濟(jì)南大學(xué)測試技術(shù)期末考試試題(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上裝訂線濟(jì)南大學(xué)20102011學(xué)年第2學(xué)期課程考試試卷答案（A卷）課 程 測試技術(shù) 授課教師 宋方臻、蘇東寧、邵海燕、馬玉真 考試時間 2011年 6月15日 考試班級 學(xué) 號 姓 名 題號一二三四五六總 分得分得 分閱卷人一、分析題（共25分）如圖1所示，由電容傳感器、電容測微儀、測微臺架組成的位移測量系統(tǒng)中，電容傳感器的測量范圍如圖2所示，請回答以下問題： 圖1 電容測量系統(tǒng)組成 圖2 電容傳感器的測量范圍（1）根據(jù)電容傳感器與被測表面的相對位置關(guān)系，說明電容傳感器的測量方式。 答：由于在測量位移的過程中，電容傳感器與被測表面不接觸，電容傳感器的測量屬于非接觸測量

2、方式。 2分（2）寫出電容傳感器的電容與極距h的關(guān)系，說明傳感器的測量范圍與量程。答：傳感器的輸出電容C(F)與輸入位移或極距h(um)之間的關(guān)系為： ，傳感器的測量范圍為50um-150um，量程100um. 3分答題不要超過此線（3）在h由50um到150um變化的過程中，將電容傳感器的電容隨位移（或極距）變化的關(guān)系在下圖中繪出(定性表示)，并說明該傳感器的輸出與輸入之間是否具有線性關(guān)系，靈敏度是否為常數(shù)？50h(um)C(F)7090130110150 3分答：傳感器的輸出電容C(F)與輸入位移或極距h(um)之間的關(guān)系為： , 因此具有非線性關(guān)系。 1分 傳感器的靈敏度為：, 因此不為

3、常數(shù)。2分（4）電容測微儀即是電容傳感器的測量放大電路，其輸出為電壓信號。根據(jù)學(xué)習(xí)的理論知識，說明可能采取的測量電路，畫出電路簡圖，并寫出系統(tǒng)的輸出電壓與被測位移量之間的關(guān)系式。答：采用運(yùn)算放大器電路可以改善極距變化的電容傳感器非線性。極距變化的電容傳感器的輸出為： 其電容與極距之間是非線性關(guān)系。因此，存在非線性誤差。使得其測量范圍很小，一般取極距變化范圍約為。如圖所示，反饋回路中的為極距變化型電容傳感器的電容，輸入電路采用固定電容，為穩(wěn)定的激勵電壓，那么輸出電壓與極距之間的關(guān)系式為：裝訂線 5分 可見，輸出電壓與電容傳感器的間隙成線性關(guān)系，改變了其非線性問題。 4分（5）在h由50um到15

4、0um變化的過程中，將測微儀的輸出電壓（以直流形式表示）隨位移（或極距）變化的關(guān)系在下圖中繪出(定性表示)，并說明該測量系統(tǒng)的輸出與輸入之間是否具有線性關(guān)系？50h(um)V(mV)7090130110150 3分答：該測量系統(tǒng)的輸出與輸入之間具有線性關(guān)系。2分 得 分閱卷人 二、計(jì)算題（共25分）答題不要超過此線如圖所示，在一個懸臂梁上、下表面各粘貼了兩個阻值為、靈敏度 的金屬電阻應(yīng)變片，當(dāng)在梁的末端施加一個恒定的力F時，梁發(fā)生應(yīng)變。其主視圖和俯視圖如圖3所示。其中，R1與R3在上表面，R2與R4在下表面。 FR1，3R2,4 圖3 懸臂梁的結(jié)構(gòu)簡圖（1） 將以上四個應(yīng)變片接成全橋電橋，假設(shè)

