测试技术简答题

1

欲使测量结果具有普遍科学意义的条件有哪些？

非电量电测法的基本思想是什么？常用非电量电测系统的组成部分包括哪些环节，并说明各组成部分的主要作用？

答：非电量电测法的基本思想：通过某一转换装置（传感器），根据相应的工作原理或准则，将被测非电量转换成电信号进行测量。

一个完整的测试系统包括以下几部分：传感器、信号变换与测量电路、显示与记录器及数据处理器、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。

指示仪器 被测 非电量 传感器 电量 测量电路 电量 记录仪器

数据处理仪器 打印机

（1）传感器是测试系统实现测试的首要关键环节，它的作用是将被测非电量转换成便于放大、记录的电量。

（2）中间变换与测量电路依测量任务的不同而有很大的伸缩性。在简单的测量中可能完全省略，将传感器的输出直接进行显示或记录。在一般的测量中信号的转换（放大、调制解调、滤波等）是不可缺少的，可能包括多台仪器。复杂的测量往往借助于计算机进行数据处理。如果是远距离测量，则数据传输系统是不可少的。

（3）显示与记录器的作用是把中间变换与测量电路送来的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？两种测量方法的主要区别是什么？

直接测量：无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测量值的测量为直接测量。

例如要测量一根圆钢的长度，最常用的办法是用一把钢皮尺和它作比较。

例如要测量体温，最常用的是水银温度计。根据水银热胀冷缩的物理规律，温度越高，水银膨胀得越利害，毛细管中的水银柱就上升得越高，水银柱的高度和体温之间有着确定的函数关系，可以用水银柱的高度作为被测温度的量度。

间接测量：在直接测量的基础上，根据已知的函数关系，计算出所要测量的物理量的大小。例如在弹道实验中测量弹丸的初速，就是先用直接测量测出两靶之间的距离和弹丸飞过这段距离所需要的时间，然后由平均速度公式计算出弹丸的飞行速度。这种测定弹丸速度的方法，属于间接测量。

2

周期信号频谱结构有哪些特点？对周期信号进行频谱分析时，一般采用何种数学方法？简要说明周期信号与时限信号频谱分析方法的差异。 周期信号的频谱结构有三个特点：

a、离散性：频谱由一条条不连续的谱线组成，是离散的；

b、谐波性：各频率分量符合谐波关系，其频率是基频的整数倍； c、收敛性：谐波分量的幅值有随其阶数的增高而逐渐减小的总趋势。

图1测试系统的组成

周期信号的频谱分析采用傅里叶级数展开的方法进行； 时限信号的频谱分析采用傅里叶变换的方法进行。 画出下述信号的幅度谱及相位谱。

x(t)?100?10cos(200?t?30?)?20cos(400?t?45?)?30cos(600?t?60?)

A 30 20 10 0 200 300 400 600 ? 450 600 ?

0 200 400 600 ? ф

3

仪器在静态条件下响应的变化量和与之相对应的输入的变化量的比值称为

不失真测量条件除要求测量装置幅频特性是常值外，其相频特性要求满足

二阶线性测量系统的阻尼率越小，则其对阶跃响应的超调量

描述测量系统静态工作特性的技术指标主要有灵敏度、线性度、迟滞、分辨率、量程等，请给出灵敏度的定义，并结合典型二阶系统讨论灵敏度选择的具体注意事项，举例说明这些特性指标如何获得？

灵敏度k是传感器在静态条件下输出量的变化Δy和与之相对应的输入量变化Δx的比值。

非线性通常也称为线性度，是指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线性输入输出特性的接近或偏离程度。

重复性表示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，对于同一个激励量其测量结果的不一致程度。

迟滞亦称滞后量、滞后或回程误差，表征传感器在全量程范围内，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的程度。 对测量系统进行静态标定的作用有哪些？

答：1）确定仪器或测量系统的输入—输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；

2）确定仪器或测量系统的静态特性指标；

3）消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度。

推导测量系统不失真测量的条件，并说明典型二阶测量系统追求阻尼比为0.6～0.7的原因。

解：①在时域内， 测量系统输出和输入应满足下列关系:

y(t)?A0x(t??0) 符号意义如教科书所述。

取傅里叶变换，得到 Y(j?)?A0e?j?0?X(j?)

