檢測傳感技術(shù)期末復(fù)習(xí)題參考答案

1、中國石油大學(xué)（北京）遠(yuǎn)程教育學(xué)院檢測傳感技術(shù)期末復(fù)習(xí)題參考答案一、填空題（本題共計40分，每一填空計2分）1. 一個完整的測試系統(tǒng)由激勵裝置、傳感器、信號調(diào)理、信號處理、顯示記錄等五個基本環(huán)節(jié)組成。2. 在測試系統(tǒng)中，激勵裝置的功能是激發(fā)隱含的被測信息；傳感器的功能是將被測信息轉(zhuǎn)換成其他信息；信號調(diào)理環(huán)節(jié)的功能是將傳感器獲得的信息轉(zhuǎn)換成更適合于進(jìn)一步傳輸和處理的形式；信號處理環(huán)節(jié)的功能是對來自信號調(diào)理環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行各種處理和分析；顯示記錄環(huán)節(jié)的功能是顯示或存儲測試的結(jié)果。3. 不失真測試即測試系統(tǒng)的輸出要真實(shí)地反映其輸入的變化。為實(shí)現(xiàn)不失真測試，系統(tǒng)頻率響應(yīng)需要滿足的條件是：幅頻特性為常數(shù)；相

2、頻特性呈線性。對系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的要求是：瞬態(tài)誤差??；調(diào)整時間短。4. 測試信號的時域特征參數(shù)主要有均值、方差和均方值。5. 信號的均值反映隨機(jī)信號變化的中心趨勢；信號的方差反映隨機(jī)信號在均值附近的分布狀況；信號的均方值反映隨機(jī)信號的強(qiáng)度。6. 任何周期信號均可分解為一系列頻率比為有理數(shù)的簡諧信號, 其頻譜特性包括離散性、諧波性、收斂性。7. 頻率單一的正弦或余弦信號稱為諧波信號。一般周期信號由一系列頻率比為有理數(shù)的諧波信號疊加而成。8. 周期信號的頻譜特性：離散性即各次諧波分量在頻率軸上取離散值；諧波性即各次諧波分量的頻率為基頻的整倍數(shù)；收斂性即各次諧波分量隨頻率的增加而衰減。9. 瞬態(tài)信號是在

3、有限時間段存在，屬于能量有限信號。10. 瞬態(tài)信號的頻譜為連續(xù)譜,其幅值頻譜的量綱為單位頻寬上的幅值，即幅值頻譜密度函數(shù)。11. 一階測試系統(tǒng)的基本參數(shù)是時間常數(shù)。根據(jù)對測試系統(tǒng)的基本要求及一階測試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和單位階躍響應(yīng)，一階測試系統(tǒng)的基本參數(shù)的選取原則是時間常數(shù)小。12. 二階測試系統(tǒng)的基本參數(shù)是固有頻率和阻尼比。13. 金屬絲應(yīng)變片依據(jù)應(yīng)變效應(yīng)工作；半導(dǎo)體應(yīng)變片依據(jù)壓阻效應(yīng)工作。14. 壓力傳感器由彈性敏感元件和機(jī)電轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。15. 測量傳感器的動態(tài)特性的實(shí)驗方法包括頻率響應(yīng)法和時間響應(yīng)法。16. 基于彈性元件受力產(chǎn)生變形實(shí)現(xiàn)檢測的力傳感器為二階測試系統(tǒng)。為保證不失真測試，

4、要求傳感器的固有頻率遠(yuǎn)大于被測力參數(shù)的工作頻率。17. 線性系統(tǒng)的頻率保持性即若對線性系統(tǒng)的輸入為某一頻率的簡諧信號，則其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)必是同一頻率的簡諧信號。 18. 系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)測試中，穩(wěn)態(tài)正弦激勵方式的依據(jù)是線性系統(tǒng)的頻率保持性，其特點(diǎn)是測試周期長，其原因在于在每個測試頻率處，只有當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)才能進(jìn)行測試。二、解釋題（本題共計12分，每小題4分）1. 物性型傳感器答：依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)在被測量作用下的變化來實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的傳感器，如應(yīng)變式、壓電式、壓阻式傳感器。2. 結(jié)構(gòu)型傳感器答：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)在被測量作用下的變化而實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，如變間隙電感式傳感器、變面積電容式傳感器

5、、動圈式磁電速度傳感器。3. 能量轉(zhuǎn)換型傳感器答：直接由被測對象輸入能量使其工作的傳感器。如：熱電偶傳感器測溫、磁電式速度傳感器測速。4. 能量控制型傳感器答：從外部供給輔助能量使其工作，并由被測量來控制外部供給能量的變化。如：應(yīng)變、電容、電感式傳感器測試中采用電橋測試電路。5. 應(yīng)變效應(yīng)答：金屬材料受載變形，軸向伸長，截面縮小，使其電阻值發(fā)生變化。6. 壓阻效應(yīng)答：半導(dǎo)體材料在受載變形的同時，應(yīng)力引起晶格變化使電阻率變化，從而使其電阻值發(fā)生變化。7. 壓電效應(yīng)答：壓電材料如石英、鈦酸鋇等，受力變形，內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場。8. 相關(guān)濾波答：當(dāng)對一個線性系統(tǒng)施加激勵時，響應(yīng)信號往

