測試技術簡答題

試技術簡答題（總14頁）

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1

欲使測量結果具有普遍科學意義的條件有哪些？

非電量電測法的基本思想是什么常用非電量電測系統(tǒng)的組成部分包括哪些環(huán)

節(jié)，并說明各組成部分的主要作用

答：非電量電測法的基本思想：通過某一轉換裝置(傳感器)，根據相應的工

作原理或準則，將被測非電量轉換成電信號進行測量。

一個完整的測試系統(tǒng)包括以下幾部分：傳感器、信號變換與測量電路、顯示

與記錄器及數據處理器、打印機等外圍設備。(或傳感器，中間調理電路及記

錄顯示設備?；蛞淮蝺x表，二次儀表，三次儀表。)如圖1所示。

圖1測試系統(tǒng)的組成

(1)傳感器是測試系統(tǒng)實現(xiàn)測試的首要關鍵環(huán)節(jié)，它的作用是將被測非電量轉

換成便于放大、記錄的電量。

(2)中間變換與測量電路依測量任務的不同而有很大的伸縮性。在簡單的測量

中可能完全省略，將傳感器的輸出直接進行顯示或記錄。在一般的測量中信號

的轉換(放大、調制解調、濾波等)是不可缺少的，可能包括多臺儀器。復雜

的測量往往借助于計算機進行數據處理。如果是遠距離測量，則數據傳輸系統(tǒng)

是不可少的。

(3)顯示與記錄器的作用是把中間變換與測量電路送來的電壓或電流信號不失

真地顯示和記錄出來。

2

何為直接測量及間接測量兩種測量方法的主要區(qū)別是什么

直接測量：無需經過函數關系的計算，直接通過測量儀器得到被測量值的測量

為直接測量。

例如要測量一根圓鋼的長度，最常用的辦法是用一把鋼皮尺和它作比較。

例如要測量體溫，最常用的是水銀溫度計。根據水銀熱脹冷縮的物理規(guī)律,

溫度越高，水銀膨脹得越利害，毛細管中的水銀柱就上升得越高，水銀柱的高

度和體溫之間有著確定的函數關系，可以用水銀柱的高度作為被測溫度的量

度。

間接測量：在直接測量的基礎上，根據已知的函數關系，計算出所要測量的物

理量的大小。例如在彈道實驗中測量彈丸的初速，就是先用直接測量測出兩靶

之間的距離和彈丸飛過這段距離所需要的時間，然后由平均速度公式計算出彈

丸的飛行速度。這種測定彈丸速度的方法，屬于間接測量。

2

3

周期信號頻譜結構有哪些特點？對周期信號進行頻譜分析時，一般采用何種數

學方法？簡要說明周期信號與時限信號頻譜分析方法的差異。

周期信號的頻譜結構有三個特點：

a、離散性：頻譜由一條條不連續(xù)的譜線組成，是離散的；

b、諧波性：各頻率分量符合諧波關系，其頻率是基頻的整數倍；

c、收斂性：諧波分量的幅值有隨其階數的增高而逐漸減小的總趨勢。

周期信號的頻譜分析采用傅里葉級數展開的方法進行；

時限信號的頻譜分析采用傅里葉變換的方法進行。

畫出下述信號的幅度譜及相位譜。

X”)=100+10COS(200R-30°)+20cos(400R-45°)+30cos(600加一60°)

AA0/(]()4(]。:

30?

