檢測(cè)傳感技術(shù)期末復(fù)習(xí)題參考答案

1、中國(guó)石油大學(xué)（北京）遠(yuǎn)程教育學(xué)院檢測(cè)傳感技術(shù)期末復(fù)習(xí)題參考答案一、填空題（本題共計(jì) 40分，每一填空計(jì)2分）1. 個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)由 激勵(lì)裝置、傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理、顯示記錄等五個(gè)基本環(huán)節(jié)組成。2. 在測(cè)試系統(tǒng)中，激勵(lì)裝置的功能是 激發(fā)隱含的被測(cè)信息;傳感器的功能是將被測(cè)信息 轉(zhuǎn)換成其他信息；信號(hào)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(hào)處理環(huán)節(jié)的功能是對(duì)來自信號(hào)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(chǔ)測(cè)試的結(jié)果。3. 不失真測(cè)試即測(cè)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(cè)試， 系統(tǒng)頻率響應(yīng)需要滿足的條件是：幅頻特

2、性為常數(shù)；相頻特性呈 線性。對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的要求是:瞬態(tài)誤差塵；調(diào)整時(shí)間Mo4. 測(cè)試信號(hào)的時(shí)域特征參數(shù)主要有 必、方差和均方值。5. 信號(hào)的均值反映隨機(jī)信號(hào)變化的中心趨勢(shì)；信號(hào)的方差反映隨機(jī)信號(hào)在均值附近的分布狀況；信號(hào)的均方值反映隨機(jī)信號(hào)的 強(qiáng)度。6. 任何周期信號(hào)均可分解為一系列頻率比為有理數(shù)的簡(jiǎn)諧信號(hào)，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(hào)稱為諧波信號(hào)。一般周期信號(hào)由一系列頻率比為 有理數(shù)的諧波信號(hào)疊 加而成。8. 周期信號(hào)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

3、。9. 瞬態(tài)信號(hào)是在 有限時(shí)間段存在,屬于能量有限信號(hào)。10. 瞬態(tài)信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)是 時(shí)間常數(shù)。根據(jù)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的基本要求及一階測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和單位階躍響應(yīng)，一階測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)的選取原則是時(shí)間常數(shù)小。12. 二階測(cè)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(cè)量傳感器的動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)方法包括頻率響應(yīng)法和時(shí)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(cè)的力

4、傳感器為二階測(cè)試系統(tǒng)。為保證不失真測(cè)試，要求傳感器的固有頻率 遠(yuǎn)大于被測(cè)力參數(shù)的工作頻率。17. 線性系統(tǒng)的頻率保持性即若對(duì)線性系統(tǒng)的輸入為某一頻率的簡(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)。18. 系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)試中，穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)方式的依據(jù)是線性系統(tǒng)的頻率保持性,其特點(diǎn)是測(cè)試周期長(zhǎng)，其原因在于在每個(gè)測(cè)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(cè)試。二、解釋題（本題共計(jì) 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(cè)量作用下的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(cè)量作用下的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)

5、轉(zhuǎn)換，如變間隙電感式傳感器、變面積 電容式傳感器、動(dòng)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(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的傳感器。如：熱電偶傳感器測(cè)溫、磁電式速度傳感器測(cè)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(cè)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(cè)試中采用電橋測(cè)試電路。5. 應(yīng)變效應(yīng)答：金屬材料受載變形，軸向伸長(zhǎng)，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(shí)，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、鈦酸徹等，受力變形，內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場(chǎng)。8.

6、相關(guān)濾波答：當(dāng)對(duì)一個(gè)線性系統(tǒng)施加激勵(lì)時(shí)，響應(yīng)信號(hào)往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(lì)力頻率相同的成分才是由激勵(lì)引起的響應(yīng)。因此將激勵(lì)信號(hào)與包含噪聲的被測(cè)響應(yīng) 信號(hào)做互相關(guān)分析，依據(jù)周期信號(hào)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(lì)引起的響應(yīng)信號(hào)，所提取的信號(hào)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(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)，即：輸入：x(t)=Xoejt穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：y(t)= y*"" 0)三、簡(jiǎn)答題（本題共計(jì) 18分，每小題6分）1. 一階測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)是什

