機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)第三版熊詩波課后答案(打印版).

1、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)根底第三版熊詩波緒論0-1表達(dá)我國法定計(jì)量單位的根本內(nèi)容。解答：教材P45，二、法定計(jì)量單位。0-2如何保證量值的準(zhǔn)確和一致？解答：參考教材 P46，二、法定計(jì)量單位 五、量值的傳遞和計(jì)量器具檢定1、對(duì)計(jì)量單位做出嚴(yán)格的定義；2、有保存、復(fù)現(xiàn)和傳遞單位的一整套制度和設(shè)備；3、必須保存有基準(zhǔn)計(jì)量器具，包括國家基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)、工作基準(zhǔn)等。3、必須按檢定規(guī)程對(duì)計(jì)量器具實(shí)施檢定或校準(zhǔn)，將國家級(jí)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位量值經(jīng) 過各級(jí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)傳遞到工作計(jì)量器具。0-3何謂測(cè)量誤差？通常測(cè)量誤差是如何分類表示的？解答：教材P810，八、測(cè)量誤差0-4請(qǐng)將以下諸測(cè)量結(jié)果中的絕對(duì)誤差改寫為相對(duì)誤差。 1

2、.0182544V ±).00003)g2 ±).026)g/cm解答： H Ex 1OV1應(yīng) I 7 4601 仗陽 1/ 197 僑引 I 滬 ±0_02*5_182d_743?u0-5 何謂測(cè)量不確定度？國際計(jì)量局于1980年提出的建議?實(shí)驗(yàn)不確定度的規(guī)定建議書INC-1(1980)?的要點(diǎn)是什么？解答：(1) 測(cè)量不確定度是表征被測(cè)量值的真值在所處量值范圍的一個(gè)估計(jì)，亦即由于測(cè)量誤 差的存在而對(duì)被測(cè)量值不能肯定的程度。(2) 要點(diǎn)：見教材P11。0-6為什么選用電表時(shí)，不但要考慮它的準(zhǔn)確度，而且要考慮它的量程？為什么是用電 表時(shí)應(yīng)盡可能地在電表量程上限的三

3、分之二以上使用？用量程為150V的級(jí)電壓表和量程為30V的級(jí)電壓表分別測(cè)量 25V電壓，請(qǐng)問哪一個(gè)測(cè)量準(zhǔn)確度高？解答：(1)因?yàn)槎鄶?shù)的電工儀表、熱工儀表和局部無線電測(cè)量?jī)x器是按引用誤差分級(jí)的例如,精度等級(jí)為級(jí)的電表，其引用誤差為0.2%，而引用誤差=絕對(duì)誤差/引用值其中的引用值一般是儀表的滿度值(或量程)，所以用電表測(cè)量的結(jié)果的絕對(duì)誤差大小與量程有關(guān)。量程越大，引起的絕對(duì)誤差越大，所以在選用電表時(shí)，不但要考慮它的準(zhǔn)確度，而且 要考慮它的量程。(2)從中可知，電表測(cè)量所帶來的絕對(duì)誤差=精度等級(jí)X量程/100，即電表所帶來的絕對(duì)誤差是一定的，這樣，當(dāng)被測(cè)量值越大，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差就越小，測(cè)量準(zhǔn)確

4、度就越高, 所以用電表時(shí)應(yīng)盡可能地在電表量程上限的三分之二以上使用。(3) 150V的級(jí)電壓表所帶來的絕對(duì)誤差X150/100=0.75V ; 30V的級(jí)電壓表所帶來的絕對(duì)誤差X30/100=0.45V。所以30V的級(jí)電壓表測(cè)量精度高。0-7如何表達(dá)測(cè)量結(jié)果？對(duì)某量進(jìn)行8次測(cè)量，測(cè)得值分別為：，。求其測(cè)量結(jié)果。解答：(1)測(cè)量結(jié)果=樣本平均值壞確定度K耳=00403568-1所以測(cè)量結(jié)果0-8用米尺逐段丈量一段 10m的距離，設(shè)丈量 1m距離的標(biāo)準(zhǔn)差為。如何表示此項(xiàng)間 接測(cè)量的函數(shù)式？求測(cè)此 10m距離的標(biāo)準(zhǔn)差。解答：叮感討0-9直圓柱體的直徑及高的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均為0.5%，求其體積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差

5、為多少？解答：設(shè)直徑的平均值為 d，高的平均值為，體積的平均值為 °，那么店)猗卜噸所以=J4QL5 臨 F HSS 輸上=L1 鳴第一章信號(hào)的分類與描述呦二解答：在一個(gè)周期的表達(dá)式為1-1求周期方波見圖1-4的傅里葉級(jí)數(shù)復(fù)指數(shù)函數(shù)形式，劃出|6| - 3和心-3圖，并與表1-1比照。<t<G)A3武寺-T/2，T/2所以復(fù)指數(shù)函數(shù)形式的傅里葉級(jí)數(shù)為積分區(qū)間取1GL -=7 -(cos>cr-l), °0 h =0,±4,±6, n-+l,+X+5_-沒有偶次諧波。其頻譜圖如以下列圖所示。was相麺閤凰期方沁酗蠻函更?；蝾櫻F圏1-2求正