20300

1045°n

60°

(0

b200400600U0

3

儀器在靜態(tài)條件下響應的變化量和與之相對應的輸入的變化量的比值稱為

不失真測量條件除要求測量裝置幅頻特性是常值外，其相頻特性要求滿足

二階線性測量系統(tǒng)的阻尼率越小，則其對階躍響應的超調量

描述測量系統(tǒng)靜態(tài)工作特性的技術指標主要有靈敏度、線性度、遲滯、分辨

率、量程等，請給出靈敏度的定義，并結合典型二階系統(tǒng)討論靈敏度選擇的具

3

體注意事項，舉例說明這些特性指標如何獲得？

靈敏度k是傳感器在靜態(tài)條件下輸出量的變化Ay和與之相對應的輸入量變化Z\x

的比值。

非線性通常也稱為線性度，是指傳感器的實際輸入輸出特性曲線對于理想

線性輸入輸出特性的接近或偏離程度。

重復性表示傳感器在同一工作條件下，按同一方向作全量程多次（3次以

上）測量時，對于同一個激勵量其測量結果的不一致程度。

遲滯亦稱滯后量、滯后或回程誤差，表征傳感器在全量程范圍內，輸入量

由小到大（正行程）或由大到小（反行程）兩者靜態(tài)特性不一致的程度。

對測量系統(tǒng)進行靜態(tài)標定的作用有哪些？

答：1）確定儀器或測量系統(tǒng)的輸入一輸出關系，賦予儀器或測量系統(tǒng)分度值；

2）確定儀器或測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標；

3）消除系統(tǒng)誤差，改善儀器或測量系統(tǒng)的正確度。

4

推導測量系統(tǒng)不失真測量的條件，并說明典型二階測量系統(tǒng)追求阻尼比為?的

原因。

解：①在時域內，測量系統(tǒng)輸出和輸入應滿足下列關系：

y⑺=4加-r0）符號意義如教科書所述。

取傅里葉變換，得到

y（加）=4"兀汝）

可見，如果輸出的波形要無失真地復現(xiàn)輸入波形，則測量系統(tǒng)的頻率響應應

當滿足：

“（汝）=幺3=即"

x（汝）”

即A（q）=4=常數，。（⑼=—7（）0

就是說，理想的測量系統(tǒng)的幅頻特性應當是常數，相頻特性應當是線性關系，

否則就會產生失真。

②取合適的阻尼比的目的是獲得寬的工作頻帶范圍，一般當4取~時，二

階系統(tǒng)幅頻特性的平直段最寬。

在討論典型二階測量系統(tǒng)時，共涉及到了如下幾個頻率：無阻尼固有頻率/。、

有阻尼固有頻率Z/、有阻尼共振峰頻率力，請給出這幾種頻率的關系。

4

典型的欠阻尼(<1)二階測量系統(tǒng)的階躍響應函數表明，其瞬態(tài)響回連破爪下

作衰減振蕩的，稱為有阻尼圓頻率?！?

④=@"—2身

有阻尼共振峰圓頻率

求周期信號x(r)=3sin(100,-45°)通過傳遞函數為H(s)=777A~；的測量系統(tǒng)

().0055+1

后的穩(wěn)態(tài)響應。

5

由于是穩(wěn)態(tài)輸出，故輸出形式為y?)=Asin(100-。)

由系統(tǒng)的傳遞函數H(S)得其幅、相頻特性函數分別為：

4(0)=1----,

,1+(0.0050)2

*⑼=-arctan(0.0050)

又輸入為

x(r)=3sin(100/-45")

對x?),其穩(wěn)態(tài)輸出y⑺的幅值和相角分別為：

4=A(o)Z(o)=J1--------x3=0.8944x3=2.683

J1+(0.005x100『

。=-450-arctan(0.005x100)?-71.565°

系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出：

>-(0=K(?)cos(100f+(#,(?))=2.683sin(100/-71.565°)

求周期信號X(f)=0.5cosl0f+0.2cos(100—45°)通過傳遞函數為

H(s)=~-的測量系統(tǒng)后的穩(wěn)態(tài)響應。

0.005s+1

由系統(tǒng)的傳遞函數H(S)得其幅、相頻特性函數分別為：

A((o)-],次⑼=-arctan(0.005⑷

J1+(0.0050)2

由于輸入信號是周期簡諧信號的疊加，根據線性系統(tǒng)的疊加原理和頻率不變

性。設：

x(r)=X|(z)+x2(0,其中%|(,)=0.5cosl0r,JC2(r)=0.2cos(100r-45)

(1)對司⑺，其穩(wěn)態(tài)輸出M")的幅值和相角分別為：

X|3)=AQ)?4⑷)=----------------X0.5=0.999x0.5?0.5

71+(0.005x10)

成(①1)=0+弧(助)=0—arctan(0.005xlO)?-2.8624°

必(r)=0.5cos(10r-2.8624°)

(2)對與⑺，其穩(wěn)態(tài)輸出為⑴的幅值和相角分別為：

5

匕(如)=A(G,/2(g)=/X0.2=0.8944x0.2?0.179

)1+(0.005x100)2

熱(小)=-45。-arctan(0.005x100)?-71.565°

/.y2(t)=Y2(692)cos(KX)r+((w2))=0.179cos(100/-71.565°)

