现代测试技术学习指导书

现代测试技术学习指导书

编写：马德贵

安徽农业大学工学院

二○○八年三月

第1章 绪 论

(一)学习的基本内容：

机械工程测试工作的重要性、主要内容、测试系统的组成框图意义。

(二) 学习的基本要求：

1．理解测试的基本概念，了解测试工作的重要性与必要性。

2．掌握测试系统的组成及功能。

(三) 学习的重点难点：

重点：电测法测试系统的组成及作用。

(四) 思考题：

1．测试技术的基本含义是什么？它包含哪些方面的工作？试举例说明。

2．测试技术中测量参量的基本内容是什么？机械工程专业研究的主要测量对象是哪些？

3．非电量电测系统的基本组成有哪些？各部分的功能如何？

4．测试技术的手段和方法有哪些？试举例说明。

5．现代测试技术的发展趋势是什么？

6．非电量电测系统的基本类型有哪些？

第2章 测试系统分析

(一) 学习的基本内容：

测试信号的基本概念、类型、分析方法、测试系统的基本特性。

(二) 学习的基本要求：

1．掌握系统静态特性和动态特性概念、明确测试系统通常要同时满足这两种特性。

2．掌握确定性信号的分析方法。

3．掌握二阶系统的频率特性。

(三) 学习的重点难点：

重点：静、动态特性的概念，信号的分析方法。

难点：二阶系统的频率特性。

(四) 思考题：

1．测试系统的静态特性和动态特性的主要描述指标有哪些？这些指标的定义及其含义各是什么？

2．测试系统不失真传输信号的时域和频域条件分别是什么？

3．试说明二阶系统常使阻尼比ξ= 0.7~0.8的原因。

4．求周期信号x（t）= 0.5cos10 t + 0.2cos(100t – 45°)通过传递函数为的装置后所得到的稳态响应。

5．某加速度传感器可作为一个二阶振荡系统考虑。已知传感器的固有频率为10kHz，阻尼

比ξ= 0.12，当用此传感器测试5kHz正弦加速度时，幅值失真和相位滞后各是多少？若阻

尼比ξ= 0.7，幅值失真和相位滞后又各是多少？

6．描述测试系统的基本特性所用的传递函数和频响函数的意义是什么？两者的区别如何？

7．进行某次动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/MPa，将它与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的总灵敏度。又当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？

8．用一个时间常数为0.35s的一阶装置去测量周期分别为1s、2s和5s的正弦信号，问幅值误差将是多少？

9．设一力传感器可作为二阶振荡系统处理。已知传感器的固有频率为800HZ，阻尼比ξ= 0.14，问使用该传感器作频率为400HZ正弦变化的外力测试时，其振幅比A（ω）和相位角差φ（ω）各为多少？又若该装置的阻尼比可改为ξ= 0.7，则A（ω）和φ（ω）又将作何种变化？

10．想用一个一阶系统作100HZ正弦信号的测量，如要求限制振幅误差在5%以内，则时间常数应取多少？若用具有该时间常数的同一系统作50HZ正弦信号的测试，问此时的振幅误差和相位角差是多少？

第3章 传感器原理

(一) 学习的基本内容：

电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式、热电式、磁电式传感器的基本原理， 结构与类型，及测量电路。

(二) 学习的基本要求

1．理解传感器的概念、组成。

2．掌握电阻应变片式、电感式、电容式、压电式、光电式、热电式传感器的工作原理、种类。

3．了解磁电式传感器的工作原理、类型。

4．了解新型传感器的类型、用途。

(三) 学习的重点难点：

重点：电阻应变片式、电感式、电容式、压电式、光电式传感器的工作原理。

难点：压电式、光电式传感器的测量电路。

(四) 思考题：

1．何谓结构型传感器?何谓物性型传感器?试述两者的应用特点。

2．衡量传感器静态特性的主要指标有哪些?说明它们的含义。

3．什么是传感器的静态特性和动态特性?为什么要把传感器的特性分为静态特性和动态特性?

4．为什么要对传感器进行标定和校准?举例说明传感器静态标定和动态标定的方法。

5．今有两加速度传感器均可作为二阶系统来处理，其中一只固有频率为25kHz，另一只为35kHz ，阻尼比ξ均为0.3。若欲测量频率为10kHz的正弦振动加速度，应选用哪一只?试计算测量时将带来多大的振幅误差和相位误差。

6．简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿方法。

7．试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。

8．如何用电阻应变计构成应变式传感器?对其各组成部分有何要求?

