機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課后答案匯總

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。-激振。拾振、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 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

2、環(huán)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

3、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) 6（t） ?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3（t ）（或三角形脈沖及

4、其他形狀脈沖）的面積為 1,當(dāng)£T 0時(shí),第t）的極限im &（ t）,稱為3函數(shù)。3函數(shù)用標(biāo)有“ 1”的箭頭表示。顯然31 ）的函數(shù)值和面積（通常表示能量或強(qiáng)度）分別為:foe313(t )=(0u 31 dt =lim 3(t dt =l蟲(chóng) Lc 3(t dt =1t =0t HO-be31）函數(shù)的性質(zhì)積分篩選特性。當(dāng)單位脈沖函數(shù)31 ）與一個(gè)在t=o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=o處得到x（0），其余各點(diǎn)乘積及積分均為零，從而有：U 3t x（t ）dt = L 31 x（o ）dt =x（0）L 31 dt =x（0）這就表明，當(dāng)連續(xù)時(shí)間函數(shù)

5、x（t盧單位沖激信號(hào) qt）或者3（t-to）相乘，并在（亠，址）時(shí)間內(nèi)積分，可得到x（t）在t=0點(diǎn)的函數(shù)值x（0陰者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3（t ）= 3（t ）。乘積（抽樣）特性:若函數(shù)X（t ）在t =t0處連續(xù)，則有X(t )甲to ) = X(tot to )卷積特性:x（t卜即任何連續(xù)信號(hào)X（t 與觀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)-beX(t)* 31 戶 LX(訥t- T)d T X(t)同理，對(duì)于時(shí)延單位脈沖亂t ±t0 ），有x(t )* 31 ±to )= JnX(

6、T3(t ±toTd Tx(t ±to )可見(jiàn)，信號(hào)X（t 和亂t ±to ）函數(shù)卷積的幾何意義，就是使信號(hào)X（t ）延遲+ to脈沖時(shí)間。亂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(wú)限短，幅度為無(wú)限大的單位3().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。I'IMI11- 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

7、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）=sin2 not=j（eT2not_ej2not）2x（f）=j 3f + fo）+ 3f -fo）正弦信號(hào)的頻譜圖如下圖所示：9"1Ji,-Jiflar1-4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：0 tc0xTeA t>0,aA0式中：a為正實(shí)數(shù)，單邊指數(shù)信號(hào)如下圖a所示:單邊指數(shù)信號(hào)頻譜為:X（3）= J；x（t h"dt-1幅度和相位分別為:1（）（3 ） = -arctan Ja2 + 32la丿頻譜如上圖b,c所示。雙邊指數(shù)信號(hào)。雙

8、邊指數(shù)信號(hào)如下圖所示，其時(shí)間表示式為x(t) = eTt|，其中a為正實(shí)數(shù)，傅立葉變換為:X（3）=J：e%t0e(a-9dt + Jadt-oCTD=亠+亠a - j 3 a + j 3=2a"a2 + 32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X(3)為3的實(shí)偶對(duì)稱函數(shù)。1-5設(shè)有一組合信號(hào)，有頻率分別為答：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。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 44,724,500,6002 22,362, 250,

9、30011,181,125,150而:-1 =2sin (0.5 + 4 )，所以該信號(hào)的周期為0.25S。1-60, 1),振幅為2,周期為4兀，求該正弦波的表達(dá)式。解:從示波器熒光屏中測(cè)得正弦波圖形的“起點(diǎn)”坐標(biāo)為(= 0.5而在t=0時(shí)，X = 1，將上述參數(shù)代人一般表達(dá)式x(t )= Asin( gt + 4 )T 4 n已知幅值A(chǔ)=2,頻率w0得:1 =2sin（0.5 + 心）,（10= 30。所以：sin呼“扣"-ej "0t2雹T1-7求正弦信號(hào)x(t) =Asin(厶t)的單邊、雙邊頻譜，如果該信號(hào)延時(shí)一后，其頻譜如何變化?T4解：5 =罕，sin呼=j1

10、(e*0t -ej3 )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)T4后，其實(shí)頻圖如圖 e所示，虛頻圖如圖f所示：叫 O(時(shí)單邊M頻圖1'J1 O1/(建)借號(hào)雄時(shí)f后的真圖C亠叫O% a(0佶號(hào)雀時(shí)子后的1-8求被截?cái)嗟挠嘞液瘮?shù) cos w0t的傅里葉變換。fcos w0t t <Tt >T|i|忖0解：令t >T03R（t） = «0Xi （t ） = COS©0t師(t 戸 WR(jf )=2T0Sin。(2兀仃0 )1Xi(t 戸 Xi (jf ) = -6( f -f0 )+6(f + f0 )由傅立葉變換的

