测试关键技术简答题.doc

1
欲使测量成果具备普遍科学意义条件有哪些？
非电量电测法基本思想是什么？惯用非电量电测系统构成某些涉及哪些环节，并阐明各构成某些重要作用？
答：非电量电测法基本思想：通过某一转换装置（传感器），依照相应工作原理或准则，将被测非电量转换成电信号进行测量。
一种完整测试系统涉及如下几某些：传感器、信号变换与测量电路、显示与记录器及数据解决器、打印机等外围设备。（或传感器，中间调理电路及记录显示设备。或一次仪表，二次仪表，三次仪表。）如图1所示。
批示仪器
记录仪器
数据解决仪器
打印机
传感器
测量电路
电量
被测
非电量
电量

图1测试系统构成

（1）传感器是测试系统实现测试首要核心环节，它作用是将被测非电量转换成便于放大、记录电量。
（2）中间变换与测量电路依测量任务不同而有很大伸缩性。在简朴测量中也许完全省略，将传感器输出直接进行显示或记录。在普通测量中信号转换（放大、调制解调、滤波等）是不可缺少，也许涉及多台仪器。复杂测量往往借助于计算机进行数据解决。如果是远距离测量，则数据传播系统是不可少。
（3）显示与记录器作用是把中间变换与测量电路送来电压或电流信号不失真地显示和记录出来。
何为直接测量及间接测量？两种测量办法重要区别是什么？
直接测量：无需通过函数关系计算，直接通过测量仪器得到被测量值测量为直接测量。
例如要测量一根圆钢长度，最惯用办法是用一把钢皮尺和它作比较。
例如要测量体温，最惯用是水银温度计。依照水银热胀冷缩物理规律，温度越高，水银膨胀得越利害，毛细管中水银柱就上升得越高，水银柱高度和体温之间有着拟定函数关系，可以用水银柱高度作为被测温度量度。
间接测量：在直接测量基本上，依照已知函数关系，计算出所要测量物理量大小。例如在弹道实验中测量弹丸初速，就是先用直接测量测出两靶之间距离和弹丸飞过这段距离所需要时间，然后由平均速度公式计算出弹丸飞行速度。这种测定弹丸速度办法，属于间接测量。
2
周期信号频谱构造有哪些特点？对周期信号进行频谱分析时，普通采用何种数学办法？简要阐明周期信号与时限信号频谱分析办法差别。
周期信号频谱构造有三个特点：
a、离散性：频谱由一条条不持续谱线构成，是离散；
b、谐波性：各频率分量符合谐波关系，其频率是基频整数倍；
c、收敛性：谐波分量幅值有随其阶数增高而逐渐减小总趋势。
周期信号频谱分析采用傅里叶级数展开办法进行；
时限信号频谱分析采用傅里叶变换办法进行。
画出下述信号幅度谱及相位谱。

0
A
10
20
30
0

ф
300
600
450

200
400
600
200
400
600

3
仪器在静态条件下响应变化量和与之相相应输入变化量比值称为

不失真测量条件除规定测量装置幅频特性是常值外，其相频特性规定满足

二阶线性测量系统阻尼率越小，则其对阶跃响应超调量

描述测量系统静态工作特性技术指标重要有敏捷度、线性度、迟滞、辨别率、量程等，请给出敏捷度定义，并结合典型二阶系统讨论敏捷度选取详细注意事项，举例阐明这些特性指标如何获得？
敏捷度k是传感器在静态条件下输出量变化Δy和与之相相应输入量变化Δx比值。
非线性普通也称为线性度，是指传感器实际输入输出特性曲线对于抱负线性输入输出特性接近或偏离限度。
重复性表达传感器在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次（3次以上）测量时，对于同一种勉励量其测量成果不一致限度。
迟滞亦称滞后量、滞后或回程误差，表征传感器在全量程范畴内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两者静态特性不一致限度。
对测量系统进行静态标定作用有哪些？
答：1）拟定仪器或测量系统输入—输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；
2）拟定仪器或测量系统静态特性指标；
3）消除系统误差，改进仪器或测量系统对的度。
推导测量系统不失真测量条件，并阐明典型二阶测量系统追求阻尼比为0.6～0.7因素。
解：①在时域内， 测量系统输出和输入应满足下列关系：
符号意义如教科书所述。
取傅里叶变换，得到