5、直流供橋電源為5V，并假設(shè)負(fù)載電阻無窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)闀r，求出此時電橋的輸出電壓，并畫出直流電橋的電路圖。 解： 2分 其電路圖如下： 2分 （2）某同學(xué)將上面的兩個應(yīng)變片串聯(lián)相接作為一個橋臂的電阻，下面的兩個應(yīng)變片串聯(lián)相接作為相鄰的一個橋臂的電阻，其余兩個橋臂接固定電阻，阻值為，從而形成半橋電路，畫圖表示該電橋，并計(jì)算分析其靈敏度與第一小題中的靈敏度有什么不同？ 解：其電路圖如下：裝訂線 2分 串聯(lián)后電橋靈敏度： =2.5V 3分 上題中電橋靈敏度： 5V 2分 可見，此接法電橋的靈敏度不如全橋的靈敏度高。 1分（3）若用圖3中的電阻應(yīng)變片接成交流電橋的全橋，并在懸臂梁的末端加交變激振力

6、，采用交流激勵電壓，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)闀r，求電橋輸出電壓。解： 3分 （4）按照要求在下圖中畫出激勵電壓、應(yīng)變、電橋輸出三個信號的頻譜。0f /HzU0i(f)1k-1k 0.5 答題不要超過此線 2分0f /Hz(f)10-10102 2 3分0f /HzUyi(f)-0.99k -1.01k 102 2 -1k 1.01k 0.99k 102 2 1k 3分（5）若對以上交流電橋的輸出進(jìn)行同步解調(diào)，則需要與 1000 的信號相乘，解調(diào)后，若采用一理想濾波器進(jìn)行濾波，那么該濾波器的截止頻率至少為 10 。 2分得 分閱卷人三、實(shí)驗(yàn)題（共25分） （1）如圖4所示，用手持脈沖錘敲擊懸臂梁產(chǎn)生脈沖

7、激勵。激振力的幅值由脈沖錘上的力傳感器與電荷放大器測出。加速度傳感器，電荷放大器測量梁的響應(yīng)。力信號和響應(yīng)信號同時送到信號處理設(shè)備，經(jīng)處理后便獲得所需的數(shù)據(jù)，用來測量懸臂梁的動態(tài)特性。裝訂線加速度計(jì)實(shí)驗(yàn)梁脈沖錘電荷放大器（帶積分）電荷放大器信號處理設(shè)備圖4 脈沖激振實(shí)驗(yàn)框圖 同樣，穩(wěn)態(tài)正弦激振的實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示，也可以用來測量懸臂梁的加速度計(jì)懸臂梁激振器功率放大器信號發(fā)生器穩(wěn)壓電源阻抗變換器六線測振儀動態(tài)特性。圖5 穩(wěn)態(tài)正弦激振實(shí)驗(yàn)框圖 根據(jù)圖5的實(shí)驗(yàn)過程和圖4的理論分析，詳細(xì)說明兩種測量方法是如何獲取懸臂梁的動態(tài)特性參數(shù)的？答：穩(wěn)態(tài)正弦激振是對試件施加一個穩(wěn)定的單一頻率的正弦激振力，在試件

8、達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測定振動響應(yīng)與正弦力的幅值比及相位差。幅值比為該激振頻率時的幅頻特性值，相位差為該激振頻率時的相頻特性值。為了測得整個頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)，必須無級或有級地改變正弦激振力的頻率，這一過程稱為頻率掃描或掃頻過程。頻率掃描可以用手動或自動方式實(shí)現(xiàn)。在掃描過程中，必須采用足夠緩慢的掃描速度，以保證測試、分析儀器有足夠的響應(yīng)時間和使被測試件能夠處于穩(wěn)態(tài)振動狀態(tài)。對于小阻尼系統(tǒng)，這點(diǎn)尤為重要。正弦激振力一般由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生電信號，經(jīng)功率放大后送給激振器，激振器便輸出一正弦力作用于試件。在特殊情況下，也可以選用電液或機(jī)械激振設(shè)備產(chǎn)生正弦力。對于激振力的幅值，可進(jìn)行恒力控制，其方法是采用