6、弦信號(hào)切嚴(yán)門3的絕對(duì)均值巴和均方根值7。解答1-3求指數(shù)函數(shù)誨一弘"5 E切的頻譜。解答：-Gr/2wJJ初=J"f 恥U 不石而。_喬7-歸市初一屮啦KeXCHa草邊娼葩韓值號(hào)經(jīng)譜圖1-4求符號(hào)函數(shù)(見圖1-25a)和單位階躍函數(shù)(見圖1-25b)的頻譜。號(hào)雷贛圈1-25題1圏a)符號(hào)函數(shù)的頻譜>02<0t=0處可不予定義，或規(guī)定 sgn(0)=0。該信號(hào)不滿足絕對(duì)可積條件，不能直接求解，但傅里葉變換存在。可以借助于雙邊指數(shù)衰減信號(hào)與符號(hào)函數(shù)相乘，這樣便滿足傅里葉變換的條件。先求此乘積信號(hào)xi(t)的頻譜，然后取極限得出符號(hào)函數(shù)x(t)的頻譜。科 <0辭

7、1(0 i嚴(yán)i>Q 一嚴(yán) /<0石小0(0宀“丄*亠也吐宀4滋=品Z<or>ob)階躍函數(shù)頻譜aco=iiz>02<0在跳變點(diǎn)t=0處函數(shù)值未定義，或規(guī)定 u(0)=1/2。階躍信號(hào)不滿足絕對(duì)可積條件，但卻存在傅里葉變換。由于不滿足絕對(duì)可積條件，不能直接求其傅里葉變換，可采用如下方法求解。解法1 :利用符號(hào)函數(shù)US刊(0卜叮黑F麗創(chuàng)寸S密結(jié)果說明，單位階躍信號(hào)u(t)的頻譜在f=0處存在一個(gè)沖激分量，這是因?yàn)閡(t)含有直流分量，在預(yù)料之中。同時(shí)，由于u(t)不是純直流信號(hào)，在t=0處有跳變，因此在頻譜中還包含其它頻率分量。根據(jù)傅里葉變換的積分特性1-5求被

8、截?cái)嗟挠嘞液瘮?shù)所見圖1-26的傅里葉變換。COS|f|<T0(£|>r解：勸呎“ 口說2龍mwWt為矩形脈沖信號(hào)cnsPjr/o4 =xfO=-x(fl > 嚴(yán)張曲圏5的錄叢西曩根據(jù)頻移特性和疊加性得:Jr(J) = ->rc/-) + ->rc/+/y=rM425ETCf->o)+r<»42c/+/>)可見被截?cái)嘤嘞液瘮?shù)的頻譜等于將矩形脈沖的頻譜一分為二，各向左右移動(dòng)f。，同時(shí)譜線高度減小一半。也說明，單一頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)由于截?cái)鄬?dǎo)致頻譜變得無限寬。斷的余墓函皿譜1-6求指數(shù)衰減信號(hào)解答:x(0 二 gp 丄-所以單邊指數(shù)衰減

9、信號(hào)*一總口 °J °的頻譜密度函數(shù)為根據(jù)頻移特性和疊加性得:2a/e陶=護(hù)加硝-隔g小右區(qū)詈著-長(zhǎng)礙專 + 一專)丫/ +(+)sb t(® 辭“H®十網(wǎng)0勺X5如心。在這個(gè)關(guān)系中，函數(shù)f(t)叫做調(diào)制信號(hào)，余弦振蕩叫做載波。試求調(diào)幅信號(hào) 代的叫 的傅里葉變換，示意畫出調(diào)幅信號(hào)及其頻譜。又問：假設(shè)叫 叫 時(shí)將會(huì)出現(xiàn)什么情況？解:砂二 F /(/)所以根據(jù)頻移特性和疊加性得：30,同時(shí)譜可見調(diào)幅信號(hào)的頻譜等于將調(diào)制信號(hào)的頻譜一分為二，各向左右移動(dòng)載頻 線高度減小一半。假設(shè)% 將發(fā)生混疊。1- 8求正弦信號(hào)誨)一匚問3十町的均值乩、均方值/和概率密度函數(shù)p

10、(x)。解答：(1)，式中 ® 正弦信號(hào)周期(3)在一個(gè)周期內(nèi)1cos2(firf+9i) at = lun. * Ar-tDAx2 AZ 2 df 1輒可AT町辰二寸器一2第二章測(cè)試裝置的根本特性2- 1進(jìn)行某動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量時(shí)，所采用的壓電式力傳感器的靈敏度為，將它與增益為的電20mm/V。荷放大器相連，而電荷放大器的輸出接到一臺(tái)筆式記錄儀上，記錄儀的靈敏度為 試計(jì)算這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的總靈敏度。當(dāng)壓力變化為時(shí)，記錄筆在記錄紙上的偏移量是多少？解：假設(shè)不考慮負(fù)載效應(yīng)，那么各裝置串聯(lián)后總的靈敏度等于各裝置靈敏度相乘，即S=90.9( nC/MPa) 0.005(V/ nC) 20(mm/V)