6、往含有大量的噪聲干擾；根據(jù)線性系統(tǒng)的頻率保持性，只有和激勵力頻率相同的成分才是由激勵引起的響應(yīng)。因此將激勵信號與包含噪聲的被測響應(yīng)信號做互相關(guān)分析，依據(jù)周期信號的互相關(guān)的同頻相關(guān)不同頻不相關(guān)的性質(zhì)，可從噪聲背景下提取由激勵引起的響應(yīng)信號，所提取的信號具有包括頻率、相位的完整信息。9. 線性系統(tǒng)的頻率保持性答：若線性系統(tǒng)的輸入為某一頻率的簡諧信號，則其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)必是同一頻率的簡諧信號，即： 輸入：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：三、簡答題（本題共計18分，每小題6分）1. 一階測試系統(tǒng)的基本參數(shù)是什么？根據(jù)對測試系統(tǒng)的基本要求及一階測試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和時間響應(yīng)說明一階測試系統(tǒng)的基本參數(shù)的選取原則。答：一階測試系統(tǒng)的基本

7、參數(shù)為時間常數(shù)。滿足不失真測試的頻率響應(yīng)條件：幅頻特性為常數(shù)，相頻特性呈線性；滿足不失真測試的時間響應(yīng)的要求是：瞬態(tài)誤差小，調(diào)整時間短。一階測試系統(tǒng)當(dāng)小時，通頻帶寬，（轉(zhuǎn)折頻率）； 響應(yīng)快（4時瞬態(tài)誤差2%）因而，一階測試系統(tǒng)的基本參數(shù)的選取原則是時間常數(shù)小。2. 二階測試系統(tǒng)的基本參數(shù)是什么？根據(jù)對測試系統(tǒng)的基本要求及二階測試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和時間響應(yīng)特征說明為何稱為二階測試系統(tǒng)的最佳阻尼比？答：二階測試系統(tǒng)的基本參數(shù)為固有頻率、阻尼比。滿足不失真測試的頻率響應(yīng)條件：幅頻特性為常數(shù)，相頻特性呈線性；滿足不失真測試的時間響應(yīng)的要求是：瞬態(tài)誤差小，調(diào)整時間短。二階測試系統(tǒng)當(dāng)時，通頻帶寬，在的帶寬內(nèi)

8、，幅頻特性基本為常數(shù)，相頻特性基本呈線性；同時，時間響應(yīng)的最大超調(diào)量小且調(diào)整時間短。因而，二階測試系統(tǒng)當(dāng)時具有較好的綜合特性。3. 為保證霍爾式位移傳感器的輸出電動勢與位移成正比關(guān)系，其設(shè)計關(guān)鍵是什么？答：霍爾式位移傳感器基于磁場強(qiáng)度變化引起霍爾電勢變化工作。要保證霍爾式位移傳感器的輸出電動勢與被測位移成正比（線性）關(guān)系，其關(guān)鍵在于建立一個梯度磁場。磁場梯度均勻，輸出線性度就好；磁場梯度越大，則靈敏度越高。4. 從工作原理上說明：為何動圈式磁電傳感器只能用于動態(tài)測試？答：動圈式磁電傳感器的工作原理是依靠線圈與磁鐵間的相對運(yùn)動，使線圈切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；即在線圈兩端輸出與相對運(yùn)動速度成正

9、比的感應(yīng)電動勢實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。因而需線圈與磁鐵間的相對運(yùn)動，只能用于動態(tài)測試。5. 在數(shù)字信號處理的采樣過程中為何需要滿足采樣定理？采樣定理如何表示？ 答：采樣過程：即在頻域?qū)⑿盘栴l譜搬移到以采樣頻率為周期的各頻率位置上，當(dāng)時發(fā)生頻率混疊。所以，需滿足采樣定理：1）信號帶寬有限2）6以截斷余弦信號為例，說明對測試信號的有限截斷過程為什么會造成能量泄漏？答：截斷即用有限矩形窗截取原信號，即截斷過程：以截斷余弦信號為例：有限截斷過程使余弦信號的頻譜由原來在處的集中能量變?yōu)樾问降姆植寄芰?。這一分布能量表現(xiàn)為一部分能量以主瓣加寬的形式向原有頻率的近旁分散，而另一部分能量則以無限旁瓣的形式分散到整個頻率域。因

10、此，信號一經(jīng)截斷必然導(dǎo)致其能量在頻域的分布擴(kuò)展，即造成信號的能量泄漏。7. 說明傳感器動態(tài)標(biāo)定的含義，通常采用哪兩種實(shí)驗方法測量傳感器的動態(tài)特性（頻率響應(yīng)特性和時間響應(yīng)特性）？答：動態(tài)標(biāo)定即通過實(shí)驗得到傳感器動態(tài)特性指標(biāo)的具體數(shù)值；頻率響應(yīng)法：測試傳感器對簡諧信號輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)即傳感器的頻率響應(yīng)特性；時間響應(yīng)法：測試傳感器對階躍信號輸入的響應(yīng)即傳感器的時間響應(yīng)特性。8. 比較系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)測試中穩(wěn)態(tài)正弦激勵方式與脈沖激勵方式各自的特點(diǎn)。答：穩(wěn)態(tài)正弦激勵：測試周期長，需儀器復(fù)雜；脈沖激勵：測試周期短，脈沖錘，需帶力傳感器以測出實(shí)際激勵力。9. 試根據(jù)調(diào)幅過程的特性說明應(yīng)變片工作上限頻率應(yīng)在電橋

