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1、机械工程测试技术基础第三版课后答案全集机械工程测试技术基础习题解答第一章信号的分类与描述1-1求周期方波(见图1-4)的傅里叶级数(复指数函数形式)，划出丨|3和氛 图，并与表11对比。积分区间取(-T/2, T/2)没有偶次谐波。其频谱图如下图所示。幅频图 相频图周期方波复指数函数形式频谱图1-2求正弦信号X) = X0 Sill。/的绝对均值“卜|和均方根值Xnn: o解 答旷韵双呃肉sin呻=牛f sinM = -务cos歸=金=牛X- = Jm；xp)df = J* x；smSdt = J利-号2不=_V卜3求指数函数x(t) = Aeat (a0,r0)的频谱。解答：JR + (2

2、好)，曲)ReX(/) a单边指数衰减信号频谱图1-4求符号函数（见图l-25a）和单位阶跃函数（见图l-25b）的频谱。sgn(/)1KO1i0t-10ta）符号函数b）阶跃函数图1-25题1-4图a）符号函数的频谱CO处可不予定义，或规定sgn（0） =0o 该信号不满足绝对可积条件，不能直接求解，但傅里叶变换存在。可以借助于双边指数衰减信号与符号函数相乘，这样便满足傅里叶变换的条件。先求此 乘积信号屋（t）的频谱，然后取极限得出符号函数x（r）的频谱。X (/)=列 sgn(f) = Hm X, (/) = -J 在跳变点AO处函数值未定义，或规定(0)=1/2。阶跃信号不满足绝对可积条

3、件，但却存在傅里叶变换。由于不满足绝对可积条件，不能直接 求其傅里叶变换，可采用如下方法求解。解法1：利用符号函数w(O = | + |sgn(r)1+ 2(” (/)=廉 = 0 岸+存sgn(r) = 15(/)结果表明，单位阶跃信号(r)的频谱在$0处存在一个冲激分量，这是因为(r)含有直流 分量，在预料之中。同时，由于(M不是纯直流信号，在匸0处有跳变，因此在频谱中还 包含其它频率分量。解法2：利用冲激函数(f) = f 5(zjdr = oWr0W根据傅里叶变换的积分特性1-5求被截断的余弦函数cosco0t （见图1 -26）的傅里叶变换。x(r) = 0yt0)的频谱密度函数为根

4、据频移特性和叠加性得：2)讣伽一如一“+如讣呼科-匚芈气2j 2j_a +(co-coQ) a+(a)+co0)-_ 。-(”-亦) j 2cq a2 + 9一 o)0)2a2 + 9+ a)0)2 J a2 + (co-co0)2a2 + (e+ co0)2cosco0t(co0 com) o在这个关系中，函数f(r)叫做调制信号，余弦振荡cos/叫做载波。试求调幅信号f(t)COScoQt的傅里叶变换，示意画出调幅信号及其频谱。又问：若 ve,”时 将会出现什么情况？图1-27题1-7图解:x(f)= y(r)cos(qr)尸=閱/(COS(Qf) = (R如 4-门如)所以刃)=孰)小如

5、+訂严根据频移特性和叠加性得：X(/) = *FO-如+ *F(e+q)可见调幅信号的频谱等于将调制信号的频谱一分为二，各向左右移动载频3。，同时谱 线高度减小一半。1-8求正弦信号x(f) = XoSin(m + )的均值“八 均方值p；和概率密度函数pWo 解答：(1)他=lim丄範)宙= X。sin(m + 0)df = 0,式中7；= 一正弦信号周期r-x TJo Tq Jo 3(2)吭=恐 f F d/ = f 可 suf (初 + =专 f l-cos?”) dr = V(3)在一个周期Tg = M + az2 = 2Ar= Hm zo 人 Ax2 d/av-m Ax正弦信号第二章

6、测试装置的基本特性2-1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/Vo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？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，即仝90. 9(nC/MPa) 0. 005 (V/nC) 20(rnrn/V)=9. 09mm/MPa。偏移量：y=S 3. 5=9. 09 3. 5=31. 815mm。2-2用一个时间常数为0.35s的一阶装

