机械工程测试技术

一、单项选择题（本大题共35小题，每小题3分，共105分）

1、时域信号，当持续时间延长时，则频域中的高频成分（  C  ）。

A. 不变

B. 增加

C. 减少

D. 变化不定

2、矩形窗函数的时域窗宽T变大，则主瓣宽度（  C  ）。

A. 不变

B. 变大

C. 变小

D. 变化不定

3、测试装置能检测输入信号的最小变化能力，称为（  D  ）。

A. 精度

B. 灵敏度

C. 精密度

D. 分辨力

4、下列不属于干扰窜入测量装置主要途径的是（  D  ）。

A. 电磁场干扰

B. 信道干扰

C. 电源干扰

D. 电路干扰

5、对电阻应变式传感器，（  A  ）会影响其零漂。

A. 温度

B. 湿度

C. 长期使用

D. 电场    

6、控制高频振荡的低频信号为（ C   ）。

A．调相信号

B．载波信号

C．调制信号

D．已调制信号

7、在一定条件下RC带通滤波器实际上是低通滤波器与高通滤波器（  A  ）而成的。

A. 串联

B. 并联

C. 串并联

D. 叠加

8、宽带随机噪声的自相关函数很快衰减到（  A  ）。        

   A. 0

   B. 1

   C. 2

   D. 3

9、下列与磁电式传感器的磁通变化率无关的是（  A  ）。

A. 线圈的表面积

B. 磁路磁阻

C. 线圈的运动速度

D. 磁场强度

10、（  B  ）表示滤波器的分辨能力。

   A. 截止频率

   B. 带宽

   C. 纹波幅度

   D. 品质因子

11、电压表的示值Vi为24V，而电压实际值Vt为23.5V，则电压表的示值误差等于（  A  ）。

A. 0.5V

B. -0.5V

C. 0.25V

D. -0.25V

12、在一阶系统的伯德图中，所谓的“-20dB/10倍频”是指频率每增加10倍，A（ω）（ D  ）dB。

A. 上升20

B. 上升10

C. 下降10

D. 下降20

13、二阶系统在单位阶跃激励下，阻尼比为0时超调最大，为（  C  ）。

A．60%

B．80%

C．100%

D．70%

14、一般来说，测试系统的灵敏度越高，其测量范围（ B   ）。

A. 越宽

B. 越窄

C. 不变

D. 不定

15、理想滤波器的滤波器因数为（  D  ）。

A. 4

B. 3

C. 2

D. 1

16、多种信号之和的频谱是（  C ）。

A.离散的

B.连续的

C.随机性的

D.周期性的

17、时域信号的时间尺度压缩时，其频谱的变化为（ B　）。

A.频带变窄、幅值增高

B.频带变宽、幅值压低

C.频带变窄、幅值压低

D.频带变宽、幅值增高

18、测试装置能检测输入信号的最小变化能力，称为（ D　）。

A.精度

B.灵敏度

C.精密度

D.分辨力

19、理想滤波器的滤波器因数λ等于（ B　）。

A.0

B.1

C.2

D.3

20、调频式电涡流传感器的解调电路是（ C　）。

A.整流电路

B.相敏检波电路

C.鉴频器

D.滤波电路

21、电容式传感器中，灵敏度最高的是（ C　）。

A.面积变化型

B.介质变化型

C.极距变化型

D.介质变化型和极距变化型

22、在动态测试中，电桥的输出量通常采用（ B　）。

A.电阻量

B.电压量

C.电流量

D.电感量

23、正弦信号的自相关函数，使原有的相位信息（ B　）。

A.不变

B.丢失

C.移相

D.一定变为90°

24、两个不同频率的简谐信号，其互相关函数为（ C　）。

A.周期信号

B.常数

C.零

D.1

25、已知信号的自相关函数为，则该信号的均方根值为（  C　）。

A.9

B.3

C.                                           D.6

26、时域信号，当持续时间延长时，则频域中的高频成分（ C　）。

A.不变

B.增加

C.减少

D.变化不定

27、将时域信号进行时移，则频域信号将会（ D　）。

A.扩展

B.压缩

C.不变

D.仅有相移

28、时间常数为τ的一阶装置，输入频率为的正弦信号，则其输出与输入间的相位差是（ A　）。

A.-45°

B.-90°

C.-180°

D.-60°

29、一般来说，测试系统的灵敏度越高，其测量范围（ B　）。

A.越宽

B.越窄

C.不变

D.不定

30、对于半导体热敏电阻的特点，说法错误的是（ C　）。

A.非线性大

B.对环境温度敏感性大

C.测量时不易受到干扰

D.灵敏度较高

31、电涡流式传感器是利用（ A　）材料的电涡流效应工作的。

A.金属导电

B.半导体

C.非金属

D.有色金属

32、要使RC低通滤波器的通带加宽，则RC值应（ B　）。

A.增加

B.减少

C.不变

D.先增加再减小