11、=9.09mm/MPa。偏移量：y=S 3.5=31.815mm。2-2用一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的一階裝置去測(cè)量周期分別為1s、2s和5s的正弦信號(hào)，問穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值誤差將是多少？解：設(shè)一階系統(tǒng)，T是輸入的正弦信號(hào)的周期穩(wěn)態(tài)響應(yīng)相對(duì)幅值誤差d卜呎，將周期代入得586%327%8 5%T=5s2-3響應(yīng)。噴即 血(OLOOS 何屮二 _arctan(L(M6fiO?y(t)，根據(jù)線性定常系統(tǒng)的頻率保持性、比求周期信號(hào)x(tt +0.2cos(100 t- 45 )通過傳遞函數(shù)為 H( ss+1)的裝置后得到的穩(wěn)態(tài)解：該裝置是一線性定常系統(tǒng)，設(shè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為例性和疊加性得到y(tǒng)( t )= yoicos(10 t

12、 + i)+y°2cos(100 t - 45 + 2)2叫正両麗ms科=anl3n(0_005 xlO ri 2Si6oUjq =/QOQ)抵=屮=xOJ2r> 0-17971+(0_M5xlM!)2眄=(100) =arhr I<|0_005xl00)«-2657°所以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為MO 0的5他-2好W、ixi嗆引疔2-4氣象氣球攜帶一種時(shí)間常數(shù)為15s的一階溫度計(jì)，以5m/s的上升速度通過大氣層。設(shè)溫度按每升高 30m下降C的規(guī)律而變化，氣球?qū)囟群透叨鹊臄?shù)據(jù)用無線電送回地面。 在3000m處所記錄的溫度為-l C。試問實(shí)際出現(xiàn)-I C的真實(shí)高度是

13、多少？解：該溫度計(jì)為一階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)設(shè)為- 。溫度隨高度線性變化，對(duì)溫度計(jì)來說相當(dāng)于輸入了一個(gè)斜坡信號(hào)，而這樣的一階系統(tǒng)對(duì)斜坡信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)滯后時(shí)間為時(shí)間常數(shù)=15s，如果不計(jì)無線電波傳送時(shí)間，那么溫度計(jì)的輸出實(shí)際上是 15s以前的溫度，所以實(shí)際出現(xiàn)-I C的真實(shí)高度是HZ=H-V =3000-5 15=2925m2-5想用一個(gè)一階系統(tǒng)做100Hz正弦信號(hào)的測(cè)量，如要求限制振幅誤差在5%以內(nèi)，那么時(shí)間常數(shù)應(yīng)取多少？假設(shè)用該系統(tǒng)測(cè)量50Hz正弦信號(hào)，問此時(shí)的振幅誤差和相角差是多少？解：設(shè)該一階系統(tǒng)的頻響函數(shù)為甘!_',是時(shí)間常數(shù)那么5=P<®)-l|xlOO%= 1X

14、100%相對(duì)幅rr6= 1.xl00%= 1I嚴(yán)gy丿I穩(wěn)態(tài)響應(yīng)相對(duì)幅值誤差令 w 5% f =100Hz，解得 < 523 s。 如果f=50Hz,那么值誤差一一J xlOOHftflJ%71 + (2523x10x50)相角差:真倒)=ardan(2jrr/) = -<30(2x523x10 x5(J rs -9J3®解答：從不失真條件出發(fā)分析。在左右時(shí)，幅頻特性近似常數(shù)的頻率范圍最寬，而相頻特性曲線最接近直線。2- 7將信號(hào)cos t輸入一個(gè)傳遞函數(shù)為 H(s)=1/( s+1)的一階裝置后，試求其包括瞬態(tài) 過程在內(nèi)的輸出y(t)的表達(dá)式。解答：令x(t)=cos

15、t，那么，所以1rr&)二ng®= za+l j +cr利用局部分式法可得到存八111>11F 住)= T +1如 * JiiftO T-jky 2(1-j w) Ji®T 5r利用逆拉普拉斯變換得到XO = L "V 創(chuàng)二-莎 + -k + -e l+fory5 2(+jra>)11+(0T)?斗 1*(邁)勺cns應(yīng)卄阮Gnfttf嚴(yán)% l+(W)L2- 8求頻率響應(yīng)函數(shù)為)(1577536 + 1760j-2)的系統(tǒng)對(duì)正弦輸入 x(tt )的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的均值顯示。解：該系統(tǒng)可以看成是一個(gè)一階線性定常系統(tǒng)和一個(gè)二階線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)，串聯(lián)后仍

16、然為線性定常系統(tǒng)。根據(jù)線性定常系統(tǒng)的頻率保持性可知，當(dāng)輸入為正弦信號(hào)時(shí)，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仍然為同頻率的正弦信號(hào)，而正弦信號(hào)的平均值為0，所以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的均值顯示為 0。2- 9試求傳遞函數(shù)分別為 s + 0.5)和41 n2/( s2 ns +n2)的兩環(huán)節(jié)串聯(lián)后組成的系統(tǒng)的總靈敏度不考慮負(fù)載效應(yīng)。解：1J即靜態(tài)靈敏度K=34 to,2u.3,：叫，即靜態(tài)靈敏度如413_5a+0J因?yàn)閮烧叽?lián)無負(fù)載效應(yīng)，所以總靜態(tài)靈敏度 K= K1K2 = 341 = 1232- 10設(shè)某力傳感器可作為二階振蕩系統(tǒng)處理。傳感器的固有頻率為800Hz，阻尼比=0.14，問使用該傳感器作頻率為 400Hz的正弦力測(cè)試時(shí)，

