工程测试技术答案(第三版)孔德仁主编

第1章测量的基础知识书本：1-1.欲使测量结果具有普遍科学意义的条件是什么？答：①用来做比较的标准必须是精确已知的，得到公认的；②进行比较的测量系统必须是工作稳定的，经得起检验的。1-2.非电量电测法的基本思想是什么？答：基本思想：首先要将输入物理量转换为电量，然后再进行必要的调节、转换、运算，最后以适当的形式输出。1-3.什么是国际单位制？其基本量及其单位是什么？答：国际单位制是国际计量会议为了统一各国的计量单位而建立的统一国际单位制，简称SI，SI制由SI单位和SI单位的倍数单位组成。基本量为长度、质量、时间、电流强度、热力学温度、发光强度，其单位分别为米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔。1-4.一般测量系统的组成分几个环节？分别说明其作用？答：一般测量系统的组成分为传感器、信号调理和测量电路、指示仪器、记录仪器、数据处理仪器及打印机等外部设备。传感器是整个测试系统实现测试与自动控制的首要关键环节，作用是将被测非电量转换成便于放大、记录的电量；中间变换（信号调理）与测量电路依测量任务的不同而有很大的伸缩性，在简单的测量中可完全省略，将传感器的输出直接进行显示或记录；信号的转换（放大、滤波、调制和解调）；显示和记录仪器的作用是将中间变换与测量电路出来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来；数据处理仪器、打印机、绘图仪是上述测试系统的延伸部分，它们能对测试系统输出的信号作进一步处理，以便使所需的信号更为明确。1-5.举例说明直接测量和间接测量的主要区别是什么？答：无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测量值的测量为直接测量，可分为直接比较和间接比较两种。直接将被测量和标准量进行比较的测量方法称为直接比较；利用仪器仪表把原始形态的待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化，并以人的感官所能接收的形式，在测量系统的输出端显示出来，弹簧测力。间接测量是在直接测量的基础上，根据已知的函数关系，计算出所要测量的物理量的大小。利用位移传感器测速度。1-6.根据你的理解，谈谈测试技术的内涵。PPT:与书本一致。第2章工程信号及其可测性分析书本：2-1简述工程信号的分类与各自特点•答：根据信号随时间变化分类：动态信号，静态信号根据信号随时间变化规律分类：确定性信号，非确定性信号根据信号的幅值和能量上分类：能量信号，功率信号分析域上分类：时域，频域连续性分类：连续时间信号，离散时间信号可实现方法分类：物理可实现，物理不可实现2-2确定性信号与非确定性信号分析方法有何不同？答：确定性信号可用数学关系式来描述，给定一个时间值就可得到一个确定的函数值。非确定性信号不能用精确的数学关系式来表达，无法确切地预测未来任何瞬间精确值2-3什么是信号的有效带宽?分析信号的有效带宽有何意义？答：通常把信号值得重视的谐波的频率范围称为信号的频带宽度或信号的有效带宽。意义：在选择测量仪器时，测量仪器的工作频率范围必须大于被测信号的宽度，否则将会引起信号失真，造成较大的测量误差，因此设计或选用测试仪器时需要了解被测信号的频带宽度。2-4周期信号的频谱有哪几个特点?2-5简述时限信号与周期信号在频谱分析方法及频谱结构上的差异。答：时限信号的频谱是连续谱；周期信号的频谱是离散谱；时限信号用能量谱表示；周期信号用功率谱表示；时限信号幅值谱纵坐标表示幅值谱密度；周期信号幅值谱纵坐标表示谐波分量的幅值；时限信号采用傅里叶积分分析；周期信号采用傅里叶级数分析；2-6求正弦信号答：均值：x(t)为周期函数，均值为一个周期内的均值，正弦函数周期内均值为0，所以信号均值为0均方值：ϕx2=x02⋅(sin(wt+θ))2=x02/2−x02/2∙cos(2wt+2θ)=x02/2−x02/2∙0=x02/2概率密度函数：2-7试画出f(t)=3cosωt+5sin2ωt的频谱图（幅度谱和相位谱）*2-8求半周正弦脉冲信号和三角脉冲信号的傅里叶变换，画出頻谱图，并进行有效带寬分析答：2-9给出的时域图和頻谱图。答：2-10绘制周期信号的单边幅频谱图和双边幅頻谱图答：2-11求正弦信号x(t)=sin200t的均值与均方值。答：x(t)为周期函数，均值为一个周期内的均值，正弦函数周期内均值为0，所以信号均值为0均方值：ϕx2=(sin(200t))2=0.5−0.5∙cos400t=0.5−0=0.5PPT:1试分析“频率不变性原理是指任何测试装置的输出信号的频率总等于输入信号的频率”此说法的正确性。答：（错）条件需稳定2阐述工程信号的各自的频谱特性的分析方法有何不同？答：分析方法1）借助于傅里叶级数2）狄里赫利（Dirichlet）条件根据傅里叶级数理论，在有限区间上，任何可展开成傅里叶级数的周期函数必须满足狄里赫利条件，即①函数x(t)在周期T区间上连续或只有有限个第一类间断点；②函数x(t)只有有限个极值点；③函数收敛(绝对可积)。3.周期信号的频谱有哪几个特性？答：离散型谐波性收敛性4.简述工程信号的分类及各自特点。根据信号随时间变化分类：动态信号，静态信号根据信号随时间变化规律分类：确定性信号，非确定性信号根据信号的幅值和能量上分类：能量信号，功率信号分析域上分类：时域，频域连续性分类：连续时间信号，离散时间信号可实现方法分类：物理可实现，物理不可实现5.试画出f(t)=3sinωt+5cos2ωt的幅频谱图。答：第3章测量系统的基本特性书本：3-1何为测量系统静态特性？静态特性主要技术指标有哪些？静态特性：通过标定，得到测量系统的响应值yi和激励值xi之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。技术指标：描述测量系统静态工作特性的技术指标主要有灵敏度、线性度、迟滞、分辨率、量程等。