11、卷積性質(zhì)，6函數(shù)與其它函數(shù)的卷積特性可得:G）R（t ）Xi（t 戸 WR（jf ）Xi（ jf ）所以:X（jf 尸WR（jf ）Xi（jf ）1 Ln= 2T0SinC（2昭 fT。）2L5（f -f。）+訊 f + f。）=T0 sinC2兀（f - f0 ）+T0 sinC2応（f + f0 ）X（jf ）=WR（jf ）Xi（jf ）1 Lrl-9求指數(shù)衰減振蕩信號(hào)=2T0sinC（2兀fT0 ） §（f - f0 ）+6 （f + f0 ） a >0的頻譜。2 LJ=T0 sin C2応（f 一 f0 ）+T0 sinC2江（f + f0 ）解:創(chuàng)fb)陽(yáng)西救-00

12、境殖佰耳OTt tW) R«IW后的余號(hào)侶號(hào)IF ,憶人翕£侑號(hào)的AWkOfI2斤"'由圖ft的«頤圖AA(n後現(xiàn)的金強(qiáng)估可的料簫招忖3思考題與習(xí)題2- i.答：(i)線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)：疊加性一是指當(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。 比例特性一又稱齊次性，是指激勵(lì)擴(kuò)大了k倍，則響應(yīng)也擴(kuò)大k倍。微分特性一線性系統(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)。積分特性一若線性系統(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。頻率保持特性一若線性系統(tǒng)的輸入是某一頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)

13、，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(wèn)題的數(shù)學(xué)理論較為完善，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

14、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。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)Mh(t)上式兩邊同取傅里葉變換，可得丫(jB) =X(jo5)H(j©)(2.17)如果將S =jO5代人上式，可得Y(s) =H (s)X(s)(2.18)也就是說(shuō)，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

15、變換的關(guān)系。4.答：測(cè)試系統(tǒng)對(duì)任意輸入的響應(yīng)，是輸入與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積。y(t) =x(t)Mh(t)y(t) =A0X(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Ao倍,A(=代=常數(shù)，申G)=-to©即幅頻特性曲線是一條平行于田軸的直線，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/ Mpax 8mV/pCX25mm/V = 2 mm / Mpa 偏移量 y = 8 MpaX2 mm/ Mpa = 16mm8. 解：零階系統(tǒng)一比例環(huán)節(jié)Hi(s) =7

16、.3一階系統(tǒng)一慣性系統(tǒng)二階系統(tǒng)一振蕩環(huán)節(jié)H2(s6-1.5s +23.300：H3(S)= 2 4廠 n 42s2 +2*；2+射2系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)3.曲H(SE(S)H2(S)H3(S)"3 汽昔=+迪沁;72念;(0.75s+l)(s2 +2 匚琳 s+©2)總的靜態(tài)靈敏度S = 72.319.解：頻響函數(shù)HZ"而j幅頻特性A3=1 J1 + (0.05 2相頻特性申()=-arcta門(mén)(0.05豹)代入輸入信號(hào)的頻率：A(10) =0.8944 , qX10) =26.6釘 A(100) =0.1961 ,申(100) =_780 穩(wěn)態(tài)輸出y(t) =2A(

17、10)cos&0t +護(hù)(10) +A(100)cos。么30：' +W(100) =1.789cos(1(l -26.6：) +0.1961cos(100 108.7)10.解：根據(jù)穩(wěn)態(tài)輸出y(t) =10sin(30t -45*)可知=30則 1幅頻特性 A(30)=0.3163J1 +0.01©2相頻特性申(30) =-arcta n(0.1 =1.6：該裝置的輸入信號(hào)為x(t) =31.6sin(30 t +26.6°)11.解：一階裝置的頻響函數(shù)為H(j©) =11 +0.0005 j«幅頻特性A®)-J1 +(0.0

18、005©)2!0.001 兀V1 丿(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 AY12.= 0.988Ax，幅值誤差為1.2%2解:(1)系統(tǒng)微分方程m兀彎+ky(t2x(2)當(dāng)初始條件全為零時(shí)，對(duì)兩邊取拉氏變換，有(ms2 +CS +k)Y(s) =X(s)則二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為H(s) =；)論心+嚴(yán)S2 +2®nS 城式中固有頻率(rad /s)晞=14，阻尼比匚=，靜態(tài)靈敏度¥m(mkS頻率響應(yīng)函數(shù)HE 1(鋼2+j2匚""©n琳幅頻特性A

