機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課后答案講解

1、思考題與習(xí)題 0-1 舉例說明什么是測(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程。 0-2 以方框圖的形式說明測(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)理是把來自傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合傳輸

2、和處理的形式； 信號(hào)處理環(huán)節(jié)可對(duì)來自信號(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)該門課程？ 答：本課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，只有在學(xué)習(xí)過程中密切聯(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)

3、試工作的能力。 思考題與習(xí)題 1- 1 信號(hào)的分哪幾類以及特點(diǎn)是什么？ 、 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)。 、 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)。 、 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)（t） ？它有什么特性？如何求其頻譜？ 單位脈

4、沖函數(shù)的定義 在 時(shí)間內(nèi)矩形脈沖 t （或三角形脈沖及其他形狀脈沖）的面積為1，當(dāng) 0 時(shí)， t 的極限 lim t ， 稱為 函數(shù)。 函數(shù)用標(biāo)有“ 1”的箭頭表示。顯然 t 的函數(shù)值和面積（通常表示能量或強(qiáng)度）分別為： t0 t lim t 0 0 t 0 t dtlim t dt lim0 t dt 1 0 0 t 函數(shù)的性質(zhì) 積分篩選特性。 當(dāng)單位脈沖函數(shù) t 與一個(gè)在 t=0 處連續(xù)且有界的信號(hào) x t 相乘時(shí)，其積的積分只有在 t=0 處得到 x 0 ，其余 各點(diǎn)乘積及積分均為零，從而有： t x t dt t x 0 dt x 0t dt x 0 這就表明，當(dāng)連續(xù)時(shí)間函數(shù) x t

5、與單位沖激信號(hào) t 或者 t t0 相乘，并在 ,時(shí)間內(nèi)積分， 可得到 x t 在 t=0 點(diǎn)的函數(shù)值 x 0 或者 t t0 點(diǎn)的函數(shù)值 x t0 ，即篩選出 x 0 或者 x t0 。 沖擊函數(shù)是偶函數(shù)，即 t t 。 乘積（抽樣）特性： 若函數(shù) x t 在t t0 處連續(xù)，則有 x t t t0 x t0 t t0 卷積特性： 任何連續(xù)信號(hào) x t 與 t 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) x t ，即 x t *tx t d x t 同理，對(duì)于時(shí)延單位脈沖 t t0 ，有 xt* t t0 x t t0 d x t t0 可見，信號(hào) x t 和 t t0 函數(shù)卷積的幾

6、何意義，就是使信號(hào) x t 延遲 t0 脈沖時(shí)間。 t 函數(shù)的頻譜 單位脈沖信號(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)間無限短， 幅度為無限大的單位 沖擊信號(hào)，在頻域卻分解為無限寬度頻率范圍內(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： x t sin2f0t j e j2

7、f0t ej2 f0t 2 X f2j f f0 f f0 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： 0t0 t 0,a 0 x t e at 單邊指數(shù)信號(hào)頻譜為： X x t e jtdt e ate jtdt e j a t 0 幅度和相位分別為： X a2 2 arctan a 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 at x t e at ，其中 a 為正實(shí)數(shù)，傅立葉變換為： e at e jwtdt ea jw tdt e a jw dt 1 a j a j 2a a2 2 雙

8、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 X 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： 2 44,724,500,600 2 22,362, 250,300 11,181,125,150 而： 1 2sin 0.5 0 ，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)

9、式。 2 2 解：已知幅值 A=2, 頻率 00.5 而在 t=0 時(shí)， x1 ,將上述參數(shù)代人一般表達(dá)式 x t A sin 0t 0 T4 得： 1 2sin 0.5 0 ， 030 。 所以： 1 sin 0tj 1 e j0t ej0t 2 2T 1-7 求正弦信號(hào) x(t) Asin( t )的單邊、雙邊頻譜，如果該信號(hào)延時(shí)后，其頻譜如何變化？ a 所示。雙邊頻譜圖如圖 b 所示。信 解：0 2，sin0t j1 e j0t ej0t 所以可得正弦信號(hào)單邊頻譜圖，如圖 T2 號(hào)延時(shí) T 4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) cos 0t 的傅