可见，如果输出波形要无失真地复现输入波形，则测量系统频率响应应当满足：

即 ，
就是说，抱负测量系统幅频特性应当是常数，相频特性应当是线性关系，否则就会产生失真。
②取适当阻尼比目是获得宽工作频带范畴，普通当取0.6~0.7时，二阶系统幅频特性平直段最宽。
在讨论典型二阶测量系统时，共涉及到了如下几种频率：无阻尼固有频率、有阻尼固有频率、有阻尼共振峰频率，请给出这几种频率关系。

典型欠阻尼(<1)二阶测量系统阶跃响应函数表白，其瞬态响应是以
作衰减振荡，称为有阻尼圆频率。

有阻尼共振峰圆频率
求周期信号通过传递函数为测量系统后稳态响应。
由于是稳态输出，故输出形式为
由系统传递函数H(S)得其幅、相频特性函数分别为：
，

又输入为

对，其稳态输出幅值和相角分别为：

系统稳态输出：

求周期信号通过传递函数为测量系统后稳态响应。
由系统传递函数H(S)得其幅、相频特性函数分别为：
，
由于输入信号是周期简谐信号叠加，依照线性系统叠加原理和频率不变性。设：
，其中 ，
（1）对,其稳态输出幅值和相角分别为：

(2)对，其稳态输出幅值和相角分别为：

由叠加原理，系统总稳态输出：

4
A类不拟定度与B类不拟定度定义。
不拟定度A类评估：用对观测列进行记录分析办法来评估原则不拟定度。
不拟定度B类评估：不能用记录分析办法来评估原则不拟定度。
随机误差和系统误差定义

最小二乘法基本思想是什么？
最小二乘法在误差理论中基本含义是：在具备等精度多次测量中，求得最可靠（最可信赖）值是指当各测量值残差平方和为最小时所求值。

在相似测试条件下，多次测量同一物理量时，误差不变或按一定规律变化误差称之为
用精度为0.02mm游标卡尺对某物体长度进行10次测量，测量值分别为：71.40mm、71.50 mm、71.38 mm、79.48 mm、71.42 mm、71.46 mm、71.44 mm、71.36 mm、71.40 mm、71.48 mm。求其测量成果。规定计算其测量均值、单项测量原则偏差、平均值原则偏差、测量成果表达方式。
一方面，由于79.48mm为粗大误差，计算时需要剔除
先求算术平均差

由贝塞尔公式，
带入，得：
算术平均值实验原则差为：mm
即测量算术平均值为71.42，A类不拟定度为0.02。
或X=71.42±0.02mm
5
依照滤波器选频作用，普通分为哪几种滤波器，请分别画出它们幅频特性图。
依照滤波器选频作用，普通分为低通、高通、带通、带阻滤波器这四种滤波器，其幅频特性如图：
A4(f)
A3(f)
A2(f)
A1(f)

1 1 1
1

0 f2 f 0 f1 f 0 f1 f2 f 0 f1 f2 f
低通 高通 带通 带阻

将持续时间信号进行离散化时，有时会产生混叠现象，其重要因素是什么？
当采样频率局限性信号最高频率2倍时，频谱会有混叠。

以低通滤波器为例，阐明滤波器在测量系统中重要作用。

滤波器上下两个截止频率之间频率范畴称为滤波器 。

相敏检波器作用
6

简答下列关于IEEE488接口基本特性问题：
（1）采用何种信息传递方式？
（2）接口逻辑电平是如何规定？
（3）控者、听者、讲者之间关系？
（1）GPIB采用字节串行/位并行合同。GPIB通过连接总线传播信息而实现通信。
（2）GPIB使用负逻辑，（原则TTL电平），任一种线上都以零逻辑代表“真”条件（即“低有效”条件），这样做重要因素之一是负逻辑方式能提高对噪声抗御能力。
（3）控者讲明谁是讲者，谁是听者。每个GPIB系统都必要定义一种系统执行控者。讲者指发送数据到其他器件器件，听者指接受讲者发送数据器件。大多数GPIB器件都可充当讲者和听者。
7
金属丝应变片在测量某一构件应变时，其电阻相对变化重要由（ ）引起。

半导体应变片重要是运用半导体材料 变化

如题图所示，在等强度悬臂梁上对称位置粘贴电阻值R=120Ω,敏捷系数k=2.0应变片，构成全桥，供桥电压为5V，在忽视横向效应条件下，求最大输出电压Usc=10mV时，力F引起悬臂梁产生应变ε应为多少με。