7、么？根據(jù)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的基本要求及一階測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和時(shí) 間響應(yīng)說明一階測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)的選取原則。答：一階測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)為時(shí)間常數(shù)T。滿足不失真測(cè)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(cè)試的時(shí)間響應(yīng) 的要求是：瞬態(tài)誤差小，調(diào)整時(shí)間短。10 =一階測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)c小時(shí)，通頻帶寬，（轉(zhuǎn)折頻率?。豁憫?yīng)快（4 c時(shí)瞬態(tài)誤差2%因而，一階測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)的選取原則是時(shí)間常數(shù)小。2. 二階測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)是什么？根據(jù)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的基本要求及二階測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng)特征說明為何稱 匚光0.7為二階測(cè)試系統(tǒng)的最佳阻尼比？答：二階測(cè)試系統(tǒng)的基本參數(shù)為固有頻率、阻尼比。滿足不

8、失真測(cè)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(cè)試的時(shí)間響應(yīng) 的要求是：瞬態(tài)誤差小，調(diào)整時(shí)間短。二階測(cè)試系統(tǒng)當(dāng) 匚財(cái)0.7時(shí)，通頻帶寬，在 切=00.58oon的帶寬內(nèi)，幅頻特性基本為常數(shù)，相頻 特性基本呈線性；同時(shí)，時(shí)間響應(yīng)的最大超調(diào)量小且調(diào)整時(shí)間短。因而，二階測(cè)試系統(tǒng)當(dāng) 匚兇0.7時(shí)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(dòng)勢(shì)與位移成正比關(guān)系，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是什么？答：霍爾式位移傳感器基于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化引起霍爾電勢(shì)變化工作。要保證霍爾式位移傳感器的輸出 電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)位移成正比（線性）關(guān)系，其關(guān)鍵在于建立一個(gè)梯度磁場(chǎng)。磁場(chǎng)梯度均勻，輸出線性 度就好；磁場(chǎng)梯度越大

9、，則靈敏度越高。4. 從工作原理上說明：為何動(dòng)圈式磁電傳感器只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)試？ 答：動(dòng)圈式磁電傳感器的工作原理是依靠線圈與磁鐵間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使線圈切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)；即在線圈兩端輸出與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。因而需線圈與磁鐵間的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)試。5. 在數(shù)字信號(hào)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： 一 一一 1 一 一 一x(t) g(t)= X(f) G(f) = ' X(f -nfs)Ts即在頻域?qū)⑿盘?hào)頻譜搬移到以采樣頻率為周期的各頻率位置上，當(dāng)fs < 2 fc時(shí)發(fā)生頻率混疊。所以，需滿足采樣定理：1)

10、 信號(hào)帶寬有限f < fc2) fsA2fc6. 以截?cái)嘤嘞倚盘?hào)為例，說明對(duì)測(cè)試信號(hào)的有限截?cái)噙^程為什么會(huì)造成能量泄漏？ 答：截?cái)嗉从糜邢蘧匦未敖厝≡盘?hào)，即截?cái)噙^程：x(t) WR(t)：二 X(f) WR(f)以截?cái)嘤嘞倚盘?hào)為例：1 I1WR(t) cos2 二 f° = Wr (f) * L (f 一 fo) 、(f - f0)l21，,=WR(f -f°) WR(f f。)2有限截?cái)噙^程使余弦信號(hào)的頻譜由原來在fo處的集中能量變?yōu)?WR(f) 形式的分布能量。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fo的近旁分散，而另一部分能量則以無限旁瓣的形式

11、分散到整個(gè)頻率域。因此，信號(hào)一經(jīng)截?cái)啾厝粚?dǎo)致其能量在頻域的分布擴(kuò)展，即造成信號(hào)的能量泄漏。 說明傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定的含義，通常采用哪兩種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量傳感器的動(dòng)態(tài)特性(頻率響應(yīng)特性和時(shí)間響應(yīng)特性)？答：動(dòng)態(tài)標(biāo)定即通過實(shí)驗(yàn)得到傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的具體數(shù)值；頻率響應(yīng)法：測(cè)試傳感器對(duì)簡(jiǎn)諧信號(hào)輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)即傳感器的頻率響應(yīng)特性；時(shí)間響應(yīng)法：測(cè)試傳感器對(duì)階躍信號(hào)輸入的響應(yīng)即傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性。8. 比較系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)試中穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)方式與脈沖激勵(lì)方式各自的特點(diǎn)。答：穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)：測(cè)試周期長(zhǎng)，需儀器復(fù)雜；脈沖激勵(lì)：測(cè)試周期短，脈沖錘，需帶力傳感器以測(cè)出實(shí)際激勵(lì)力。9. 試根據(jù)調(diào)幅過程的特性說明應(yīng)變片工作