10、里葉變換。 tT tT 1-9 求指數(shù)衰減振蕩信號(hào) X jfWR jf X1 jf 2T0 sinC 2 fT0 1 f f0f T0 sinC2 f f0 T0 sinC2 f f0 0 的頻譜。 解： cos x(t) 0 解：令R(t)1 t T0 R 0 t T0 x1 t cos 0t 即 x t R t x1 t 而 R tWR jf 2T0 sinC 2 fT0 1 x1 tX1 jf 2 f f0 f f0 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： R t x1 tWR jfX1 jf 所以： X jf WR jf X1 jf 1 2T0 sin C 2 fT0

11、 2 f f0f f0 T0 sinC2 f f0 T0 sinC2 f f0 思考題與習(xí)題 2- 1. 答：（1）線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)： 疊加性是指當(dāng)幾個(gè)激勵(lì)同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí)，其響應(yīng)等于每個(gè)激勵(lì)單獨(dú)作用于系統(tǒng)的響應(yīng)之和。 比例特性又稱齊次性，是指激勵(lì)擴(kuò)大了 k 倍，則響應(yīng)也擴(kuò)大 k 倍。 微分特性線性系統(tǒng)對(duì)輸入導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)等于對(duì)該輸入響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)。 積分特性若線性系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零(即當(dāng)輸入為零時(shí)，其輸出也為零 ) ，則對(duì)輸入積分的響應(yīng)等于對(duì)該輸入響應(yīng) 的積分。 頻率保持特性若線性系統(tǒng)的輸入是某一頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)，則其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)必是同一頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)。 (2) 這是因?yàn)槟壳疤幚砭€性系統(tǒng)及其問題的數(shù)學(xué)理

12、論較為完善，而對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)試中的非線性校正還比較困難。雖然實(shí) 際的測(cè)試系統(tǒng)不是一種完全的線性系統(tǒng)，但在一定的工作頻段上和一定的誤差允許范圍內(nèi)均可視為線性系統(tǒng)，因此研 究線性系統(tǒng)具有普遍性。 2- 2 答： 測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)特性的主要參數(shù)有靈敏度、線性度、回程誤差、量程、精確度、分辨力、重復(fù)性、漂移、穩(wěn) 定性等。 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性指輸入量隨著時(shí)間變化時(shí)，其輸出隨著輸入而變化的關(guān)系。主要分析方法有時(shí)域微分方程、 傳遞函數(shù)、頻響函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)。 3. 答： 傳遞函數(shù)：若系統(tǒng)的初始條件為零，定義為輸出量與輸入量的拉普拉斯變換之比。 頻率響應(yīng)函數(shù)：是測(cè)量系統(tǒng)輸出信號(hào)的傅立葉變換與輸入信號(hào)的傅立葉變換之比

13、。 脈沖響應(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)，也稱為權(quán)函數(shù)。 脈沖響應(yīng)函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)、傳遞函數(shù)的關(guān)系： 輸入 x(t ) 、輸出 y(t) 與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù) h(t )三者之間的關(guān)系為 y(t) x(t) h(t) 上式兩邊同取傅里葉變換，可得 Y(j ) X(j )H(j ) (2.17) 如果將 s j 代人上式，可得 Y(s) H(s)X(s) (2.18) 也就是說，脈沖響應(yīng)函數(shù) h(t) 與頻率響應(yīng)函數(shù) H(j ) 之間是傅里葉變換和逆變換的關(guān)系，與傳遞函數(shù)H(s) 之間是拉普拉斯變換和拉普拉斯逆變 換的關(guān)系。 4答： 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)任意輸入的響應(yīng)，是輸

