機(jī)械工程測試技術(shù)課后習(xí)題答案

./思考題與習(xí)題3-1傳感器主要包括哪幾部分？試舉例說明。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。其部的膜盒就是敏感元件,它的外部與大氣壓力相通,部感受被測壓力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?；倦娐穭t是完成上述電感變化量接入基本轉(zhuǎn)換電路,便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。3-2請舉例說明結(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傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號變換的。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)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換。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有一電阻應(yīng)變片〔見圖3-105,其靈敏度S0=2,R=120Ω,設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?000με,問ΔR=？設(shè)將此應(yīng)變片接成圖中所示的電路,試求：1無應(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：由得,即,1.5V1.5VmV圖3-105題3-4圖圖3-105題3-4圖3-5電容式傳感器常用的測量電路有哪幾種?答：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。3-6一個(gè)電容測微儀其傳感器的圓形極板半徑r=4mm,工作初始間隙δ=0.3mm,求：1工作時(shí),如果傳感器與工件的間隙變化量Δδ=±1μm時(shí),電容變化量是多少？2如果測量電路的靈敏度S1=100mV/pF,讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV,在Δδ=±1μm時(shí),讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？3-7差動(dòng)變壓器的輸出電壓信號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。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,可視為開路,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C〔包括連接電纜的寄生電容Cc、放大器的輸入電容Ci和壓電式傳感器的等效電容Ca密切相關(guān),因電纜寄生電容Cc比Ci和Ca都大,故整個(gè)測量系統(tǒng)對電纜寄生電容的變化非常敏感。連接電纜的長度和形狀變化會(huì)引起Cc的變化,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容？答：⑴熱電偶回路有以下特點(diǎn)：1如果構(gòu)成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體相同,則無論兩接點(diǎn)溫度如何,熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢為零；2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,熱電偶回路的總電動(dòng)勢也為零；3熱電偶AB的熱電動(dòng)勢與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無關(guān),只與接點(diǎn)溫度有關(guān)。⑵熱電偶基本定律：中間導(dǎo)體定律、參考電極定律、中間溫度定律。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),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,被測量作用于光纖,使其部傳輸光線的特性發(fā)生變化,再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得被測量信息?！?非功能型〔傳光型光纖傳感器。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)對光的調(diào)制。光源光電器件光源光電器件電信號光纖被測對象光源光電器件電信號光纖被測對象敏感元件光電器件電信號被測對象光纖abc3-13何謂霍爾效應(yīng)？用霍爾元件可以測量哪些物理量？答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中,沿著垂直于磁場方向通以電流,在垂直于電流和磁場方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢,這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栐梢詼y量磁場、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。3-14CCD固態(tài)圖像傳感器如何實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲和轉(zhuǎn)移過程,在工程測試中有哪些應(yīng)用？