測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)第三課后答案全集.pdf

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題解答 第一章 信號(hào)的分類與描述 1 1 求周期方波 見圖1 4 的傅里葉級(jí)數(shù) 復(fù)指數(shù)函數(shù)形式 劃 出 cn 和 n 圖 并與表1 1對(duì)比 圖1 4 周期方波信號(hào)波形圖 0 t x t A A 解答 在一個(gè)周期的表達(dá)式為 積分區(qū)間取 T 2 T 2 所以復(fù)指數(shù)函數(shù)形式的傅里葉級(jí)數(shù)為 沒有偶次諧波 其頻譜圖如下圖所示 cn n 2 2 0 0 3 0 5 0 3 0 5 0 2A 2A 3 2A 5 幅頻圖 相頻圖 周期方波復(fù)指數(shù)函數(shù)形式頻譜圖 2A 5 2A 3 2A 0 3 0 5 0 0 3 0 5 0 1 2 求正弦信號(hào)的絕對(duì)均值和均方根值 解答 1 3 求指數(shù)函數(shù)的頻譜 解答 單邊指數(shù)衰減信號(hào)頻譜圖 f X f A a 0 f f 0 2 2 1 4 求符號(hào)函數(shù) 見圖1 25a 和單位階躍函數(shù) 見圖1 25b 的頻譜 t sgn t 0 1 1 t u t 0 1 圖1 25 題1 4圖 a 符號(hào)函數(shù) b 階躍函數(shù) a 符號(hào)函數(shù)的頻譜 t 0處可不予定義 或規(guī)定sgn 0 0 該信號(hào)不滿足絕對(duì)可積條件 不能直接求解 但傅里葉變換存在 可以借助于雙邊指數(shù)衰減信號(hào)與符號(hào)函數(shù)相乘 這樣便滿足傅里葉 變換的條件 先求此乘積信號(hào)x1 t 的頻譜 然后取極限得出符號(hào)函 數(shù)x t 的頻譜 符號(hào)函數(shù) t x1 t 0 1 1 符號(hào)函數(shù)頻譜 f f 0 2 0 f X f 2 b 階躍函數(shù)頻譜 在跳變點(diǎn)t 0處函數(shù)值未定義 或規(guī)定u 0 1 2 階躍信號(hào)不滿足絕對(duì)可積條件 但卻存在傅里葉變換 由于不滿足絕對(duì) 可積條件 不能直接求其傅里葉變換 可采用如下方法求解 解法1 利用符號(hào)函數(shù) 結(jié)果表明 單位階躍信號(hào)u t 的頻譜在f 0處存在一個(gè)沖激分量 這是 因?yàn)閡 t 含有直流分量 在預(yù)料之中 同時(shí) 由于u t 不是純直流信 號(hào) 在t 0處有跳變 因此在頻譜中還包含其它頻率分量 單位階躍信號(hào)頻譜 f U f 0 1 2 f f 0 2 2 解法2 利用沖激函數(shù) 根據(jù)傅里葉變換的積分特性 1 5 求被截?cái)嗟挠嘞液瘮?shù) 見圖1 26 的傅里葉變換 圖1 26 被截?cái)嗟挠嘞液瘮?shù) t t T T T T x t w t 1 0 0 1 1 解 w t 為矩形脈沖信號(hào) 所以 根據(jù)頻移特性和疊加性得 可見被截?cái)嘤嘞液瘮?shù)的頻譜等于將矩形脈沖的頻譜一分為二 各向 左右移動(dòng)f0 同時(shí)譜線高度減小一半 也說明 單一頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)由 于截?cái)鄬?dǎo)致頻譜變得無限寬 f X f T f0 f0 被截?cái)嗟挠嘞液瘮?shù)頻譜 1 6 求指數(shù)衰減信號(hào)的頻譜 指數(shù)衰減信號(hào) x t 解答 所以 單邊指數(shù)衰減信號(hào)的頻譜密度函數(shù)為 根據(jù)頻移特性和疊加性得 0 0 X 指數(shù)衰減信號(hào)的頻譜圖 1 7 設(shè)有一時(shí)間函數(shù)f t 及其頻譜如圖1 27所示 現(xiàn)乘以余弦型振 蕩 在這個(gè)關(guān)系中 函數(shù)f t 叫做調(diào)制信號(hào) 余弦振蕩叫做載波 試求 調(diào)幅信號(hào)的傅里葉變換 示意畫出調(diào)幅信號(hào)及其頻譜 又問 若時(shí)將會(huì) 出現(xiàn)什么情況 圖1 27 題1 7圖 F 0 f t 0 t m m 解 所以 根據(jù)頻移特性和疊加性得 可見調(diào)幅信號(hào)的頻譜等于將調(diào)制信號(hào)的頻譜一分為二 