17、其幅值比A()和相角差() 各為多少？假設(shè)該裝置的阻尼比改為=0.7，問A()和()又將如何變化？磯咲2解：設(shè)_ ' -''，那么x®) =，即= arrfan將 f n = 800Hz，= 0.14 ，f = 400HzA(400)1.31 ，(400)-如果=0.7 ，貝U A(400)0.975，2-11對(duì)一個(gè)可視為二階系統(tǒng)的裝置輸入一單位階躍函數(shù)后，測(cè)得其響應(yīng)的第一個(gè)超調(diào)量峰值為1.5，振蕩周期為。設(shè)該裝置的靜態(tài)增益為3,求該裝置的傳遞函數(shù)和該裝置在無阻尼固有頻率處的頻率響應(yīng)。，代入上面的式子得到(400)解：因?yàn)閐 = 6.28s，所以 d = 2/

18、 d = 1rad/s| 嗎 二 nt匸嚴(yán) & - 0云315/ II 叫八 0 1 缶 I I 05所以315H 9= ;55% -& 晉衛(wèi)。l_O5-fi> + JQAA&/ VI3 / 、1->C441%丿1 %)當(dāng)=n時(shí),卿 6_&2第三章常用傳感器與敏感元件3- 1在機(jī)械式傳感器中，影響線性度的主要因素是什么？可舉例說明。解答：主要因素是彈性敏感元件的蠕變、彈性后效等。3-2試舉出你所熟悉的五種機(jī)械式傳感器，并說明它們的變換原理。解答：氣壓表、彈簧秤、雙金屬片溫度傳感器、液體溫度傳感器、毛發(fā)濕度計(jì)等。3-3電阻絲應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原

19、理上有何區(qū)別？各有何優(yōu)缺點(diǎn)？應(yīng)如何針對(duì)具體情況來選用？解答：電阻絲應(yīng)變片主要利用形變效應(yīng)，而半導(dǎo)體應(yīng)變片主要利用壓阻效應(yīng)。電阻絲應(yīng)變片主要優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，現(xiàn)行較好；主要缺點(diǎn)是靈敏度低，橫向效應(yīng)大。半導(dǎo)體應(yīng)變片主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)??；主要缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散度大、非線性大。選用時(shí)要根據(jù)測(cè)量精度要求、現(xiàn)場(chǎng)條件、靈敏度要求等來選擇。3-4有一電阻應(yīng)變片 見圖3-84，其靈敏度Sg= 2, R= 120 。設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?1000 問R=?設(shè)將此應(yīng)變片接成如下列圖的電路，試求： 1無應(yīng)變時(shí)電流表示值；2有應(yīng)變時(shí)電流表示值；3電流表指示值相對(duì)變化量；4試分析這個(gè)變量能否從

20、表中讀出？解：根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式R/F=Sg得6R=Sg R=2 1000 10-1I1R2丨2=1.5/( F+ R)=1.5/(120+0.24)3=(12-1 1)/ Il 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，那么量 程不夠，無法測(cè)量的電流；如果采用毫安表，無法分辨的電流變化。一般需要電橋來測(cè)量， 將無應(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。3- 5電感傳感器自感型的靈敏度與哪些因素有關(guān)？要提高靈敏度可采取哪些措施？采取 這些措施會(huì)帶來什么樣后果？解答：以氣隙變化式為例進(jìn)行分析。又因?yàn)榫€圈阻抗 Z=

21、 L,所以靈敏度又可寫成s _ dZ _da is2由上式可見，靈敏度與磁路橫截面積A)、線圈匝數(shù)N、電源角頻率、鐵芯磁導(dǎo)率o氣隙等有關(guān)。如果加大磁路橫截面積 Ap、線圈匝數(shù)N、電源角頻率 、鐵芯磁導(dǎo)率 o,減小氣隙，都 可提高靈敏度。加大磁路橫截面積 A、線圈匝數(shù)N會(huì)增大傳感器尺寸，重量增加，并影響到動(dòng)態(tài)特性； 減小氣隙會(huì)增大非線性。3- 6電容式、電感式、電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路有何異同？舉例說明。解答：電容式傳感器的測(cè)量電路調(diào)輻電躋自感型變磁阻式電感傳感器的測(cè)量電路:調(diào)結(jié)虹!變壓事匝橋竊相鍬檢茲歯電橋警調(diào)纏電略電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路：電橋電路直流電橋和交流電橋。相同點(diǎn)：都可使用電橋