答：⑴電荷的產(chǎn)生、存儲：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,為介質(zhì),在金屬電極上加正向電壓G時(shí),由此形成的電場穿過薄層,吸引硅中的電子在的界面上,而排斥界面附近的空穴,因此形成一個(gè)表面帶負(fù)電荷,而里面沒有電子和空穴的耗盡層。與此同時(shí),界面處的電勢發(fā)生相應(yīng)變化,若取硅襯底的電位為零,表面勢S的正值方向朝下,當(dāng)金屬電極上所加的電壓G超過MOS晶體上開啟電壓時(shí),界面可存儲電子。由于電子在那里勢阱較低,可以形象的說,半導(dǎo)體表面形成了電子勢阱,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。這是在柵極電壓的作用下,空穴被排斥出耗盡區(qū)而電子被收集在勢阱中,形成信號電荷存儲起來,如果G保持時(shí)間不長,則在各個(gè)MOS電容器的勢阱中儲積的電荷取決于照射到該點(diǎn)的光強(qiáng)。⑵電荷包的轉(zhuǎn)移：若MOS電容器之間排列足夠緊密,使得相鄰的MOS電容的勢阱相互溝通,即相互耦合,那么就可以使信號電荷在各個(gè)勢阱中轉(zhuǎn)移,并盡可能的向表面勢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,即可以改變他們對應(yīng)的MOS的表面勢,亦可以改變勢阱的深度,從而使信號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試中的應(yīng)用：⑴物位、尺寸、形狀、工件損傷的測量；⑵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)文字識別和圖像識別的輸入環(huán)節(jié)；⑶自動(dòng)生產(chǎn)過程的控制敏感元件。思考題與習(xí)題4-1在一懸臂梁的自由端同時(shí)作用和梁長度方向一致的拉力F和垂直于梁長度方向的力F1。試在靠近梁固定端處貼兩組應(yīng)變片,一組僅測力F,另一組僅測力F1,并且畫出橋路。答：4-2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,測量某一構(gòu)件的應(yīng)變,已知其變化規(guī)律為如果電橋激勵(lì)電壓：試求此電橋的輸出信號頻譜。解：電橋輸出電壓,S為電阻應(yīng)變片的靈敏度；因?yàn)椋?,所以：4-4已知調(diào)幅波,其中=10kHz,=500Hz試求：<1>所包含的各分量的頻率及幅值?答：〔1因?yàn)?所以調(diào)幅波包含各分量頻率為：、、、、,則10000HZ,10500HZ,9500HZ,11500HZ,8500HZ,對應(yīng)的幅值分別為50、7.5、7.5、5、5.。<2>繪出調(diào)制信號與調(diào)幅波的頻譜。4-5什么是調(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)信號的某些參數(shù)在另一信號的控制下而發(fā)生變化的過程。從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程,稱為解調(diào)。調(diào)制的主要作用：便于區(qū)分信號和噪聲,給測量信號賦予一定特征。調(diào)制的主要作用：已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號。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)幅電路等。1、基極調(diào)幅電路晶體管基極調(diào)幅電路,載波信號經(jīng)過高頻變壓器T1加到BG的基極上,低頻調(diào)制信號通過一個(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,通過集電極調(diào)諧回路把其中調(diào)幅波選取出來,基極調(diào)幅電路的優(yōu)點(diǎn)是要求低頻調(diào)制信號功率小,因而低頻放大器比較簡單。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,調(diào)制電壓對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)制信號從集電極引入,由于它工作于過壓狀態(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4-18所示電路,A1、A2、A3工作在理想狀態(tài),R1=R2=100k,RG=10k,R3=R5=20k,R4=R6=60k,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＝1k,C＝1F．試求：1>確定各函數(shù)式、、、。答：,,2>當(dāng)輸入信號時(shí),求輸出信號,并比較其幅值及相位關(guān)系。,,4-10已知低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)式中,=0.05s,當(dāng)輸入信號時(shí),求其輸出,并比較與的幅值與相位有何區(qū)別。解：,,,,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信號處理的目的是什么？信號處理有哪些主要方法？各個(gè)方法的主要容是什么？答：信號處理的目的是：1分離信號和噪聲,提高信噪比；2從信號中提取有用的特征信號；3修正測試系統(tǒng)的某些誤差,如傳感器的線性誤差、溫度影響因素等。