9、高阻抗輸出的功率放大器，送恒定電流給激振器來實(shí)現(xiàn)恒力，或通過檢測到的力信號反饋到激振信號中，進(jìn)行“壓縮”控制實(shí)現(xiàn)恒力。答題不要超過此線試件的振動響應(yīng)，一般用測振傳感器及儀器測量。該實(shí)驗(yàn)的儀器組合由低頻信號發(fā)生器、功率放大器和激振器組成正弦激振系統(tǒng)。用壓電式加速度計(jì)、阻抗變換器、六線測振儀來檢測試件的振動響應(yīng)。六線測振儀中設(shè)有積分網(wǎng)絡(luò)，可將振動的加速度信號轉(zhuǎn)換為速度信號或位移信號。根據(jù)正弦信號的頻率、測振儀測得的電壓值，可以得出幅頻特性值。用整個頻率范圍內(nèi)的特性值作出幅頻特性曲線，進(jìn)而估計(jì)出懸臂梁的固有頻率和阻尼比。脈沖激振為瞬態(tài)激振，屬寬帶激振。目前常用的瞬態(tài)激振方式有快速正弦掃描激振，脈沖激

10、振和階躍激振幾種。實(shí)驗(yàn)中，用脈沖錘進(jìn)行脈沖激振的較多。用脈沖錘激振，激振力可以通過改變錘頭配重塊的質(zhì)量和敲擊加速度調(diào)節(jié)。頻帶寬度取決于脈沖持續(xù)時間。試件材料和錘頭墊材料都很硬時，值則小。值愈小頻帶寬度愈寬。采用脈沖激振，所需要的設(shè)備較少，例如信號發(fā)生器、功率放大器、激振器等等都可以不要，并且可以在更接近于實(shí)際的工作條件下來測定試件的機(jī)械阻抗。本實(shí)驗(yàn)中，用手持脈沖錘敲擊懸臂梁產(chǎn)生脈沖激勵。激振力的幅值由脈沖錘上的力傳感器與電荷放大器測出。加速度傳感器，電荷放大器測量梁的響應(yīng)。力信號和響應(yīng)信號同時送到信號處理設(shè)備，經(jīng)處理后便獲得所需的機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)。 12分（2）在圖5的測量過程中，保持激振力恒定，

11、由低頻段向高頻段逐次改變激振頻率，可以得到懸臂梁的一階、二階、三階共振波形，若各階固有頻率約為30Hz、180Hz、500Hz，在以下坐標(biāo)圖中畫出波形的大概變化規(guī)律。 3分裝訂線（3）在圖5的實(shí)驗(yàn)裝置中，若信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號的頻率、幅值穩(wěn)定，但初始相位角為隨機(jī)變量，在懸臂梁的響應(yīng)信號中卻可能包含一定的干擾信號，其頻率成分與信號源的頻率并不相同，試分析采用什么方法可以把測量獲得的信號中的干擾去掉，從而獲得真正由正弦激勵信號引起的響應(yīng)？答：采用相關(guān)濾波的方法。 2分懸臂梁可以看做一個線性系統(tǒng)，線性系統(tǒng)的主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測量工作中具有重要作用。 1分對一個線性系統(tǒng)激

12、振，若測得其振動信號中包含大量的噪聲干擾。根據(jù)線性系統(tǒng)的頻率保持性，只有和激振頻率相同的成分才可能是由激振引起的響應(yīng)，其它成分均是干擾。 2分將激振信號與所測得的響應(yīng)信號進(jìn)行互相關(guān)（取=0）處理，利用互相關(guān)函數(shù)“同頻相關(guān)、不同頻不相關(guān)”的性質(zhì)對信號濾波處理，就可以得到由激振而引起的響應(yīng)幅值和相位差，消除了噪聲干擾的影響。 應(yīng)用相關(guān)分析原理來消除信號中的噪聲干擾、提取有用信號的處理方法就是相關(guān)濾波的方法。 3分設(shè)有兩個周期信號x(t)和y(t)，其圓頻率不等，因?yàn)樾盘杧(t)和y(t)的圓頻率不等，不具有共同的周期，所以：根據(jù)正余弦函數(shù)的正交性，若兩信號為同頻率信號，根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，兩信號