可见，如果输出的波形要无失真地复现输入波形，则测量系统的频率响应应当满足：

H(j?)?Y(j?)?A0e?j?0?

X(j?)即 A(?)?A0?常数，?(?)???0?

就是说，理想的测量系统的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取合适的阻尼比的目的是获得宽的工作频带范围，一般当?取0.6~0.7时，二阶系统幅频特性的平直段最宽。

在讨论典型二阶测量系统时，共涉及到了如下几个频率：无阻尼固有频率f0、有阻尼固有频率fd、有阻尼共振峰频率fr，请给出这几种频率的关系。

典型的欠阻尼(<1)二阶测量系统的阶跃响应函数表明，其瞬态响应是以 ?d??n1??2作衰减振荡的，称为有阻尼圆频率。

2???1?2?rn 有阻尼共振峰圆频率

求周期信号x(t)?3sin(100t?45)通过传递函数为H(s)?态响应。

01的测量系统后的稳

0.005s?1由于是稳态输出，故输出形式为y(t)?Asin(100t??)

由系统的传递函数H(S)得其幅、相频特性函数分别为：

A(?)?11?(0.005?)2，

?(?)??arctan(0.005?)

又输入为

x(t)?3sin(100t?45?)

对x(t)，其稳态输出y(t)的幅值和相角分别为：

A?A(?)Z(?)?11?(0.005?100)2?3?0.8944?3?2.683

0.005?100)??71.565? ???45??arctan(系统的稳态输出：

y(t)?Y(?)cos(100t??2(?))?2.683sin(100t?71.565?) 求周期信号x(t)?0.5cos10t?0.2cos(100t?450)通过传递函数为H(s)?测量系统后的稳态响应。

由系统的传递函数H(S)得其幅、相频特性函数分别为：

A(?)?11?(0.005?)21的

0.005s?1，?(?)??arctan(0.005?)

由于输入信号是周期简谐信号的叠加，根据线性系统的叠加原理和频率不变性。设：

x（t）?x1(t)?x2(t)，其中 x1(t)?0.5cos10t，x2(t)?0.2cos(100t?45?) （1）对x1(t),其稳态输出y1(t)的幅值和相角分别为： X(?)?A(?)?Z(?)?1111111?(0.005?10)2?0.5?0.999?0.5?0.5

?1(?1)?0??x1(?1)?0?arctan(0.005?10)??2.8624?

?y1(t)?0.5cos(10t?2.8624?)

(2)对x2(t)，其稳态输出y2(t)的幅值和相角分别为： Y(?)?A(?)Z(?)?2222211?(0.005?100)2?0.2?0.8944?0.2?0.179

?2(?2)??45??arctan(0.005?100)??71.565?

?y2(t)?Y2(?2)cos(100t??2(?2))?0.179cos(100t?71.565?)

由叠加原理，系统总的稳态输出：

y?t??y1?t??y2(t)?0.5cos(10t?2.8624?)?0.179cos(100t?71.565?)

4

A类不确定度与B类不确定度的定义。

不确定度的A类评定：用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度。

不确定度的B类评定：不能用统计分析的方法来评定标准不确定度。

随机误差和系统误差的定义

最小二乘法的基本思想是什么？

最小二乘法在误差理论中的基本含义是：在具有等精度的多次测量中，求得的最可靠（最可信赖）值是指当各测量值的残差平方和为最小时所求的值。

在相同的测试条件下，多次测量同一物理量时，误差不变或按一定规律变化的误差称之为 用精度为0.02mm的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。求其测量结果。要求计算其测量均值、单项测量的标准偏差、平均值的标准偏差、测