由疊加原理，系統(tǒng)總的穩(wěn)態(tài)輸出：

6

)?)=%(/)+%⑺=0.5cos(10f-2.8624。)+0.179cosQOOf-71.565。)

4

A類不確定度與B類不確定度的定義。

不確定度的A類評定：用對觀測列進行統(tǒng)計分析的方法來評定標準不確定度。

不確定度的B類評定：不能用統(tǒng)計分析的方法來評定標準不確定度。

隨機誤差和系統(tǒng)誤差的定義

最小二乘法的基本思想是什么？

最小二乘法在誤差理論中的基本含義是：在具有等精度的多次測量中，求得的

最可靠(最可信賴)值是指當各測量值的殘差平方和為最小時所求的值。

在相同的測試條件下，多次測量同一物理量時，誤差不變或按一定規(guī)律變化的

誤差稱之為

用精度為的游標卡尺對某物體長度進行10次測量，測量值分別為：、mm、

mm、mm、mm、mm、mm、mm、mm、mm。求其測量結果。要求計算

其測量均值、單項測量的標準偏差、平均值的標準偏差、測量結果的表示方

式。

首先，由于為粗大誤差，計算時需要剔除

先求算術平均差

_I9

x=—Zx,=71.42

9,=i

由貝塞爾公式，)=卜ga-元y

帶入，得：s(%)=0.(M7

算術平均值的實驗標準差為：$丘)=率=0.02mm

V9

即測量的算術平均值為，A類不確定度為。

6

或x=±

5

根據濾波器的選頻作用,一般分為哪幾種濾波器，請分別畫出它們的幅頻特性

圖。

根據濾波器的選頻作用，一般分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器這四種濾波

器，其幅頻特性如圖：

7

0f20flf0flf2f0flf2f

低通高通帶通帶阻

將連續(xù)時間信號進行離散化時，有時會產生混疊現(xiàn)象，其主要原因是什么？

當采樣頻率不足信號最高頻率的2倍時，頻譜會有混疊。

以低通濾波器為例，說明濾波器在測量系統(tǒng)中的主要作用。

濾波器上下兩個截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器的O

相敏檢波器的作用

6

簡答下列有關IEEE488接口基本特性問題：

(1)采用何種信息傳遞方式？

(2)接口的邏輯電平是怎樣規(guī)定的？

(3)控者、聽者、講者之間的關系？

(1)GPIB采用字節(jié)串行/位并行協(xié)議。GPIB通過連接總線傳輸信息而實現(xiàn)通

信。

7

（2）GPIB使用負邏輯，（標準的TTL電平），任一個線上都以零邏輯代表

“真”條件（即“低有效”條件），這樣做的重要原因之一是負邏輯方式能提高對

噪聲的抗御能力。

（3）控者講明誰是講者，誰是聽者。每個GPIB系統(tǒng)都必須定義一個系統(tǒng)執(zhí)行

控者。講者指發(fā)送數據到其它器件的器件，聽者指接收講者發(fā)送的數據的器

件。大多數GPIB器件都可充當講者和聽者。

7

金屬絲應變片在測量某一構件的應變時，其電阻的相對變化主要由（）引起

的。

半導體應變片主要是利用半導體材料的的變化

如題圖所示，在等強度懸臂梁上對稱位置粘貼電阻值R=120。,靈敏系數1<=的應

變片，構成全橋，供橋電壓為5V,在忽略橫向效應的條件下，求最大輸出電壓

Usc=10mV時，力F引起懸臂梁產生的應變￡應為多少摩。

8

解：用4片同型號的應變片與、色、&、6按題圖的方式構成直流測量全橋

時，由應變片承受的應變與、4、%%產生的輸出電壓為

%,=±；〃小左(4+￡2一%一%)(1)

其中/為供橋電壓。

當4應變片鳥、&、&、尺按題圖的方式粘貼于等強度懸臂梁時，有

￡、=￡[=￡

￡3=￡4=~￡

于是可得

“SC=±〃B.%?￡

按題目給定的條件取正號，有

%c=U(2)