7、置去测量周期分别为Is、2s和5s的正弦信号， 问稳态响应幅值误差将是多少？解：设一阶系统H(s) =一，H(= 一F5 + 1 1+ jTd)人=|/7(础= J = | 1 , 7是输入的正弦信号的周期稳态响应相对幅值误差5 =卜)一1卜100%,将已知周期代入得58.6% T = ls珀 32.7% T = 2s8.5% T = 5s2-3求周期信号 x(f)=0. 5cosl0t+0. 2cos(100? - 45 )通过传递函数为 (s)=l/(0. 005M1)的装置后得到的稳态响应。解： H(e) = , 4 _ 厂 1 (6?) = - aictaii(0.005 co)1 +

8、 J0005 3 J1 +(0.005 0)2该装置是一线性定常系统，设稳态响应为y(r),根据线性定常系统的频率保持性、比 例性和叠加性得到y(f)=?2问一厂加)1 +(6r)2 21 + (ra)2 = cos 曲 + cot sin cot 一 e,/T |1 + (to)2L 1l+(ra)2Jl + (ny)? cos(q/ 一 aictan cot) 一 e,/r2-8 求频率响应函数为 3155072 / (1 + O.Olj ) (1577536 + 1760j -)的系统对正弦输入x(f)=10sin(62.8f)的稳态响应的均值显示。解：该系统可以看成是一个一阶线性定常系

9、统和一个二阶线性定常系统的串联，串联后 仍然为线性定常系统。根据线性定常系统的频率保持性可知，当输入为正弦信号时，其稳态 响应仍然为同频率的正弦信号，而正弦信号的平均值为0,所以稳态响应的均值显示为0。2-9试求传递函数分别为1. 5/(3. 5s + 0.5)和41 n2/(s2 + 1.4 s + 寿的两环节 串联后组成的系统的总灵敏度(不考虑负载效应)。解：H、(s)= = ,即静态灵敏度陆41s + 1.4(0+ colt 5_ +1 Acons + a)因为两者串联无负载效应，所以总静态灵敏度K= K 矗=3 41 = 1232-10设某力传感器可作为二阶振荡系统处理。已知传感器的固

10、有频率为800Hz,阻尼 比=0. 14,问使用该传感器作频率为400Uz的正弦力测试时，其幅值比水)和相角差() 各为多少？若该装置的阻尼比改为=0.7,问4()和()又将如何变化？2解：设H(o)= 一叫 ，则5-+ 2,5+,-J (400) 1.31, (400) - 10.57如果 =0.7,则力(400) 0.975, (400) 一 43.032-11对一个可视为二阶系统的装置输入一单位阶跃函数后，测得其响应的第一个超调 量峰值为1.5,振荡周期为6. 28s0设已知该装置的静态增益为3,求该装置的传递函数和该 装置在无阻尼固有频率处的频率响应。解：歹=| # 0.215因为d

11、= 6.28s,所以a = 2 / d = lrad/ss2 + 2现 s 4- con2 s2 + 0.44s +1.05仪 Q)= _aictanA(e) =沁) = 90。第三章常用传感器与敏感元件3-1在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。 解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。3-2试举岀你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。3-3电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具 体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主

12、要利用压阻效应。电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性 差、灵敏度离散度大、非线性大。选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。3-4有一电阻应变片（见图3-84）,其灵敏度$=2,彳=120 。设工作时其应变为1000 ,问 斤=?设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变 时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式R/R=Sk得R=Sk R=2 1000 10 120=0.241）

13、 Zi=l. 5/怡1. 5/120=0. 0125A=12. 5mA2） Z=1.5/（用 0=1.5/（120+0.24） 0. 012475A=12. 475mA3） =（I2-h）/A 100%=0.2%4） 电流变化量太小，很难从电流表中读出。如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量 程不够，无法测量12. 5mA的电流；如果采用毫安表，无法分辨0.025mA的电流变化。一般 需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输岀量，并可根据需 要采用放大器放大。3-5电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取 这些措施会带来什么样后果？ 解

14、答：以气隙变化式为例进行分析。S_dL _ N叭d8 282又因为线圈阻抗公Z,所以灵敏度又可写成。_ dZ _ N叭3矿一厉厂由上式可见，灵敏度与磁路横截面积仏、线圈匝数M电源角频率、铁芯磁导率o, 气隙等有关。如果加大磁路横截面积Jo、线圈匝数M电源角频率、铁芯磁导率0,减小气隙， 都可提高灵敏度。加大磁路横截面积仏、线圈匝数N会增大传感器尺寸，重量增加，并影响到动态特性; 减小气隙会增大非线性。3-6电容式、电感式、电阻应变式传感器的测量电路有何异同？举例说明。解答：电容式传感器的测量电路调幅电路彳谐振式调幅电路.电桥电路调频电路彳直放式.外差式运算放大器电路二极管T型网络差动脉宽调制电