22、電路， 都可輸出調(diào)幅波。電容、電感式傳感器都可使用調(diào)幅電路、 調(diào)頻電路等。不同點(diǎn)：電阻應(yīng)變式傳感器可以使用直流電橋電路，而電容式、電感式那么不能。另外電 容式、電感式傳感器測(cè)量電路種類繁多。3- 7 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,問：1 工作時(shí)，如果傳感器與工件的間隙變化量=1 m時(shí)，電容變化量是多少？ 2如果測(cè)量電路的靈敏度S=100mV/pF,讀數(shù)儀表的靈敏度 S=5格/mV,在 =1 m時(shí)，讀數(shù)儀表的指示 值變化多少格？解：1二可蟄&&二瓦何+&S_85xlO xl x jrx(4 xlOT)3 (±

23、 1 xlOT)-COJxKT3)2« ±4JMxl(FqsF = MJMxlOpF2B=SSa C=100 5 ( 10-3)答：3- 8把一個(gè)變阻器式傳感器按圖3-85接線。它的輸人量是什么？輸出量是什么？在什么樣條件下它的輸出量與輸人量之間有較好的線性關(guān)系？解答：輸入量是電刷相對(duì)電阻元件的位移x，輸出量為電刷到端點(diǎn)電阻測(cè)量電路，那么輸出量可以認(rèn)為是電壓u。RX。如果接入分壓式輸出電阻與輸入位移成線性關(guān)系。JC，輸出電壓與輸入位移成非線性關(guān)系。由上式可見，只有當(dāng) R/R 0時(shí)，才有I。所以要求后續(xù)測(cè)量?jī)x表的輸入阻抗R-要遠(yuǎn)大于變阻器式傳感器的電阻R,只有這樣才能使輸出電

24、壓和輸入位移有較好的線性關(guān)系。3-9試按接觸式與非接觸式區(qū)分傳感器，列出它們的名稱、變換原理，用在何處？ 解答：接觸式：變阻器式、電阻應(yīng)變式、電感式渦流式除外、電容式、磁電式、壓電式、 熱電式、廣線式、熱敏電阻、氣敏、濕敏等傳感器。非接觸式：渦電流式、光電式、熱釋電式、霍爾式、固態(tài)圖像傳感器等。可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的是：電容式、光纖式等傳感器。3-10欲測(cè)量液體壓力，擬采用電容式、電感式、電阻應(yīng)變式和壓電式傳感器，請(qǐng)繪出可行 方案原理圖，并作比擬。3-11 一壓電式壓力傳感器的靈敏度 S=90pC/MPa把它和一臺(tái)靈敏度調(diào)到的電荷放大器連 接，放大器的輸出又接到一靈敏度已調(diào)到 20mm/V的光線

25、示波器上記錄，試?yán)L出這個(gè)測(cè)試 系統(tǒng)的框圖，并計(jì)算其總的靈敏度。解：框圖如下各裝置串聯(lián)，如果忽略負(fù)載效應(yīng)，那么總靈敏度S等于各裝置靈敏度相乘，即S= x/ P=90 20=9mm/MPa3-12光電傳感器包含哪兒種類型？各有何特點(diǎn)？用光電式傳感器可以測(cè)量哪些物理量？解答：包括利用外光電效應(yīng)工作的光電傳感器、利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電傳感器、利用光生伏特效應(yīng)工作的光電傳感器三種。外光電效應(yīng)亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)一光線照射物體，使物體的電子逸出外表的現(xiàn)象，包括光電管和光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)亦稱光導(dǎo)效應(yīng)一物體受到光線照射時(shí)，物體的電子吸收光能是其導(dǎo)電性增加，電阻率下降的現(xiàn)象，有光敏電阻和由其制成的光導(dǎo)管。光

26、生伏特效應(yīng) 一光線使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。如遙控器，自動(dòng)門熱釋電紅外探測(cè)器，光電鼠標(biāo)器，照相機(jī)自動(dòng)測(cè)光計(jì)，光度計(jì)，光電耦合器，光電開關(guān)計(jì)數(shù)、位置、行程開關(guān)等，濁度檢測(cè)，火災(zāi)報(bào)警，光電閱讀器如 紙帶閱讀機(jī)、條形碼讀出器、考卷自動(dòng)評(píng)閱機(jī)等，光纖通信，光纖傳感，CCD，色差，顏色標(biāo)記，防盜報(bào)警，電視機(jī)中亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，路燈、航標(biāo)燈控制，光控?zé)糇?，音樂石英?控制晚上不奏樂，紅外遙感、干手器、沖水機(jī)等。在CCD圖象傳感器、紅外成像儀、光纖傳感器、激光傳感器等中都得到了廣泛應(yīng)用。3-13何謂霍爾效應(yīng)？其物理本質(zhì)是什么？用霍爾元件可測(cè)哪些物理量？請(qǐng)舉出三個(gè)例子說 明。解答：霍爾Hall丨效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)

