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1、精选优质文档-倾情为你奉上装订线济南大学20102011学年第2学期课程考试试卷答案（A卷）课 程 测试技术 授课教师 宋方臻、苏东宁、邵海燕、马玉真 考试时间 2011年 6月15日 考试班级 学 号 姓 名 题号一二三四五六总 分得分得 分阅卷人一、分析题（共25分）如图1所示，由电容传感器、电容测微仪、测微台架组成的位移测量系统中，电容传感器的测量范围如图2所示，请回答以下问题： 图1 电容测量系统组成 图2 电容传感器的测量范围（1）根据电容传感器与被测表面的相对位置关系，说明电容传感器的测量方式。 答：由于在测量位移的过程中，电容传感器与被测表面不接触，电容传感器的测量属于非接触测量
2、方式。 2分（2）写出电容传感器的电容与极距h的关系，说明传感器的测量范围与量程。答：传感器的输出电容C(F)与输入位移或极距h(um)之间的关系为： ，传感器的测量范围为50um-150um，量程100um. 3分答题不要超过此线（3）在h由50um到150um变化的过程中，将电容传感器的电容随位移（或极距）变化的关系在下图中绘出(定性表示)，并说明该传感器的输出与输入之间是否具有线性关系，灵敏度是否为常数？50h(um)C(F)7090130110150 3分答：传感器的输出电容C(F)与输入位移或极距h(um)之间的关系为： , 因此具有非线性关系。 1分 传感器的灵敏度为：, 因此不为
3、常数。2分（4）电容测微仪即是电容传感器的测量放大电路，其输出为电压信号。根据学习的理论知识，说明可能采取的测量电路，画出电路简图，并写出系统的输出电压与被测位移量之间的关系式。答：采用运算放大器电路可以改善极距变化的电容传感器非线性。极距变化的电容传感器的输出为： 其电容与极距之间是非线性关系。因此，存在非线性误差。使得其测量范围很小，一般取极距变化范围约为。如图所示，反馈回路中的为极距变化型电容传感器的电容，输入电路采用固定电容，为稳定的激励电压，那么输出电压与极距之间的关系式为：装订线 5分 可见，输出电压与电容传感器的间隙成线性关系，改变了其非线性问题。 4分（5）在h由50um到15
4、0um变化的过程中，将测微仪的输出电压（以直流形式表示）随位移（或极距）变化的关系在下图中绘出(定性表示)，并说明该测量系统的输出与输入之间是否具有线性关系？50h(um)V(mV)7090130110150 3分答：该测量系统的输出与输入之间具有线性关系。2分 得 分阅卷人 二、计算题（共25分）答题不要超过此线如图所示，在一个悬臂梁上、下表面各粘贴了两个阻值为、灵敏度 的金属电阻应变片，当在梁的末端施加一个恒定的力F时，梁发生应变。其主视图和俯视图如图3所示。其中，R1与R3在上表面，R2与R4在下表面。 FR1，3R2,4 图3 悬臂梁的结构简图（1） 将以上四个应变片接成全桥电桥，假设
5、直流供桥电源为5V，并假设负载电阻无穷大，当应变片的应变为时，求出此时电桥的输出电压，并画出直流电桥的电路图。 解： 2分 其电路图如下： 2分 （2）某同学将上面的两个应变片串联相接作为一个桥臂的电阻，下面的两个应变片串联相接作为相邻的一个桥臂的电阻，其余两个桥臂接固定电阻，阻值为，从而形成半桥电路，画图表示该电桥，并计算分析其灵敏度与第一小题中的灵敏度有什么不同？ 解：其电路图如下：装订线 2分 串联后电桥灵敏度： =2.5V 3分 上题中电桥灵敏度： 5V 2分 可见，此接法电桥的灵敏度不如全桥的灵敏度高。 1分（3）若用图3中的电阻应变片接成交流电桥的全桥，并在悬臂梁的末端加交变激振力
6、，采用交流激励电压，当应变片的应变为时，求电桥输出电压。解： 3分 （4）按照要求在下图中画出激励电压、应变、电桥输出三个信号的频谱。0f /HzU0i(f)1k-1k 0.5 答题不要超过此线 2分0f /Hz(f)10-10102 2 3分0f /HzUyi(f)-0.99k -1.01k 102 2 -1k 1.01k 0.99k 102 2 1k 3分（5）若对以上交流电桥的输出进行同步解调，则需要与 1000 的信号相乘，解调后，若采用一理想滤波器进行滤波，那么该滤波器的截止频率至少为 10 。 2分得 分阅卷人三、实验题（共25分） （1）如图4所示，用手持脉冲锤敲击悬臂梁产生脉冲
