机械工程测试技术思考题(含答案)

思考题
0. 测试的概念与测试的目的。

概念：测试包括测量和试验两反面的含义，是指具有试验性质的测验或测量与试验的综合
目的：提供被测对象的质量依据；提供机械工程设计、制造、研究所需要的信息
1．动态测试系统一般有哪几部分组成（画出框图）？各部分的作用？
试验装置：是被测对象处于预定状态下，并将其有关方面的内在联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门装置。

测量装置：把被测量通过传感器变成电信号，经过后接仪器的变换、放大、运算，变成易于处理和记录的信号的装置。

数据处理装置：将被测装置输出的信号进一步处理，以排除干扰和噪声污染，并清楚的估计测量数据的可靠程度。

显示记录装置：将被测对象所测得的有用信号及其变化过程显示或者记录下来的装置。

2．动态测试主要应用在机械工程的哪些领域，简单说明其原理。

产品质量检测，性能评价；生产过程监控；设备状态监控与故障诊断；科学研究，探索未知世界。

3．信号分为那几类？各类信号有何特点？
按实际用途分：广播信号，电视信号，雷达信号，控制信号，通信信号，遥感信号
按信号所具有的时间函数特性分：确定性信号与非确定性信号、能量信号与功率信号、时限信号与频限信号、连续时间信号与离散时间信号等
4．本课程学习的主要的信号分析的方法有那些？
函数分析，时域统计分析，幅值域分析
5．信号的时域描述、频域描述有何意义？说明频谱分析的物理意义。

6．周期信号、非周期信号的频谱以及离散信号的频谱有何特点？
周期信号的频谱：离散的；每条谱线只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是各高次谐波分量频率的公约数；各频率分量的谱线高度表示该次谐波的的幅值和相位角。

非周期信号用幅值谱密度、相位/能量谱密度描述是连续的。

7．用图形表达FT中时间比例性、时移特性、频移特性。

8．几种典型信号的频谱及数学表达式，用图形及公式表达δ（t）与其他函数的卷积。

P77，图2.3.4
9．互相关函数的物理意义。

自相关函数互相关函数有何特点？
信号分析中，相关表述两个信号（或一个信号的不同时刻）之间的线性关系或相似程度。

自相关函数是匸的偶函数，互相关函数为非奇非偶函数；自相关函数在匸=0时为最大值，并等于该信号的均方值；周期函数的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不具有原函数的相位信息；两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，但保留了原信号的相位差信息；两个非同频率的周期信号互不相关。

10．举三个例子说明相关函数在不同项目中的工程应用，说明其工作原理。

利用具有一定关系的信号源在不同时间所引起的相似性，因此比较相似性，只有在信号重叠时才具有最大值，根据时间位移就可以算出速度。

11．频谱图与频率响应特性图有何区别？
频谱图表示了频率随时间的变化规律
频率响应函数是有互谱与自谱的比值求得的，它是一个复矢量，保留了幅值大小与相位信息，描述了系统的频域特性
12．P94，2.8
13．P96，2.21
14．什么是测试系统的静态传递特性？常用哪些量来表征？
描述测试系统静态测量时的输入输出关系的方程、图形、参数等称为测试系统的静态传递特性。

常用的主要表征参数有：静态传递方程与定度曲线、灵敏度、线性度、回程误差、灵敏度阀、漂移等。

15．什么是校准曲线？如何获得校准曲线？
在一定条件下，表示被测量值与仪器仪表实际测得值之间关系的曲线。

16．解释灵敏度、线性度、回程误差、飘移
灵敏度：测试系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比的极限值；
线性度：定度曲线接近拟合直线的程度；
回程误差：系统的迟滞（输入量又小增大和由大减小过程中，对应于同一输入量所得到的输出量存在差值的现象）的程度；
漂移：正常使用条件下，输入量不发生任何变化，而测试系统得输出量在经过一段时间后却发生了改变的现象。