R1
R3
R2
R4
R1(R2)
R3(R4)
R2(R4)
R1(R3)
F

解：用4片同型号应变片按题图方式构成直流测量全桥时，由应变片承受应变产生输出电压为
（1）
其中为供桥电压。
当4应变片按题图方式粘贴于等强度悬臂梁时，有

于是可得

按题目给定条件取正号，有
（2）
当，而、时，可得

有一电阻阻值为R=120Ω,敏捷系数ks=2.0，其电阻温度系数α=2.0×10-4/ 0C,线膨胀系数β1=12×10-6/0C电阻应变片贴于线膨胀系数为β2=14.2×10-6/0C工件上，若工件在外力作用下产生应变量为100με，试求当环境温度变化100C时，如果未采用温度补偿办法，电阻变化量为多少？
电阻由于温度变化引起电阻变化：
由于电阻应变片和工件线膨胀系数不同引起电阻变化：

仅由于外力作用引起电阻变化

8
压电式加速度计测量系统工作频率下限取决于

压电式传感器与普通电压放大器连接使用时，中间要加一级前置放大器，该放大器重要用来
为了使压电陶瓷具备压电效应，需对压电陶瓷进行 解决。

为提高压电式传感器敏捷度，常采用“压电晶体堆”方式，请用简图阐明压电晶体堆提高传感器工作敏捷度基本思想。
在使用压电晶体时，如仅用单片压电片工作，要产生足够表面电荷就要有很大作用力，常把两片或多片压电片组合在一起。由于压电材料是有极性，因而存在并联和串联两种方式。
++++++
++++++
――――
――――
+
－
两压电片并联，总电容量C / 、总电压U /、总电荷Q /与单片C、U、Q关系为
C /=2C U /=U Q /=2Q
++++++
++++++
――――
+
－
――――
两压电片串联，其关系为
C /=C/2 U /=2U Q /=Q

压电传感器敏捷度可用电压敏捷度及电荷敏捷度进行描述。简要阐明电压敏捷度和电荷敏捷度定义，并给出两者之间关系。

请画出压电式传感器与电荷放大器相连等效电路图，并阐明电荷放大器输出电压u0与传感器产生电荷量Q及电荷放大器反馈电容Cf之间关系。
压电式传感器与电荷放大器连接等效电路：
-k
Q
Ca
Cc
Ci
Rf
Cf
U0

由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器输入端有效电容Cf′为

设放大器输入电容为Ci、传感器内部电容为Ca和电缆电容为 Cc ，则放大器输出电压

当，放大器输出电压为

9
光纤数值孔径NA物理意义是什么？试计算=1.46，=1.45阶跃光纤数值孔径值是多少。
光电池是依照 效应进行工作。
光电管和光电倍增管都是是依照 效应制作而成光电转换器件。
在光作用下，使电子逸出物体表面现象称
基于内光电效应工作光电转换器件有 、 、 。
10
热电偶热电势由 电势 与 电势构成。
以热电偶为例（一阶测量系统），推导出其幅频特性，并阐明时间常数τ对系统动态特性影响。
热电偶是一种一阶测量器件，它工作状态方程为

其中，是热电偶时间常数，可由实验测定，Ti是待测温度随着时间变化规律，T为热电偶所批示温度函数。
测试系统传递函数 、频率特性 、幅频特性 、相频特性 分别为

可见越小，系统动态特性越好

试述热电偶测温原理，并阐明用热电偶测温时，为什么常进行冷端温度补偿。
热电偶测温原理基于热电效应：将两种不同材料金属A和B连成闭合回路，当两个接点处温度不同步，回路将产生热电势，这种现象叫Seebeck效应。
热电偶冷端补偿因素：
（1）用热电偶测温时，热电势大小决定于冷热端温度之差。如冷端温度是变化，将会引起测量误差。
（2）分度表制定是依照冷端为0℃时制作。
（3）在使用过程中，由于冷热端较近，冷端容易受到环境温度影响，因而冷端温度难以保持恒定。

简述热电偶测温均质导体实验定律，并按照该定律阐明热电偶在电极材料上有何详细规定。

用热电阻测量时，热电阻阻值普通可用电桥电路测量，请阐明二线制、三线制热电阻是如何接桥，并阐明各种接法有何优缺陷。
“二线制”接法两根导线接在电桥同一臂上，当外界环境温度发生变化或是有电流通过引起温度发生变化时，将会产生附加电阻，对测量成果带来影响（1.5分）；“三线制”接法采用温度系数相似导线接于相邻两个桥臂上，此时由于附加电阻引起电桥输出将自行抵消，测量成果消除了导线由于温度引起影响。（1.5分）