7、激励。激振力的幅值由脉冲锤上的力传感器与电荷放大器测出。加速度传感器，电荷放大器测量梁的响应。力信号和响应信号同时送到信号处理设备，经处理后便获得所需的数据，用来测量悬臂梁的动态特性。装订线加速度计实验梁脉冲锤电荷放大器（带积分）电荷放大器信号处理设备图4 脉冲激振实验框图 同样，稳态正弦激振的实验框图如图5所示，也可以用来测量悬臂梁的加速度计悬臂梁激振器功率放大器信号发生器稳压电源阻抗变换器六线测振仪动态特性。图5 稳态正弦激振实验框图 根据图5的实验过程和图4的理论分析，详细说明两种测量方法是如何获取悬臂梁的动态特性参数的？答：稳态正弦激振是对试件施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，在试件
8、达到稳定状态后，测定振动响应与正弦力的幅值比及相位差。幅值比为该激振频率时的幅频特性值，相位差为该激振频率时的相频特性值。为了测得整个频率范围内的频率响应，必须无级或有级地改变正弦激振力的频率，这一过程称为频率扫描或扫频过程。频率扫描可以用手动或自动方式实现。在扫描过程中，必须采用足够缓慢的扫描速度，以保证测试、分析仪器有足够的响应时间和使被测试件能够处于稳态振动状态。对于小阻尼系统，这点尤为重要。正弦激振力一般由正弦信号发生器产生电信号，经功率放大后送给激振器，激振器便输出一正弦力作用于试件。在特殊情况下，也可以选用电液或机械激振设备产生正弦力。对于激振力的幅值，可进行恒力控制，其方法是采用
9、高阻抗输出的功率放大器，送恒定电流给激振器来实现恒力，或通过检测到的力信号反馈到激振信号中，进行“压缩”控制实现恒力。答题不要超过此线试件的振动响应，一般用测振传感器及仪器测量。该实验的仪器组合由低频信号发生器、功率放大器和激振器组成正弦激振系统。用压电式加速度计、阻抗变换器、六线测振仪来检测试件的振动响应。六线测振仪中设有积分网络，可将振动的加速度信号转换为速度信号或位移信号。根据正弦信号的频率、测振仪测得的电压值，可以得出幅频特性值。用整个频率范围内的特性值作出幅频特性曲线，进而估计出悬臂梁的固有频率和阻尼比。脉冲激振为瞬态激振，属宽带激振。目前常用的瞬态激振方式有快速正弦扫描激振，脉冲激
10、振和阶跃激振几种。实验中，用脉冲锤进行脉冲激振的较多。用脉冲锤激振，激振力可以通过改变锤头配重块的质量和敲击加速度调节。频带宽度取决于脉冲持续时间。试件材料和锤头垫材料都很硬时，值则小。值愈小频带宽度愈宽。采用脉冲激振，所需要的设备较少，例如信号发生器、功率放大器、激振器等等都可以不要，并且可以在更接近于实际的工作条件下来测定试件的机械阻抗。本实验中，用手持脉冲锤敲击悬臂梁产生脉冲激励。激振力的幅值由脉冲锤上的力传感器与电荷放大器测出。加速度传感器，电荷放大器测量梁的响应。力信号和响应信号同时送到信号处理设备，经处理后便获得所需的机械阻抗数据。 12分（2）在图5的测量过程中，保持激振力恒定，
11、由低频段向高频段逐次改变激振频率，可以得到悬臂梁的一阶、二阶、三阶共振波形，若各阶固有频率约为30Hz、180Hz、500Hz，在以下坐标图中画出波形的大概变化规律。 3分装订线（3）在图5的实验装置中，若信号发生器产生的正弦信号的频率、幅值稳定，但初始相位角为随机变量，在悬臂梁的响应信号中却可能包含一定的干扰信号，其频率成分与信号源的频率并不相同，试分析采用什么方法可以把测量获得的信号中的干扰去掉，从而获得真正由正弦激励信号引起的响应？答：采用相关滤波的方法。 2分悬臂梁可以看做一个线性系统，线性系统的主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。 1分对一个线性系统激
