许同乐-机械工程测试技术课后习题及答案

思考题与习题0-1举例说明什么是测试？答：⑴测试的例子：为了确定一端固定的悬臂梁的的固有频率，可以采用锤击法对梁尽享激振，在利用压力传感器、电荷放大器、波形记录器记录信号波形，由衰减的振荡波形便可以计算出悬臂梁的固有频率。⑵结论：由本例可知，测试是指确定被测对象悬臂梁固有频率的全部操作，是通过一定的技术手段-激振。拾振、记录、数据处理等，获取悬臂梁固有频率的信息过程。0-2以方框图的形式说明测试系统的组成，简述主要组成部分的作用。答：⑴：测试系统的方框图如图0-1所示。⑵：各部分的作用如下。传感器是将被测信息转换成某种电信号的器件；信号调理是把来自传感器的信号转换成适合传输和处理的形式；信号处理环节可对来自信号调理环节的信号，进行各种运算。滤波和分析；信号显示、记录环节将来至信号处理环节的信号显示或存储；模数转换和数模转换是进行模拟信号与数字信号的相互转换，以便于用计算机处理。0-3针对工程测试技术课程的特点，思考如何学习该门课程？答：本课程具有很强的实践性，只有在学习过程中密切联系实际，加强实验，注意物理概念，才能真正掌握有关知识。在教学环节中安排与本课程相关的必要的实验及习题，学习中学生必须主动积极的参加实验及完成相应的习题才能受到应有的实验能力的训练，才能在潜移默化中获得关于动态测试工作的比较完整的概念，也只有这样，才能初步具有处理实际测试工作的能力。思考题与习题1-1信号的分哪几类以及特点是什么？⑴、按信号随时间的变化规律分为确定性信号和分确定性信号，确定信号分为周期信号（包括谐波信号和一般周期信号）和非周期信号（准周期信号和以便非周期信号）；非确定性信号包括平稳随机信号（包括各态历经信号和非各态历经信号）和非平稳随机信号。⑵、按信号幅值随时间变化的连续性分类，信号包括连续信号和离散信号，其中连续信号包括模拟信号和一般模拟信号，离散信号包括一般离散信号和数字信号。⑶、按信号的能量特征分类，信号包括能量有限信号和功率有限信号。1-2什么是单位脉冲函数)(t？它有什么特性？如何求其频谱？⑴单位脉冲函数的定义在ε时间内矩形脉冲εδt（或三角形脉冲及其他形状脉冲）的面积为1，当0ε时，εδt的极限0limεεδt，称为δ函数。δ函数用标有“1”的箭头表示。显然δt的函数值和面积（通常表示能量或强度）分别为：00lim00εεtδtδtt100limlim1εεεεδtdtδtdtδtdt⑵δt函数的性质①积分筛选特性。当单位脉冲函数δt与一个在t=0处连续且有界的信号xt相乘时，其积的积分只有在t=0处得到0x，其余各点乘积及积分均为零，从而有：000δtxtdtδtxdtxδtdtx这就表明，当连续时间函数xt与单位冲激信号δt或者0δtt相乘，并在,时间内积分，可得到xt在t=0点的函数值0x或者0tt点的函数值0xt，即筛选出0x或者0xt。②冲击函数是偶函数，即δtδt。③乘积（抽样）特性：若函数xt在0tt处连续，则有000xtδttxtδtt④卷积特性：任何连续信号xt与δt的卷积是一种最简单的卷积积分，结果仍然是该连续信号xt，即*xtδtxτδtτdτxt同理，对于时延单位脉冲0δtt，有000*xtδttxτδttτdτxtt可见，信号xt和0δtt函数卷积的几何意义，就是使信号xt延迟0t脉冲时间。⑶δt函数的频谱单位脉冲信号的傅立叶变换等于1，其频谱如下图所示，这一结果表明，在时域持续时间无限短，幅度为无限大的单位冲击信号，在频域却分解为无限宽度频率范围内幅度均匀的指数分量。21-3正弦信号有何特点？如何求其频谱？答：正弦信号有如下特点：①两个同频率的正弦信号相加，虽然他们的振幅和相位各不相同，但相加结果仍然是原频率的正弦信号；②一个正弦信号等于另一个正弦信号频率的整数倍，则其合成信号是非正弦信号；③正弦信号对时间的微分与积分任然是同频率的正弦信号。利用偶拉公式及其傅立叶变换，有：00220sin22jπftjπftjxtπftee002jXfδffδff正弦信号的频谱图如下图所示：1-4求指数函数的频谱和双边指数函数的频谱。解：⑴单边指数函数表达式为：000,0attxteta式中：a为正实数，单边指数信号如下图a所示：单边指数信号频谱为：jωtXωxtedt0101atjωtjωateedtejωajωa3幅度和相位分别为：221arctanXωaωωφωa频谱如上图b,c所示。⑵双边指数信号。双边指数信号如下图所示，其时间表示式为atxte，其中a为正实数，傅立叶变换为：0022112atjwtajwtajwXωeedtedtedtajωajωaaω双边指数信号的傅里叶变换是一个正实数，相位谱等于零。幅频谱如下图所示。由于双边指数信号为实偶对称函数，因此Xω为ω的实偶对称函数。1-5设有一组合信号，有频率分别为724Hz，44Hz，500Hz，600Hz的同相正弦波叠加而成，求该信号的周期。答：合成信号的频率是各组成信号频率的最大公约数，则：244,724,500,600222,362,250,30011,181,125,150而：012sin0.5φ，所以该信号的周期为0.25s。1-6从示波器荧光屏中测得正弦波图形的“起点”坐标为（0，1），振幅为2，周期为4，求该正弦波的表达式。