机械工程测试技术习题及解答答案

机械工程测试技术习题及解答答案内容摘要：

.45 1783.3 201 221 112 2ix 4 9 4 1 5 iiyx 8 96.31 228.99 397.24 632.65 920.07 1248.31 161 199 714   ixnx ＝   iyny ))(( 21 1 22    ni ni iiixx xnxxxxxL   yxnyxL ni iixy 16050 40 80 1201243Y()200   xxxyLLm  xmyb 最小二乘拟合直线方程式为 y=－ 再将各个输入值 xi代入上式，依次找出输出－输入校正值与拟合直线相应点数值之间的最大偏差（见表。 ），根据式 (310)， 线性度＝ %%100 %100m a x  AL 压力传感器的平均灵敏度用输出量和输入量的测量范围之比表示， ix iy 5 481.55 993.10 1265.30 1533.45 1783.3 2020.0 2211.85 yyi 242.45 494.77 747.09 999.41 1253 1505 1756.37 2009 2261 iy 21.7 13.22 1 6.31 13.57 29.4 3 1 49.16 kPamvkPamvxyS /)( 1   也可以由拟合直线方程的斜率得到 S=k=5 试证明由若干个子系统串联而成的测试系统的频率响应函数为  ni iHH 1 )()(  由若干个子系统并联而成的测试系统的频率响应函数为  ni iHH 1 )()(  证明：图示为两个频率响应函数各为 )()( 21  HH 和 串联而成的测试系统，假设两个子系统之间没有能量交换，系统在稳态时的输入和输出分别为x(t)、 y(t)，显然，根据频率响应函数的定义，有 )( )()( )()( )()(  XZZYXYH  即 )()()( 21  HHH  对于 n 个子系统串联而成的测试系统，可以将前 (n1)个子系统视为一个子系统，而把第 n 个子系统视为另一个子系统，应用两个子系统串联时频率响应函数的结论并递推可得 ni iHH 1 )()(  对于 n 个子系统并联而成的测试系统，如图所示，系统的稳态输出 )(. ..)()()( 21 tytytyty n ∴  ni in HX YYYXYH121 )()( )(...)()()( )()(   证毕。 6 某一阶温度传感器，其时间常数 τ= (s)，试求： (1) 将其快速放入某液体中测得温度误差在 2％范围内所需的近似时间。 2 ) 如果液体的温度每分钟升高 5˚C，测温时传感器的稳态误差是多少。 解： (1) 将温度传感器快速放入某液体中测量温度，属于其实质是阶跃输入 根据阶跃输入状态下，一阶系统的响应特征，当 t 约为 4τ时，其输出值为输入值的 %， (2) 如果液体的温度每分钟升高 5˚C，传感器的输入信号为斜坡输入 x(t)=5t/60 其拉氏变换为 X(s)=5/60s2 一阶系统的传递函数 )1( 1605)()()( 2  sssXsHsY  ∴ )]1([605)]([)( 1  tetsYLty   测温时传感器的稳态误差 e =5τ/60= 7 试述线性系统最主要的特性及其应用 线性系统最主要的特性是线性特性频率保持特性。 根据式 32，线性特性表明，对于线性系统，如果输入放大，则 输出将成比例放大；同时作用于线性系统的两个输入所引起的输出，等于两个输入分别作用于该系统所引起的输出的和，当多个输入作用于线性系统时，也有类似的关系。 据此，在分析线性系统多输入同时作用下的总输出时，人们常常将多输入分解成许多单独的输入分量，先分析各分量单独作用于系统所引起的输出，然后将各分量单独作用的输出叠加起来便可得到系统总输出。 11)( )()(  ssX sYsH 频率保持特性指线性系统的稳态输出 y(t)，将只有和输入频率相同的频率成份，既 若 tjni iieXtx 1)( 则 )(1)(iitjni i eYty    也就是说，输出 y(t)与输入 x(t)保持相同的频率成分，由线性系统的叠加特性可知，多个简谐信号叠加的输入，其输出必然有也只能有有与输入频率相同的频率成分。 在测试工作中，人们常利用该性质，判断输出信号的信源，分析系统的传递特性，改善系统的信噪比，例如，一个系统如果处于线性工作范围内，当其输入是正弦信号时，它的稳态输出一定是与输入信号同频率的正弦信号，只是幅值和相位有所变化。 若系统的输出信 号中含有其他频率成份时，可以认为是外界干扰的影响或系统内部的噪声等原因所至，应采用滤波等方法进行处理，予以排除。 