15、路.极化电路等自感型变磁阻式电感传感器的测量电路:谐振式调幅电路惠斯登电桥I带相敏检波的电桥等调频电路.调相电路等电阻应变式传感器的测量电路：电桥电路（直流电桥和交流电桥）。相同点：都可使用电桥电路，都可输出调幅波。电容、电感式传感器都可使用调幅电路、 调频电路等。不同点：电阻应变式传感器可以使用直流电桥电路，而电容式、电感式则不能。另外电 容式、电感式传感器测量电路种类繁多。3-7 个电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm,工作初始间隙=0. 3mm，问：1） 工作时，如果传感器与工件的间隙变化量 =1 m时，电容变化量是多少？ 2）如果测 量电路的灵敏度SL100mV/pF,读数仪表

16、的灵敏度$=5格/mV,在 =1 m时，读数仪 表的指示值变化多少格？解：1）=可_% + 45 =氏(爲+ 45) 爲三_ &85x IO xlx (4xl(T)2(lx IO)(0.3 xlO-3)2 4.94 x IO-15 F = 4.94 x 103 pF2） 年 100 5 （ 4.94 10 ） 2.47 格 答：3-8把一个变阻器式传感器按图3-85接线。它的输人量是什么？输出量是什么？在什么样 条件下它的输出量与输人量之间有较好的线性关系？XR严一Rp = kx,输出电阻与输入位移成线性关系。 XpX由上式可见，只有当几/丘0时，才有Mo=Weocxo所以要求后续测量仪表的输

17、入 Xp阻抗忆要远大于变阻器式传感器的电阻心，只有这样才能使输出电压和输入位移有较好的 线性关系。3-9试按接触式与非接触式区分传感器，列出它们的名称、变换原理，用在何处？解答：接触式：变阻器式、电阻应变式、电感式（涡流式除外）、电容式、磁电式、压电式、 热电式、广线式、热敏电阻、气敏、湿敏等传感器。非接触式：涡电流式、光电式、热释电式、霍尔式、固态图像传感器等。可以实现非接触测量的是：电容式、光纤式等传感器。3-10欲测量液体压力，拟采用电容式、电感式、电阻应变式和压电式传感器，请绘出可行 方案原理图，并作比校。3-11 -压电式压力传感器的灵敏度仝90pC/MPa,把它和一台灵敏度调到0.

18、 005V/pC的电荷 敖大器连接，放大器的输出又接到一灵敏度已调到20mm/V的光线示波器上记录，试绘出这 个测试系统的框图，并计算其总的灵敏度。解：框图如下压力P各装置串联，如果忽略负载效应，则总灵敏度S等于各装置灵敏度相乘，即3 x! P=90 0.005 20=9mm/MPa。3-12光电传感器包含哪儿种类型？各有何特点？用光电式传感器可以测量哪些物理量？ 解答：包括利用外光电效应工作的光电传感器、利用光电效应工作的光电传感器、利用光生 伏特效应工作的光电传感器三种。外光电效应（亦称光电子发射效应）一光线照射物体，使物体的电子逸出表面的现象, 包括光电管和光电倍増管。光电效应（亦称光导

19、效应）一物体受到光线照射时，物体的电子吸收光能是其导电性增 加，电阻率下降的现象，有光敏电阻和由其制成的光导管。光生伏特效应一光线使物体产生一定方向的电动势。如遥控器，自动门（热释电红外探测器），光电鼠标器，照相机自动测光计，光度计， 光电耦合器，光电开关（计数、位置、行程开关等），浊度检测，火灾报警，光电阅读器（如 纸带阅读机、条形码读出器、考卷自动评阅机等），光纤通信，光纤传感，CCD,色差，颜色 标记，防盗报警，电视机中亮度自动调节，路灯、航标灯控制，光控灯座，音乐石英钟控制 （晚上不奏乐），红外遥感、干手器、冲水机等。在CCD图象传感器、红外成像仪、光纤传感器、激光传感器等中都得到了广