14、入與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積。 5答： 時(shí)域內(nèi)不失真測(cè)試條件 時(shí)間上滯后 t0 。 6答：頻域內(nèi)不失真測(cè)試條件 y(t) x(t) h(t) y(t) A0 x(t t0 ) ，測(cè)試系統(tǒng)的輸出波形精確地與輸入波形相似，只是幅值擴(kuò)大A0 倍， A( ) A0 常數(shù) ， ( ) t0 即幅頻特性曲線是一條平行于 軸的直線，相頻特性 曲線是斜率為 的直線。 7. 解： 系統(tǒng)總的靈敏度 S = 10pC Mpa 8mV pC25mm/V = 2 mm Mpa 偏移量 y = 8 Mpa2 mm Mpa = 16mm 8. 解： 零階系統(tǒng)比例環(huán)節(jié)H1(s) =7.3 H2 (s) 2 1.5s 2 H (

15、s) 3.3 n2 H 3 (s) 2 2 3s2 2 nsn2 一階系統(tǒng)慣性系統(tǒng) 二階系統(tǒng)振蕩環(huán)節(jié) 系統(tǒng)總的傳遞函數(shù) H (s) H1(s)H2(s)H 3(s) 7.3 6 1.5s 2 2 s s n2 2 3.3 n2 2 72.3 n2 (0.75s 1)(s2 2 nsn2 ) 總的靜態(tài)靈敏度S = 72.3 9. 解： 頻響函數(shù) H( j ) 1 1 0.05j 幅頻特性 1 A( ) 2 1 (0.05 )2 相頻特性 ( ) arctan(0.05 ) 代入輸入信號(hào)的頻率： A(10) 0.8944, (10) 26.6 ; A(100) 0.1961, (100) 78.7

16、 穩(wěn)態(tài)輸出 y(t) 2A(10)cos 10t (10) A(100)cos 100t 30 (100) 1.789cos(10t 26.6 ) 0.1961cos(100t 108.7 ) 11. 解： 一階裝置的頻響函數(shù)為 H( j ) 1 1 0.0005j 幅頻特性 A( ) 1 1 (0.0005 )2 1 1 0.0T01 2 10. 解：根據(jù)穩(wěn)態(tài)輸出 y(t) 10sin(30 t 45 )可知30則 幅頻特性 1 A(30) 0.3163 1 0.01 2 相頻特性 (30) arctan(0.1 ) 71.6 該裝置的輸入信號(hào)為 x(t) 31.6sin(30 t 26.6

17、 ) ( 1)限制振幅誤差在 5以內(nèi)， A( ) 0.95，由幅頻特性求出 f=104.6HZ (2)T=0.02s, A( ) 0.988 , 即AY 0.988AX ，幅值誤差為 1.2% 12 解： (1) 系統(tǒng)微分方程md y2(t) C dy(t) ky(t) x(t) dt2dt (2) 當(dāng)初始條件全為零時(shí)，對(duì)兩邊取拉氏變換，有 2 (ms2 Cs k)Y(s) X(s) 則二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 H (s) Y(s) X(s) 1 ms2 Cs k 2 n s2 2 nsn2 式中固有頻率 (rad /s) n k ， nm 阻尼比 C ，靜態(tài)靈敏度 2 mk S k* 1 頻率響

18、應(yīng)函數(shù) H( j ) 幅頻特性 2 ( ) 相頻特性 ( ) arctan n 2 1 ( )2 n (3)二階系統(tǒng)阻尼比多采用 近“穩(wěn)態(tài)”的調(diào)整時(shí)間也最短， 0.6 0.8的原因是最大超調(diào)量將不超過 2.5 10，其以允許 5 2的誤差而趨 即超調(diào)量適度，響應(yīng)時(shí)間較短。 ( 4)對(duì)于二階系統(tǒng)來說，當(dāng) (2.5 3) n時(shí)，其頻率特性受阻尼比的影響較小。當(dāng) (2.5 3) n 時(shí)， ( ) 180 ，此時(shí)可以通過 在實(shí)際測(cè)試電路中采用反相器或在數(shù)據(jù)處理時(shí)減去固定的 180 相差的辦法，使其相頻特性滿足不失真測(cè)試的條件，但 此時(shí) A( )值較小，如果需要可提高增益。在阻尼比上，一般取 0.6 0

