2016广工研究生测试技术复习提纲答案

1.简答题（每小题8分，5道小题，共40分）

2.分析和设计题（2道小题，共30分）

3.计算题（每小题15分，2道小题，共30分）

第一部分：

1. 信号与信息的区别，测量、计量、测试的区别。

答：信息 消息、情报或知识，信息是物质世界的运动状态与转换方式，是物质

的本质属性。

信号物理量，物质，具有能量。信号是信息的载体，信息总是蕴涵在信号之中，

并依靠信号来传输。

测量确定被测对象量值的实验过程。

计量单位统一和量值准确的测量一般称为计量。

测试具有试验性质的测量或者说测量和试验的结合。

2．测量方法和测量误差的分类。

测量方法分为：a 按是否直接测定被测量的原则，测量方法可分为直接测量和间

接测量；b 按被测量是否直接和已知的同种量进行比较的原则，可分为直接比较

测量和间接比较测量； c 按传感器是否和被测物体产生机械接触，可分为接

触测量和非接触测量；d 按测量条件，可分为等精度测量和不等精度测量。F 按

被测量是否随时间变化的原则可分为：动态测量和静态测量。

测量误差的分类 ：根据测量误差的统计特征不同，可分为系统误差、随机误差

和粗大误差； 按照误差的产生原因不同，可分为器具误差、方法误差、调整误

差、观测误差和环境误差和测量对象误差； 按照误差的表示方法不同，可分为

绝对误差、相对误差、引用误差和分贝误差。

3．测量结果如何表达？计算

○

1基于误差极限的表达式为：max 0δ±=x x ，max δ为极限误差

○2基于t 分布的表达式：如果测量值x 服从正态分布N （u ， ），则测量样本x 的基于t 分布的测量结果的表达式为：∧±=x t x x δβ0 （置信概率为β），该表达

方式受到测量值所服从的概率分布的限制。

○

3基于不确定度的表达方式：测量结果=样本平均值±不确定度 n s x x x x ±=±=∧δ0 不确定度可用样本平均值x 的标准偏差x δ来表征

4.信号的分类，非电量电测法的定义和优点。

1）○1、按数学关系可分为确定性信号和非确定性信号（随机信号）；○2、按

取值特征可分为连续信号和离散信号；○3、按能量和功率可分为能量信号和功率信号；○4、按所具有的时间函数特性和频率函数特性可分为时限信号和频限

信号；○5、按取值是否为实数可分为实信号和复信号；○6、按处理分析的域可分为时域信号和频域信号等。

确定性信号又分为周期信号（包括简谐周期信号和复合周期信号）和非周期信号（包括准周期信号和瞬变信号）；随机信号分为平稳随机信号（各态历经信号和非各态历经信号）和非平稳随机信号。

2）非电量电测法的定义：非电量的电测法就是将各种非电量（如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等）变换为电量，而后进行测量的方法。

3）优点：

5. 计算机测试系统的组成，作用及举例。

一般来说，测试系统由传感器、中间变换装置和显示/记录装置三部分组成。

（1）机械手、机器人中的传感器；

（2）AGV 自动送货车；

（3）生产加工过程监测；

（4）流程工业设备运行状态监控；

（5）产品质量测量；

（6）楼宇控制与安全防护；

（7）家庭与办公自动化；

PC 机中的测试技术应用。

第二部分：

1. 线性系统的定义和基本性质。

答：当系统的输入x(t)和输出y(t)之间的关系可以用常系数线性微分方程式来

描述时，则称该系统为定常线性系统或时不变线性系统。

a n y (n)(t)+a n-1y (n-1)(t)+....+a 1y (1)(t)+a 0y (0)(t)=

b m x (m)(t)+b m-1x (m-1)(t)+...+b 1x (1)(t)+b 0x (0)(t)