信號處理系統(tǒng)可用模擬信號處理系統(tǒng)和數(shù)字信號處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。模擬信號處理系統(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)字信號處理是用數(shù)字方法處理信號,它即可在通用計(jì)算機(jī)上通過程序來實(shí)現(xiàn),也可以用專用信號處理機(jī)來完成。5-2什么是采樣定理?它在信號處理過程中起何作用？采樣定理〔也稱為奈奎斯特采樣定理或香農(nóng)采樣定理,對連續(xù)信號〔也稱為模擬信號進(jìn)行等間隔采樣形成采樣信號,采樣信號的頻譜是原連續(xù)信號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)信號屬帶限信號,最高截止頻率為,如果采樣角頻率,那么讓采樣信號通過一個(gè)增益為,截至頻率為的理想低通濾波器,可以唯一地恢復(fù)出原連續(xù)信號。否則,如果,會(huì)造成采樣信號中的頻譜混疊現(xiàn)象,不可能無失真地恢復(fù)原連續(xù)信號。5-3柵欄效應(yīng)對周期信號處理有何影響？如何避免？答：由于周期信號的頻譜是離散的,柵欄效應(yīng)會(huì)使周期信號的非采樣點(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,對周期信號處理,避免柵欄效應(yīng)的非常有效的措施是"整周期截取"。5-4求正弦信號的絕對值和均方根值。解：正弦信號的自相關(guān)函數(shù)為：,5-5求正弦信號的均值、均方值和概率密度函數(shù)。解：,5-6考慮模擬信號<1>確定避免混疊所需要的最小采樣率。答：F=100<2>假設(shè)信號采樣率為Hz,求采樣后得到的離散時(shí)間信號。答：<3>假設(shè)信號的采樣率為Hz,求采樣后得到的離散時(shí)間信號。答：<4>如果生成與〔3得到的相同樣本,相應(yīng)的信號頻率為多少？〔c中的正弦信號的頻率是。因此顯然正弦信號以的采樣頻率采樣可生成相同的樣本。因此,在采樣率為時(shí),頻率是頻率混疊。5-7考慮模擬信號該信號的奈奎斯特率為多少？答：50Hz5-8試述正弦波信號、正弦波加隨機(jī)噪聲信號、窄帶隨機(jī)噪聲信號和寬帶隨機(jī)噪聲信號自相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)。答：⑴、單一頻率正弦信號的自相關(guān)函數(shù)是同頻率的余弦函數(shù),永不衰減；⑵、正弦波加隨機(jī)噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)具有明顯的周期性,并且在是都不衰減；⑶、窄帶隨機(jī)噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)具有緩慢的衰減性,為零；⑷、寬帶隨機(jī)噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)具有很快的衰減性,稍大時(shí)為零。5-9相關(guān)分析和功率譜分析在工程上各有哪些應(yīng)用？答：應(yīng)用相關(guān)分析可以辨識不同類型的信號,有效地檢測出信號中有無周期成分、線性定位、和相關(guān)測速測距；還可以分析復(fù)雜信號的頻譜、在混有周期成分的信號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,測定系統(tǒng)的滯后時(shí)間,對設(shè)備進(jìn)行故障診斷,對選擇機(jī)械振動(dòng)特性進(jìn)行檢測等。5－10已知某信號的自相關(guān)函數(shù),試求：〔1該信號的均值；〔2均方值；〔3功率譜。解：⑴、由于為周期不衰減的余弦信號,則原信號應(yīng)為同頻率的正弦信號,即,根據(jù)信號均值得定義得：⑵、根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知,信號的均方值為：⑶信號的頻率為,根據(jù)自譜的定義得：5－11已知某信號的自相關(guān)函數(shù)為〔,求它的自譜。解：根據(jù)自譜的定義有：5－12求信號的自相關(guān)函數(shù),其中解：瞬態(tài)信號的自相關(guān)函數(shù)表示為：,5－13信號由兩個(gè)頻率和相位均不相等的余弦函數(shù)疊加而成,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：信號,求信號的自相關(guān)函數(shù)。解：設(shè),,則：,,由可得的自相關(guān)函數(shù)為：,因?yàn)?,所以：,所以：5－14已知信號的自相關(guān)函數(shù)為,請確定該信號的均方值和均方根值。解：,5－15圖5.35所示為兩信號和,求當(dāng)時(shí),和的互相關(guān)函數(shù)值,并說明理由。圖5.35題5－10解：由于方波信號的傅立葉變換展開式中僅有基頻分量的頻率和的頻率一致。根據(jù)同頻相關(guān),不同頻不相關(guān)的原則,在互相關(guān)函數(shù)中僅存在基頻成分,基頻分量與間存在的相位差,所以互相關(guān)函數(shù)表達(dá)式如下：當(dāng),5-16某一系統(tǒng)的輸入信號為,若輸出信號與輸入信號波形相同,并且輸入的自相關(guān)函數(shù)和輸入-輸出的互相關(guān)函數(shù)的關(guān)系為,說明該系統(tǒng)的作用。解：因?yàn)榕c波形形狀相同,可設(shè),其中A,為常數(shù),則