27、體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過薄片時(shí)，那么在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的兩側(cè)面上將產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)， 產(chǎn)生的電位差稱為霍爾電勢(shì)。霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理物理本質(zhì)：在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電荷受到磁場(chǎng)力Fl稱為洛侖茲力作用，而向垂直于磁場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)方向的方向移動(dòng)，在兩側(cè)面產(chǎn)生正、負(fù)電荷積累。應(yīng)用舉例：電流的測(cè)量，位移測(cè)量，磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量，力測(cè)量；計(jì)數(shù)裝置，轉(zhuǎn)速測(cè)量如 計(jì)程表等，流量測(cè)量，位置檢測(cè)與控制，電子點(diǎn)火器，制做霍爾電機(jī)一無刷電機(jī)等。3-14 試說明壓電式加速度計(jì)、超聲換能器、聲發(fā)射傳感器之間的異同點(diǎn)。 解答：相同點(diǎn)：都是利用材料的壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)。不同點(diǎn)： 壓電式加速度計(jì)利用正壓電效

28、應(yīng)， 通過慣性質(zhì)量快將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換成力作用 于壓電元件，產(chǎn)生電荷。超聲波換能器用于電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。 利用正、 逆壓電效應(yīng)。 利用逆壓電效應(yīng)可 用于清洗、焊接等。聲發(fā)射傳感器是基于晶體組件的壓電效應(yīng)， 將聲發(fā)射波所引起的被檢件外表振動(dòng)轉(zhuǎn)換成 電壓信號(hào)的換能設(shè)備，所有又常被人們稱為聲發(fā)射換能器或者聲發(fā)射探頭。材料結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生位錯(cuò) -滑移 -微裂紋形成 -裂紋擴(kuò)展 -斷裂，以彈性波的形 式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射傳感器不同于加速度傳感器， 它受應(yīng)力波作用時(shí)靠壓電晶片自身的諧振變形把被 檢試件外表振動(dòng)物理量轉(zhuǎn)化為電量輸出。3-15 有一批渦輪機(jī)葉片，需要檢測(cè)是否有裂紋

29、，請(qǐng)舉出兩種以上方法，并說明所用傳感器 的工作原理。渦電流傳感器，紅外輻射溫度測(cè)量，聲發(fā)射傳感器壓電式等。3-16 說明用光纖傳感器測(cè)量壓力和位移的工作原理，指出其不同點(diǎn)。解答：微彎測(cè)壓力原理：力 微彎板 光纖變形 光纖傳遞的光強(qiáng)變化。 微彎測(cè)位移原理：位移 微彎板 光纖變形 光纖傳遞的光強(qiáng)變化。 不同點(diǎn)：壓力需要彈性敏感元件轉(zhuǎn)換成位移。3-17 說明紅外遙感器的檢測(cè)原理。為什么在空間技術(shù)中有廣泛應(yīng)用？舉出實(shí)例說明。 解答：紅外遙感就是遠(yuǎn)距離檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量。 空間技術(shù)中利用飛船、 航天飛機(jī)、 衛(wèi)星等攜帶的紅外遙感儀器可以實(shí)現(xiàn)很多對(duì)地、對(duì)空觀測(cè)任務(wù)。如觀測(cè)星系， 利用衛(wèi)星遙測(cè) 技術(shù)研

30、究地殼斷層分布、探討地震前兆， 衛(wèi)星海洋觀測(cè) 等。3-18 試說明固態(tài)圖像傳感器 CCD 器件的成像原理，怎樣實(shí)現(xiàn)光信息的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳 輸過程，在工程測(cè)試中有何應(yīng)用？CCD固態(tài)圖像傳感器的成像原理：MOS光敏元件或光敏二極管等將光信息轉(zhuǎn)換成電荷存儲(chǔ)在 CCD 的 MOS 電容中，然后再控制信號(hào)的控制下將 MOS 電容中的光生電荷轉(zhuǎn)移出來。 應(yīng)用： 如冶金部門中各種管、線、帶材軋制過程中的尺寸測(cè)量，光纖及纖維制造中的絲 徑測(cè)量，產(chǎn)品分類，產(chǎn)品外表質(zhì)量評(píng)定，文字與圖象識(shí)別，空間遙感，光譜測(cè)量等。3-19 在軋鋼過程中，需監(jiān)測(cè)薄板的厚度，宜采用那種傳感器？說明其原理。 解答：差動(dòng)變壓器、渦電流式、

31、光電式，射線式傳感器等。3-20 試說明激光測(cè)長(zhǎng)、激光測(cè)振的測(cè)量原理。解答：利用激光干預(yù)測(cè)量技術(shù)。3- 21 選用傳感器的根本原那么是什么？試舉一例說明。 解答：靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、可靠性、精確度、測(cè)量方法、體積、重量、價(jià)格等各 方面綜合考慮。第四章 信號(hào)的調(diào)理與記錄4- 1以阻值R=120、靈敏度Sg=2的電阻絲應(yīng)變片與阻值為 120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3V，并假定負(fù)載電阻為無窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?和2000 時(shí)，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比擬兩種情況下的靈敏度。解：這是一個(gè)等臂電橋，可以利用等比電橋和差特性表達(dá)式求解。Un=+=2 時(shí):雙臂輸出電壓:單臂輸出電

