机械工程测试技术基础熊诗波课后习题答案

机械工程测试技术基础熊诗波课后习题答案第一章绪论习题1.什么是测试技术？测试技术在机械工程中有哪些作用？2.测试系统一般由哪几部分组成？各部分的作用是什么？3.简述测试技术的发展趋势。

答案1.测试技术：测试技术是测量和试验的技术，它涉及信息的获取、转换、处理、传输、显示和分析等方面。其目的是获取被测量对象的有关信息，以达到认识、分析和改造对象的目的。在机械工程中的作用：产品研发：通过测试获取机械产品性能参数，如力学性能、运动参数等，为产品设计改进提供依据。质量控制：检测产品质量是否符合标准，保证产品质量稳定性。故障诊断：对机械设备运行状态进行监测，及时发现故障并分析原因，以便维修。性能优化：帮助优化机械系统性能，提高工作效率和可靠性。2.测试系统组成及作用：传感器：感受被测量并将其转换成电信号等便于后续处理的信号。作用是从被测对象提取信息。信号调理电路：对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波、调制解调等处理，使其满足后续环节要求。信号处理与分析装置：对调理后的信号进行各种运算、分析，如频谱分析、数据统计分析等，提取有用信息。显示记录装置：将处理后的结果以直观的形式显示或记录下来，供操作人员观察和分析。3.测试技术发展趋势：高精度：提高测量精度，满足更高要求的工程应用。智能化：测试系统具备智能决策、自适应调整等能力。微型化：开发体积更小的测试设备，便于在各种场合应用。网络化：实现测试数据的远程传输与共享，便于协同工作和远程监控。多传感器融合：综合利用多种传感器信息，提高测试准确性和可靠性。

第二章测试系统的特性习题1.什么是测试系统的静态特性？它包括哪些指标？2.简述线性度、灵敏度、迟滞、重复性的定义。3.测试系统的动态特性有哪些？如何描述？4.什么是一阶系统？其传递函数和单位阶跃响应有何特点？5.什么是二阶系统？其传递函数和单位阶跃响应有何特点？

答案1.静态特性：测试系统在稳态信号作用下的特性。指标：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、零点输出、满量程输出等。2.定义：线性度：测试系统输出与输入之间保持线性关系的程度。灵敏度：输出量变化与引起此变化的输入量变化之比。迟滞：测试系统在正反行程期间输出输入特性曲线不重合的现象。重复性：测试系统在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。3.动态特性：测试系统对随时间变化的输入量的响应特性。描述方法：传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数等。4.一阶系统：传递函数具有一阶形式的系统。传递函数：\(G(s)=\frac{1}{Ts+1}\)，\(T\)为时间常数。单位阶跃响应：\(y(t)=1e^{\frac{t}{T}}\)，输出按指数规律上升，最终趋于稳态值1。5.二阶系统：传递函数具有二阶形式的系统。传递函数：\(G(s)=\frac{\omega_n^2}{s^2+2\zeta\omega_ns+\omega_n^2}\)，\(\omega_n\)为固有频率，\(\zeta\)为阻尼比。单位阶跃响应：当\(\zeta\lt1\)时，为欠阻尼情况，响应呈衰减振荡形式。当\(\zeta=1\)时，为临界阻尼情况，响应单调上升。当\(\zeta\gt1\)时，为过阻尼情况，响应单调上升且上升速度比临界阻尼时慢。

第三章传感器习题1.什么是传感器？传感器由哪几部分组成？2.简述传感器的分类方法及各类传感器的特点。3.电阻应变片的工作原理是什么？4.什么是压电效应？压电传感器的主要应用有哪些？5.简述电感式传感器的工作原理及分类。

答案1.传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。组成部分：敏感元件、转换元件、转换电路。2.分类方法及特点：按工作原理分类：如电阻式、电容式、电感式、压电式等，各有其基于特定物理原理的工作方式。按被测量分类：可分为位移、力、速度、加速度等传感器，针对性强。按能量关系分类：有源传感器能将非电能转换为电能，无源传感器需外部能源。3.电阻应变片工作原理：金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化，这种现象称为电阻应变效应。应变片利用这一原理，将应变转换为电阻变化来测量应变。4.压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。反之，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。主要应用：用于测量力、压力、加速度等，如在振动测量、动态力测量等方面广泛应用。5.电感式传感器工作原理及分类：工作原理：利用电磁感应原理将被测非电量转换为电感变化来检测。分类：自感式（如变气隙式、变面积式、螺线管式）和互感式（如差动变压器）。自感式通过改变磁路磁阻等影响自感，互感式通过互感变化检测被测非电量。

第四章信号调理与转换习题1.信号调理的目的是什么？包括哪些内容？2.简述电桥的工作原理及分类。3.什么是调制与解调？常用的调制方法有哪些？4.简述滤波器的分类及作用。5.什么是A/D转换？其主要性能指标有哪些？

