(shí)間，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷，對(duì)選擇機(jī)械振動(dòng)特性進(jìn)行檢測(cè)等。510 已知某信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，試求：（1）該信號(hào)的均值；（2）均方值；（3）功率譜。解：、由于為周期不衰減的余弦信號(hào)，則原信號(hào)應(yīng)為同頻率的正弦信號(hào)，即，根據(jù)信號(hào)均值得定義得：、根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知，信號(hào)的均方值為：信號(hào)的頻率為，根據(jù)自譜的定義得：511 已知某信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為（），求它的自譜。解：根據(jù)自譜的定義有：512 求信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，其中解：瞬態(tài)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)表示為：，513 信號(hào)由兩個(gè)頻率和相位均不相等的余弦函數(shù)疊加而成，其數(shù)學(xué)表達(dá)