32、壓:r*x3 = 3xJ0V=3>V=2000 時(shí):單臂輸出電壓:4弓苧4 7口誌2000加l_<sx3 = 3xl-JV=inVUB=- UK = k2 并200血 1(x3 = GxltrV=6mV雙臂輸出電壓：'雙臂電橋較單臂電橋靈敏度提高1倍。4- 2有人在使用電阻應(yīng)變儀時(shí)， 發(fā)現(xiàn)靈敏度不夠，于是試圖在工作電橋上增加電阻應(yīng)變片數(shù) 以提高靈敏度。試問，在以下情況下，是否可提高靈敏度？說明為什么？1半橋雙臂各串聯(lián)一片；2半橋雙臂各并聯(lián)一片。解答：電橋的電壓靈敏度為，即電橋的輸出電壓和電阻的相對(duì)變化 成正比。由此可知：1半橋雙臂各串聯(lián)一片， 雖然橋臂上的電阻變化增加1倍，

33、但橋臂總電阻也增加 1倍,其電阻的相對(duì)變化沒有增加，所以輸出電壓沒有增加，故此法不能提高靈敏度；2半橋雙臂各并聯(lián)一片，橋臂上的等效電阻變化和等效總電阻都降低了一半，電阻的 相對(duì)變化也沒有增加，故此法也不能提高靈敏度。4- 3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)有電容平衡旋鈕 解答：動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀采用高頻交流電給電橋供電，電橋工作在交流狀態(tài)，電橋的平衡條件為ZZ3=ZzZ4 |乙| Z3| = | 乙| Z4|， 1 3= 2 4由于導(dǎo)線分布、各種寄生電容、電感等的存在，光有電阻平衡是不能實(shí)現(xiàn)阻抗模和阻抗 角同時(shí)到達(dá)平衡，只有使用電阻、電容兩套平衡裝置反復(fù)調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)電橋阻抗模和阻抗

34、角 同時(shí)到達(dá)平衡。4- 4用電阻應(yīng)變片接成全橋，測(cè)量某一構(gòu)件的應(yīng)變，其變化規(guī)律為(t )= Acos101 +Bcos1001如果電橋鼓勵(lì)電壓 Uo=Esin10000 t，試求此電橋的輸出信號(hào)頻譜。 解：接成等臂全橋，設(shè)應(yīng)變片的靈敏度為Sg,根據(jù)等臂電橋加減特性得到AX=啓4 丄MnQO+HMW血。°_1000(射 s嚴(yán) 2血唱00+100咧-鈕(00-ioooqx_ _ 2 竽伽 101MW1199(Mlf)幅頻圖為99W 刪 1W10101 (M)4-5 調(diào)幅波 Xa(t)=(100+30cos t +20cos3 t)cos1Xa(t)所包含的各分量的頻率及幅值； 2繪出調(diào)制

35、信號(hào)與調(diào)幅波的頻譜。解：1Xa(t)=100cos ct +15cos(各頻率分量的頻率/幅值分別為：ct，其中f=10kHz, f =500Hz。試求:)t +15cos( c+10000HZ/100, 9500HZ/15,)t +10cos(c-3)t +10cos( c+3 ) t10500HZ/15, 8500HZ/10,11500HZ/10。2調(diào)制信號(hào) x(t)=100+30cos500HZ/30，1500HZ/20。調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波的頻譜如下列圖。1K)t+20cos3 t，各分量頻率/幅值分別為：OHz/100,17101515 1一111100S5009500 loooo in

36、scn lisoo 芋4- 6調(diào)幅波是否可以看作是載波與調(diào)制信號(hào)的迭加？為什么？解答：不可以。因?yàn)檎{(diào)幅波是載波幅值隨調(diào)制信號(hào)大小成正比變化，只有相乘才能實(shí)現(xiàn)。4-7試從調(diào)幅原理說明， 為什么某動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的電橋鼓勵(lì)電壓頻率為10kHz，而工作頻率為01500Hz？解答：為了不產(chǎn)生混疊，以及解調(diào)時(shí)能夠有效地濾掉高頻成分，要求載波頻率為510倍調(diào)制信號(hào)頻率。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的電橋鼓勵(lì)電壓為載波，頻率為10kHz，所以工作頻率即允許的調(diào)制信號(hào)最高頻率為 01500Hz是合理的。4-8什么是濾波器的分辨力？與哪些因素有關(guān)？解答：濾波器的分辨力是指濾波器分辨相鄰頻率成分的能力。與濾波器帶寬B、品質(zhì)因數(shù)Q倍頻程選

37、擇性、濾波器因數(shù)等有關(guān)。帶寬越小、品質(zhì)因數(shù)越大、倍頻程選擇性越小、濾波器 因數(shù)越小，分辨力越高。4-9設(shè)一帶通濾器的下截止頻率為fcl,上截止頻率為fc2，中心頻率為fo,試指出以下記述中的正確與錯(cuò)誤。1倍頻程濾波器 2幾。23濾波器的截止頻率就是此通頻帶的幅值-3dB處的頻率。4下限頻率相同時(shí)，倍頻程濾波器的中心頻率是1/3倍頻程濾波器的中心頻率的倍。解答：1錯(cuò)誤。倍頻程濾波器n=1，正確的選項(xiàng)是f c2=2 f c1 =2f c1 o2正確。3正確。4正確。4-10某RC低通濾波器，F(xiàn)=1k ，C=1 F，試；1確定各函數(shù)式 代s；H ) ； A()；()。2當(dāng)輸入信號(hào) Ui=10sin1