19、.8 。二階系統(tǒng)具有良好的綜合性能，例如當(dāng) 0.7時(shí)，在 0 0.58 n的帶寬內(nèi)， A( )接近常數(shù) (變化不超過 5)， ( )接近直線，基本滿足不失真條件。 思考題與習(xí)題 3- 1 傳感器主要包括哪幾部分？試舉例說明。 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)換元件，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。基本電路則是完 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)舉例說明結(jié)構(gòu)型傳感器與物性型傳感器

20、的區(qū)別。 答：結(jié)構(gòu)型傳感器主要是通過傳感器結(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)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(見圖 3-105)，其靈敏度 S0=2， R=120，設(shè)

21、工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?1000，問 R=？設(shè)將此應(yīng)變 片接成圖中所示的電路，試求： 1)無應(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：根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式 R/ R=Sg 得 R=Sg R=2 1000 10-6 120=0.24 1) I 1=1.5/ R=1.5/120=0.0125A=12.5mA 2) I 2=1.5/( R+ R)=1.5/(120+0.24) 0.012475A=12.475mA 3) =(I2-I 1)/ I1 100%=0.2% 4) 電流變化量太小，很難從電流表中讀出。如果采用高靈敏度小量程的微安表，則量程不夠，無法 測(cè)量

22、12.5mA 的電流；如果采用毫安表，無法分辨 0.025mA的電流變化。一般需要電橋來測(cè)量，將無應(yīng) 并可根據(jù)需要采用放大器放大。 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？ 答 1）

23、 0 A 0 A 0 A 0 A C2 0 0 0（ 0 ） 0 8.85 10 12 1 （4 10 3）2（ 1 10 6） 32 （0.3 10 3）2 15 3 4.94 10 15F 4.94 10 3pF -3 2） B=S1S2 C=100 5 （ 4.94 10-3） 2.47 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。 答： 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

24、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 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

25、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)體相同，則無論兩接點(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

26、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

27、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。 光纖 被測(cè)對(duì)象 c （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。 3-13 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)。 霍爾元件可以測(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

28、電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移過程，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， SiO2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 SiO2 薄層，吸引硅中的電子 在 Si SiO2 的界面上，而排斥 Si SiO2 界面附近的空穴，因此形成一個(gè)表面帶負(fù)電荷，而里面沒有電子和空穴的耗 盡層。與此同時(shí)， Si SiO2 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 MOS 晶體上開啟電壓時(shí)， Si SiO2 界面

29、可存儲(chǔ)電子。 由于電子 在那里勢(shì)阱較低，可以形象的說，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，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MOS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

30、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，并且畫出橋路。 答： 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

31、的應(yīng)變，已知其變化規(guī)律為 （t） A cos10t b cos100t 如果電橋激勵(lì)電壓： u0 E sin10000 t 試求此電橋的輸出信號(hào)頻譜。 解：電橋輸出電壓 0 S t i SE A cos10t B cos100t sin10000t ，S 為電阻應(yīng)變片的靈敏度； 11 因?yàn)椋?sin2f0tj ff0ff0， cos2f0tff0f f0 ，所以： SAE U0 f S f *U i f f 1593.14 f 1589.96 f 1593.14 f 1589.96 SBEj f 1607.46 f 11575.63 f 1607.46 f 11575.63 f f0 ，其中