各向左右移 動(dòng)載頻 0 同時(shí)譜線高度減小一半 f X f 0 0 矩形調(diào)幅信號(hào)頻譜 若將發(fā)生混疊 1 8 求正弦信號(hào)的均值 均方值和概率密度函數(shù)p x 解答 1 式中 正弦信號(hào)周期 2 3 在一個(gè)周期內(nèi) x t 正弦信號(hào) x x x t t t 第二章 測(cè)試裝置的基本特性 2 1 進(jìn)行某動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量時(shí) 所采用的壓電式力傳感器的靈敏度為 90 9nC MPa 將它與增益為0 005V nC的電荷放大器相連 而電荷放大 器的輸出接到一臺(tái)筆式記錄儀上 記錄儀的靈敏度為20mm V 試計(jì)算這 個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的總靈敏度 當(dāng)壓力變化為3 5MPa時(shí) 記錄筆在記錄紙上的 偏移量是多少 解 若不考慮負(fù)載效應(yīng) 則各裝置串聯(lián)后總的靈敏度等于各裝置靈 敏度相乘 即 S 90 9 nC MPa 0 005 V nC 20 mm V 9 09mm MPa 偏移量 y S3 5 9 093 5 31 815mm 2 2 用一個(gè)時(shí)間常數(shù)為0 35s的一階裝置去測(cè)量周期分別為1s 2s和 5s的正弦信號(hào) 問穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值誤差將是多少 解 設(shè)一階系統(tǒng) T是輸入的正弦信號(hào)的周期 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)相對(duì)幅值誤差 將已知周期代入得 2 3 求周期信號(hào)x t 0 5cos10t 0 2cos 100t 45 通過傳遞函數(shù) 為H s 1 0 005s 1 的裝置后得到的穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 解 該裝置是一線性定常系統(tǒng) 設(shè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為y t 根據(jù)線性定常系統(tǒng) 的頻率保持性 比例性和疊加性得到 y t y01cos 10t 1 y02cos 100t 45 2 其中 所以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為 2 4 氣象氣球攜帶一種時(shí)間常數(shù)為15s的一階溫度計(jì) 以5m s的上升 速度通過大氣層 設(shè)溫度按每升高30m下降0 15 的規(guī)律而變化 氣球 將溫度和高度的數(shù)據(jù)用無線電送回地面 在3000m處所記錄的溫度為 l 試問實(shí)際出現(xiàn) l 的真實(shí)高度是多少 解 該溫度計(jì)為一階系統(tǒng) 其傳遞函數(shù)設(shè)為 溫度隨高度線性變 化 對(duì)溫度計(jì)來說相當(dāng)于輸入了一個(gè)斜坡信號(hào) 而這樣的一階系統(tǒng)對(duì)斜 坡信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)滯后時(shí)間為時(shí)間常數(shù) 15s 如果不計(jì)無線電波傳送時(shí) 間 則溫度計(jì)的輸出實(shí)際上是15s以前的溫度 所以實(shí)際出現(xiàn) l 的真 實(shí)高度是 Hz H V 3000 515 2925m 2 5 想用一個(gè)一階系統(tǒng)做100Hz正弦信號(hào)的測(cè)量 如要求限制振幅誤 差在5 以內(nèi) 那么時(shí)間常數(shù)應(yīng)取多少 若用該系統(tǒng)測(cè)量50Hz正弦信號(hào) 問此時(shí)的振幅誤差和相角差是多少 解 設(shè)該一階系統(tǒng)的頻響函數(shù)為 是時(shí)間常數(shù) 則 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)相對(duì)幅值誤差 令 5 f 100Hz 解得 523s 如果f 50Hz 則 相對(duì)幅值誤差 相角差 2 6 試說明二階裝置阻尼比多采用0 6 0 