量结果的表示方式。

首先，由于79.48mm为粗大误差，计算时需要剔除 先求算术平均差

19 x??xi?71.42

9i?1由贝塞尔公式，s(xi)?1n?1?(xi?1ni?x)2

带入，得：s(xi)?0.047 算术平均值的实验标准差为：s(x)?s(xi)9?0.02mm

即测量的算术平均值为71.42，A类不确定度为0.02。 或X=71.42±0.02mm

5

根据滤波器的选频作用，一般分为哪几种滤波器，请分别画出它们的幅频特性图。

根据滤波器的选频作用，一般分为低通、高通、带通、带阻滤波器这四种滤波器，其幅频特性如图：

A3(f) A4(f) A1(f) A2(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

将连续时间信号进行离散化时，有时会产生混叠现象，其主要原因是什么？ 当采样频率不足信号最高频率的2倍时，频谱会有混叠。

以低通滤波器为例，说明滤波器在测量系统中的主要作用。

滤波器上下两个截止频率之间的频率范围称为滤波器的 。

相敏检波器的作用

6

简答下列有关IEEE488接口基本特性问题： （1）采用何种信息传递方式？

（2）接口的逻辑电平是怎样规定的？

（3）控者、听者、讲者之间的关系？

（1）GPIB采用字节串行/位并行协议。GPIB通过连接总线传输信息而实现通信。 （2）GPIB使用负逻辑，（标准的TTL电平），任一个线上都以零逻辑代表“真”条件（即“低有效”条件），这样做的重要原因之一是负逻辑方式能提高对噪声的抗御能力。

（3）控者讲明谁是讲者，谁是听者。每个GPIB系统都必须定义一个系统执行控者。讲者指发送数据到其它器件的器件，听者指接收讲者发送的数据的器件。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的应变时，其电阻的相对变化主要由（ ）引起的。

半导体应变片主要是利用半导体材料的 的变化

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

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

解：用4片同型号的应变片R1、R2、R3、R4按题图的方式构成直流测量全桥时，由应变片

承受的应变?1、?2、?3、?4产生的输出电压为

usc??UB?k(?1??2??3??4) （1）

其中UB为供桥电压。

当4应变片R1、R2、R3、R4按题图的方式粘贴于等强度悬臂梁时，有

R1(R3) 14?1??2??

?3??4???于是可得

usc??UB?k??

按题目给定的条件取正号，有

usc?UB?k?? （2）

当usc?10mV?10?103?V，而UB?5V、k?2时，可得

usc10?103????1000 ??

UB?k5?2有一电阻阻值为R=120Ω,灵敏系数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的电阻应变片贴于线膨胀系数为β2=14.2×10-6/0C的工件上，若工件在外力作用下产生应变量为100με，试求当环境温度改变100C时，如果未采取温度补偿措施，电阻变化量为多少？

电阻由于温度变化引起的电阻的变化：?R1t????t?R?0.24?

由于电阻应变片和工件线膨胀系数不同引起的电阻的变化：

?R2t?R?KS?(?2??1)?t?0.00528? ??Rt??R1t??R2t?0.24528?

仅由于外力作用引起的电阻的变化?R??Ks???R??0.024?

??R??Rt??R??0.26928?

8

压电式加速度计测量系统的工作频率下限取决于

压电式传感器与一般电压放大器连接使用时，中间要加一级前置放大器，该放大器主要用来

为了使压电陶瓷具有压电效应，需对压电陶瓷进行 处理。

为提高压电式传感器的灵敏度，常采用“压电晶体堆”方式，请用简图说明压电晶体堆提高传感器工作灵敏度的基本思想。

在使用压电晶体时，如仅用单片压电片工作，要产生足够的表面电荷就要有很大的作用力，常把两片或多片的压电片组合在一起。由于压电材料是有极性的，因此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 /与单片的C、U、Q的关系为