20、泛应用。3-13何谓霍尔效应？其物理本质是什么？用霍尔元件可测哪些物理量？请举出三个例子说 明。解答：霍尔（Hall）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。 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応（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。应用举例：电流的测量，位移测量，磁感应强度测量，力测量；计数装置，转速测量（如 计程表等），流量测量，位置检测与控制，电子点火器，制做霍尔电机一无刷电机等。3-14试说明压电式加

21、速度计、超声换能器、声发射传感器之间的异同点。 解答：相同点：都是利用材料的压电效应（正压电效应或逆压电效应）。不同点：压电式加速度计利用正压电效应，通过惯性质量快将振动加速度转换成力作用 于压电元件，产生电荷。超声波换能器用于电能和机械能的相互转换。利用正、逆压电效应。利用逆压电效应可 用于清洗、焊接等。声发射传感器是基于晶体组件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成 电压信号的换能设备，所有又常被人们称为声发射换能器或者声发射探头。材料结构受外力或力作用产生位错-滑移-微裂纹形成-裂纹扩展-断裂，以弹性波的形式 释放出应变能的现象称为声发射。声发射传感器不同于加速度传感器，它受

22、应力波作用时靠压电晶片自身的谐振变形把被 检试件表面振动物理量转化为电量输出。3-15有一批涡轮机叶片，需要检测是否有裂纹，请举出两种以上方法，并阐明所用传感器 的工作原理。涡电流传感器，红外辐射温度测量，声发射传感器（压电式）等。3-16说明用光纤传感器测量压力和位移的工作原理，指出其不同点。 解答：微弯测压力原理：力微弯板光纤变形光纤传递的光强变化。微弯测位移原理：位移微弯板光纤变形光纤传递的光强变化。不同点：压力需要弹性敏感元件转换成位移。3-17说明红外遥感器的检测原理。为什么在空间技术中有广泛应用？举出实例说明。 解答：红外遥感就是远距离检测被测目标的红外辐射能量。空间技术中利用飞船

23、、航天飞机、 卫星等携带的红外遥感仪器可以实现很多对地、对空观测任务。如观测星系，利用卫星遥测 技术研究地壳断层分布、探讨地震前兆，卫星海洋观测等。3-18试说明固态图像传感器（CCD器件）的成像原理，怎样实现光信息的转换、存储和传 输过程，在工程测试中有何应用？CCD固态图像传感器的成像原理：MOS光敏元件或光敏二极管等将光信息转换成电荷存 储在CCD的MOS电容中，然后再控制信号的控制下将MOS电容中的光生电荷转移出来。应用：如冶金部门中各种管、线、带材轧制过程中的尺寸测量，光纤及纤维制造中的丝 径测量，产品分类，产品表面质量评定，文字与图象识别，传真，空间遥感，光谱测量等。 3-19在轧

24、钢过程中，需监测薄板的厚度，宜采用那种传感器？说明其原理。解答：差动变压器、涡电流式、光电式，射线式传感器等。3-20试说明激光测长、激光测振的测量原理。解答：利用激光干涉测量技术。3-21选用传感器的基本原则是什么？试举一例说明。解答：灵敏度、响应特性、线性围、可靠性、精确度、测量方法、体积、重量、价格等各方 面综合考虑。第四章信号的调理与记录41以阻值金120 、灵敏度$=2的电阻丝应变片与阻值为120的固定电阻组成电桥，供 桥电压为3V,并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为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灵敏度。解：这是一个等臂电桥，可以利用

25、等比电桥和差特性表达式求解。4a=2 时：单臂输出电压：U=丄竺/= = 1x2x2x10-6x3 = 3xl(f6V = 3|iV4 R & 4双臂输出电压：/o = -(/c = S(/c =丄x2x2xl0fx3 = 6xl0YV = 6pV2 R 2=2000 时：单臂输出电压：U= 竺UR妙严丄x2x2000X10-6x3 = 3x10_3V = 3mV 4 /? c 4双臂输出电压：U=丄竺/=SM/ = 1x2x2000xl(T6x3 = 6xl0TV = 6mV2 R s 2双臂电桥校单臂电桥灵敏度提高1倍。4-2有人在使用电阻应变仪时，发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥上增加电阻应变片数 以提高灵敏度。试问，