8的原因 解答 從不失真條件出發(fā)分析 在0 707左右時(shí) 幅頻特性近似常數(shù) 的頻率范圍最寬 而相頻特性曲線最接近直線 2 7 將信號(hào)cost輸入一個(gè)傳遞函數(shù)為H s 1 s 1 的一階裝置后 試求其包括瞬態(tài)過程在內(nèi)的輸出y t 的表達(dá)式 解答 令x t cost 則 所以 利用部分分式法可得到 利用逆拉普拉斯變換得到 2 8 求頻率響應(yīng)函數(shù)為3155072 1 0 01j 1577536 1760j 2 的系統(tǒng)對(duì)正弦輸入x t 10sin 62 8t 的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的均值顯示 解 該系統(tǒng)可以看成是一個(gè)一階線性定常系統(tǒng)和一個(gè)二階線性定常 系統(tǒng)的串聯(lián) 串聯(lián)后仍然為線性定常系統(tǒng) 根據(jù)線性定常系統(tǒng)的頻率保 持性可知 當(dāng)輸入為正弦信號(hào)時(shí) 其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仍然為同頻率的正弦信 號(hào) 而正弦信號(hào)的平均值為0 所以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的均值顯示為0 2 9 試求傳遞函數(shù)分別為1 5 3 5s 0 5 和41n2 s2 1 4ns n2 的兩環(huán)節(jié)串聯(lián)后組成的系統(tǒng)的總靈敏度 不考慮負(fù)載效應(yīng) 解 即靜態(tài)靈敏度K1 3 即靜態(tài)靈敏度K2 41 因?yàn)閮烧叽?lián)無負(fù)載效應(yīng) 所以 總靜態(tài)靈敏度K K1 K2 3 41 123 2 10 設(shè)某力傳感器可作為二階振蕩系統(tǒng)處理 已知傳感器的固有頻 率為800Hz 阻尼比 0 14 問使用該傳感器作頻率為400Hz的正弦力測(cè) 試時(shí) 其幅值比A 和相角差 各為多少 若該裝置的阻尼比改為 0 7 問A 和 又將如何變化 解 設(shè) 則 即 將fn 800Hz 0 14 f 400Hz 代入上面的式子得到 A 400 1 31 400 10 57 如果 0 7 則A 400 0 975 400 43 03 2 11 對(duì)一個(gè)可視為二階系統(tǒng)的裝置輸入一單位階躍函數(shù)后 測(cè)得其 響應(yīng)的第一個(gè)超調(diào)量峰值為1 5 振蕩周期為6 28s 設(shè)已知該裝置的靜 態(tài)增益為3 求該裝置的傳遞函數(shù)和該裝置在無阻尼固有頻率處的頻率 響應(yīng) 解 因?yàn)閐 6 28s 所以 d 2 d 1rad s 所以 當(dāng) n時(shí) 第三章 常用傳感器與敏感元件 3 1 在機(jī)械式傳感器中 影響線性度的主要因素是什么 可舉例說明 解答 主要因素是彈性敏感元件的蠕變 彈性后效等 3 2 試舉出你所熟悉的五種機(jī)械式傳感器 并說明它們的變換原理 解答 氣壓表 彈簧秤 雙金屬片溫度傳感器 液體溫度傳感器 毛發(fā) 濕度計(jì)等 3 3 電阻絲應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何區(qū)別 各有何優(yōu)缺 點(diǎn) 應(yīng)如何針對(duì)具體情況來選用 解答 電阻絲應(yīng)變片主要利用形變效應(yīng) 而半導(dǎo)體應(yīng)變片主要利用壓阻 效應(yīng) 電阻絲應(yīng)變片主要優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定 現(xiàn)行較好 主要缺點(diǎn)是靈敏度 低 橫向效應(yīng)大 半導(dǎo)體應(yīng)變片主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高 機(jī)械滯后小 橫向效應(yīng)小 主 要缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差 靈敏度離散度大 非線性大 選用時(shí)要根據(jù)測(cè)量精度要求 現(xiàn)場(chǎng)條件 靈敏度要求等來選擇 3 4 有一電阻應(yīng)變片 見圖3 84 其靈敏度Sg 2 R 120 