江苏开放大学 检测技术形成性考核4

江苏开放大学检测技术形成性考核4一、考核目标

本次形成性考核旨在全面考查学生对检测技术课程中特定知识模块的掌握程度，包括传感器原理与应用、信号处理与分析等方面的知识理解、技能运用以及问题解决能力。通过多样化的考核形式，促使学生深入理解课程核心内容，提高学生运用检测技术知识解决实际问题的能力，为后续的学习和实践打下坚实基础。

二、考核内容与要求

（一）传感器原理与应用1.掌握常见传感器（如电阻式、电容式、电感式、压电式等）的工作原理、结构组成和特性参数。2.能够分析传感器在不同应用场景下的工作过程，并理解其输出信号与被测量之间的关系。3.了解传感器的选型原则，能够根据实际测量需求选择合适的传感器。

（二）信号处理与分析1.熟悉信号的分类（如模拟信号、数字信号）以及基本的信号处理方法（如滤波、放大、调制解调等）。2.掌握时域分析和频域分析的基本概念和方法，能够运用相关工具（如Matlab）对信号进行分析和处理。3.理解信号特征提取和参数估计的原理，能够从信号中提取有用信息并进行相关参数的计算。

三、考核题型与分值分布

1.选择题（每题2分，共20分）主要考查学生对检测技术基本概念、原理的理解和记忆。2.填空题（每空1分，共15分）涉及传感器特性参数、信号处理公式等具体知识点的考查。3.简答题（每题10分，共30分）要求学生对传感器原理、信号处理方法等进行简要阐述和分析。4.计算题（每题15分，共30分）通过实际问题，考查学生运用所学知识进行计算和分析的能力。5.综合应用题（5分）要求学生综合运用传感器和信号处理知识，解决一个较为复杂的实际问题。

四、考核题目

（一）选择题1.下列哪种传感器不属于有源传感器（）A.压电式传感器B.应变片式传感器C.热电偶传感器D.霍尔传感器2.电容式传感器的灵敏度主要取决于（）A.极板间距离B.极板面积C.介质介电常数D.以上都是3.信号频谱分析的主要工具是（）A.示波器B.频谱分析仪C.逻辑分析仪D.万用表4.一阶低通滤波器的截止频率fc是指（）A.信号幅值衰减到0.707倍时的频率B.信号幅值衰减到0.5倍时的频率C.信号相位滞后45°时的频率D.信号相位滞后90°时的频率5.下列哪种信号处理方法可以去除信号中的噪声（）A.微分B.积分C.滤波D.放大6.应变片式传感器测量应变时，其输出信号是（）A.电阻变化B.电压变化C.电流变化D.电容变化7.压电式传感器通常用于测量（）A.静态力B.动态力C.温度D.压力8.数字信号的特点是（）A.连续取值B.离散取值C.幅值随时间连续变化D.以上都不是9.传感器的线性度是指（）A.传感器输出与输入之间的线性关系程度B.传感器的测量范围C.传感器的精度D.传感器的分辨率10.下列哪种滤波器可以通过低频信号，抑制高频信号（）A.低通滤波器B.高通滤波器C.带通滤波器D.带阻滤波器

（二）填空题1.传感器一般由敏感元件、转换元件和__________组成。2.电阻应变片的灵敏度系数K表示单位应变引起的__________变化。3.电容式传感器根据其工作原理可分为变极距型、变面积型和__________型。4.信号的时域描述是以时间为自变量，描述信号的__________随时间的变化规律。5.傅里叶变换可以将时域信号转换为__________信号。6.滤波器的通带增益是指滤波器在__________内的电压增益。7.压电式传感器的工作原理是基于__________效应。8.霍尔传感器是基于__________效应工作的。9.传感器的重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线的__________程度。10.数字信号处理的主要步骤包括采样、量化和__________。11.模拟信号数字化的过程中，采样频率fs应满足__________定理。12.一阶系统的时间常数τ决定了系统对输入信号的__________速度。13.二阶系统的固有频率ωn和阻尼比ξ决定了系统的__________特性。14.信号的功率谱密度函数表示信号功率在__________上的分布。15.传感器的静态特性指标包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性和__________。

（三）简答题1.简述电阻应变片的工作原理及其测量电路。电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在受力产生应变时，其电阻值会发生变化。当应变片粘贴在被测量物体表面时，物体的应变会传递给应变片，使其电阻值发生相应变化。

测量电路通常采用电桥电路，如惠斯通电桥。电桥的四个桥臂分别接入应变片和固定电阻，当应变片电阻发生变化时，电桥平衡被打破，输出一个与应变片电阻变化成正比的电压信号。通过测量电桥输出电压，就可以得到被测量物体的应变值，进而计算出受力大小等参数。

