《检测传感技术》期末复习题参考答案

中国石油大学（北京）远程教育学院《检测传感技术》期末复习题参考答案

一、填空题（本题每一填空计分，共计占总分的）240%一个完整的测试系统由激励装置、传感器、信号调理、信号处理、显示记录等五个基本环节组成

1.在测试系统中，激励装置的功能是邀发隐含的被测信息；传感器的功能是将被测信息转换成其他信

2.息；信号调理环节的功能是将传感器获得的信息转换成更适合于进一步饯输和处理的形式；信号处理环节的功能是对来自信号调理环节的信息进行各种处理和位近；显示记录环节的功能是显示或存储测试的结果不失真测试即测试系统的揄出要真实地反映其输△的变化为实现不失真测试，系统频率响应需要

3.满足的条件是幅频特性为常数;相频特性呈线性对系统瞬态响应的要求是瞬态误差小；调整时间短.测试工作的任务主要是要从复杂的信号中提取创值号

4.测试信号的时域特征参数主要有均值、方差和均方值5信号的均值反映随机信号变化的中心趋势;信号的方差反映随机信号在均值附近的分布状况；信号的

6.均方值反映随机信号的强度.任何周期信号均可分解为一系列频率比为有理数的简谐信号，其频谱特性包括离散性、谐波性、收7敛性频率里二的正弦或余弦信号称为谐波信号一般周期信号由一系列频率比为有理数的谐波信号叠加

8.而成周期信号的频谱特性离散性即各次谐波分量在频率轴上取离散值；谐波性即各次谐波分量的频

9.率为基频的整倍数;收敛性即各次谐波分量随频率的增加而衰减.瞬态信号是在直限时间段存在，属于能量有限信号10瞬态信号的频谱为连续谱，其幅值频谱的量纲为单位频宽上的幅值，即幅值频谱密度函数

11.瞬态信号的时域描述与频域描述通过傅立叶变换来建立关联

12.不能用确定的数学公式表达的信号是随机信号

13.从时域上看，系统的输出是输入与该系统肱速响应的卷积M..测试系统的静特性主要包括线性度、灵敏度和回程误差15一阶测试系统的基本参数是时间常数根据对测试系统的基本要求及一阶测试系统的频率响应和单

16.位阶跃响应，一阶测试系统的基本参数的选取原则是时间常数小二阶测试系统的基本参数是固有频率和阻尼比

17.测量传感器的动态特性的实验方法包括频率响应法和时间响应法

18.测试系统动态特性的测定方法包括阶跃响应试验和频率响应试验

19.用阶跃响应法求一阶装置的动态特性参数，可取输出值达到稳态值的倍所经过的时间作为时

20.

0.632间常数用二阶系统作测量装置时，为获得较宽的工作频率范围，则系统的阻尼比应接近口

21.金属丝应变片依据应变效应工作；半导体应变片依据压阻效应工作

22.压力传感器由弹性敏感元件和机电转换元件两部分组成

23.基于弹性元件受力产生变形实现检测的力传感器为二＜测试系统为保证不失真测试，要求传感器

24.的固有频率远大壬被测力参数的工作频率线性系统的频率保持性即若对线性系统的输入为某一频率的简谐信号，则其稳态响应必是同一频率

25.的简谐信号系统频率响应函数测试中，稳态正弦激励方式的依据是线性系统的频率保持性，其特点是测试周期

26.迁，其原因在于在每个测试频率处，只有当系统达到稳定状态才能进行测试用于评价测试系统的输出信号和输入信号之间的因果性的函数为相土函数

27.

二、解释题（本题每小题分，共计占总分的）412%物性型传感器

1.答依靠敏感元件材料本身物理性质在被测量作用下的变化来实现信号转换的传感器，如应变式、压电式、压阻式传感器结构型传感器

2.答依靠传感器结构参数在被测量作用下的变化而实现信号转换，如变间隙电感式传感器、变面积电容式传感器、动圈式磁电速度传感器能量转换型传感器

3.答直接由被测对象输入能量使其工作的传感器如热电偶传感器测温、磁电式速度传感器测速能量控制型传感器

4.答从外部供给辅助能量使其工作，并由被测量来控制外部供给能量的变化如应变、电容、电感式传感器测试中采用电桥测试电路应变效应

5.答金属材料受载变形，轴向伸长，截面缩小，使其电阻值发生变化压阻效应

6.答半导体材料在受载变形的同时，应力引起晶格变化使电阻率变化，从而使其电阻值发生变化压电效应

7.答压电材料如石英、钛酸钢等，受力变形，内部极化，表面上有电荷出现，形成电场相关滤波

8.答当对一个线性系统施加激励时，响应信号往往含有大量的噪声干扰；根据线性系统的频率保持性，只有和激励力频率相同的成分才是由激励引起的响应因此将激励信号与包含噪声的被测响应信号做互相关分析，依据周期信号的互相关的同频相关不同频不相关的性质，可从噪声背景下提取由激励引起的响应信号，所提取的信号具有包括频率、相位的完整信息线性系统的频率保持性