解：已知幅值A=2,频率0220.54ππωTπ而在t=0时，1x,将上述参数代人一般表达式00sinxtAωtφ得：012sin0.5φ，030φ。4所以：0001sin2jωtjωtωtjee1-7求正弦信号)2sin()(tTAtx的单边、双边频谱，如果该信号延时4T后，其频谱如何变化？解：02πωT，0001sin2jωtjωtωtjee所以可得正弦信号单边频谱图，如图a所示。双边频谱图如图b所示。信号延时4T后，其实频图如图e所示，虚频图如图f所示：1-8求被截断的余弦函数0cosωt的傅里叶变换。0cos()0ωttTxttT解：令001()0RtTωttT10cosxtt即1Rxttxt而002sin2RRtWjfTCfT110012xtXjfffff由傅立叶变换的卷积性质，函数与其它函数的卷积特性可得：11RRtxtWjfXjf5所以：10000000012sin22sin2sin2RXjfWjfXjfTCfTffffTCffTCff1-9求指数衰减振荡信号10000000012sin22sin2sin2RXjfWjfXjfTCfTffffTCffTCff0的频谱。解：思考题与习题2-1简要说明线性系统的主要性质?为何说理想的测试系统应是线性系统?答：⑴线性系统的主要性质：①叠加特性，即若11221212xtytxtytxtxtytyt②比例特性，即对于任意常数ddsdt，都有xtyt③微分特性，系统对输入微分的响应等同于对原输入响应的同阶微分，即6dxtdytdtdt④积分特性，在系统的初始状态为零时，系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的同次积分，即00ttxtdtytdt⑤频率保持特性，若输入为某一频率的简谐信号，则系统的稳态输出为与输入同一频率的简谐信号。2-2测量系统的静态特性和动态特性各包括哪些?答测量系统的静态特性包括灵敏度、分辨率、非线性度、回程误差、稳定度、漂移等。动态特性包括幅频特性和相频特性2-3什么是传递函数?什么是频响函数?什么是脉冲响应函数?试说明它们之间的关系。答：⑴传递函数——初始条件为零时，线性系统输出信号yt与输入信号xt两者拉普拉斯变换之比，记为Hs。频率响应函数——系统稳态输出量的傅立叶变换与输入量的傅立叶变换之比，记为Hjw。脉冲响应函数——测量系统对单位脉冲输入的响应叫做测量系统的脉冲响应函数，也叫做权函数，用()ht表示。⑵三者之间的关系：脉冲响应函数()ht与频率响应函数()Hj之间是傅里叶变换和逆变换的关系，与传递函数()Hs之间是拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换的关系。2-4已知系统的脉冲响应函数，则测量系统对任意输入时的响应是什么?答：测试系统对任意输入的相应，是输入与系统脉冲响应函数的卷积。2-5从时域说明测量系统不失真测量条件是什么?答：在时域范围内，实现不失真的条件是：输出信号yt与输入信号xt相比，只要是幅值上扩大0A,时间上滞后0t，即00ytAxtt。2-6从频域说明测量系统不失真测量条件是什么?答：在频域内实现不失真测试的条件即为幅频特性是一条平行于轴的直线，相频特性是斜率为0t的直线。2-7一压电式压力传感器的灵敏度为1OpC／MPa，后接灵敏度为8mV／pC的电荷放大器，最后用灵敏度为25mm/V的笔式记录仪记录信号。试求系统总的灵敏度，并求当被测压力变化Δp=8Mpa时记录笔在记录纸上的偏移量△y。解：系统总的灵敏度为：s=1OpC／MPa*8mV／pC*25mm/V=9210mpa当被测压力变换为Δp=8Mpa时，△y=9210mpa*8Mpa=0.016m2-8图2.35为由三个环节串联组成的测试系统。分别指出它们各属于哪一种环节，求出系统总的传递函数和总的静态灵敏度。7解434te2-9将周期信号()2cos10cos(10030)xttt输入一个频响函数为0.58nA的测量系统，试求其稳态输出1112112cos1003010cos10arctan101radttytts。解：设1()2cos10xtt，2()cos10030xtt，则12()xtxtxt。当系统有输入1xt，则有输出1yt，且1112112cos10arctan1ytt。1=0.05s，110rads，10.816cos1026.57ytt，同样可求得当输入为2xt时，有输出2yt，且20.045cos10078.69ytt。此装置对输入信号具有线性叠加和频率保持性，系统输出的稳定响应为：120.816cos1026.570.045cos10078.69ytytyttt2-10已知某线性装置的幅频特性和相频特性分别为21(),()arctan(0.1)10.01A，现测得该装置的稳态输出为()10sin(3045)ytt，试求该装置的输入信号()xt。解：由21(),()arctan(0.1)10.01A得00()jwtYjwHjAeXjw即，arctan(0.1)21()10.01jYjwHjeXjw2arctan(0.1)10.01jXjweYjw2-11想用一个时间常数0.00