答案1.信号调理目的：将传感器输出的微弱信号进行放大、滤波、调制解调等处理，使其满足后续环节要求，便于传输、显示、记录和分析。内容：放大、滤波、调制解调、阻抗匹配等。2.电桥工作原理：由四个电阻组成电桥电路，当电桥平衡时，输出电压为零；当有被测量（如应变等）引起电阻变化时，电桥失去平衡，输出与电阻变化成比例的电压信号。分类：直流电桥和交流电桥。3.调制与解调：调制是将低频信号加载到高频载波信号上的过程；解调是从已调制信号中恢复出原低频信号的过程。常用调制方法：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。4.滤波器分类及作用：分类：低通滤波器（允许低频信号通过，抑制高频信号）、高通滤波器（允许高频信号通过，抑制低频信号）、带通滤波器（允许特定频段信号通过，抑制其他频段信号）、带阻滤波器（抑制特定频段信号，允许其他频段信号通过）。作用：对信号进行频谱整形，去除噪声和干扰，提取有用信号。5.A/D转换：将模拟信号转换为数字信号的过程。主要性能指标：分辨率（表示能分辨的最小模拟量变化）、转换精度（实际输出数字量与理论值的接近程度）、转换速度（完成一次转换所需时间）等。

第五章信号分析与处理习题1.什么是信号的时域分析？常用的时域分析方法有哪些？2.简述信号的频域分析方法及频谱分析的意义。3.什么是相关分析？相关分析有哪些应用？4.简述功率谱估计的方法及应用。5.什么是数字信号处理？数字信号处理系统由哪些部分组成？

答案1.时域分析：在时间域内对信号进行分析，研究信号随时间的变化规律。常用方法：直接观察信号波形、求均值、均方值、方差、峰值、脉冲宽度等参数，还可进行时域波形的叠加、卷积等运算。2.频域分析方法：将信号从时域变换到频域进行分析。频谱分析意义：能清晰地看出信号包含的各种频率成分及其分布情况，可用于分析信号的频率特性，如确定信号的主频、带宽等，还可用于滤波设计、故障诊断等。3.相关分析：研究两个信号之间的相似程度或关联程度。应用：在信号检测、噪声抵消、系统辨识、故障诊断等方面有广泛应用，如利用相关分析检测淹没在噪声中的微弱信号，确定信号源位置等。4.功率谱估计方法：经典谱估计（如周期图法等）和现代谱估计（如AR模型、MA模型、ARMA模型等）。应用：用于分析信号的功率分布，在语音识别、图像处理、机械振动分析等领域用于提取信号特征、判断系统状态等。5.数字信号处理：用数字方法对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理。组成部分：硬件部分包括A/D转换器、数字处理器、D/A转换器等；软件部分包括各种数字信号处理算法程序。

第六章测试系统的抗干扰技术习题1.测试系统中干扰的来源有哪些？2.简述干扰的耦合方式及抑制方法。3.什么是接地技术？接地的目的是什么？4.如何选择合适的滤波器来抑制干扰？5.简述屏蔽技术的原理及应用。

答案1.干扰来源：内部干扰：测试系统内部各元件之间的相互电磁干扰，如电源干扰、电路噪声等。外部干扰：来自外部环境的干扰，如电磁辐射干扰、工业干扰、自然界干扰（雷电等）。2.耦合方式及抑制方法：静电耦合：通过电容耦合干扰。抑制方法有合理布局电路、增加屏蔽层等。电磁耦合：通过互感耦合干扰。可采用磁屏蔽、合理布线等抑制。共模耦合：存在于信号源、传输线和接收电路之间。可采用差分放大器、平衡传输线等抑制。3.接地技术：将电路、设备机壳等与大地连接。目的：为设备提供一个公共参考电位，防止静电积累，保障人身安全，抑制干扰，提高系统稳定性。4.选择滤波器方法：根据干扰信号频率特性选择合适类型滤波器。若干扰为高频窄带信号，选带阻滤波器；若为高频宽带信号，选低通滤波器等。同时要考虑滤波器的截止频率、通带增益、阻带衰减等指标与实际需求匹配。5.屏蔽技术原理：利用金属屏蔽体对电磁波的反射、吸收和屏蔽作用，阻止电磁波进入或穿出屏蔽体。应用：用于电缆屏蔽、设备外壳屏蔽等，减少电磁干扰对测试系统的影响。

第七章测试系统的标定与校准习题1.什么是测试系统的标定？标定的目的是什么？2.简述测试系统静态标定的方法和步骤。3.测试系统动态标定的主要内容有哪些？4.如何进行测试系统的校准？校准的周期如何确定？5.简述标定与校准在测试系统中的重要性。

答案1.标定：对测试系统进行全面的性能测试和精度确定，给出测试系统的输入输出关系。目的：确定测试系统的静态特性和动态特性指标，保证测试系统测量结果的准确性和可靠性。2.静态标定方法和步骤：方法：采用标准设备产生已知标准量，输入测试系统，测量其输出，比较输出与标准输入，确定系统静态特性。步骤：将测试系统安装调试好；选择合适的标准输入量并施加；测量测试系统输出；记录数据并分析处理；计算各项静态特性指标。3.动态标定主要内容：测定测试系统的动态特性参数，如频率响应函数、脉冲响应函数等，包括测定系统的固有频率、阻尼比、上升时间、峰值时间、