11、激勵電壓頻率的以下。答：調(diào)幅過程即測試信號與高頻信號（載波）相乘，在頻域?qū)⑿盘栴l譜搬移到高頻信號頻率位置上，以實(shí)現(xiàn)頻譜搬移：若信號最高頻率為，當(dāng)時發(fā)生頻率混疊；若測試信號上限頻率為，應(yīng)保證。一般。四、綜合題（本題共計30分，每小題10分）1. 某一階傳感器的時間常數(shù)為0.3s，其轉(zhuǎn)折頻率為多少？用它測試周期為2s的簡諧信號時，幅值誤差將是多少？ 一階系統(tǒng)的幅頻特性為：計算：得轉(zhuǎn)折頻率：幅值：幅值誤差：1-0.728=0.272=27.2%2. 某二階傳感器的固有頻率為30KHz，阻尼比為0.7，用它測試頻率小于18KHz這一頻率段的信號時，幅值誤差最大不超過多少？ 二階系統(tǒng)的幅頻特性為：計算：

12、得：誤差：1-0.95=0.05=5%3. 懸臂梁在懸臂端同時承受軸向和橫向載荷。簡要說明當(dāng)用應(yīng)變方式測取橫向載荷時（要求消除軸向載荷的影響并獲得最大靈敏度）如何布片和接橋？答：根據(jù)電橋和差特性，在梁固定端附近的上下表面各對稱貼兩片應(yīng)變片，按上、下、上、下方式組成全橋。4. 懸臂梁在懸臂端同時承受軸向和橫向載荷。分析當(dāng)用應(yīng)變方式測取軸向載荷時（要求消除橫向載荷的影響并獲得最大靈敏度）如何布片和接橋？答：根據(jù)電橋和差特性，在梁上下表面各貼一片應(yīng)變片，按對臂方式組成半橋。5. 壓力傳感器由哪兩部分組成？說明在動態(tài)壓力測試時為何常選用壓阻式和壓電式傳感器？答：壓力傳感器由彈性敏感元件和機(jī)電轉(zhuǎn)換元件兩

13、部分組成?；趶椥悦舾性惺軌毫Ξa(chǎn)生變形而實(shí)現(xiàn)檢測的壓力傳感器為二階測試系統(tǒng)；為保證不失真測試，要求傳感器的固有頻率遠(yuǎn)大于被測壓力參數(shù)的工作頻率。動態(tài)壓力往往頻率范圍較寬，宜選用動態(tài)特性好（固有頻率高）的壓力傳感器。壓電式和壓阻式傳感器為物性型傳感器，其基體本身為彈性敏感元件，具有較高的剛度，因而其固有頻率高。適合對頻譜較寬的動態(tài)壓力進(jìn)行測試。6. 說明為何在動態(tài)力測量中常采用壓電式測力傳感器？壓電式測力傳感器能否用于靜態(tài)力或準(zhǔn)靜態(tài)力測試，需要什么條件？答：基于彈性元件受力產(chǎn)生的變形實(shí)現(xiàn)檢測的力傳感器為二階系統(tǒng)，為保證不失真測試，要求傳感器的固有頻率遠(yuǎn)大于被測力參數(shù)的工作頻率。壓電式力傳感器

14、固有頻率高，適于動態(tài)測試。由壓電式幅頻特性可知：當(dāng)用于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)力測試時，需提高時間常數(shù)，通常是提高負(fù)載輸入阻抗。7. 試根據(jù)按絕對（慣性）式測振傳感器原理工作的壓電式加速度傳感器的頻譜特性分析其最佳工作頻率范圍及影響因素。答：壓電式加速度傳感器為二次變換：質(zhì)量塊對殼體的相對位移反映被測振動加速度；壓電元件將此相對位移轉(zhuǎn)換為電荷的輸出。后一環(huán)節(jié)為比例環(huán)節(jié)，故主要決定于前一環(huán)節(jié)即絕對式加速度傳感器的特性：固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于被測對象的振動頻率；選擇適當(dāng)?shù)淖枘岜?，可擴(kuò)大測量上限頻率。壓電式加速度傳感器固有頻率可以很高，使可測頻率上限提高；適當(dāng)選擇阻尼比還可擴(kuò)大測量上限頻率。因而，壓電式加速度傳感器具有較寬的工作頻率范圍。傳感器安裝方式對可測頻率上限有影響，應(yīng)盡量保證剛性安裝；下限頻率取決于所采用的測量電路的阻抗特性。8. 為什么在線性系統(tǒng)