9．现有栅长为3mm和5mm两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%，欲用来测量泊松比μ=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度较大)。试问：应选用哪一种应变计?为什么?

10．现选用丝栅长10mm的应变计检测弹性模量E=2×1011N/m2、密度ρ=7.8g/cm3的钢构件承受谐振力作用下的应变，要求测量精度不低于0.5%。试确定构件的最大应变频率限。

11．为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件?现用一等强度梁：有效长l=150mm，固支处宽b=18mm，厚h=5mm，弹性模量E=2×105N/mm2，贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计，并接入四等臂差动电桥构成称重传感器。试问：

(1)悬臂梁上如何布片?又如何接桥?为什么?

(2)当输入电压为3V，有输出电压为2mV时的称重量为多少?

12．何谓压阻效应?扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传感器相比有什么优点，有什么缺点?如何克服?

13．何谓霍尔效应?利用霍尔效应可进行哪些参数测量?

14．霍尔元件的不等位电势和温度影响是如何产生的?可采取哪些方法来减小之。

15．一应变片的电阻R=120Ω，k=2.05，用作应变片为800μm/m的传感元件。a.求ΔR/R和ΔR；b.若电源电压U=3V，惠斯登电桥初始平衡，求输出电压U0。

16．在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的应变片R1和R2，把着两片应变片接入差动电桥，若钢的泊松系数μ=0.285，应变片的灵敏度系数k=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片的电阻变化ΔR1=0.48Ω，求电桥的输出电压U0为多少？

17．变间隙式、变截面式和螺管式三种电感式传感器各适用于什么场合?它们各有什么优缺点?

18．试述电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。

19．试述造成自感式传感器和差动变压器温度误差的原因及其减小措施。

第4章 非电量基本参数的测试方法

(一) 学习的内容：

机械力参量、转矩的测量、位移、速度、加速度、压力、温度的测量方法。

(二) 学习的基本要求： ．

1．掌握电阻应变片测量力参量的布片和接桥方式。

2．掌握位移、速度、加速度的测量用传感器及其测量电路。

3．理解压力的测量方法。

4．掌握温度的测量传感器及测量电路。

(三) 学习的重点难点：

重点：电阻应变片测量系统的标定、多种载荷时的布片与接桥。

难点：根据非电参量选择相应的传感器构成测量系统。

(四) 思考题：

1．某一铅试件受拉力作用，试分析能否用在试件上粘贴应变片的方法实现拉力的测量。

2．构件及其受力如图4.1所示，请设计测量力P时的贴片和接桥方法并导出P—关系式。

3．构件的受力及布片情况如图4.2所示，请说明如何完成拉力P的测量并画出接桥图。

4．当补偿板和待测试件的材料不同时，产生的虚假应变值εf为多大？

5．接桥如图4.3所示，其中R = R1 = R2 = 120Ω，r =3Ω，请计算由引线电阻r引起的相对误差为多少？若R1为工作片，R2为补偿片，当仪器的读数值为100με时，实际应变值为多少？

6．接桥如图4.3和图4.4所示，其中R = R1 = R2 = 120Ω，r =3Ω，环境温度引起的引线电阻r的变化量均为Δr = 0.3Ω，请计算两种情况下由Δr引起的测量误差分别为多少？并根据计算评价三线制接法在动态测量中的应用效果。

7．设计一个用压电式加速度传感器测量线加速度的测量系统。画出系统框图并重点说明对前置放大器的要求和该系统适用的频率范围。

8．某加速度计的标准振动台，振动的频率是50HZ，量值是1g。现有一压电式加速度计出厂时标出的电压灵敏度是S=100mV/g，由于现场测试中需要加长导线要重新标定其灵敏度。假定电压（前置）放大器的放大倍数为1，后续放大器的增益为40dB，标定时毫伏表的示值为9.13V，要求画出标定系统框图并计算出电压灵敏度SV。