設(shè)工作 時(shí)其應(yīng)變?yōu)?000 問R 設(shè)將此應(yīng)變片接成如圖所示的電路 試求 1 無應(yīng)變時(shí)電流表示值 2 有應(yīng)變時(shí)電流表示值 3 電流表指示值 相對(duì)變化量 4 試分析這個(gè)變量能否從表中讀出 圖3 84 題3 4圖 1 5V 解 根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式R R Sg得 R Sg R 2100010 6120 0 24 1 I1 1 5 R 1 5 120 0 0125A 12 5mA 2 I2 1 5 R R 1 5 120 0 24 0 012475A 12 475mA 3 I2 I1 I1100 0 2 4 電流變化量太小 很難從電流表中讀出 如果采用高靈敏度小量 程的微安表 則量程不夠 無法測(cè)量12 5mA的電流 如果采用毫安表 無法分辨0 025mA的電流變化 一般需要電橋來測(cè)量 將無應(yīng)變時(shí)的靈 位電流平衡掉 只取有應(yīng)變時(shí)的微小輸出量 并可根據(jù)需要采用放大器 放大 3 5 電感傳感器 自感型 的靈敏度與哪些因素有關(guān) 要提高靈敏度可 采取哪些措施 采取這些措施會(huì)帶來什么樣后果 解答 以氣隙變化式為例進(jìn)行分析 又因?yàn)榫€圈阻抗Z L 所以靈敏度又可寫成 由上式可見 靈敏度與磁路橫截面積A0 線圈匝數(shù)N 電源角頻率 鐵芯磁導(dǎo)率0 氣隙等有關(guān) 如果加大磁路橫截面積A0 線圈匝數(shù)N 電源角頻率 鐵芯磁導(dǎo)率0 減小氣隙 都可提高靈敏度 加大磁路橫截面積A0 線圈匝數(shù)N會(huì)增大傳感器尺寸 重量增加 并 影響到動(dòng)態(tài)特性 減小氣隙會(huì)增大非線性 3 6 電容式 電感式 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路有何異同 舉例說 明 解答 電容式傳感器的測(cè)量電路 自感型變磁阻式電感傳感器的測(cè)量電路 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路 電橋電路 直流電橋和交流電 橋 相同點(diǎn) 都可使用電橋電路 都可輸出調(diào)幅波 電容 電感式傳感 器都可使用調(diào)幅電路 調(diào)頻電路等 不同點(diǎn) 電阻應(yīng)變式傳感器可以使用直流電橋電路 而電容式 電 感式則不能 另外電容式 電感式傳感器測(cè)量電路種類繁多 3 7 一個(gè)電容測(cè)微儀 其傳感器的圓形極板半徑r 4mm 工作初始間隙 0 3mm 問 1 工作時(shí) 如果傳感器與工件的間隙變化量 1m時(shí) 電 容變化量是多少 2 如果測(cè)量電路的靈敏度S1 100mV pF 讀數(shù)儀表的 靈敏度S2 5格 mV 在 1m時(shí) 讀數(shù)儀表的指示值變化多少格 解 1 2 B S1S2C 1005 4 9410 3 2 47格 答 3 8 把一個(gè)變阻器式傳感器按圖3 85接線 它的輸人量是什么 輸出量 是什么 在什么樣條件下它的輸出量與輸人量之間有較好的線性關(guān)系 圖3 85 題3 8圖 x xp RL ue uo Rx Rp 解答 輸入量是電刷相對(duì)電阻元件的位移x 輸出量為電刷到端點(diǎn)電 阻Rx 如果接入分壓式測(cè)量電路 則輸出量可以認(rèn)為是電壓uo 輸出電阻與輸入位移成線性關(guān)系 輸出電壓與輸入位移成非線性關(guān)系 由上式可見 只有當(dāng)Rp RL0時(shí) 才有 所以要求后續(xù)測(cè)量?jī)x表的輸入 阻抗RL要遠(yuǎn)大于變阻器式傳感器的電阻Rp 只有這樣才能使輸出電壓和 輸入位移有較好的線性關(guān)系 3 9 試按接觸式與非接觸式區(qū)分傳感器 列出它們的名稱 變換原理 用在何處 解答 接觸式 變阻器式 電阻應(yīng)變式 電感式 渦流式除外 電容 式 磁電式 壓電式 熱電式 廣線式 熱敏電阻 氣敏 濕敏等傳感 器 非接觸式 渦電流式 光電式 熱釋電式 霍爾式 固態(tài)圖像傳感 器等 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的是 電容式 光纖式等傳感器 3 10 欲測(cè)量液體壓力 擬采用電容式 電感式 電阻應(yīng)變式和壓電式 傳感器 請(qǐng)繪出可行方案原理圖 