C /=2C U /=U Q /=2Q 两压电片串联，其关系为

C /=C/2 U /=2U Q /=Q

压电传感器的灵敏度可用电压灵敏度及电荷灵敏度进行描述。简要说明电压灵敏度和电荷灵敏度的定义，并给出两者之间的关系。

请画出压电式传感器与电荷放大器相连的等效电路图，并说明电荷放大器的输出电压u0与传感器产生的电荷量Q及电荷放大器反馈电容Cf之间的关系。

压电式传感器与电荷放大器连接的等效电路：

++++++ ―――― ++++++ ―――― + －

Rf

Cf

-

Ca Cc Ci k Q

U0

由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容Cf′为

C?f?(1?k)Cf 设放大器输入电容为Ci、传感器的内部电容为Ca和电缆电容为 Cc ，则放大器的输出电压

?kQU0?

Ca?Cc?Ci?(1?k)Cf当(1?k)Cf??(Ca?Cc?Ci)，放大器的输出电压为 U0??Q Cf9

光纤数值孔径NA的物理意义是什么？试计算n1=1.46，n2=1.45的阶跃光纤的数值孔径值是多少。

光电池是根据 效应进行工作的。

光电管和光电倍增管都是是根据 效应制作而成的光电转换器件。 在光作用下，使电子逸出物体表面的现象称

基于内光电效应工作的光电转换器件有 、 、 。

10

热电偶的热电势由 电势 与 电势组成。 以热电偶为例（一阶测量系统），推导出其幅频特性，并说明时间常数τ对系统动态特性的影响。

热电偶是一种一阶测量器件，它的工作状态方程为

?dT?T?Ti dt其中，?是热电偶的时间常数，可由实验测定，Ti是待测温度随着时间的变化规律，T为热电偶所指示的温度函数。

测试系统的传递函数 H(s)、频率特性 H(j?)、幅频特性 A(?)、相频特性?(?) 分别为

H(S)? H(j?)?1 1??s1

?(j?)?1 A(?)?11?(??)2

??) ?(?)??arctan(可见?越小，系统动态特性越好

试述热电偶测温原理，并说明用热电偶测温时，为何常进行冷端温度补偿。

热电偶的测温原理基于热电效应：将两种不同材料的金属A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路将产生热电势，这种现象叫Seebeck效应。

热电偶冷端补偿的原因：

（1）用热电偶测温时，热电势的大小决定于冷热端温度之差。如冷端温度是变化的，将会引起测量误差。

（2）分度表制定是根据冷端为0℃时制作的。

（3）在使用过程中，由于冷热端较近，冷端容易受到环境温度的影响，因此冷端温度难以保持恒定。

简述热电偶测温的均质导体实验定律，并按照该定律说明热电偶在电极材料上有何具体要求。

用热电阻测量时，热电阻的阻值一般可用电桥电路测量，请说明二线制、三线制热电阻是如何接桥，并说明各种接法有何优缺点。 “二线制”接法的两根导线接在电桥的同一臂上，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，对测量结果带来影响（1.5分）；“三线制”接法采用温度系数相同的导线接于相邻的两个桥臂上，此时由于附加电阻引起的电桥输出将自行抵消，测量的结果消除了导线由于温度引起的影响。（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的结构示意图，并阐述其工作原理，贴片与布桥方式。

筒式应变压力传感器的弹性元件是一只钻了盲孔的圆筒，称为应变筒。使用时空腔中注满油脂，所注油脂的种类和测量压力的大小有关。测量时把传感器安装到测量位置的测量孔中，压力作用在油脂上，油脂受压后，把压力传送到应变筒的内壁，使应变筒外壁膨胀，发生弹性变形。在应变筒外壁的中部，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的应变。

活塞式应变测压传感器的弹性元件是应变管。使用时传感器安装在测压孔中，压力p作用在活塞的一端。活塞把压力转化为集中力F (F?P?S, S为活塞杆的面积)作用在应变管上，使应变管产生轴向压缩弹性变形。在应变管上部较粗的部位，沿周向黏贴一片或两