11
画出筒式应变测压传感器与活塞式应变测压传感器构造示意图，并阐述其工作原理，贴片与布桥方式。
筒式应变压力传感器弹性元件是一只钻了盲孔圆筒，称为应变筒。使用时空腔中注满油脂，所注油脂种类和测量压力大小关于。测量时把传感器安装到测量位置测量孔中，压力作用在油脂上，油脂受压后，把压力传送到应变筒内壁，使应变筒外壁膨胀，发生弹性变形。在应变筒外壁中部，沿圆周方向贴有一片或两片工作片，以感受应变筒受压力作用时所产生应变。
活塞式应变测压传感器弹性元件是应变管。使用时传感器安装在测压孔中，压力作用在活塞一端。活塞把压力转化为集中力 (，为活塞杆面积)作用在应变管上，使应变管产生轴向压缩弹性变形。在应变管上部较粗部位，沿周向黏贴一片或两片与工作应变片同一阻值、同一批号温度补偿片。活塞式应变压力传感器重要是通过活塞杆，而不是通过油脂传递压力，因此它固有频率比较高。

活塞式 筒式

以压力测量为例，给出压电式测压系统构成框图；
压电式测压系统构成框图如下图所示：
V
Q
p

测量记录仪器
静态压力标定机
被测压力
电荷放大器
压电式压力传感器

用框图阐明惯用应变式及压电式压力测量系统构成，并结合本课程所学应变式及压电式压力传感器有关知识，举例阐明惯用应变式压力及压电式压力传感器工作原理。对压力测量系统进行静态标定期惯用活塞式压力标定机，请阐明“静重比较法”基本工作原理。
12
电涡流传感器静态特性标定实验
1）请阐述电涡流传感器工作原理；2）给出实验系统构成方框图；3）被测导体电阻率和磁导率对电涡流传感器敏捷度有何影响？
1） 电涡流传感器是运用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗变化或电感变化（或Q值变化）从而进行非电量电测。
标定台
万用表

电涡流传感器
放大器

24V电源

2） 被测导体电导率越大和磁导率μ越小，传感器敏捷度就越高。

惯性式加速度传感器
y
x

k
m

ky
m
(b)
(a)
二阶惯性系统物理模型图
1）用简图阐明惯性式加速度传感器工作原理；2）建立该传感器力学模型，推导其运动方程，并阐明勉励与响应关系；3）推导其传递函数，频率响应函数，幅频函数及相频函数；4）用图定性地画出该传感器幅频特性及相频特性曲线。
1）质量块感受加速度并产生于加速度成正比例惯性力，从而使弹簧产生与质量块相对位移相等伸缩变形，弹簧变形又产生与变形量成比例反作用力。当惯性力与弹簧反作用力相平衡时，质量块相对于基座位移与加速度成正比例，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。
2）建立如题图（a）所示两个坐标系，以坐标x表达传感器基座位置，以坐标y表达质量块相对于传感器基座位置。以静止状态下位置为坐标原点。
假设壳体和质量块都沿坐标轴正方向运动。对质量m取隔离体，受力状态如题图(b)。质量体绝对运动应当等于其牵连运动和相对运动之和。因而，由牛顿运动定律，有

经整顿后得

上式可写成

式中，为二阶系统固有角频率，；为系统阻尼比；m为质量块质量；k为弹簧刚度系数；c为阻尼系数。
以待测物体加速度为勉励，并记，以质量块相对位移y为响应。
3）对上式取拉氏变换，有

拉氏传递函数H（S）为

频率响应函数为

幅频特性为

相频特性为

4）传感器幅频特性及相频特性如图：
1/ωn2
0.1
1.0
10
ω/ωn
A(ω)
(a)
10
1.0
0.1
0°
ω/ωn
φ(ω)
(b)
(a)幅频特性；(b)相频特性。
传感器频率特性图

当某系统存在明显非线性，实际工程测试时，咱们可以采用哪些技术办法改进该系统非线性。
为改进传感器性能，常采用差动构造，阐述其基本思想。
1、用两个完全相似传感器；2、接受大小相等、符号相反输入量；3、两者输出想减，取其差值。可以使输出非线性得到了较好抑制，并提高输出敏捷度。

依照你所学知识设计三种工作原理不同加速度传感器.规定：
1)画出所设计传感器工作原理简图；
2用简洁语言阐明其工作原理。