12、上限頻率應(yīng)在電橋激勵(lì)電壓頻率的,5 刀0以下。答：調(diào)幅過程即測(cè)試信號(hào) x(t)與高頻信號(hào)(載波)cosaf0t相乘，在頻域?qū)⑿盘?hào)頻譜搬移到高頻信 號(hào)頻率位置上，以實(shí)現(xiàn)頻譜搬移：1 1x(t) cos2二f0t：二 X( f)(f - f0)、( f，f0) 1 = - 區(qū)(f - f0) X (f - f0) I2 2若信號(hào)最高頻率為 f ,當(dāng)f0 ： f時(shí)發(fā)生頻率混疊；11若測(cè)試信號(hào)上限頻率為 儒，應(yīng)保證fm « f。一般fm <() f0。5 10四、綜合題(本題共計(jì) 30分，每小題10分)1. 某一階傳感器的時(shí)間常數(shù)為0.3s，其轉(zhuǎn)折頻率為多少？用它測(cè)試周期為2s的簡(jiǎn)諧信

13、號(hào)時(shí)，幅值誤差將是多少？一階系統(tǒng)的幅頻特性為：1A('廣1 ( )某二階傳感器的固有頻率為30KHz,阻尼比為0.7，用它測(cè)試頻率小于 18KHz這一頻率段的信號(hào)計(jì)算：得轉(zhuǎn)折頻率：=1 =3.333(rad s)T幅值：11A( ) ： 2 =0.7285+伊)(號(hào) Q3)2幅值誤差：1-0.728=0.272=27.2%時(shí)，幅值誤差最大不超過多少?二階系統(tǒng)的幅頻特性為:計(jì)算:A()=A()-=0.95218 2 2181-(30)(2 0.7 30)得：誤差：1-0.95=0.05=5%3. 懸臂梁在懸臂端同時(shí)承受軸向和橫向載荷。簡(jiǎn)要說明當(dāng)用應(yīng)變方式測(cè)取橫向載荷時(shí)（要求消除軸向載荷的

14、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(duì)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(shí)承受軸向和橫向載荷。分析當(dāng)用應(yīng)變方式測(cè)取軸向載荷時(shí)（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(duì)臂方式組成半橋。5. 壓力傳感器由哪兩部分組成？說明在動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試時(shí)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)換元件兩部分組成?；趶椥悦舾性惺軌毫Ξa(chǎn)生變形而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的壓力傳感器為二階測(cè)試系統(tǒng)；為保證不失真測(cè)試，要求傳感器的固有頻率遠(yuǎn)大于被測(cè)壓力參數(shù)

15、的工作頻率。動(dòng)態(tài)壓力往往頻率范圍較寬，宜選用動(dòng)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(duì)頻譜較寬的動(dòng)態(tài)壓力進(jìn)行測(cè)試。6. 說明為何在動(dòng)態(tài)力測(cè)量中常采用壓電式測(cè)力傳感器？壓電式測(cè)力傳感器能否用于靜態(tài)力或準(zhǔn)靜 態(tài)力測(cè)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(cè)的力傳感器為二階系統(tǒng)，為保證不失真測(cè)試，要求傳感 器的固有頻率遠(yuǎn)大于被測(cè)力參數(shù)的工作頻率。壓電式力傳感器固有頻率高，適于動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)試時(shí)，需提高時(shí)間常數(shù)T ,通常是提高負(fù)載輸入阻抗。7. 試根據(jù)按絕對(duì)（慣性）式測(cè)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(duì)殼體的相對(duì)位移反映被測(cè)振動(dòng)加速度；壓電元件將 此相對(duì)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(duì)式加速度傳感 器的特性：固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)頻率；選擇適當(dāng)?shù)淖枘岜龋蓴U(kuò)大測(cè)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(cè)頻率上限提高；適當(dāng)選擇阻尼比還可擴(kuò)大測(cè)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(duì)可測(cè)頻率上限有影響，應(yīng)盡量保證剛性安裝；下限頻率取決