片与工作应变片同一阻值、同一批号的温度补偿片。活塞式应变压力传感器主要是通过活塞杆，而不是通过油脂传递压力的，所以它的固有频率比较高。

活塞式 筒式

以压力测量为例，给出压电式测压系统的组成框图；

压电式测压系统的组成框图如下图所示：

p Q

被测压力 压电式压力传感器 电荷放大器 静态压力标定机 V

测量记录仪器

用框图说明常用应变式及压电式压力测量系统的组成，并结合本课程所学应变式及压电式压力传感器的相关知识，举例说明常用的应变式压力及压电式压力传感器的工作原理。对压力测量系统进行静态标定时常用活塞式压力标定机，请说明“静重比较法”的基本工作原理。

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的工作原理；2）给出实验系统组成方框图；3）被测导体的电阻率和磁导率对电涡流传感器的灵敏度有何影响？

1） 电涡流传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化或电感的变

化（或Q值的变化）从而进行非电量电测的。

标万 电涡流传感器 放大器 定用 台 表

24V电源

2） 被测导体的电导率越大和磁导率μ越小，传感器的灵敏度就越高。

惯性式加速度传感器

1）用简图说明惯性式加速度传感器的工作原理；2）建立该传感器的力学模型，推导其运动方程，并说明激励与响应的关系；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的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的惯性力，从而使弹簧产生与质量块相对位移相等的伸缩变形，弹簧变形又产生与变形量成比例的反作用力。当惯性力与弹簧反作用力相平衡时，质量块相对于基座的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）所示的两个坐标系，以坐标x表示传感器基座的位置，以坐标y表示质量块相对于传感器基座的位置。以静止状态下的位置为坐标原点。

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)。质量体的绝对运动应当等于其牵连运动和相对运动之和。因此，由牛顿运动定律，有

dyd2xd2ym(2?2)??c?ky

dtdtdt经整理后得

d2ydyd2x?ky??m2 m2?cdtdtdtd2ydyd2x2?2??n??ny??2 2dtdtdt上式可写成

式中，?n为二阶系统的固有角频率，(?n?kc)；m为)；?为系统的阻尼比(??m2mk质量块的质量；k为弹簧刚度系数；c为阻尼系数。

d2xd2x以待测物体的加速度2为激励，并记a?2，

dtdt以质量块的相对位移y为响应。

3）对上式取拉氏变换，有

SY(S)?2??nSY(S)??拉氏传递函数H（S）为

22nY(S)??A(S)

m k y x m cdy dtky H(S)?Y(S)1 ??22A(S)S?2??nS??n (a) (b) 二阶惯性系统的物理模型图

频率响应函数H0(j?)为

H(j?)??

12(j?)2?2??nj???n??幅频特性为

11

2?n[1?(?/?n)2]?j2??/?nAa(?)?112?n[1?(?/?n)2]2?(2??/?n)2

相频特性为

?a(?)??arctg2??/?n 21?(?/?n)4）传感器的幅频特性及相频特性如图：

1/ω

0.1 1.0 10 ω/ωn

2

n

0°

φ(ω) A(ω) 0.1 1.0 ω/ωn 10 (b)

(a)

传感器的频率特性图

(a)幅频特性；(b)相频特性。

当某系统存在明显的非线性，实际工程测试时，我们可以采取哪些技术措施改善该系统的非线性。

为改善传感器性能，常采用差动结构，阐述其基本思想。

1、用两个完全相同的传感器；2、接受大小相等、符号相反的输入量；3、二者输出想减，取其差值。可以使输出非线性得到了较好的抑制，并提高输出灵敏度。

根据你所学知识设计三种工作原理不同的加速度传感器.要求： 1)画出所设计的传感器的工作原理简图； 2用简洁的语言说明其工作原理。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wt2x.html