33、直流电桥同一桥臂增加应变片数时，电桥灵敏度将（ C　）。

A.增大

B.减少

C.不变

D.变化不定

34、把连续时间信号进行离散化时产生混叠的主要原因是（ B　）。

A.记录时间太长

B.采样间隔太宽

C.记录时间太短

D.采样间隔太窄

35、自相关函数是一个（ B　）函数。

A.奇

B.偶

C.非奇非偶

D.三角

二、判断题（本大题共40小题，每小题2分，共80分）

正确打√，错误打×

1、分辨力是指测量装置的输出零点偏离原始零点的距离。                                （  ×  ）

2、光敏晶体管只有NPN型一种。                                                    （  ×  ）

3、同步解调要求有性能良好的线性乘法器件，否则将引起信号失真。                    （  √  ）

4、周期图法适用于短记录数据或瞬变信号的场合。                                    （  ×  ）

5、两个非同频的周期信号是不相关的。                                                （  √  ）

6、一阶装置的时间常数τ越大越好。                                                （  ×  ）

7、某装置由于后接另一装置而产生的种种现象，称为负载效应。                        （  √  ）

8、一阶RC滤波器在过渡带内的衰减速率非常快。                                    （  ×  ）

9、低通滤波器能把高频噪声完全衰减干净。                                            （  ×  ）

10、截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数。                                    （  √  ）

11、离散信号只能用离散图形表示。                                                 （  ×  ）

12、信号时域描述能反映信号幅值随时间变化的关系。                                 （  √  ）

13、每个信号有其特有的幅频谱和相频谱。                                            （ √  ）

14、工程中常见的周期信号，其谐波幅值总的趋势是随谐波次数的增高而增大的。        （ ×  ）

15、几个简谐信号的叠加，一定是周期信号。                                        （ ×  ）

16、描述随机信号必须用概率和统计的方法。                                        （ √  ）

17、灵敏度没有量纲。                                                            （ ×  ）

18、影响二阶系统动态特性的参数是固有频率和阻尼比。                                （ √  ）

19、用阶跃响应法求测量装置的动态特性是一种时域测试的易行方法。                    （ √  ）

20、在有一定传输长度的数字信号的传输中采用双绞线不能降低电磁干扰的影响。        （ ×  ）

21、能量转换型传感器，也称有源传感器。                                            （ ×  ）

22、变阻器式传感器的分辨力很难小于20um。                                        （ √  ）

23、压电式传感器是一种可逆型换能器。                                            （ √  ）

24、实验证明，压电效应和逆压电效应都是非线性的。                                （ ×  ）

25、霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力的作用结果。                    （ √  ）

26、传感器的线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越小。                            （ ×  ）

27、在一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压波形与频率稳定度。        （ √  ）

