檢測傳感技術(shù)期末復習題參考答案

1、中國石油大學（北京）遠程教育學院檢測傳感技術(shù)期末復習題參考答案一、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)的輸出要真實地反映其逝區(qū)的變化。為實現(xiàn)不失真測試，系統(tǒng)頻率響應需要滿足的條件是：幅頻特性為圭支；相

2、頻特性呈線止。對系統(tǒng)瞬態(tài)響應的要求是：瞬態(tài)誤差?。徽{(diào)整時間篦。4 .測試信號的時域特征參數(shù)主要有均魚、方差和均方值。5 .信號的均值反映隨機信號變化的中心趨勢；信號的方差反映隨機信號在均值附近的分布狀況；信號的均方值反映隨機信號的強度。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)信號是在有

3、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)的頻率響應和單位階躍響應，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 .金屬絲應變片依據(jù)應變效應工作;半導體應變片依據(jù)壓阻效應工作。14 .壓力傳感器由彈性敏感元件和機電轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。15 .測量傳感器的動態(tài)特性的實驗方法包括頻率響應法和時間響應法。16 .基于彈性元件受力產(chǎn)生變形實現(xiàn)檢測的力傳感器為二階測試系統(tǒng)。為保證不失真測試，要

4、求傳感器的固有頻率遠大于被測力參數(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)響應必是同一頻率的簡諧信號。18 .系統(tǒng)頻率響應函數(shù)測試中，穩(wěn)態(tài)正弦激勵方式的依據(jù)是線性系統(tǒng)的頻率保拄性，其特點是測試周期殳，其原因在于在每個測試頻率處，只有當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)才能進行測試。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現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的傳感器，如應變式、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、動

5、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：應變、電容、電感式傳感器測試中采用電橋測試電路。5 .應變效應答：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 .壓阻效應答：半導體材料在受載變形的同時，應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 .壓電效應答：壓電材料如石英、鈦酸鋼等，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：當對一個線性系統(tǒng)施加激勵時，響應信號往往含

6、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。因此將激勵信號與包含噪聲的被測響應信號做互相關(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)響應必是同一頻率的簡諧信號，即：輸入：X（t）=X。/穩(wěn)態(tài)響應：y（t）=y°e（1°）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)的頻率響應和時間響應說明一

7、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)的基本參數(shù)為時間常數(shù)T。滿足不失真測試的頻率響應條件：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的要求是：瞬態(tài)誤差小，調(diào)整時間短。10=一階測試系統(tǒng)當。小時，通頻帶寬，（轉(zhuǎn)折頻率工）；響應快（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)的頻率響應和時間響應特征說明為何稱000.7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條件：幅頻特性為常數(shù)，相頻特性呈線性；滿足不失真測

8、試的時間響應的要求是：瞬態(tài)誤差小，調(diào)整時間短。二階測試系統(tǒng)當，定0.7時，通頻帶寬，在co=00.586n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，時間響應的最大超調(diào)量小且調(diào)整時間短。因而，二階測試系統(tǒng)當，色0.7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，其設計關(guān)鍵是什么？答：霍爾式位移傳感器基于磁場強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：

9、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動，使線圈切割磁力線，產(chǎn)生感應電動勢；即在線圈兩端輸出與相對運動速度成正比的感應電動勢實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。因而需線圈與磁鐵間的相對運動，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：一一一1一一一xg(t)=X(f)G(f)=%X(f-nfs)Ts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fs<2fc時發(fā)生頻率混疊。所以，需滿足采樣定理：1)信號帶寬有限f<fc2)fs>2fc6.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

10、有限矩形窗截取原信號，即截斷過程：x(t)WR(t)=X(f)WR(f)以截斷余弦信號為例：1WR(t)cos2二小=Wr(f)*(f一3)、(f)21.=WR(f-f0)WR(ff。)2有限截斷過程使余弦信號的頻譜由原來在f。處的集中能量變?yōu)閣r(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f。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。因此，信號一經(jīng)截斷必然導致其能量在頻域的分布擴展，即造成信號的能量泄漏。7 .說明傳感器動態(tài)標定的含義，通常采用哪兩種實驗方法測量傳感器的動態(tài)特性(頻率響應特性和時間響應特性)？答：動態(tài)標定即通過實驗得到傳感器

11、動態(tài)特性指標的具體數(shù)值；頻率響應法：測試傳感器對簡諧信號輸入的穩(wěn)態(tài)響應即傳感器的頻率響應特性；時間響應法：測試傳感器對階躍信號輸入的響應即傳感器的時間響應特性。8 .比較系統(tǒng)頻率響應函數(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。答：穩(wěn)態(tài)正弦激勵：測試周期長，需儀器復雜；脈沖激勵：測試周期短，脈沖錘，需帶力傳感器以測出實際激勵力。9 .試根據(jù)調(diào)幅過程的特性說明應變片工作上限頻率應在電橋激勵電壓頻率的%0以下。答：調(diào)幅過程即測試信號x(t)與高頻信號(載波)cos21f0t相乘，在頻域?qū)⑿盘栴l譜搬移到高頻信號頻率位置上，以實現(xiàn)頻譜搬移：11x(t)cos2二f0t=X(f)(f-f0);(f

12、-f0),l-1X(f-f0)X(ff0)l22若信號最高頻率為f,當f0：二f時發(fā)生頻率混疊；11右測試信廳上限頻率為fm,應保證fm«f0。一般fm<()f0O510四、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：1A(1)二1()2計算：得轉(zhuǎn)折頻率：=-=3.333(rads)T幅值：11A()：2=0.728小十莊)J1+.03)2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

13、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:A()1-7=0.95182(20.7)30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。簡要說明當用應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。分析當用應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變片，按對臂方式組成半橋。

14、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電轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。基于彈性敏感元件承受壓力產(chǎn)生變形而實現(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)力或準靜態(tài)力測試，需要什么條件？答：基于彈性

15、元件受力產(chǎn)生的變形實現(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大于被測力參數(shù)的工作頻率。壓電式力傳感器固有頻率高，適于動態(tài)測試。由壓電式幅頻特性可知：當用于靜態(tài)或準靜態(tài)力測試時，需提高時間常數(shù)T,通常是提高負載輸入阻抗。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：固有頻率應遠高于被測對象的振動頻率；選擇適當?shù)淖枘岜?，可擴大測量上限頻率。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；適當選擇阻尼比還可擴大測量上限頻率。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，應盡量保證剛性安裝；下限頻率取決于所采用的測