性质：1、叠加原理：当几个输入同时作用于线性系统时，则其响应等于各个输

入单独作用于该系统的响应之和，即若x 1(t)→y 1(t),x 2(t)→y 2(t)；则

[x 1(t)±x 2(t)]→[y 1(t)±y 2(t)]；2、比例特性：若线性系统的输入扩大到k 倍，

则其响应也将扩大到k 倍，即对任意常数k ，必有kx(t)→ky(t)；3、微分特性：线性系统对输入导数的响应等于对该输入响应的导数，即dt

t dy dt t dx )()(→；4、积分特性：若线性系统的初始状态为零（即当输入为零时，其响应也为零）。则对

输入积分的响应等于对该输入响应的积分，即??→t t dt t y dt t x 00)()(；5、频率保持

性：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。

2. 测试系统的静态特性的定义。

答：测量时，测试装置的输入输出信号不随时间而变化，测试装置所表现出来的

特性。

（1）非线性度，是指测试系统的输入、输出关系保持常值线性比例关系的程度。

（2）灵敏度，表征的是测试系统对输入信号变化的一种反应能力。若系统的输

入有一个变化量Δx ，引起输出产生相应的变化量Δy ，则定义灵敏度S 为 S=dx dy x y x =??→?lim 0

（3）分辨力是指测试系统能测量到的最小输入量变化的能力，即能引起输出量

变化的最小输入变化量，用Δx 表示。

（4）回程误差，测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同

一输入量所得到的两个数值不同的输入量之间差值最大者为h max ，则定义回程误

差为：回程误差=%100max ?A

h （5）漂移是指测试系统在输入不变的情况下，输出随时间而变化的趋势。

3. 测试系统动态特性的定义和应用（求稳态输出、测量误差）。系统的幅频特

性和相频特性定义。

答：测试系统动态特性是指测试系统对输入的动态信号随时间变化的响应特性。

求稳态P76(例题3.2)；求测量误差（P85不确定）

（1）传递函数，零初始条件下，输出量和输入量的拉普拉斯变换之比

（2）频率响应函数，系统在简谐信号激励下的稳态输出。

（3）脉冲响应函数，若输入为单位脉冲，即x(t)=δ(t)时，X(s)=1。因此，有 H(s)=Y(s) 经拉普拉斯变换，有y(t)=h(t)，常称h （t ）为系统的脉冲响应函数

幅频特性：稳态输出信号和输入信号的幅值比与激励频率的关系；

相频特性：稳态输出信号和输入信号的相位差与激励频率的关系。

4. 不失真测试在时域和频域的定义？一阶系统不失真的条件。

时域定义：测试装置的输出和输入满足关系

)()(00t t x A t y -=，A 0、t 0均为常数。表明这个装置输出的波形与输入波形精确地

一致，只是幅值放大了A 0倍和时间上延迟了t 0而已。认为测试装置实现了不失

真测量。

频域定义：幅频特性为平行于频率轴的直线；

相频特性是发自原点并具有一定斜率的直线，则认为测试装置实现了不失真测量。

不失真条件：测试系统的幅频特性和相频特性为A(ω)=A 0=常数；ωω?0-t =）（。

5. 一阶系统稳态误差的计算。

稳态误差 = 稳态输出 - 输入

6.传感器的定义、组成和分类。主要传感器如电阻式应变片、电涡流传感器、

差动变压器传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、霍尔元件、热电偶等的工作原理、特点和应用。

答：1）传感器的定义：能感受规定的被测量并按一定的规律将被测量转换成可用输出信号的器件或装置。由敏感元件、测量电路和其他辅助元件组成。

2）分类：根据被测量分为：力、速度、位移、温度传感器等；

根据工作原理或信号转换原理分为：机械式、电力式、光学式传感器；

根据敏感元件与被测对象之间的能量关系分为：能量转换型、能量控制型；

根据输出信号性质分为：模拟式、数字式传感器；

根据传感器的功能材料不同分为：半导体、陶瓷、光纤、高分子薄膜传感器。3）工作原理：电阻式传感器工作原理：把被测量转换为电阻变化的一种装置；电感式传感器工作原理：把被测量如位移转换为电感量变化的一种装置；

电容式传感器工作原理：把被测物理量转换为电容量变化的一种装置。结构简单、体积小、可进行非接触式测量；可用于位移、物位的测量，借助与弹性原件可用于压力、压差、加速度的测量。