8 试求由两个传递函数分别为 s 和222 nnnss  的两个子系统串联而成的测试系统的总灵敏度（不考虑负载效应） 解：在不考虑负载效应的条件下，由题给传递函数的两个子系统串联而成的测试系统的频率响应函数为 222n )( nn jjH    ＋ 系统的总灵敏度为 )( 2 20 nnHS ＝ 9 对某静态增益为 的二阶系统输入一单位阶跃信号后，测得其响应的第一个峰值的超调量为 ，同时测得其振荡周期为 ，试求该测试系统的传递函数和系统在无阻尼固有频率处的频率响应。 解：据题意，被测二阶系统是一个欠阻尼二阶系统，其最大超调量 M1和阻尼比 ζ的关系式 1)ln121M （＝ 将 M1＝ ＝ 代入上式，可得ζ＝ 其有阻尼固有频率为 212  ndd T 式中 Td为振荡周期 ，由题设条件 Td＝ ，解出ω n＝ 该系统的传递函数为 )( 2222 ssss SsH nnn  系统的频率响应函数 10 试述脉冲响应函数与频率响应函数、传递函数之间的联系。 当输入信号的作用时间小于 （ τ 为一阶系统的时间常数或二阶系统的振荡周期）时，则可以近似地认为输入信号是单位脉冲信号 δ(t)，其响应则称为单位脉冲响应函数，又称为权函数，根据 δ(t)函数的筛选性质： 1)()( 0    dtetX tj 立即有 )()()()(  HXHY  对上式两边求付氏逆变换： )()]([)( 1 thHFty    以上推导可以看出在单位脉冲信号输入的时候，系统输出的频域函数Y(s)，就是系统的频率响应函数 H(ω )，而其时域响应函数 y(t)，就是脉冲响应函数 h(t)，它表示测试系统在时域内的动态传递特性。 第四章 习题与题解 余弦信号被矩形脉冲调幅，其数学表达式为 TtTttftxs 02c o s)( 0 试求其频谱 解：设 )(2c o s)( 0 twtftx s   jjjHnnnn )(3)( 222     ＝2222)()( nnn jjH   其中 TtTttw01)( fTcTdtedtetwtwFfffftfFTTftjftj  2s i n2)()]([)(21)(21]2[ c o s22000    ])(2[s i n])(2[s i n)](21)(21[2s i n2)]([0000TffcTTffcTfffffTcTtxF s 2 、已知余弦信号 tftx 02cos)(  ，载波 tftz z2cos)(  ，求调幅信号)()()( tztxtxm  的频谱。 解： )]()()()([41)](21)(21[)](21)(21[)()(21)(21)]([)(21)(21)][00000000fffffffffffffffffffffXfffftzFfffftxFzzzzzzmzz 求余弦偏置调制信号 tftftx zm  2c o s)2c o s1()( 0 的频谱。 解： )]()()()([41)]()([21]2c o s2[ c o s]2[ c o s)(00000fffffffffffffffftftfFtfFfXzzzzzzzzm 已知 理想低通滤波器   其它0)(020 cfj ffeAfH  试求当  函数通过此滤波器以后的时域波形。 解：根据线性系统的传输特性，将  函数通理想滤波器时，其脉冲响应函数 )(th 应是频率响应函数 )(fH 的逆傅里叶变换， 由此有： )](2[s in2)()(0022020tfcfAdfeeAdfefHthccffftjfjftjcc 第五章习题解 51. 画出信号数字分析流程框图，简述各部 分的功能。 解：下图为信号数字分析流程框图，整个系统由三部分组成：模拟信号予处理，模数转换和数字运算分析。 图 52 信号数字分析框图 1) 模拟信号予处理主要有抗频混滤波和幅值适调，也可能包括抗频混滤波前的去直流分量。 输入模拟电压信号 tx 经抗频混滤波，变为有限带宽为 fc 的信号，为离散采样作准备；幅值调节经过放大或衰减，将信号的幅值调整一定值（一般是 V5 ）的 tx ，与量化器的输入电平相适应。 这一予处理虽然仍采用模拟手段实现，但由于是信号数字分析系统中特有的和不可缺少的部分，通常也把它归于信号数字分析系统。 2) 模拟数字转换完成模拟电压离散采样和幅值量化，将模拟电压信抗频混滤波器 幅值适调 采样保持 幅值量化 运算分析 显示输出 模拟信号予处理 模拟数字转换 数字分析 tx tx  nx nx 号转换为数字码。 首先，采样保持器根据电压信号 tx 的带宽，按照采样定理选定适当的采样频率 fs2fc（要考虑抗频混滤波器的截止特性）将 tx 采样为离散序列  nx ，这 样的时间轴上离散而幅值模拟的信号通常称为采样信号。 而后，量化装置将每一个采样信号的电压幅值转换为数字码，最终把电压信号 tx 变为数字序列 xn。