當仁=10mV=10xl()3〃v,而UB=5V、攵=2時，可得

IllOxlO3

__"c________1000

UB-k~5x2

有一電阻阻值為R=120。，靈敏系數ks=,其電阻溫度系數。='10-4/0。線膨脹系

6

數Pi=12xl0?/℃的電阻應變片貼于線膨脹系數為p2=xl0-/℃的工件上，若工

件在外力作用下產生應變量為100M，試求當環(huán)境溫度改變10℃時，如果未采

取溫度補償措施，電阻變化量為多少？

電阻由于溫度變化引起的電阻的變化：=a2f-R=0.24。

由于電阻應變片和工件線膨脹系數不同引起的電阻的變化：

AR2,=RKS(/72-Bgt=0.00528Q

8

=A/?lt+AR2t=0.24528Q

僅由于外力作用弓I起的電阻的變化ARg=K」/R,=0.024Q

A/?=AR,+AR,=0.26928。

9

8

壓電式加速度計測量系統(tǒng)的工作頻率下限取決于

壓電式傳感器與一般電壓放大器連接使用時，中間要加一級前置放大器，該放

大器主要用來

為了使壓電陶瓷具有壓電效應，需對壓電陶瓷進行一處理。

為提高壓電式傳感器的靈敏度，常采用“壓電晶體堆”方式，請用簡圖說明壓電

晶體堆提高傳感器工作靈敏度的基本思想。

在使用壓電晶體時，如僅用單片壓電片工作，要產生足夠的表面電荷就要

有很大的作用力，常把兩片或多片的壓電片組合在一起。由于壓電材料是有極

性的，因此存在并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式。

+++++

兩壓電片并聯(lián)，總電容量。/、總

+++++

電壓U,、總電荷0與單片的C、

兩壓電片串聯(lián)，其關系為

+++++

Cz=C/2U'=2UQI=Q

壓電傳感器的靈敏度可用電壓靈敏度及電荷靈敏度進行描述。簡要說明電壓靈

敏度和電荷靈敏度的定義，并給出兩者之間的關系。

請畫出壓電式傳感器與電荷放大器相連的等效電路圖，并說明電荷放大器的輸

出電壓U0與傳感器產生的電荷量Q及電荷放大器反饋電容Cf之間的關系。

壓電式傳感器與電荷放大器連接的等效電路：

1白

由“虛地”原理可知，反饋電容G折合到放大器輸入端的有效電容c/為

C；=(1+k)Cf

設放大器輸入電容為傳感器的內部電容為C“和電纜電容為C,則放大器

的輸出電壓

10

Q+Q+G+（I+QC/

當（I+幻C/〉＞C+C,+G）,放大器的輸出電壓為

（/0

Cf

9

光纖數值孔徑NA的物理意義是什么？試計算〃產，&=的階躍光纖的數值孔徑

值是多少。

光電池是根據—效應進行工作的。

光電管和光電倍增管都是是根據一效應制作而成的光電轉換器件。

在光作用下，使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱

基于內光電效應工作的光電轉換器件有—、一、―o

10

熱電偶的熱電勢由電勢與電勢組成。

以熱電偶為例（一階測量系統(tǒng)），推導出其幅頻特性，并說明時間常數T對系

統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

熱電偶是一種一階測量器件，它的工作狀態(tài)方程為

其中，7是熱電偶的時間常數，可由實驗測定，「是待測溫度隨著時間的變化

規(guī)律，T為熱電偶所指示的溫度函數。

測試系統(tǒng)的傳遞函數”（s）、頻率特性”（/⑼、幅頻特性4。）、相頻特

性。（3）分別為

1+CT

10

A(<y)=

Jl+(ny)2

。(助=—arctan(r<2?)

可見7越小，系統(tǒng)動態(tài)特性越好

試述熱電偶測溫原理，并說明用熱電偶測溫時，為何常進行冷端溫度補償。

熱電偶的測溫原理基于熱電效應：將兩種不同材料的金屬A和B連成閉合回

路，當兩個接點處的溫度不同時，回路將產生熱電勢，這種現(xiàn)象叫Seebeck效

應。

11

熱電偶冷端補償的原因：

(1)用熱電偶測溫時，熱電勢的大小決定于冷熱端溫度之差。如冷端溫度

是變化的，將會引起測量誤差。

(2)分度表制定是根據冷端為0C。時制作的。

(3)在使用過程中，由于冷熱端較近，冷端容易受到環(huán)境溫度的影響，因

此冷端溫度難以保持恒定。

簡述熱電偶測溫的均質導體實驗定律，并按照該定律說明熱電偶在電極材料上

有何具體要求。

用熱電阻測量時，熱電阻的阻值一般可用電橋電路測量，請說明二線制、三線

制熱電阻是如何接橋，并說明各種接法有何優(yōu)缺點。

“二線制”接法的兩根導線接在電橋的同一臂上，當外界環(huán)境溫度發(fā)生變化或

是有電流通過弓I起溫度發(fā)生變化時，將會產生附加電阻，對測量結果帶來影響

(分)；“三線制”接法采用溫度系數相同的導線接于相鄰的兩個橋臂上，此時

由于附加電阻弓I起的電橋輸出將自行抵消，測量的結果消除了導線由于溫度引

起的影響。(分)