差动变压器就是利用互感现象，先将被测位移量转换成线圈互感的变化，再转换为互感电动势。其特点：精确度高（可达0.1um数量级）、灵敏度高、线性范围大（可扩大到+ -- 250mm）、结构简单、稳定性好、性能可靠、使用方便；常被用于直线位移测量；用于动态量测量时，其测量频率上限受制于传感器中的机械结构；借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转化为位移的变化，故也用于压力、重量等物理量的测量。

7.负载效应，及负载效应的分压电路

答：负载效应：在实际测量工作中，测量系统和被测对象之间、测量系统内部各环节相互连接会产生相互作用。介入的测量装置，构成被测对象的负载；后接环节成为前面环节的负载。彼此之间存在能量交换和相互影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘。

负载效应的分压电路：

第三部分

1.信号分析的主要方法，信号处理和分析的目的。方波和三角波的概率密度函数示意图。

答：信号分析的主要方法有模拟分析方法和数字处理分析方法；

信号分析和处理的目的：1）剔除信号中的噪声和干扰，即提高信噪比；

2）消除测量系统误差，修正畸变的波形；3）强化、突出有用信息，削弱信号中无用部分；4）将信号加工、处理、变换，以便更容易识别和分析信号的特征，

解释被测对象所表现的各种物理现象。

2.周期信号的幅频谱和相频谱的绘图。周期信号的频谱特点和非周期信号的频谱特点。

非周期信号的频谱具有连续性和衰减性等特性。

3.信号调理包括放大、滤波、调制和解调。同相放大器的增益、阻抗特性和应用。答：调理，即处理，包括放大、滤波、调制和解调。

目的：便于信号的传输与处理

①剔除信号中的噪声和干扰，即提高信噪比（SNR）；②消除测量系统的误差，修正畸变的波形；③强化、突出有用信息，削弱无用部分；④将信号加工、处理、变换，以便更容易识别和分析信号的特征，解释被测对象所表现的各种物理现象。

应用：输入阻抗高，输出阻抗低的特点，用做阻抗变换器。

4.电桥的和差特性，各种接法的灵敏度，直流电桥和交流电桥的平衡条件；与悬臂梁振动测试相结合的分析和设计。

答：电桥的和差特性是指桥臂阻值变化对输出电压的影响的规律（相邻相减，相对相加）。

○

1相邻桥臂阻值的变化引起的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之差；○2相对两桥臂阻值的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之和。

1）半桥单臂连接形式

i e R R e 004?= 灵敏度004R e R e K i

=?= 2）半桥双臂连接形式

i e R R e 002?=

灵敏度02e R K i =

3）全桥连接形式i e R R e 00?= 灵敏度

0R e K i = 平衡条件：直流电桥平衡条件即相对两桥臂阻抗的模的乘积相等。 交流电桥平衡的条件即相对两桥臂阻抗的模的乘积相等和阻抗角的和相等4231φφφφ+=+、Z 1Z 3=Z 2Z 4。

悬臂梁振动测试的分析和设计：

本实验平台如图所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。这些应变片将应变变化转换为电阻的变化，将应变片接入直流电桥中，通过电桥将电阻变化转换为电压变化，进而可以通过测量电压的变化测量应变。应变片在电桥中有3种基

本线路连接，单臂连接（一个应变片）、半桥连接（两个臂为应变片）、全桥连接（四个全是应变片）。电桥一般采用等臂连接，即应变片不受力时，电桥中的电阻值相同，电桥平衡。不同的连接方式灵敏度不同，输出电压与电阻变化及应变之间的关系为： 单臂：011=44

I I R U U U S R ε?= 半桥：14014111=422

I I I R R R U U U U S R R R ε?????=-= ??? 全桥：3124012341=4I I I R R R R R U U U U S R R R R R

ε???????=-+-= ??? 由上述可知，全桥灵敏度最高，并且可以补偿非待测载荷应力的干扰及温度补偿的作用。

5.调制的基本概念；调幅的定义及原理；同步解调的定义及原理；基于电桥的调幅电路和同步解调的理解；包络检波的步骤。

答：调制是指利用某种低频信号的幅值来控制或改变某一高频振荡信号的某个参数（幅值、频率、或相位）的过程。调制可分为调幅、调频和调相，得到的已调制的波分别称为调幅波、调频波、调相波。