并作比較 3 11 一壓電式壓力傳感器的靈敏度S 90pC MPa 把它和一臺(tái)靈敏度調(diào) 到0 005V pC的電荷放大器連接 放大器的輸出又接到一靈敏度已調(diào)到 20mm V的光線示波器上記錄 試?yán)L出這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的框圖 并計(jì)算其總 的靈敏度 解 框圖如下 壓力傳感器 電荷放大器 光線示波器 壓力P 各裝置串聯(lián) 如果忽略負(fù)載效應(yīng) 則總靈敏度S等于各裝置靈敏度相 乘 即 S x P 900 00520 9mm MPa 3 12 光電傳感器包含哪兒種類型 各有何特點(diǎn) 用光電式傳感器可以 測(cè)量哪些物理量 解答 包括利用外光電效應(yīng)工作的光電傳感器 利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的 光電傳感器 利用光生伏特效應(yīng)工作的光電傳感器三種 外光電效應(yīng) 亦稱光電子發(fā)射效應(yīng) 光線照射物體 使物體的電 子逸出表面的現(xiàn)象 包括光電管和光電倍增管 內(nèi)光電效應(yīng) 亦稱光導(dǎo)效應(yīng) 物體受到光線照射時(shí) 物體的電子 吸收光能是其導(dǎo)電性增加 電阻率下降的現(xiàn)象 有光敏電阻和由其制成 的光導(dǎo)管 光生伏特效應(yīng) 光線使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì) 如遙控器 自動(dòng)門 熱釋電紅外探測(cè)器 光電鼠標(biāo)器 照相機(jī)自 動(dòng)測(cè)光計(jì) 光度計(jì) 光電耦合器 光電開關(guān) 計(jì)數(shù) 位置 行程開關(guān) 等 濁度檢測(cè) 火災(zāi)報(bào)警 光電閱讀器 如紙帶閱讀機(jī) 條形碼讀出 器 考卷自動(dòng)評(píng)閱機(jī)等 光纖通信 光纖傳感 CCD 色差 顏色標(biāo) 記 防盜報(bào)警 電視機(jī)中亮度自動(dòng)調(diào)節(jié) 路燈 航標(biāo)燈控制 光控?zé)?座 音樂石英鐘控制 晚上不奏樂 紅外遙感 干手器 沖水機(jī)等 在CCD圖象傳感器 紅外成像儀 光纖傳感器 激光傳感器等中都得 到了廣泛應(yīng)用 3 13 何謂霍爾效應(yīng) 其物理本質(zhì)是什么 用霍爾元件可測(cè)哪些物理 量 請(qǐng)舉出三個(gè)例子說明 解答 霍爾 Hall 效應(yīng) 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中 當(dāng)有電流流過薄片 時(shí) 則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的兩側(cè)面上將產(chǎn)生電位差 這種現(xiàn)象稱 為霍爾效應(yīng) 產(chǎn)生的電位差稱為霍爾電勢(shì) 霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理 物理本質(zhì) 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電荷受到磁場(chǎng)力 FL 稱為洛侖茲力 作用 而向垂直于磁場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)方向的方向移動(dòng) 在 兩側(cè)面產(chǎn)生正 負(fù)電荷積累 應(yīng)用舉例 電流的測(cè)量 位移測(cè)量 磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量 力測(cè)量 計(jì) 數(shù)裝置 轉(zhuǎn)速測(cè)量 如計(jì)程表等 流量測(cè)量 位置檢測(cè)與控制 電子 點(diǎn)火器 制做霍爾電機(jī) 無刷電機(jī)等 3 14 試說明壓電式加速度計(jì) 超聲換能器 聲發(fā)射傳感器之間的異同 點(diǎn) 解答 相同點(diǎn) 都是利用材料的壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)或逆壓電效 應(yīng) 不同點(diǎn) 壓電式加速度計(jì)利用正壓電效應(yīng) 通過慣性質(zhì)量快將振動(dòng) 