9.答若线性系统的输入为某一频率的简谐信号，则其稳态响应必是同一频率的简谐信号，即:输入稳态响应:咐=城”电桥测量电路的工作特性

10.答电压桥工作特性为和差特性，即邻臂相减、对臂相加在满足平衡条件尺=尺式下，电4324桥测量电路的电压输出为、1dR dR dRdR23/XU=—U------------}1-------------------------------------------------------------、4°R RJ乙1动圈式磁电传感器的工作原理

11.答动圈式磁电传感器的工作原理是依靠线圈与磁铁间的相对运动，使线圈切割磁力线，产生感应电动势；即在线圈两端输出与相对运动速度成正比的感应电动势实现转换

三、简答题（本题每小题分，共计占总分的）618%1一阶测试系统的基本参数是什么？根据对测试系统的基本要求及一阶测试系统的频率响应和时间响.应说明一阶测试系统的基本参数的选取原则答一阶测试系统的基本参数为时间常数T满足不失真测试的频率响应条件幅频特性为常数，相频特性呈线性；满足不失真测试的时间响应的要求是瞬态误差小，调整时间短1CD――一阶测试系统当T小时，通频带宽，（转折频率7）;响应快（4T时瞬态误差2%）因而，一阶测试系统的基本参数的选取原则是时间常数小2二阶测试系统的基本参数是什么？根据对测试系统的基本要求及二阶测试系统的频率响应和时.间响应特征说明为何称二六为二阶测试系统的最佳阻尼比？

0.7答二阶测试系统的基本参数为固有频率、阻尼比满足不失真测试的频率响应条件幅频特性为常数，相频特性呈线性；满足不失真测试的时间响应的要求是瞬态误差小，调整时间短二阶测试系统当，士时，通频带宽，在=%的带宽内，幅频特性基本为常数，相频特性基本

0.70〜

0.58呈线性；同时，时间响应的最大超调量小且调整时间短因而，二阶测试系统当二时具有较好的综合特性

0.73为保证霍尔式位移传感器的输出电动势与位移成正比关系，其设计关键是什么？.答霍尔式位移传感器基于磁场强度变化引起霍尔电势变化工作要保证霍尔式位移传感器的输出电动势与被测位移成正比（线性）关系，其关键在于建立一个梯度磁场磁场梯度均匀，输出线性度就好；磁场梯度越大，则灵敏度越高4从工作原理上说明为何动圈式磁电传感器只能用于动态测试？.答动圈式磁电传感器的工作原理是依靠线圈与磁铁间的相对运动，使线圈切割磁力线，产生感应电动势；即在线圈两端输出与相对运动速度成正比的感应电动势实现转换因而需线圈与磁铁间的相对运动，只能用于动态测试5在数字信号处理的采样过程中为何需要满足采样定理？采样定理如何表示.答采样过程于一心%，•g⑺o xf*Gf*£xL s即在频域将信号频谱搬移到以采样频率为周期的各频率位置上，当£时发生频率混叠20所以，需满足采样定理信号带宽有限/力12£26以截断余弦信号为例，说明对测试信号的有限截断过程为什么会造成能量泄漏？.答截断即用有限矩形窗截取原信号，即截断过程以截断余弦信号为例叫⑺•胡%/*[况/-/+cos213/+/]0=J[W/—/+W/+/]R OR O有限截断过程使余弦信号的频谱由原来在/处的集中能量变为形式的分布能量这一分布能量表%7现为一部分能量以主瓣加宽的形式向原有频率/的近旁分散，而另一部分能量则以无限旁瓣的形式分散到整个频率域因此，信号一经截断必然导致其能量在频域的分布扩展，即造成信号的能量泄漏7说明传感器动态标定的含义，通常采用哪两种实验方法测量传感器的动态特性频率响应特性和时间.响应特性？答动态标定即通过实验得到传感器动态特性指标的具体数值；频率响应法测试传感器对简谐信号输入的稳态响应即传感器的频率响应特性；时间响应法测试传感器对阶跃信号输入的响应即传感器的时间响应特性8比较系统频率响应函数测试中稳态正弦激励方式与脉冲激励方式各自的特点.答稳态正弦激励测试周期长，需仪器复杂；脉冲激励测试周期短，脉冲锤，需带力传感器以测出实际激励力9试根据调幅过程的特性说明应变片工作上限频率应在电桥激励电压频率的%以下.〜答调幅过程即测试信号与高频信号载波班/相乘，在频域将信号频谱搬移到高频信号频率位置cos2上，以实现频谱搬移%Q.cos2G=X/T5i+5/+K]=3[X~/+X,f+17]00若信号最高频率为/,当时发生频率混叠；A，10试信号上限频率为f应保证«f一般，＜4〜m

四、综合题本题每小题分，共计占总分的1030%某一阶传感器的时间常数为其转折频率为多少？用它测试周期为的简谐信号时，幅值误差将

1.