畫出筒式應變測壓傳感器與活塞式應變測壓傳感器的結構示意圖，并闡述其工

作原理，貼片與布橋方式。

11

筒式應變壓力傳感器的彈性元件是一只鉆了盲孔的圓筒，稱為應變筒。使

用時空腔中注滿油脂，所注油脂的種類和測量壓力的大小有關。測量時把傳感

器安裝到測量位置的測量孔中，壓力作用在油脂上，油脂受壓后，把壓力傳送

到應變筒的內壁，使應變筒外壁膨脹，發(fā)生彈性變形。在應變筒外壁的中部，

沿圓周方向貼有一片或兩片工作片，以感受應變筒受壓力作用時所產生的應

變。

活塞式應變測壓傳感器的彈性元件是應變管。使用時傳感器安裝在測壓孔

中，壓力p作用在活塞的一端?；钊褖毫D化為集中力F（f=P?S,S為活

塞桿的面積）作用在應變管上，使應變管產生軸向壓縮彈性變形。在應變管上部

較粗的部位，沿周向黏貼一片或兩片與工作應變片同一阻值、同一批號的溫度

補償片。活塞式應變壓力傳感器主要是通過活塞桿，而不是通過油脂傳遞壓力

的，所以它的固有頻率比較高。

12

活塞式筒式

以壓力測量為例，給出壓電式測壓系統(tǒng)的組成框圖；

壓電式測壓系統(tǒng)的組成框圖如下圖所示：

PQv

用框圖說明常用應變式及壓電式壓力測量系統(tǒng)的組成，并結合本課程所學應變

式及壓電式壓力傳感器的相關知識，舉例說明常用的應變式壓力及壓電式壓力

傳感器的工作原理。對壓力測量系統(tǒng)進行靜態(tài)標定時常用活塞式壓力標定機，

請說明“靜重比較法”的基本工作原理。

12

電渦流傳感器靜態(tài)特性標定實驗

1）請闡述電渦流傳感器的工作原理；2）給出實驗系統(tǒng)組成方框圖；3）被測導

體的電阻率和磁導率對電渦流傳感器的靈敏度有何影響？

12

1)電渦流傳感器是利用電渦流效應，將位移、溫度等非電量轉換為阻抗的

變化或電感的變化(或Q值的變化)從而進行非電量電測的。

2)被測導體的電導率越大和磁導率U越小，傳感器的靈敏度就越高。

慣性式加速度傳感器

13

1）用簡圖說明慣性式加速度傳感器的工作原理；2）建立該傳感器的力學模

型，推導其運動方程，并說明激勵與響應的關系；3）推導其傳遞函數，頻率響

應函數，幅頻函數及相頻函數；4）用圖定性地畫出該傳感器的幅頻特性及相頻

特性曲線。

1）質量塊感受加速度并產生于加速度成正比例的慣性力，從而使彈簧產生與質

量塊相對位移相等的伸縮變形，彈簧變形又產生與變形量成比例的反作用力。

當慣性力與彈簧反作用力相平衡時，質量塊相對于基座的位移與加速度成正比

例，故可通過該位移或慣性力來測量加速度。

2）建立如題圖（a）所示的兩個坐標系，以坐標x表示傳感器基座的位置，以

坐標y表示質量塊相對于傳感器基座的位置。以靜止狀態(tài)下的位置為坐標原

點。

假設殼體和質量塊都沿坐標軸正方向運動。對質量機取隔離體，受力狀態(tài)

如題圖（b）。質量體的絕對運動應當等于其

牽連運動和相對運動之和。因此，由牛頓

運動定律，有

d'ydy

砥一r+—r)=一寸一ky

drdrdz

經整理后得

二階慣性系統(tǒng)的物理模型圖

d2ydy,d2x

m——+c--1-ky=-m——

dt2dtdr2

上式可寫成

d>c匕dyd-x

—y+2弛—+a)