9．试画出用热电偶测量加热炉内的温度测量系统框图并说明测量原理。

第5章 测试信号的处理

(一)学习的基本内容：

测量电桥的原理及特性、信号的调制与解调、滤波器的原理及应用、A/D和D/A转换器的原理。

(二) 学习的基本要求

1．掌握电桥的平衡条件、类型、电桥的加减特性与应用。

2．掌握调制与解调的基本原理、方法。

3．掌握二阶低通滤波器的基本原理。

4．掌握A/D和D/A转换器的芯片及应用。

(三) 学习的重点难点

重点：1. 电桥的加减特性及应用。

2．相敏检波器的原理。

3．A/D和D/A转换器的芯片应用。

难点：二阶滤波器的特性分析。

(四) 思考题：

1．什么是调制和解调，调制和解调的作用是什么？常用的调幅和调频电路有哪些？相应的解调电路是什么？

2．电阻应变片常用的测量电路是什么？

3．交流电桥可作为哪些传感器的测量电路？

4．电荷放大器是哪种传感器的测量电路。

5．低通、高通、带通及带阻滤波器各有什么特点？它们的频率特性函数的关系是什么？

6．已知RC低通滤波器R = 1kΩ，C = 1μF，试求：

⑴ 确定各函数式H（S），H（ω），A（ω）；

⑵ 当输入信号ux = 10sin100t时，求输出信号uy，并比较其幅值及相位的关系。

7．为什么在动态电阻应变仪上除了设有电阻平衡旋钮外，还设有电容平衡旋钮？

8．调幅波是否可以看成是载波与调制信号的叠加？为什么？

9．下限频率相同时，倍频程滤波器的中心频率是1/3倍频程滤波器的多少倍？

10．倍频程选择性为 -60dB的滤波器和倍频程选择性为 -40dB的滤波器相比，哪一台好？为什么？

第6章 测试信号的记录

(一) 学习的基本内容：

笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪、计算机记录仪器、虚拟仪器。

(二) 学习的基本要求：

1．了解笔式记录仪的类型及原理。

2．掌握光线示波器的结构、组成、原理及光振子的选择。

3．理解磁带记录仪的记录方式、原理。

4．掌握计算机记录仪的记录方式、原理。

5．了解虚拟仪器的概念、应用。

(三) 学习的重点难点：

重点：1. 光线示波器的原理、阻尼方式。

2．计算机的接口技术。

难点：振动子的选择、数据的输入及转换。

(四) 思考题：

1．何谓显性记录和隐性记录？记录仪器的基本组成有哪些？

2．笔式记录仪的基本类型有哪些？对被记录的信号频率有何限定？

3．光线示波器的基本组成有哪些？工作原理是怎样的？光线示波器的振动子阻尼方式有哪些？选择振动子的依据是什么？

4．现用固有频率为1200HZ的振动子记录基频为600HZ的方波信号，试分析记录结果，并绘出记录波形的示意图。

5．计算机数据采集的数据输入方式有哪些？如何选择不同的方式？

6．何谓虚拟仪器？虚拟仪器的硬件平台和软件系统各有哪些？

第7章 测试中干扰的控制

(一) 学习的基本内容：

测试中的干扰产生及消除方法

(二) 学习的基本要求：

1．理解干扰产生的原因及类型。

2．掌握干扰的输入方式。

3．掌握一些常用的干扰消除方法。

(三) 学习的重点难点

重点：干扰的输入方式。

难点：一些常用的硬件消除方法。

(四) 思考题：

1．工程测试中干扰源有哪些？干扰有那些类型？

2．工程测试中干扰通过何种方式进入测试系统中的？

3．常用的硬件抗干扰的方法有哪些？

第8章 测试结果的处理及分析

(一) 学习的基本内容：

测量误差的基本概念及理论、确定性信号的处理方法、随机信号的处理方法。

(二) 学习的基本要求：

1．理解误差产生的原因及类型。

2．掌握随机误差和系统误差的分布规律。

3．掌握确定性信号的分析方法。

4．了解随机信号的处理方法。

(三) 学习的重点难点

重点： 随机误差和系统误差。

难点： 确定性数据处理的方法。

(四) 思考题：

1．什么叫误差？误差的表示法有哪些？根据误差的分布规律，可将其归为几类？各有什么特点？

2．等精密度测量的含义是什么？

3．若测量序列中仅含有随机误差，当测量次数为无穷大时，测量的结果如何表达？为什么？

4．系统误差的类型有哪些？如何发现？如何消除？

5．静态直接测量数据的处理步骤有哪些？

6．动态测量数据的类型有哪些？随机数据的统计特征量有哪些？自相关函数与功率谱密度函数的关系是什么？各有什么应用？

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/bc0f3f523c1ec5da50e2700c.html