调幅在数学上是将一个高频的载波与调制波相乘。调幅的调制器其实就是一个乘法器。因此，调幅的过程在频域上就相当于一个频移的过程。

调幅波的同步调解：在时域上是将调幅波与原载波信号再次相乘，在频域上使得调幅波的频谱再次频移。只要用一个低通滤波器将中心频率位于2w z 处的高频成

分衰减掉，便可以恢复原信号的频谱。

从调幅信号中将低频信号解调出来的过程，就叫做包络检波。也就是说，包络检波是幅度检波。包络检波的步骤：偏置——调幅——整流——滤波，就可以恢复调制波。

6.根据选频特性划分，滤波器的分类；带通滤波器和带阻滤波器实现方式；根据能量提供方式，模拟滤波器的分类；模拟滤波器的作用；低通滤波器的RC 无源滤波器的电路，结合一阶系统分析其系统频率响应函数，幅频特性，截止频率在幅频谱、伯德图、功率谱中的定义方式。

答：根据选频性划分模拟滤波器，一般分为低通、高通、带通、带阻滤波器。 带通滤波器和带阻滤波器实现方式：带通滤波器使高于下截止频率而低于上截止频率的频率成分几乎无衰减地通过，而其余成分收到极大衰减（低通滤波器与高通滤波器串联）；带阻滤波器于它完全相反，使低于下截止频率而高于上截止频率的无衰减的通过（低通滤波器与高通滤波器并联）。

根据能量提供方式，模拟滤波器的分类：有源滤波器和无源滤波器。

LC 无源滤波器、RC 无源滤波器、特殊元件构成的滤波器、RC 有源滤波器。 模拟滤波器的作用： 1）、滤除噪音和干扰，使有用信号输出——提高噪声比，

2）、滤除有用信号中的多余信号——分离出有用的信号，3）、信号调理。

滤波器是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分几乎无衰减地通过，而极大地衰减其他频率成分。

7.模拟滤波器的设计步骤；常用的四种模拟滤波器；数字滤波器的两种实现方法。答：模拟滤波器的设计步骤包括两步：第一步，根据给定的频率特性要求确定滤波器的传递函数；第二步，实现该传递函数的实际电网络。

常用的四种模拟滤波器：贝塞尔滤波器、巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器。

数字滤波器一般可以用两种方法来实现：一种方法是用数字硬件装配成一台专门的设备，这种设备称为数字信号处理机；另一种方法就是直接利用通用计算机，将所需要的运算编成程序让通用计算机来完成，即利用计算机软件来实现。

8.互相关函数的定义、物理意义、性质和特点；结合石油管道泄漏设计互相关测试系统，分析其测试实现过程和定位计算公式。

答:

在输油管道上，常装有监测装置用以监测管道的裂损或泄漏，并能确定损伤位置，如图5-21所示。

答题说明：漏损处K ，视为向两侧传播声响的声源，在两侧管道上分别放置传感器1和传感器2，因为放传感器的两点距漏损处不等远，则漏油的音响传至两传感器就有时差，在互相关图上m ττ=处)(21τx x R 有最大值，这个m τ就是时差。由m τ就可确定漏损处的位置： )(21max 21m x x x x R R τ=；m s ντ2

1= 式中：s —两传感器的中点至漏损处的距离；ν—音响通过管道的传播速度。

9.A/D 转换的步骤，量化增量和量化误差的计算。（具体步骤：采样、保持、量化、编码）

答：A/D 转换器也称ADC ，ADC 是把模拟信号（通常是模拟电压）转换为数字信号的电路。A/D 转换的步骤1、采样—以一定的时间间隔从模拟时间信号中抽取样本值，获得离散时间序列；2、量化—把采样信号变为有限个有效数字的数；3、编码—把以量化的模拟数值用二进制数码、BCD 码或其他码来表示。

量化增量：一个能被A/D 转换器分辨的电压变化的最小增量称为量化增量，用△表示。即：△=U /(2的n 次幂)， n 为A/D 转化器位数 ， U 为参考电压即工作电压范围；由于A/D 转换器在量化过程中通常采用的是四舍五入的方法，因此A/D 最大量化误差为△/2。