加速度轉(zhuǎn)換成力作用于壓電元件 產(chǎn)生電荷 超聲波換能器用于電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換 利用正 逆壓電效 應(yīng) 利用逆壓電效應(yīng)可用于清洗 焊接等 聲發(fā)射傳感器是基于晶體組件的壓電效應(yīng) 將聲發(fā)射波所引起的被 檢件表面振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的換能設(shè)備 所有又常被人們稱為聲發(fā)射 換能器或者聲發(fā)射探頭 材料結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生位錯(cuò) 滑移 微裂紋形成 裂紋擴(kuò)展 斷裂 以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射 聲發(fā)射傳感器不同于加速度傳感器 它受應(yīng)力波作用時(shí)靠壓電晶片 自身的諧振變形把被檢試件表面振動(dòng)物理量轉(zhuǎn)化為電量輸出 3 15 有一批渦輪機(jī)葉片 需要檢測(cè)是否有裂紋 請(qǐng)舉出兩種以上方 法 并闡明所用傳感器的工作原理 渦電流傳感器 紅外輻射溫度測(cè)量 聲發(fā)射傳感器 壓電式 等 3 16 說明用光纖傳感器測(cè)量壓力和位移的工作原理 指出其不同點(diǎn) 解答 微彎測(cè)壓力原理 力微彎板光纖變形光纖傳遞的光強(qiáng)變化 微彎測(cè)位移原理 位移微彎板光纖變形光纖傳遞的光強(qiáng)變化 不同點(diǎn) 壓力需要彈性敏感元件轉(zhuǎn)換成位移 3 17 說明紅外遙感器的檢測(cè)原理 為什么在空間技術(shù)中有廣泛應(yīng)用 舉出實(shí)例說明 解答 紅外遙感就是遠(yuǎn)距離檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量 空間技術(shù)中 利用飛船 航天飛機(jī) 衛(wèi)星等攜帶的紅外遙感儀器可以實(shí)現(xiàn)很多對(duì)地 對(duì)空觀測(cè)任務(wù) 如觀測(cè)星系 利用衛(wèi)星遙測(cè)技術(shù)研究地殼斷層分布 探 討地震前兆 衛(wèi)星海洋觀測(cè)等 3 18 試說明固態(tài)圖像傳感器 CCD器件 的成像原理 怎樣實(shí)現(xiàn)光信息 的轉(zhuǎn)換 存儲(chǔ)和傳輸過程 在工程測(cè)試中有何應(yīng)用 CCD固態(tài)圖像傳感器的成像原理 MOS光敏元件或光敏二極管等將光 信息轉(zhuǎn)換成電荷存儲(chǔ)在CCD的MOS電容中 然后再控制信號(hào)的控制下將 MOS電容中的光生電荷轉(zhuǎn)移出來 應(yīng)用 如冶金部門中各種管 線 帶材軋制過程中的尺寸測(cè)量 光 纖及纖維制造中的絲徑測(cè)量 產(chǎn)品分類 產(chǎn)品表面質(zhì)量評(píng)定 文字與圖 象識(shí)別 傳真 空間遙感 光譜測(cè)量等 3 19 在軋鋼過程中 需監(jiān)測(cè)薄板的厚度 宜采用那種傳感器 說明其 原理 解答 差動(dòng)變壓器 渦電流式 光電式 射線式傳感器等 3 20 試說明激光測(cè)長(zhǎng) 激光測(cè)振的測(cè)量原理 解答 利用激光干涉測(cè)量技術(shù) 3 21 選用傳感器的基本原則是什么 試舉一例說明 解答 靈敏度 響應(yīng)特性 線性范圍 可靠性 精確度 測(cè)量方法 體 積 重量 價(jià)格等各方面綜合考慮 第四章 信號(hào)的調(diào)理與記錄 4 1 以阻值R 120 靈敏度Sg 2的電阻絲應(yīng)變片與阻值為120的固定電阻 組成電橋 供橋電壓為3V 并假定負(fù)載電阻為無窮大 當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變 為2和2000時(shí) 分別求出單臂 雙臂電橋的輸出電壓 并比較兩種情況 下的靈敏度 解 這是一個(gè)等臂電橋 可以利用等比電橋和差特性表達(dá)式求解 2時(shí) 單臂輸出電壓 雙臂輸出電壓 2000時(shí) 單臂輸出電壓 雙臂輸出電壓 雙臂電橋較單臂電橋靈敏度提高1倍 4 2 有人在使用電阻應(yīng)變儀時(shí) 發(fā)現(xiàn)靈敏度不夠 于是試圖在工作電橋 上增加電阻應(yīng)變片數(shù)以提高靈敏度 試問 在下列情況下 