17．什么是测试系统的动态特性？通常用什么表示测试系统的动态特性？
被测物理量随时间变化的测量称为动态测量，于此相应，描述测试系统动态测量时输入与输出之间函数关系的方程、图形、参数称为测试系统的动态传递特性；
常用时间响应和频率响应来表示测试系统的动态特性。

18．说明频率响应函数的物理意义。

频率响应函数是有互谱与自谱的比值求得的，它是一个复矢量，保留了幅值大小与相位信息，描述了系统的频域特性。

19．分析对比信号的幅值谱与系统的幅频特性之间的区别。

信号的幅值谱是描述信号的各频率分量的幅度，系统的幅频特性是描述系统各分量幅度随各输入频率的变化而变化的关系。

20．不失真测试的系统条件？不失真测试的时域表示？
条件：系统的幅频特性在输入信号x(t)的频谱范围内为常数；系统的相频特性φ(ω)是过原点且具有负斜率的直线。

21．用不失真测试条件衡量，一、二阶测试系统的参数有何特点？
对于一阶函数来说，时间常数τ=a1/a0越小越好，a0取决于灵敏度，所以只能调节a1来满足要求对于二阶系统，动态特性参数有两个即ωn和ζ，实验表明，只有ζ=0.6~0.7时才可以活的最佳综合特性。

22．为什么二阶测试系统的阻尼系数常用0.707
ζ越大，输出接近稳态输出的时间越长，ζ越小，超调量会越大，也会因振荡而使输出达到稳态输出的时间加长，因此ζ存在一个较合理的取值，ζ一般取值为0.6~0.7
23．为什么一阶测试系统的时间常数 越小越好？
当单位阶跃信号输入一阶系统时，其稳态输出的理论误差为零，系统的初始响应速率为1/τ，若初始响应速率不变，则经过时间τ后，其输出应等于输入。

但在实际测试中，响应上升速率随时间t的增加而减慢，因此τ越小，响应越快，动态性能越好。

24．P118 3.1 3.2 3.4 3.6 3.9
25．调制与解调的概念，调幅与解调原理
调制就是对信号源的信息进行处理，借条则是调制的逆过程，起作用是从调制后的信号中恢复原信号；
幅值调制是将一个高频简谐信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。

26．何谓滤波器，滤波器分类、基本参数及其定义？
概念：滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分分类：低通、高通、带通、带阻滤波器
基本参数：文波幅度d；截止频率f c；带宽B和品质因数Q；倍频程选择性W；滤波器因数λ。

27．理想滤波器不可实现的原因
h(t)的波形表明，在输入δ（t）到来之前，滤波器就应该早有与该输入对应的输出，显然，任何滤波器都不可能有这种“先知”，所以，理想滤波器是不可能存在的。

28．积分与积分平均的模拟实现的区别。

信号积分是求信号中波动分量（非零频分量）的原函数，结果任然是波动分量，直流分量不能进行积分；积分平均是求信号的直流分量的值，是定积分运算，可用窄带低通滤波来实现。

29．动态电阻应变仪测量系统的构成与应用（特别注意各部分的输出情况）
构成：电阻应变片、电桥、放大器、振荡器、相敏检波器、低通滤波器、显示记录装置
30．恒带宽滤波器与恒带宽比滤波器的区别
恒带宽滤波器的带宽B不随中心频率f0而变化；恒带宽比滤波器的带宽B与中心频率的比值恒定。

31．模拟频谱分析系统框图
32．信号数字分析法的主要优点
精度高，工作稳定，速度快，动态范围宽，能够完成很多模拟分析方法无法实现的运算分析。

33．画出信号数字分析流程图，简述各部分功能。

（P140）
34．绘出数据采集系统的框图，说明各部分的作用。

（P141）
35．解释DFT的图解推演过程，
36．用图形及文字解释采样定理
37．什么是加窗、泄漏？
截取有限长度信号的过程称为对信号的时域截断，加窗是时域截断的一种方式，它指把信号与有限宽度的的时窗函数相乘。