38、000 t時(shí)，求輸出信號(hào)Uo，并比擬其幅值及相位關(guān)系。解:1146=R(=1000 10-所以0-00b 十 1114 /O-OOkp= J 1+(P_MLd)3 知)二-ndmOLOOIfif2Ui=1Osin1000 t 時(shí)， =1OOOrad/s，所以jQOOO) = -mtn 0001x1000 = 4=10xOOQsiiinO(Xkf(MMQ5V2sina<MMk-)穩(wěn)態(tài)輸出斗x相對(duì)輸入U(xiǎn)i,輸出幅值衰減為衰減了 -3dB，相位滯后也。4-11低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)肝畫=1+JJDT式中=0.05s。當(dāng)輸入信號(hào) x(t)=0.5cos(10 t)+0.2cos(100 t-4

39、5 )時(shí)，求其輸出 y(t)，并比 較y( t)與x(t)的幅值與相位有何區(qū)別。解:知)二-3T興町= « 0_894扣(005 xlO)3泌0) -MdaCKKxlO)® -26一賀血=丿 171+(0 05 x!00>5黑00)二-aidatKHxlOO)瘙朋7°y(t A(10)cos10 t+ (10) A(100)cos100 t-45 + (100 ) =0.447 cos(10 t )+0.039cos(100 t )比擬：輸出相對(duì)輸入，幅值衰減，相位滯后。頻率越高，幅值衰減越大，相位滯后越大。 4-12假設(shè)將高、低通網(wǎng)絡(luò)直接串聯(lián)見圖 4-46

40、，問是否能組成帶通濾波器？請(qǐng)寫出網(wǎng)絡(luò) 的傳遞函數(shù)，并分析其幅、相頻率特性。解:1=RG，2=R2C2，3=RGp理 4-X片 +1 +1£>) = ardaaA(0)=0，(0)= /2 ； A( )=0，( )=- /2，可以組成帶通濾波器，如以下列圖所示。i I I i n I h iin"卄彳.j#押鼻"卜I I fl I I lb II亠I I i I H hl li H-H+H4!i i i i Wi iiI b I 4 bl Ik I fl i I to* Hli 卜LM f I HifciikmilbkibIto ihliiIi1MJi Ii

41、h i h idI一卜卜IIIII I Hl III1III IIHlIIIIk I II IIIflI I H IIII I I I I I d IL J UXAm 人 J U , L/mI I H< III I I h I I H> IIhtbill Hih i i iinI I I I I lb IIbL ,-ULJLhllIL I I I I B II llb汕十H卜-十十1桔hJjiJALX & .11Frcqoocy adcc)4-13 個(gè)磁電指示機(jī)構(gòu)和內(nèi)阻為R的信號(hào)源相連，其轉(zhuǎn)角和信號(hào)源電壓U的關(guān)系可用二階微分方程來描述，即設(shè)其中動(dòng)圈部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I為10-5

42、kg m2，彈簧剛度r為10-3Nmrad-1，線圈匝數(shù)n為100，線圈橫截面積 A為10-4m2,線圈內(nèi)阻R為75，磁通密度B為150Wb m1和信號(hào)內(nèi)阻R為125 ； 1試求該系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度rad V-1丨。2為了得到的阻尼比，必須把多大的電阻附加在 電路中？改進(jìn)后系統(tǒng)的靈敏度為多少？解：1式中:靜態(tài)靈敏度:阻尼比:aw _ 如砂+j+-丿© +A)-1 nAB 玄2松典畑=心.十陽?M nAB lMxKr*xl50心"0 10盧 3CQ25 長(zhǎng) 75)“Sranr11 nM _1100x10x150'=2屈隅 W、屁刈尸対尸 Q25 + 75)固有角頻率:=

43、 2flka-O_l» 23.7172設(shè)需串聯(lián)的電阻為 R那么1 nAR2折1100x1(x1502*3x10兀IT3 Q25+75+A)jt=-200«6576_3Q解得： “EF改進(jìn)后系統(tǒng)的靈敏度:nAB100x1(x150心十片卡尊一 MT乂(125+657皈3)第五章信號(hào)處理初步5-1求h(t)的自相關(guān)函數(shù)。*冊(cè)可解：這是一種能量有限確實(shí)定性信號(hào)，所以心=“電4巧曲=廠產(chǎn)4】血=_5-2假定有一個(gè)信號(hào)x(t)，它由兩個(gè)頻率、相角均不相等的余弦函數(shù)疊加而成，其數(shù)學(xué)表 達(dá)式為x(t)=Acos( it+ 1)+ A2cos( 2t+ 2)求該信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。解：設(shè)xi(t )=Aicos(it+i)；X2(t)=A2cos(2t +2)，那么5 = fim 寺0抽+ T)Wt齊伽GF婦舸右匚噸(4("皿 十?dāng)糐：以氏寺c= Iim(r-*» ZTpH-lim 上一r->-2T J-rR (r) = 0 R (r) = 0 因?yàn)閕 2,所以.，1。又因?yàn)閄i(t)和X2(t)為周期信號(hào)，所以兀(z)弓j： 4仗咲屮祁4 T