3-2何为测量系统动态特性？动态特性主要技术指标有哪些？动态特性：系统对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好的测量系统，其输出随时间变化的规律（变化曲线），将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。技术指标：阶跃响应特性（最大偏离量，延滞时间，上升时间，峰值时间，响应时间）频率响应特性（幅频特性（传感器的动态灵敏度/增益），相频特性）3-3测量系统实现不失真测量的条件是什么？不失真条件：系统的频率响应应满足即：=常数，所以要使测量系统实现不失真，它的幅频特性应是常数，相频特性应是线性关系。3-4何为动态误差？为了减少动态误差，在K二阶测量系统中可采取哪些相应的措施？答：控制系统在任意的输入信号作用下达到稳态时的控制误差。减少动态误差：一阶系统时间常数越小越好，二阶系统一般选择尽可能的大，在0.6-0.8之间。3-5频率响应的物理意义是什么？它是如何获得的？为什么说它反映了系统测试任意信号的能力？频率响应是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象，这种声压和相位与频率的相关联的变化关系（变化量）称为频率响应。获得方法：1.分析法：基于物理机理的理论计算方法，只适用于系统结构组成易于确定的情况。在系统的结构组成给定后，运用相应的物理定律，通过推导和计算即可定出系统的频率响应。2.实验法：采用仪表直接量测的方法，可用于系统结构难以确定的情况。常用的实验方式是以正弦信号作为试验信号，在所考察的频率范围内选择若干个频率值，分别测量各个频率下输入和稳态输出正弦信号的振幅和相角值。输出与输入的振幅比值随频率的变化特性是幅频特性，输出与输入的相角差值随频率的变化特性是相频特性。原因：系统的频率响应由幅频特性和相频特性组成。幅频特性表示增益的增减同信号频率的关系；相频特性表示不同信号频率下的相位畸变关系。根据频率响应可以比较直观地评价系统复现信号的能力和过滤噪声的特性。3-6试说明^阶测量系统的阻尼比力求在0.6〜0.7的原因。原因：此时平直段最宽，达到系统稳态的调整时间最短。()Hj00()()()jYjHjAeXj0()AA0()n3_7已知某二阶系统传感器的自振频率f0=20kHz，阻尼比=0.1，若要求该系统的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。答：（1）（2）结合（1）和（2）式可得：或（舍去）又得3-8答：幅频特性相频特性由响应的叠加性和频率不变性可得：2A(10)=1.79,0.8A(100)=0.1573-9答：(30s+3)Y(s)=0.15X(s);Y(s)/X(s)=0.15/(30s+3)=0.05/(10s+1).所以时间常数T=10,静态灵敏度S0=0.05mV/°C3-10某力传感器为一典型的二阶系统，已知该传感器的自振频率f。=1000Hz，阻尼比=0.7。试问:用它测量频率为600Hz的正弦交变力时，其输出与输人幅值比A(w)和相位差φ(w)各1()3%A0.97()1.03A22221()14nnA00.17nww1.391.41nww00,20nwffkHzwf03.4fkHz21()10.05A()arctan0.05(10)26.6,(100)30108.7()1.79cos(1026.6)0.157cos(100108.7)yttt为多少？答：=0.6=0.953-11答：3-12某压力传感器的标定数据如题3-12表所列。分别求以端点连线、端点连线平移线、最小二乘直线作为参考工作直线的线性度、迟滞误差及重复性。答:由上表可得：端点连线：压力/MPa00．020．040．060．080．10正方程平均-2．710．603．997．4210．9114．450nwfwf22221()14nnA22()arctan52.71nn反方程平均-2．690．684．087．5110．9414．45总平均-2．700．644．047．4710．9314．45两端点（0，-2．70），（0．10，14．45）两点成线得直线：y=-2.7+171.5。=14.45-(-2.70)=17.15。。。。（1）端点平移线：令y=171.5x+b。理想b3.43+b6.86+b10.29+b13.72+b17.15+bb+2.72.79+b2.82+b2.82+b2.79+b2.7+b通过上面线性关系可求得b=-2.67y=171.5x-2.67=14.45-(-2.70)=17.15。(3)最小二乘直线通过最小二乘法可求直线为y=171.5x-2.77理想-2.770.664.097.5210.9514.380.070.020.050.050.020.07=14.38-(-2.77)=17.15。FSY0.12100%0.7%17.15L0.09100%0.52%17.15H0.055100%0.32%17.15RLFSY0.06100%0.35%17.15L0.09100%0.52%17.15H0.055100%0.32%17.15RLFSY0.07100%0.41%17.15L0.52%H0.32%H3-13一测试装置的幅频特性如题3-13图所示，相频特性为：w=125.5rad/s时相移75°；w=150.6rad/s时相移180°。若用该装置测量下面两复杂周期信号答：当时，幅频=常数与不成线性关系所以该装置对幅值不失真，但是相位失真，不能实现不失真测量条件。同理对信号也不能实现3-14判断题。(1)频率不变性原理是指任何测试装置的输出信号的频率总等于输入信号的频率。答：（错）条件需稳定(2)连续模拟信号的频谱具有谐波性、离散性、收敛性特点。答：（错）要为周期信号(3)系统的传递函数H(s)=Y(s)/X(s)，式中Y(s)、X(s)分别为响应与激励的拉氏变换，表明H(s)将随X(s)的