泄露是指加窗（截断）信号的能量扩散到了理论上无穷宽的频带中去。

38．窗函数的特点及加窗的影响如何？加窗会对频谱产生什么影响？如何减小这些影响理想的时窗函数谱窗应具有以下特点：主瓣宽度要小，即带宽要窄；旁瓣高度与主瓣高度相比要小，且衰减要快。

加窗会使频谱发生泄漏现象，从而降低谱分析的频率分辨力，并且会在频谱中引入虚假的频率分量。

使用较为理想的窗函数对信号进行加窗能减小以上的影响。

39．防止泄漏的方法？
选择适当的时窗函数（主瓣宽度要小，即带宽要窄；旁瓣高度与主瓣高度相比要小，且衰减要快）40．已知信号的频带宽度，要实现对该信号的数字信号分析，在确定的频率分辨率的条件下，如何选择时域采样间隔，数据点数及信号的记录长度。

（注意信号的点数一般为N=2m）。

41．用图形和文字解释时域采样定理、频率混叠、泄漏、栅栏效应。

42．P170 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
43．选择传感器应该遵循的原则？
一是适当的灵敏度，二是足够的精度，三是高度的可靠性，四是对被测对象的影响要小
44．电涡流传感器原理
当传感器线圈通以正弦交变电流时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场，使置于此磁场中的金属导体感应电涡流，电涡流又产生新的磁场。

根据愣次定律，新的磁场将反抗原磁场，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。

因此，测量传感器线圈的阻抗变化来测量所需参数。

45．压电式传感器与电荷放大器
压电式传感器是一种基于某种电介质压电效应的无源传感器。

是一种自发电式和机电转换式传感器，他的敏感元件由压电材料制成；电荷放大器能将高电阻电荷转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此也具有阻抗变换的作用，它的一个突出的优点是在一定条件下传感器的灵敏度与电缆长度无关。

P193
46．证明电荷放大器可以避免连接电缆杂散电容的影响。

47．应变片式传感器及其变换电路
48．直流电桥的接法及其灵敏度的关系
等臂电桥灵敏度Kv=1/4E，双臂电桥Kv=1/2E，全桥Kv=E
49．光栅传感器的工作原理、莫尔条纹的形成，莫尔条纹的放大作用。

原理：当标尺光栅相对于指示光栅移动时，将形成明暗交替变化的莫尔条纹，利用光电接收元件将莫尔条纹明暗变化的光信号，转换成脉冲电信号，通过脉冲计数器可以测量出标尺光栅移动的距离，实现位移测量。

莫尔条纹：灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，由于遮光积分效应或光的衍射效应作用，在指示光栅上与两块光栅线性相交的钝角平分线方向，出现较粗的明暗交替的条纹。

放大作用：
50．振动测量和振动测试的区别，一般的测振系统的构成如何？
振动测量主要是指测定振动体的位移，速度，加速度大小，以及振动频率周期，相位，衰减系数，振型，频谱等等，无激振装置。

而振动测试需要通过试验来测定振动系统的动态特性参数，有激励装置。

51．激振方法的分类及其频谱特点。

稳态正弦波激振：频率单一，激振功率大，信噪比高。

但费时；随机激振，以白噪声或伪随机信号为信号源，是一种宽带激振方法；瞬态激振：快速正弦扫描方式激振，脉冲方式激振和阶跃方式激振，也是一种宽带激振方式。

52．什么是虚拟仪器？
虚拟仪器是由计算机硬件资源，模块化仪器硬件和用于数据分析，过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操作操纵的模块化仪器系统。

53．什么是机械阻抗？绘出并解释机械阻抗试验的原理图P283
54．绘出以微机为核心的平面磨床机械阻抗试验框图，说明各部分的作用。