32、1 4-4 已知調(diào)幅波 cos2 f0tfc 3f1 fc =10kHz ， f =500Hz 試求： (1) xa (t )所包含的各分量的頻率及幅值 答： 1)因?yàn)?cos2 f0t 1 12 f f0f f0 ，所以調(diào)幅波包含各分量頻率為： f1、fc 3f1 、 fc 3f1，則 10000HZ,10500HZ,9500HZ,11500HZ,8500HZ, 對(duì)應(yīng)的幅值分別為 50、7.5、7.5、5、5.。 (2)繪出調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波的頻譜。 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)生變化的過程。 從已調(diào)制波中恢復(fù)

33、出調(diào)制信號(hào)的過程，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- 6 常用的調(diào)幅電路有哪些？相應(yīng)的解調(diào)電路是什么？ 二極管調(diào)幅電路和晶體管基極調(diào)幅、發(fā)射極調(diào)幅及集電極調(diào)幅電路等 。 1、基極調(diào)幅電路 晶體管基極調(diào)幅電路，載波信號(hào)經(jīng)過高頻變壓器 T1 加到 BG 的基極上，低頻調(diào)制信號(hào)通過一個(gè)電感線圈 L 與高頻載波 串聯(lián)， C2為高頻旁路電容器， C1為低頻旁路電容器， R1與 R2為偏置的分壓器，由于晶體管的 ic=f(ube)關(guān)系曲線的非線性 作用，集電極電流 ic 含有各種諧波分量，通過集電極調(diào)諧回路把其中調(diào)幅波

34、選取出來， 基極調(diào)幅電路的優(yōu)點(diǎn)是要求低頻調(diào)制 信號(hào)功率小，因而低頻放大器比較簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是工作于欠壓狀態(tài)，集電極效率較低，不能充分利用直流電源的能量。 2、發(fā)射極調(diào)幅電路 發(fā)射極調(diào)幅電路，其原理與基極調(diào)幅類似，因?yàn)榧拥交鶚O和發(fā)射極之間的電壓為 1 伏左右，而集電極電 源電壓有十幾伏至幾十伏，調(diào)制電壓對(duì)集電極電路的影響可忽略不計(jì)，因此射極調(diào)幅與基極調(diào)幅的工作原理和特性相似。 3、集電極調(diào)幅電路 低頻調(diào)制信號(hào)從集電極引入，由于它工作于過壓狀態(tài)下，故效率較高但調(diào)制特性的非線性失真較嚴(yán)重，為了改善調(diào)制特 性，可在電路中引入非線性補(bǔ)嘗措施，使輸入端激勵(lì)電壓隨集電極電源電壓而變化，例如當(dāng)集電極電源電壓降低

35、時(shí)，激勵(lì)電 壓幅度隨之減小，不會(huì)進(jìn)入強(qiáng)壓狀態(tài)；反之，當(dāng)集電極電源電壓提高時(shí)，它又隨之增加，不會(huì)進(jìn)入欠壓區(qū)，因此，調(diào)幅器始 終工作在弱過壓或臨界狀態(tài)，既可以改善調(diào)制特性，又可以有較高的效率，實(shí)現(xiàn)這一措施的電路稱為雙重集電極調(diào)幅電路。 4- 7 常用的調(diào)頻電路有哪些？相應(yīng)的解調(diào)電路是什么？ 4- 8 圖 4-18 所示電路， A1 、A 2、 A 3工作在理想狀態(tài)， R1=R 2=100k ，RG=10k ，R3=R5=20k ，R4=R 6=60k ， 試求儀器放大器的差模增益。如果A 2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)， R

36、 1 k ，C1 F試求： 10 3 w 1) 確定各函數(shù)式 H(s)、A(w) 6 、 A( )、 ( )。 1 10 6w 答： H(s) 1 110 3s ， H ( jw) 1 101 3 jw ， A(w) 11010w6w 2) 當(dāng)輸入信號(hào) ux 10sin1000 t 時(shí)，求輸出信號(hào) uy ，并比較其幅值及相位關(guān)系。 uy 10 2 sin(1000t) , A 4-10 已知低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù) H( ) 1j 式中， =0.05s，當(dāng)輸入信號(hào) y t 0.5 0.894cos 10t 26.56 0.2 0.196cos 100t 45 78.7 0.447cos 10t