2.说明电容式传感器的优缺点。优点：灵敏度高，能检测微小变化。动态响应特性好，可测量快速变化的物理量。结构简单，适应性强。抗干扰能力强。

缺点：输出特性非线性，需要进行线性化处理。寄生电容影响较大，测量精度受限。电缆电容对测量结果有影响，需采用特殊的连接方式。过载能力较差。

3.简述信号处理的目的和主要内容。信号处理的目的是：提高信号的质量，去除噪声和干扰。提取信号中的有用信息，以便进行分析、识别和决策。对信号进行变换和增强，以满足不同的应用需求。

主要内容包括：信号的滤波，去除噪声和干扰。信号的放大，提高信号的幅值。信号的调制解调，实现信号的频谱搬移。信号的采样和量化，将模拟信号转换为数字信号。信号的特征提取和参数估计，提取信号的特征并计算相关参数。信号的频谱分析，了解信号的频率成分。

（四）计算题1.有一电阻应变片，其灵敏度系数K=2，初始电阻R0=120Ω，当受到1000με的应变时，求应变片的电阻变化量ΔR。解：根据电阻应变片的灵敏度公式：ΔR/R0=Kε其中，ε为应变值。已知K=2，R0=120Ω，ε=1000με=1000×10^(6)则ΔR=KεR0=2×1000×10^(6)×120=0.24Ω

2.已知某一阶低通滤波器的传递函数为H(s)=1/(Ts+1)，其中T=0.01s，求其截止频率fc和通带增益。解：对于一阶低通滤波器，截止频率fc与时间常数T的关系为：fc=1/(2πT)已知T=0.01s，则fc=1/(2π×0.01)≈15.92Hz

通带增益：当信号频率f=0时，H(j0)=1，即通带增益为1。

（五）综合应用题设计一个基于应变片和电桥电路的称重系统，要求能够测量0100kg的重量，已知应变片的灵敏度系数K=2，弹性模量E=2×10^11N/m²，横截面积A=1×10^(6)m²，电桥电源电压U=5V，放大器增益G=100，ADC的分辨率为12位。

1.计算应变片在最大称重时的应变值。根据胡克定律：F=EAε已知F=100×9.8N（重力加速度g=9.8m/s²），E=2×10^11N/m²，A=1×10^(6)m²则ε=F/(EA)=(100×9.8)/(2×10^11×1×10^(6))=4.9×10^(3)

2.计算应变片在最大称重时的电阻变化量。根据电阻应变片的灵敏度公式：ΔR/R0=Kε设初始电阻R0=120Ω则ΔR=KεR0=2×4.9×10^(3)×120=1.176Ω

3.计算电桥输出电压。采用惠斯通电桥，当应变片电阻变化时，电桥输出电压：Uo=(U/4)×(ΔR/R0)已知U=5V，ΔR/R0=1.176/120则Uo=(5/4)×(1.176/120)≈0.0123V

4.计算经过放大器后输出电压的范围。放大器增益G=100，则放大器输出电压范围：Ua_min=GUo_min=100×0.0123=1.23VUa_max=GUo_max=100×(0.0123+1.176/120)≈2.4V（考虑电桥不平衡最大输出情况）

5.计算ADC能够分辨的最小电压变化量。ADC的分辨率为12位，满量程电压为Uref=5V则最小分辨电压变化量：ΔU=Uref/2^12=5/4096≈0.00122V

6.判断该系统是否能够满足测量要求。从计算结果来看，电桥输出电压经过放大后在ADC能够分辨的范围内，且输出电压范围能够反映0100kg的重量变化，所以该系统能够满足测量要求。

五、考核结果评定

1.总分为100分，各题型得分相加即为考核总分。2.考核成绩评定标准如下：90100分：对考核内容掌握扎实，概念清晰，计算准确，能够灵活运用所学知识解决各种问题，综合应用题解答完整、准确，具有较强的分析和解决问题能力。8089分：较好地掌握了考核知识点，理解较深入，计算基本正确，能较好地运用知识解决问题，综合应用题解答较完善，分析和解决问题能力较强。7079分：基本掌握考核内容，有一定的理解和计算能力，能解决一些常见问题，但在某些知识点上可能存在理解不透彻或计算错误的情况，综合应用题解答基本完整。6069分：对考核内容有一定的了解，能回答部分问题，但存在较多知识漏洞和理解偏差，计算能力较弱，综合应用题解答存在一些缺陷。60分以下：对考核内容掌握较差，不能正确回答大部分问题，计算错误较多，综合应用题解答不完整或错误较多，缺乏基本的分析和解决问题能力。

六、总结与反馈

通过本次形成性考核，学生对检测技术中的传感器原理与应用、信号处理与分析