是否可提高 靈敏度 說明為什么 1 半橋雙臂各串聯(lián)一片 2 半橋雙臂各并聯(lián)一片 解答 電橋的電壓靈敏度為 即電橋的輸出電壓和電阻的相對(duì)變化成正 比 由此可知 1 半橋雙臂各串聯(lián)一片 雖然橋臂上的電阻變化增加1倍 但橋臂 總電阻也增加1倍 其電阻的相對(duì)變化沒有增加 所以輸出電壓沒有增 加 故此法不能提高靈敏度 2 半橋雙臂各并聯(lián)一片 橋臂上的等效電阻變化和等效總電阻都降 低了一半 電阻的相對(duì)變化也沒有增加 故此法也不能提高靈敏度 4 3 為什么在動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀上除了設(shè)有電阻平衡旋鈕外 還設(shè)有電容平衡 旋鈕 解答 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀采用高頻交流電給電橋供電 電橋工作在交流狀 態(tài) 電橋的平衡條件為 Z1Z3 Z2Z4 Z1 Z3 Z2 Z4 13 24 由于導(dǎo)線分布 各種寄生電容 電感等的存在 光有電阻平衡是不 能實(shí)現(xiàn)阻抗模和阻抗角同時(shí)達(dá)到平衡 只有使用電阻 電容兩套平衡裝 置反復(fù)調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)電橋阻抗模和阻抗角同時(shí)達(dá)到平衡 4 4 用電阻應(yīng)變片接成全橋 測(cè)量某一構(gòu)件的應(yīng)變 已知其變化規(guī)律為 t Acos10t Bcos100t 如果電橋激勵(lì)電壓u0 Esin10000t 試求此電橋的輸出信號(hào)頻譜 解 接成等臂全橋 設(shè)應(yīng)變片的靈敏度為Sg 根據(jù)等臂電橋加減特性得 到 幅頻圖為 f 9900 An f 9990 10010 10100 4 5 已知調(diào)幅波xa t 100 30cost 20cos3t cosct 其中 fc 10kHz f 500Hz 試求 1 xa t 所包含的各分量的頻率及幅值 2 繪出調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波的頻譜 解 1 xa t 100cosct 15cos c t 15cos c t 10cos c 3 t 10cos c 3 t 各頻率分量的頻率 幅值分別為 10000Hz 100 9500Hz 15 10500Hz 15 8500Hz 10 11500Hz 10 2 調(diào)制信號(hào)x t 100 30cost 20cos3t 各分量頻率 幅值分別為 0Hz 100 500Hz 30 1500Hz 20 調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波的頻譜如圖所示 f 0 An f 調(diào)制信號(hào)頻譜 1500 f 8500 An f 9500 10000 11500 20 30 100 100 10 15 10500 15 10 調(diào)幅波頻譜 4 6 調(diào)幅波是否可以看作是載波與調(diào)制信號(hào)的迭加 為什么 解答 不可以 因?yàn)檎{(diào)幅波是載波幅值隨調(diào)制信號(hào)大小成正比變化 只 有相乘才能實(shí)現(xiàn) 4 7 試從調(diào)幅原理說明 為什么某動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的電橋激勵(lì)電壓頻率為 10kHz 而工作頻率為0 1500Hz 解答 為了不產(chǎn)生混疊 以及解調(diào)時(shí)能夠有效地濾掉高頻成分 要求載 波頻率為5 10倍調(diào)制信號(hào)頻率 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的電橋激勵(lì)電壓為載波 頻 率為10kHz 所以工作頻率 即允許的調(diào)制信號(hào)最高頻率 為0 1500Hz 是合理的 4 8 什么是濾波器的分辨力 與哪些因素有關(guān) 解答 濾波器的分辨力是指濾波器分辨相鄰頻率成分的能力 與濾波器 帶寬B 品質(zhì)因數(shù)Q 倍頻程選擇性 濾波器因數(shù)等有關(guān) 帶寬越小 品 質(zhì)因數(shù)越大 倍頻程選擇性越小 濾波器因數(shù)越小 分辨力越高 4 9 設(shè)一帶通濾器的下截止頻率為fc1 上截止頻率為fc2 