19、®) = ,卜由2卜2饒相頻特性（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,（4）對(duì)于二階系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)2勺竺）聊=_arctanO 2七）匚=0.60.8的原因是最大超調(diào)量將不超過(guò)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。瀘0.3偽或©> （2.53）d時(shí)，其頻率特性受阻尼比的影響較小。當(dāng)© < 0.3軸時(shí)，相頻特 性瞇）©接近直線，A3的變化不超過(guò)10%，輸出波形失真較小；當(dāng) ©> （2.53）琳 時(shí)，申（韻80$，此時(shí)可以通過(guò)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

20、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（Q值較小，如果需要可提高增益。在阻尼比上，一般取匚=0.60.8。二階系統(tǒng)具有良好的綜合性能，例如當(dāng)匚=0.7時(shí)，在0-0.58琳的帶寬內(nèi)，a（接近常數(shù)（變化不超過(guò)5% ），帕）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(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

21、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)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

22、阻應(yīng)變片（見(jiàn)圖 3-105），其靈敏度S0=2，R=120 Q，設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?1000 問(wèn)AR= ?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：根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式心R/F=Sg£得AF=Sg S R=2x 1000況 10"6 X 120=0.2401）2）3）4）I 1=1.5/ R=1.5/120=0.0125A=12.5mA12=1.5/（ RAF）=1.5/（120+0.24） 切.012475A=12.475mA 豪（|2-1 1）/ 11咒100%=0.2%電流變化量太小，很

23、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(wú)法 測(cè)量12.5mA的電流；如果采用毫安表，無(wú)法分辨 0.025mA的電流變化。一般需要電橋來(lái)測(cè)量，將無(wú)應(yīng) 變時(shí)的靈位電流平衡掉，只取有應(yīng)變時(shí)的微小輸出量，并可根據(jù)需要采用放大器放大。圖3-105題3-4圖3-5答：3-6AC電容式傳感器常用的測(cè)量電路有哪幾種？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。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 S=0.3mm，求：1）工作時(shí)，如果傳感器與工件的間隙變化量 =±1口時(shí)，電容變化量是多少？度S2=5格/mV ,在 =±1 pm時(shí)，

24、讀數(shù)儀表的指示值變化多少格? 答1）2）如果測(cè)量電路的靈敏度 S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏名0 sASo sA20sA6名 0sAK6=a2§0§0 +也6§0(60 + §)§08.85x10" x15>c(4x10')2(±1>c10()"(0.3X10')2止 ±4.94>d0-15F = ±4.94咒10'pF32）B=SSAC=100>5x（ ±4.94咒10-）俺±2.47 格3-7差動(dòng)變壓器的輸出電壓信號(hào)

25、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C （包括連接電纜的寄生電容 Cc、放大器的輸入電容 C

26、i和壓電式傳感器的等效電 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 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 容Ca）密切相關(guān)，因電纜寄生電容 長(zhǎng)度和形狀變化會(huì)引起 Cc的變化， 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)：如果構(gòu)成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體相同，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； 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

27、，熱電偶回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)也為零;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：參考電極定律、中間溫度定律。1）2）3）中間導(dǎo)體定律、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

28、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） 的調(diào)制。（3）拾光型光纖傳感器。 例子如輻射式光纖溫度傳感器、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)光光纖被測(cè)對(duì)象光纖被測(cè)對(duì)象光源光電器件I電信號(hào)敏感元件光電器件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。

29、典型 光纖多普勒速度計(jì)等。18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，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(guò) 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(méi)有電子和空穴的耗

30、 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(guò)MOS晶體上開(kāi)啟電壓時(shí)，Si-SiO2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 MOSt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

31、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)出橋路。答：4- 2為什么在動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀

32、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E(t) = AcoslOt +bcos100t如果電橋激勵(lì)電壓：u0 =Esi nIOOOOt試求此電橋的輸出信號(hào)頻譜。解：電橋輸出電壓 巴=S£（t ）片=SE（Acosia+Bcos10a ）sin1OOOOt，S為電阻應(yīng)變片的靈敏度;4因?yàn)椋簊in 2 兀 fOt 二 j 5 e( f + f0)+ 5( f 一 f0)，COS2兀 fOtu 丄個(gè) f +f0 )+6( f - f0 )，所以:sae -U0(f 戶s屮 yUi(f 戶 4 16

33、( f +1593.14 )+6( f +1589.96 片6( f _1593.14 片6(f -1589.96 )FSBE+1607.46 )+6( f +11575.63 ”6( f 1607.46 )_§( f -11575.63 卩14-4 已知調(diào)幅波 cos2兀加 U - 6 ( fc 3 f, )+ 6 ( f - f。，其中fc=10kHz, fQ=500Hz試求：(1) Xa (t)所包含的各分量的頻率及幅值答:1(1)因?yàn)閏os2兀f0t少一6 ( f + f0 )+6 ( f - f0 )，所以調(diào)幅波包含各分量頻率為:fc、fc+ fl、fc fl、fc +3f