28、调制与解调技术广泛应用于信号的远距离传输方面。                                （ √  ）

29、纹波幅度表示滤波器的分辨能力。                                                （ ×  ）

30、数字示波器不能进行数据通信。                                                （ √  ）

31、A/D转换器位数选择应视信号的具体情况和量化的精度要求而定。                    （ √  ）

32、从概念来说，DFT的效果相当于将时窗外信号向内周期延拓。                        （ ×  ）

33、对非周期信号实行截断，是获得准确频谱的先决条件。                            （ ×  ）

34、自相关函数不能作为区别信号类型的有效手段。                                    （ ×  ）

35、若信号中含有周期成分，其自相关函数有明显的周期性。                            （ √  ）

36、周期函数的自相关函数的幅值与原周期信号的幅值无关。                            （ ×  ）

37、周期信号的频谱是脉冲函数，在某特定频率上的能量不能是无限的。                （ ×  ）

38、利用互谱进行分析，不能排除噪声的影响。                                        （ ×  ）

39、功率谱的初步估计不是无偏估计。                                                （ √  ）

40、周期图法不适用于短记录数据或瞬变信号的场合。                                （ √  ）

三、填空题（本大题共33空，每空2分，共66分）

1、交流电桥平衡必须满足两个条件，即相对两臂         应相等，并且它们的         也必须相等。

1. 阻抗之模的乘积、阻抗角之和

2、光电传感器按其输出性质可分为         和         两类。

2．模拟量光电传感器、开关量光电传感器

3、热电式传感器是把被测量转换为        的一种装置，其变换是基于金属的        。

3．电量变化、热电效应

4、调幅过程在频域相当于         过程，调幅装置实际上是一个         。

4．频率搬移、乘法器

5、调幅波的解调器是        ，调频波的解调器是        。

5．相敏检波器、鉴频器

6、电容式传感器有       、       和介质三种类型。

6. 面积、极距

7、影响二阶系统动态特性的参数是       和       。

7．固有频率、阻尼比

8、RC微分电路实际上是一种       滤波器，而RC积分电路实际上是一种       滤波器。

8. 高通、低通

9、为了求取测试装置本身的动态特性，常用的实验方法是       和       。

9．阶跃响应法、频率响应法

10、调幅波经过相敏检波后，既能恢复信号电压的       ，又能反映其       。

10. 幅值、极性

11、二阶系统的主要特征参数有         、         和         。

11．静态灵敏度、固有频率、阻尼比

12、具有         的材料称为压电材料，常用的压电材料有         、         和有机压电薄膜。

12. 压电效应、压电单晶、压电陶瓷

13、信号当时间尺度在压缩时，则其频带         其幅值         。例如将磁带记录仪         即是例证。

13.展宽、降低、慢录快放

14、测试装置的特性可分为         特性和         特性。

14.静态、动态

15、当测量较小应变值时应选用         效应工作的应变片，而测量大应变值时应选用         效应工作的应变片。

15.压阻、应变

四、问答题（本大题共9小题，每小题8分，共72分）

1、周期信号频谱与非周期信号频谱的各自特点是什么？

1.答：（1）周期信号频谱的特点是：a）周期信号的频谱是离散的；（1分）b）周期信号的谱线仅出现在基波和各次谐波频率处。（1分）c）周期信号的幅值谱中各频率分量与幅值随频率的升高而减小，频率越高，幅值越小。（2分）

（2）非周期信号频谱的特点是：a）非周期信号的频谱是连续谱；（1分）b）非周期信号的幅值中各频率分量与幅值随着周期趋向于无穷大，而相应地趋向无穷大，但这些分量间仍保持着一定的比例关系。（3分）

2、什么是窗函数？描述窗函数的各项频域指标能说明什么问题？

2. 答：(1)窗函数就是时域有限宽的信号。其在时域有限区间内有值，频谱延伸至无限频率。（3分）

(2)描述窗函数的频域指标主要有最大旁瓣峰值与主瓣峰值之比、最大旁瓣10倍频程衰减率、主瓣宽度。（3分）

(3)主瓣宽度窄可以提高频率分辨力，小的旁瓣可以减少泄漏。（2分）

3、何谓霍尔效应？其物理本质是什么？ 

3．答：霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过薄片时，则在垂直于电流和磁场方向的两侧面上将产生电位差，这种现象称为霍尔效应，产生的电位差称为霍尔电势。（4分）

霍尔效应产生的机理（物理本质）：在磁场中运动的电荷受到磁场力FL（称为洛仑兹力）作用，而向垂直于磁场和运动方向的方向移动，在两侧面产生正、负电荷积累。（4分）

4、什么是“栅栏效应”？如何减少“栅栏效应”的影响？

4. 答：(1)对一函数实行采样，实质就是“摘取”采样点上对应的函数值。其效果有如透过栅栏的缝隙观看外景一样，只有落在缝隙前的少量景象被看到，其余景象都被栅栏挡住，称这种现象为栅栏效应。（4分）

    (2)时域采样时满足采样定理要求，栅栏效应不会有什么影响。频率采样时提高频率分辨率，减小频率采样间隔可以减小栅栏效应。（4分）

5、什么是调制？调制的目的是什么？如何实现对信号进行调幅和解调？

5.答：调制是指利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号的某个参数的过程。            （2分）

信号调理的目的是：（1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输；（2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比。                                                                        （3分）

    对信号进行调幅是将一个高频载波信号与被测信号相乘，使得高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。可使用同步解调、相敏检波的方式来实现对信号进行解调。                            （3分）

6、什么是负载效应？对于电压输出的环节，减轻负载效应的措施有哪些？

6.答：当一个装置联接到另一装置上时，由于发生能量交换而使前装置的联接处甚至整个装置的状态和输出都将发生变化的现象称为负载效应。（2分）

对于电压输出的环节，减轻负载效应的办法有:(1)提高后续环节(负载)的输入阻抗；（2分）(2)在原来两个相联接的环节之中，插入高输入阻抗、低输出阻抗的放大器，以便一方面减小从前环节吸取能量，另一方面在承受后一环节（负载）后又能减小电压输出的变化，从而减轻负载效应；（2分）(3)使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不从前环节吸取能量。（2分）

7、简述压阻式传感器的优缺点。

7.答：压阻式传感器的优点是:

    （1）灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；                        （2分）

    （2）分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压；                            （2分）

    （3）测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；                                （2分）

    （4）可测量低频加速度和直线加速度。                                                （1分）

    缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。                                （1分）