中心頻率 為f0 試指出下列記述中的正確與錯(cuò)誤 1 倍頻程濾波器 2 3 濾波器的截止頻率就是此通頻帶的幅值 3dB處的頻率 4 下限頻率相同時(shí) 倍頻程濾波器的中心頻率是1 3倍頻程濾波器 的中心頻率的倍 解答 1 錯(cuò)誤 倍頻程濾波器n 1 正確的是fc2 21fc1 2fc1 2 正確 3 正確 4 正確 4 10 已知某RC低通濾波器 R 1k C 1F 試 1 確定各函數(shù)式H s H A 2 當(dāng)輸入信號(hào)ui 10sin1000t時(shí) 求輸出信號(hào)uo 并比較其幅值及相 位關(guān)系 解 C R i t ui t uo t 一階RC低通濾波器 1 RC 100010 6 0 001s 所以 2 ui 10sin1000t時(shí) 1000rad s 所以 穩(wěn)態(tài)輸出 相對(duì)輸入ui 輸出幅值衰減為 衰減了 3dB 相位滯后 4 11已知低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù) 式中 0 05s 當(dāng)輸入信號(hào)x t 0 5cos 10t 0 2cos 100t 45 時(shí) 求其 輸出y t 并比較y t 與x t 的幅值與相位有何區(qū)別 解 y t 0 5A 10 cos 10t 10 0 2A 100 cos 100t 45 100 0 447 cos 10t 26 6 0 039cos 100t 123 7 比較 輸出相對(duì)輸入 幅值衰減 相位滯后 頻率越高 幅值衰減 越大 相位滯后越大 4 12 若將高 低通網(wǎng)絡(luò)直接串聯(lián) 見圖4 46 問是否能組成帶通濾 波器 請(qǐng)寫出網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù) 并分析其幅 相頻率特性 R1 C1 uo t 圖4 46 題4 12圖 C2 R2 ui t 解 1 R1C1 2 R2C2 3 R1C2 A 0 0 0 2 A 0 2 可以組成帶通濾波器 如下圖所 示 50 40 30 20 10 0 Magnitude dB 101 100 101 102 103 104 90 45 0 45 90 Phase deg Bode Diagram Frequency rad sec 4 13 一個(gè)磁電指示機(jī)構(gòu)和內(nèi)阻為Ri的信號(hào)源相連 其轉(zhuǎn)角和信號(hào)源電 壓Ui的關(guān)系可用二階微分方程來描述 即 設(shè)其中動(dòng)圈部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I為2 510 5kgm2 彈簧剛度r為10 3Nmrad 1 線圈匝數(shù)n為100 線圈橫截面積A為10 4m2 線圈內(nèi)阻R1為75 磁通密度 B為150Wbm 1和信號(hào)內(nèi)阻Ri為125 1 試求該系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度 radV 1 2 為了得到0 7的阻尼比 必須把多大的電阻附加在電路中 改 進(jìn)后系統(tǒng)的靈敏度為多少 解 1 式中 靜態(tài)靈敏度 阻尼比 固有角頻率 2 設(shè)需串聯(lián)的電阻為R 則 解得 改進(jìn)后系統(tǒng)的靈敏度 第五章 信號(hào)處理初步 5 1 求h t 的自相關(guān)函數(shù) 解 這是一種能量有限的確定性信號(hào) 所以 5 2 假定有一個(gè)信號(hào)x t 它由兩個(gè)頻率 相角均不相等的余弦函數(shù)疊 加而成 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 x t A1cos 1t 1 A2cos 2t 2 求該信號(hào)的自相關(guān)函數(shù) 解 設(shè)x1 t A1cos 1t 1 x2 t A2cos 2t 2 則 因?yàn)?2 所以 又因?yàn)閤1 t 和x2 t 為周期信號(hào) 所以 同理可求得 所以 5 3 求方波和正弦波 見圖5 24 的互相關(guān)函數(shù) t y t t x t 1 1 1 T 1 圖5 24 題5 3圖 sin t 0 0 解法1 按方波分段積分直接計(jì)算 解法2 將方波y t 展開成三角級(jí)數(shù) 其基波與x t 同頻相關(guān) 而三次