37、 25.56 0.0392cos 100t 123.7 時(shí)，求其輸出 y(t) ，并比較 x(t) 與 y(t) 的幅值與相位有何區(qū)別。 解： H f ， f arctan2 ft ， f1 1 4 2 f 2 10 2 f2 100 2 A1 f1 0.894 ， 2 A2 f2 0.196 10 100 1 f1arctan 2 10 0.05 26.56 ， 2 f2arctan 2 100 0.05 78.7 22 y t 0.5 0.894cos 10t 26.56 0.2 0.196cos 100t 45 78.7 0.447cos 10t 25.56 0.0392cos 100t

38、 123.7 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 3)修正測(cè)試系統(tǒng) 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) 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)上通過程序來實(shí)現(xiàn)，也可以用專用

39、信號(hào)處理機(jī)來完成。 5- 2 什么是采樣定理 ?它在信號(hào)處理過程中起何作用？ 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) xa(t) 屬帶限信號(hào)，最高截止頻率為c ，如果采樣角頻率 s 2 c ，那么讓采樣信號(hào) x?a(t) 通 xa(t) 。否則，如果 過一個(gè)增益為 T ，截至頻率為 s 2 的理想低通濾波器，可以唯一地恢復(fù)出原連續(xù)信號(hào) 11 RxRx1Rx2 A12 2 cos 1 2 cos 2 2 會(huì)造成采樣信號(hào)中的頻譜混疊現(xiàn)象，不可

40、能無失真地恢 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，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) x t x0 sin wt的絕對(duì)值 x 和均方根值 xrms 。 解：正弦信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為： 1T RxTlim T1 0 x t x t dt 2 x02 cos 2 xRx 020 ， 2 5-5 求正弦信號(hào) x t x0 sin wt的均值 x 、均方值 x 和概率密度函數(shù)

41、 p x 。 解： 2 1 T x 2 1 T Rxlim 0 x t x t dt 0 cos ， xx0 sin( t )dt 2 Rx 0 x20 5-6 考慮模擬信號(hào) xa (t) 3cos100 t (1) 確定避免混疊所需要的最小采樣率。 答： F=100 答： xa (nTs ) 3cos(100 n 1 ) 3cos( n ) 200 2 (2) 假設(shè)信號(hào)采樣率為 Fs 200 Hz，求采樣后得到的離散時(shí)間信號(hào)。 (3) 假設(shè)信號(hào)的采樣率為 Fs 75Hz，求采樣后得到的離散時(shí)間信號(hào)。 答： xa (nTs) 3cos(100 n 1 4n 2 2n ) 3cos( ) 3co

42、s(2 )n 3cos( 75 3 3 3 (4) 如果生成與( 3)得到的相同樣本，相應(yīng)的信號(hào)頻率 0 F Fs / 2為多少？ FfFs 75f c)中的正弦信號(hào)的頻率是 f 1/ 3 。因此 F 25HZ 顯然 正弦信號(hào) ya(t) 3cos(2 Ft) 3cos(50 t) Fs 75H Z時(shí)，頻率 Fs 50HZ 是頻率 以 Fs 75H Z 的采樣頻率采樣可生成相同的樣本。因此，在采樣率為 12 Fs 25HZ 混疊。 5- 7 考慮模擬信號(hào) xa(t) 3cos50 t 10sin 300 t cos100 t 該信號(hào)的奈奎斯特率為多少？ 答： 50Hz 5- 8 試述正弦波信號(hào)

43、、正弦波加隨機(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) R( ) 100cos100 ，試求：(