34、i、fc3fi，貝U 10000HZ,10500HZ,9500HZ,11500HZ,8500HZ,對(duì)應(yīng)的幅值分別為 50、7.5、7.5、5、5.。繪出調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波的頻譜。n/)1 s ¥ tit*slJ 1t t4-5什么是調(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)。4-6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

35、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(guò)高頻變壓器T1加到BG的基極上，低頻調(diào)制信號(hào)通過(guò)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(guò)集電極調(diào)諧回路把其中調(diào)幅波選取岀來(lái)，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，

36、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(guò)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(guò)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-

37、18 所示電路，A1、A2、A3工作在理想狀態(tài)， R1=R2=100k0，Rg=10，R3=R5=20k0，R4=R6=60k0， 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), R= 1 k。, C= 1.試求:310 wFP,1)確定各函數(shù)式 H(s)、A(w)=、A®)、W®)。1 +10"w1 1答：H(s2e，H(Ma1FjW，A(w) =10山Wj1+10(w2）當(dāng)輸入信號(hào)Ux=10sinlOOOt時(shí)，求輸出信號(hào)Uy，并比較其幅值及相位關(guān)系。uy =10工Sin(100a)

38、, AV24-10已知低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)式中，X =0.05s，當(dāng)輸入信號(hào)y(t ) = 0.5x0.894cos(10t -26.56, )+0.2x0.196coS100t-45： -78.7 )= 0.447cos(10t -25.56r)+ 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。I10解： H (f j二，護(hù)(f )=-arctan2花 ft，=,f2'/十4兀2宀2c1A(f1)=i=0.894，A2(f2)= f廠JvH4i2 f10 0.0521+4兀/V 0丿Y100叫20.0520丿= 0

39、.196巴(f1 )=arctan2兀 x10咒 0.05 =26.56,，f-arctan"咒100咒 0.05 =-78.72兀2兀y(t ) = 0.5x0.894cos(10t-26.56) +0.2x0.196cos(100t-45 -78.7 )= 0.447cos(10t -25.56)+0.0392cos(100t -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

40、）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)Xa（t）

41、屬帶限信號(hào)，最高截止頻率為0c，如果采樣角頻率Osc,那么讓采樣信號(hào)Xa（t）通過(guò)一個(gè)增益為 T，截至頻率為Qj2的理想低通濾波器，可以唯一地恢復(fù)出原連續(xù)信號(hào)Xa（t）。否則，如果.2 2Rx(T ) = Rx1(T )+Rx2(T FyCOSOO! +亍COS©2T，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，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

42、截取”。5-4求正弦信號(hào)x(t )=x0sinwt的絕對(duì)值 和均方根值xrms。解：正弦信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為:1 Tx02Rx(t )=!im L x(t x(t+T 't = cosoT屮x22x0= Rx(0)= 2Xrms5-5求正弦信號(hào)x(=x0sin(wt+護(hù))的均值 巴、均方值屮x2和概率密度函數(shù) p(x)。解:2X01 Tx 2Rx (T 鬥戛x(t K(t +T)dt=-COS眈，1 T2 T J0 x0 s in ®t+®)dt=Rx(0)= 25-6考慮模擬信號(hào)xa(t) =3cos100 兀 t(1)確定避免混疊所需要的最小采樣率。答：F=100

43、假設(shè)信號(hào)采樣率為Fs =200hz，求采樣后得到的離散時(shí)間信號(hào)。答：xUn Ts) =3cos(100 兀 n 丄)=3cos(n)200 2(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)。14n兀2兀2n花答：xa(nTs) =3cos(100 兀n)=3cos() =3cos(2 兀一一)n=3cos()75333(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?F = fFs =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 兀 Ft) =3cos(50 珥)Fs=7

44、5Hz時(shí)，頻率Fs=50Hz是頻率以Fs =75Hz的采樣頻率采樣可生成相同的樣本。因此，在采樣率為Fs =25Hz 混疊。5-7考慮模擬信號(hào)Xa(t) =3cos50jit +10sin300叭-cos105t該信號(hào)的奈奎斯特率為多少?答：50Hz5-8答：試述正弦波信號(hào)、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)。、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TT或 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，TTK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，T稍大時(shí)為零。相關(guān)分析和功率譜分析在工程上各有哪些應(yīng)用？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;5-9答： 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。5- 10已知某信號(hào)的自相關(guān)函數(shù) R(t) =100cos100恥，試求：(1)該信號(hào)