0.3s,2s是多少？一阶系统的幅频特性为43/12

①工11+2计算得转折频率co=—=

3.3334//sT幅值A3=1,=1==

0.728次-耳J1+J—.0,32幅值误差1-

0.728=

0.272=

27.2%某二阶传感器的固有频率为阻尼比为用它测试频率小于这一频率段的信号时，幅

2.30KHz,

0.7,18KHz值误差最大不超过多少？二阶系统的幅频特性为1=

0.95计算:得误差1-

0.95=

0.05=5%悬臂梁在悬臂端同时承受轴向和横向载荷简要说明当用应变方式测取横向载荷时（要求消除轴向载

3.荷的影响并获得最大灵敏度）如何布片和接桥？答根据电桥和差特性，在梁固定端附近的上下表面各对称贴两片应变片，按上、下、上、下方式组成全桥悬臂梁在悬臂端同时承受轴向和横向载荷分析当用应变方式测取轴向载荷时（要求消除横向载荷的4,影响并获得最大灵敏度）如何布片和接桥？答根据电桥和差特性，在梁上下表面各贴一片应变片，按对臂方式组成半桥压力传感器由哪两部分组成？说明在动态压力测试时为何常选用压阻式和压电式传感器？

5.答压力传感器由弹性敏感元件和机电转换元件两部分组成基于弹性敏感元件承受压力产生变形而实现检测的压力传感器为二阶测试系统；为保证不失真测试，要求传感器的固有频率远大于被测压力参数的工作频率动态压力往往频率范围较宽，宜选用动态特性好（固有频率高）的压力传感器压电式和压阻式传感器为物性型传感器，其基体本身为弹性敏感元件，具有较高的刚度，因而其固有频率高适合对频谱较宽的动态压力进行测试说明为何在动态力测量中常采用压电式测力传感器？压电式测力传感器能否用于静态力或准静态力

6.测试，需要什么条件？答基于弹性元件受力产生的变形实现检测的力传感器为二阶系统，为保证不失真测试，要求传感器的固有频率远大于被测力参数的工作频率压电式力传感器固有频率高，适于动态测试由压电式幅频特性可知当用于静态或准静态力测试时，需提高时间常数一通常是提高负载输入阻抗.试根据按绝对（惯性）式测振传感器原理工作的压电式加速度传感器的频谱特性分析其最佳工作频7率范围及影响因素答压电式加速度传感器为二次变换质量块对壳体的相对位移反映被测振动加速度；压电元件将此相对位移转换为电荷的输出后一环节为比例环节，故主要决定于前一环节即绝对式加速度传感器的特性固有频率应远高于被测对象的振动频率；选择适当的阻尼比，可扩大测量上限频率压电式加速度传感器固有频率可以很高，使可测频率上限提高；适当选择阻尼比还可扩大测量上限频率因而，压电式加速度传感器具有较宽的工作频率范围传感器安装方式对可测频率上限有影响,应尽量保证刚性安装；下限频率取决于所采用的测量电路的阻抗特性.试分析磁电式绝对速度传感器在测试机械振动速度时的转换关系根据不失真测试的基本要求以及8磁电式绝对速度传感器的频率响应特性说明如何选择传感器的固有频率和阻尼比来有效扩大传感器的工作频率范围答磁电式绝对速度传感器为二次变换质量块对壳体的相对速度反映被测振动速度；质量块对壳体的相对运动即传感器内线圈与磁铁间的相对运动使线圈切割磁力线，产生与该相对运动速度成正比的感应电动势输出后一变换环节为比例变换环节，故传感器的特性主要决定于前一环节即绝对式速度传感器的特性高通环节，固有频率应远低于被测对象的振动频率；选择适当的阻尼比，可测得较低的测量下限频率，扩大通频带为有效扩大传感器的工作频率范围，通常通过结构设计，降低传感器的刚度使其固有频率降低，调节阻尼环获得适当的阻尼比（当二六时，通频带宽）

0.7为什么在线性系统频率响应函数测试中采用互功率谱能有效降低外界干扰噪声的影响？线性系统频

9.率响应函数测试结果的可信度可用什么来评价？答有外界干扰时直接应用输入和输出信号的傅立叶变换确定系统的频率响应函数不能有效地排除噪声的干扰根据线性系统的频率保持性，只有和激励力频率相同的响应成分才是由激励引起的响应功率谱函数为相关函数的傅立叶变换，依据同频相关不同频不相关的性质，利用互功率谱可在一定程度上有效地排除外界干扰噪声的影响测试结果的可信度可采用相干函数来评价。