12、振，若测得其振动信号中包含大量的噪声干扰。根据线性系统的频率保持性，只有和激振频率相同的成分才可能是由激振引起的响应，其它成分均是干扰。 2分将激振信号与所测得的响应信号进行互相关（取=0）处理，利用互相关函数“同频相关、不同频不相关”的性质对信号滤波处理，就可以得到由激振而引起的响应幅值和相位差，消除了噪声干扰的影响。 应用相关分析原理来消除信号中的噪声干扰、提取有用信号的处理方法就是相关滤波的方法。 3分设有两个周期信号x(t)和y(t)，其圆频率不等，因为信号x(t)和y(t)的圆频率不等，不具有共同的周期，所以：根据正余弦函数的正交性，若两信号为同频率信号，根据互相关函数的性质，两信号
13、同频相关，不同频不相关，则 -2分得 分阅卷人四、综合题（共25分） （1）如图6所示，分别采用涡电流传感器和电容传感器对回转轴的转速进行测量，分析二者的测量原理以及在测量过程中信号的变化规律。答题不要超过此线 图6 回转轴转速的测量 答：涡流传感器的工作原理为：高频(1MHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关。若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移变化转换为线圈自感变化，通过测量电
14、路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。 3分将被测轴上开一个凹槽，涡流传感器固定于轴的侧面，使传感器端面与轴的侧面保持一定的间隙，初始间隙的大小根据传感器的型号确定。转动传动轴，每当传感器与轴的凹槽相对时，传感器与轴的侧面间隙会突然变大，这样将传感器的输出信号放大后比较输出，就会得到一系列的方波信号，如图所示。将这些方波信号输入到计数器中，就会得到轴的转动频率，即为转速。 3分 1分 电容传感器是将被测量的变化转化为电容量变化，即 ，如下图所示，两个极板之间的间隙为极距，当其中一个极板固定，另一个极板随着被测件沿一定方向移动时，极板之间的极距会发生变化，从而引起电容的变化。 3
15、分 装订线将被测轴上开出多个凹槽，电容传感器固定于轴的侧面，使传感器端面与轴的侧面保持一定的间隙，初始间隙的大小根据传感器的型号确定。传感器作为定极板，被测轴的侧面作为动极板。转动传动轴，每当传感器与轴的凹槽相对时，传感器与轴的侧面间隙会突然变大，这样将传感器的输出信号放大后比较输出，就会得到一系列的方波信号，如图所示。将这些方波信号输入到计数器中，并把计数值除以齿数，就会得到轴的转动频率，即为转速。 3分 2分 （2）若对一个光滑的金属材料回转轴进行测量，如图7所示，是否可以达到转速测量的目的？如果不可以，说明原因，如果可以，请根据信号的变化规律进行分析。电涡流传感器 电容传感器 图7 光滑
16、回转轴的转速测量 答：若对一个光滑的金属材料回转轴进行测量，涡流传感器与电容传感器仍然固定于轴的一侧，使其初始间隙达到要求。 当轴在转动过程中，轴的侧面与传感器的端面之间的间隙一般不会发生变化。但是由于回转轴不可能绝对的同心，在转动过程中，由于轴的微小偏心，可能使得侧面与传感器的间隙也会周期性的发生变化，那么两个传感器的信号经过放大后得到的信号波形为：答题不要超过此线 轴的偏心是呈周期变化的，所以传感器测量得到的信号也是周期变化的，而且二者的周期相同，此信号同样经过计数器计数后得到转速。 5分 （3）对于一个时不变线性系统，输入为某一频率的正弦信号时，其稳态输出信号的频率应该为（ ）。 1分（4）已知带通滤波器的上截止频率，下截止频率，那么该滤波器的中心频率 =（ 20 ）。 1分 （5）调幅是将低频的被测信号与一个高频的载波信号相乘，使高频信号的（ 幅值 ）随被测信号的变化而变化。 1分（6）变阻器式传感器的分辨力由于受到电阻丝直径的限制,一般不高，很难小于（ 20 ）。 1分（7）方波信号与其通过某一滤波器后的输出信号见下图，那么该滤波器可能是（ 低通 ）滤波器。 1分（a）输入信号 (b) 输出信号 专心-专注-专业