13、同頻相關(guān)，不同頻不相關(guān)，則 -2分得 分閱卷人四、綜合題（共25分） （1）如圖6所示，分別采用渦電流傳感器和電容傳感器對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，分析二者的測量原理以及在測量過程中信號的變化規(guī)律。答題不要超過此線 圖6 回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量 答：渦流傳感器的工作原理為：高頻(1MHz)激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵電流i及角頻率等有關(guān)。若只改變距離而保持其它參數(shù)不變，則可將位移變化轉(zhuǎn)換為線圈自感變化，通過測量電

14、路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。 3分將被測軸上開一個凹槽，渦流傳感器固定于軸的側(cè)面，使傳感器端面與軸的側(cè)面保持一定的間隙，初始間隙的大小根據(jù)傳感器的型號確定。轉(zhuǎn)動傳動軸，每當(dāng)傳感器與軸的凹槽相對時，傳感器與軸的側(cè)面間隙會突然變大，這樣將傳感器的輸出信號放大后比較輸出，就會得到一系列的方波信號，如圖所示。將這些方波信號輸入到計(jì)數(shù)器中，就會得到軸的轉(zhuǎn)動頻率，即為轉(zhuǎn)速。 3分 1分 電容傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化，即 ，如下圖所示，兩個極板之間的間隙為極距，當(dāng)其中一個極板固定，另一個極板隨著被測件沿一定方向移動時，極板之間的極距會發(fā)生變化，從而引起電容的變化。 3

15、分 裝訂線將被測軸上開出多個凹槽，電容傳感器固定于軸的側(cè)面，使傳感器端面與軸的側(cè)面保持一定的間隙，初始間隙的大小根據(jù)傳感器的型號確定。傳感器作為定極板，被測軸的側(cè)面作為動極板。轉(zhuǎn)動傳動軸，每當(dāng)傳感器與軸的凹槽相對時，傳感器與軸的側(cè)面間隙會突然變大，這樣將傳感器的輸出信號放大后比較輸出，就會得到一系列的方波信號，如圖所示。將這些方波信號輸入到計(jì)數(shù)器中，并把計(jì)數(shù)值除以齒數(shù)，就會得到軸的轉(zhuǎn)動頻率，即為轉(zhuǎn)速。 3分 2分 （2）若對一個光滑的金屬材料回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行測量，如圖7所示，是否可以達(dá)到轉(zhuǎn)速測量的目的？如果不可以，說明原因，如果可以，請根據(jù)信號的變化規(guī)律進(jìn)行分析。電渦流傳感器 電容傳感器 圖7 光滑回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量 答：若對一個光滑的金屬材料回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行測量，渦流傳感器與電容傳感器仍然固定于軸的一側(cè)，使其初始間隙達(dá)到要求。 當(dāng)軸在轉(zhuǎn)動過程中，軸的側(cè)面與傳感器的端面之間的間隙一般不會發(fā)生變化。但是由于回轉(zhuǎn)軸不可能絕對的同心，在轉(zhuǎn)動過程中，由于軸的微小偏心，可能使得側(cè)面與傳感器的間隙也會周期性的發(fā)生變化，那么兩個傳感器的信號經(jīng)過放大后得到的信號波形為：答題不要超過此線 軸的偏心是呈周期變化的，所以傳感器測量得到的信號也是周期變化的，而且二者的周期相同，此信號同樣經(jīng)過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后得到轉(zhuǎn)速。 5分 （3）對于一個時不變線性系統(tǒng)，輸入為某