8、为什么进行体温测量时，需要将体温计与身体保持接触一段时间？

8.答：温度计是一阶惯性系统；其阶跃响应为，（3分）系统达到稳态的时间与系统的时间常数τ有关，当t=4τ时，系统的输出值与稳态响应值仅相差2%，（3分）当t越大，系统的输出值与稳态响应值的误差就越小。（2分）

9、相关函数和相关系数有什么区别？相关分析有什么用途，举例说明。

9.答：(1)通常，两个变量之间若存在着一一对应关系，则称两者存在着函数关系，相关函数又分为自相关函数和互相关函数。当两个随机变量之间具有某种关系时，随着某一个变量数值的确定，另一变量却可能取许多不同的值，但取值有一定的概率统计规律，这时称两个随机变量存在相关关系，对于变量Ｘ和Ｙ之间的相关程度通常用相关系数ρ来表示。（4分）

(2)在测试技术领域中，无论分析两个随机变量之间的关系，还是分析两个信号或一个信号在一定时移前后的关系，都需要应用相关分析。例如在振动测试分析、雷达测距、声发射探伤等都用到相关分析。（4分）

五、计算题（本大题共6小题，每小题12分，共72分）

1、已知某信号的自相关函数，试求：（1）该信号的均值；（2）均方值；（3）功率谱。

1.解：（1）由于为周期不衰减的函数，则原信号应为同频率的正弦信号，即。根据信号均值的定义得：

                                                              （4分）

（2）根据自相关函数的性质可知

所以：                                        （4分）

（3）自相关函数与自谱是一对傅立叶变换对关系，并且

式中：

                                                    （4分）

2、进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/MPa，将它与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的总灵敏度；当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？

2．解：若不考虑负载效应，则各装置串联后总的灵敏度等于各装置灵敏度相乘，                （4分）

即：

    S=90.9(nC/MPa)0.005(V/nC)20(mm/V)=9.09mm/MPa。                                （4分）

    偏移量：y=S3.5=9.093.5=31.815mm。                                                （4分）

3、有一钢板，原长，钢板弹性模量，使用BP-3箔式应变片R=120Ω，灵敏度系数S=2，测出的拉伸应变值为300με。求：钢板伸长量，应力及。如果要测出1με应变值则相应的是多少？（ε）

3.解：因为，则有：

                      （每行2分，共8分）

如果要测出1με应变值，则：

                                                         （4分）

4、为防止电容传感器击穿，在两极之间加入厚度为a的云母片（见下图），其介电常数为，空气介电常数，求传感器的总电容量C=？（圆形极板直径D，两云母片间距离）

4.解：加入云母片后，相当于介质为空气的电容器和介质为云母片的电容器串联（3分），则电容器串联后的电容量为:

                                     （每步3分，共9分）

5、已知，试求其频谱。

5.解：因为：

                                          （3分）

利用频移性质可得：

                                                        （6分）

于是：

                                        （3分）

6、以阻值R=120Ω，灵敏度S=2的电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成的电桥，供桥电压为3V，并假定负载为无穷大，当应变片的应变值为2和2000时，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的电桥的灵敏度。（：微应变，即）

6.解：（1）单臂电桥输出电压。

1、当应变片为2时，

                                        （3分）

2、当应变值为2000时的输出电压为

                                    （2分）

（2）双臂电桥输出电压。

1、当应变片为2时，

                                        （3分）

2、当应变值为2000时的输出电压为

                                    （2分）

（3）双臂电桥比单臂电桥的电压输出灵敏度提高一倍。                                    （2分）

六、分析题（本大题共2小题，每小题12分，共24分）

1、想用一个一阶系统做100Hz正弦信号的测量，如要求振幅误差在5%以内，那么时间常数应取多少？若用该系统测量50Hz正弦信号，问此时的振幅误差和相角差是多少？

1．解：设该一阶系统的频响函数为

    ，是时间常数                                                        （2分）

则：                                                            （2分）

振幅误差                            （2分）

令≤5%，f=100Hz，解得≤523s。                                                    （2分）

    如果f=50Hz，则

振幅误差：

        （2分）

相角差：                （2分）

2、气象气球携带一种时间常数为15s的一阶温度计，以5m/s的上升速度通过大气层。设温度按每升高30m下降0.15℃的规律而变化，气球将温度和高度的数据用无线电送回地面。在3000m处所记录的温度为−l℃。试问实际出现−l℃的真实高度是多少？

2.解：该温度计为一阶系统，其传递函数设为。（4分）温度随高度线性变化，对温度计来说相当于输入了一个斜坡信号，而这样的一阶系统对斜坡信号的稳态响应滞后时间为时间常数=15s，如果不计无线电波传送时间，则温度计的输出实际上是15s以前的温度，（4分）所以实际出现−l℃的真实高度是：

Hz=H-V=3000-515=2925m                                             （4分）