(2025年)工程測(cè)試技術(shù)試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.某應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為2.1，初始電阻120Ω，當(dāng)受到軸向應(yīng)變?chǔ)?1500με時(shí)，其電阻變化量ΔR約為（）A.0.378ΩB.0.252ΩC.0.42ΩD.0.504Ω2.用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，最適宜的傳感器是（）A.壓電式加速度傳感器B.電渦流式傳感器C.熱電偶D.壓阻式壓力傳感器3.動(dòng)態(tài)測(cè)試中，為避免信號(hào)混疊，采樣頻率應(yīng)至少為被測(cè)信號(hào)最高頻率的（）A.0.5倍B.1倍C.2倍D.4倍4.某溫度測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性方程為y=0.8x+2（y為輸出電壓mV，x為溫度℃），當(dāng)輸入溫度50℃時(shí)，理論輸出應(yīng)為（）A.42mVB.40mVC.38mVD.36mV5.以下不屬于傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)的是（）A.線性度B.固有頻率C.遲滯D.重復(fù)性6.壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)力時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)逐漸衰減，主要原因是（）A.傳感器固有頻率低B.電荷泄漏C.靈敏度隨時(shí)間降低D.溫度漂移7.采用半橋接法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，若兩個(gè)工作片分別粘貼在試件的受拉和受壓表面，其主要目的是（）A.提高靈敏度B.實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償C.增大測(cè)量范圍D.降低非線性誤差8.頻譜分析中，若信號(hào)采樣頻率為10kHz，可識(shí)別的最高頻率成分是（）A.5kHzB.10kHzC.20kHzD.2.5kHz9.測(cè)量某機(jī)床振動(dòng)時(shí)，若振動(dòng)頻率范圍為50-5000Hz，應(yīng)選擇的加速度傳感器固有頻率至少為（）A.2500HzB.5000HzC.10000HzD.15000Hz10.以下抗干擾措施中，用于抑制共模干擾的是（）A.信號(hào)電纜屏蔽層單端接地B.采用差分放大器C.增加濾波電路D.縮短傳感器與放大器距離二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的基本組成包括敏感元件、______和轉(zhuǎn)換電路三部分。2.電橋按工作方式可分為單臂電橋、半橋和______，其中______接法的靈敏度最高。3.動(dòng)態(tài)測(cè)試中，信號(hào)失真分為幅值失真和______，其根本原因是測(cè)試系統(tǒng)的______特性不能滿足信號(hào)頻帶要求。4.誤差按性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差、______和粗大誤差，其中______可通過多次測(cè)量取平均減小。5.壓電式傳感器需要配合______使用，其作用是將高內(nèi)阻的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓信號(hào)。6.應(yīng)變片的溫度誤差主要由______和______兩個(gè)因素引起，常用的補(bǔ)償方法有______和線路補(bǔ)償法。7.信號(hào)調(diào)理電路通常包括放大、______、濾波和______等功能模塊。8.振動(dòng)測(cè)試中，加速度、速度和位移信號(hào)可通過______或______運(yùn)算相互轉(zhuǎn)換。9.虛擬儀器的核心是“軟件即儀器”，其硬件平臺(tái)主要由______、數(shù)據(jù)采集卡和______組成。10.測(cè)量不確定度反映了測(cè)量結(jié)果的______，通常用______或擴(kuò)展不確定度表示。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述電感式傳感器與電渦流式傳感器的工作原理差異及應(yīng)用場(chǎng)景區(qū)別。2.說明應(yīng)變片粘貼工藝中“表面處理”和“固化”步驟的關(guān)鍵要求，并分析其對(duì)測(cè)量精度的影響。3.動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)H(f)包含哪兩個(gè)部分？分別說明其對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。4.列舉三種常見的信號(hào)干擾類型，并分別提出對(duì)應(yīng)的抑制措施。5.比較熱電偶與熱電阻的測(cè)溫原理，說明各自在高溫測(cè)量中的優(yōu)缺點(diǎn)。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采用全橋接法，四個(gè)應(yīng)變片均粘貼在鋼試件（彈性模量E=200GPa）表面，靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R=120Ω。當(dāng)試件受拉應(yīng)力σ=150MPa時(shí)，求：（1）應(yīng)變?chǔ)牛唬?）單臂電阻變化量ΔR；（3）電橋輸出電壓Uo（激勵(lì)電壓Ui=5V）。2.對(duì)某旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，已知信號(hào)主要頻率成分為100Hz、500Hz和2000Hz。（1）確定最小采樣頻率fs；（2）若實(shí)際采樣頻率取5kHz，計(jì)算各頻率成分的奈奎斯特間隔；（3）若誤將采樣頻率設(shè)為3kHz，分析可能出現(xiàn)的問題及解決方法。五、綜合分析題（20分）某企業(yè)需對(duì)高速列車齒輪箱軸承進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，要求實(shí)時(shí)采集加速度信號(hào)并分析故障特征（如軸承內(nèi)外圈損傷頻率）。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一套完整的測(cè)試系統(tǒng)，包括：（1）傳感器選型及安裝方式；（2）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)；（3）數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置（采樣頻率、采樣時(shí)長(zhǎng)）；（4）可能的干擾源及抑制措施；（5）信號(hào)分析方法（需說明如何從加速度信號(hào)中提取故障特征）。答案一、選擇題1.A2.B3.C4.A5.B6.B7.A8.A9.C10.B二、填空題1.轉(zhuǎn)換元件2.全橋；全橋3.相位失真；頻率4.隨機(jī)誤差；隨機(jī)誤差5.電荷放大器6.應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)；試件與應(yīng)變片線膨脹系數(shù)差異；溫度自補(bǔ)償法7.調(diào)制；解調(diào)（或線性化處理）8.積分；微分9.計(jì)算機(jī)；傳感器/調(diào)理模塊10.分散性；標(biāo)準(zhǔn)不確定度三、簡(jiǎn)答題1.電感式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，通過線圈電感量變化（如氣隙變化或鐵芯位移）測(cè)量位移，適用于靜態(tài)或低頻位移測(cè)量（如機(jī)床導(dǎo)軌間隙檢測(cè)）；電渦流式傳感器利用金屬導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流的反作用，導(dǎo)致線圈阻抗變化，屬于非接觸測(cè)量，適用于高溫、油污環(huán)境下的位移、振動(dòng)測(cè)量（如汽輪機(jī)軸位移監(jiān)測(cè)）。2.表面處理需打磨試件表面至粗糙度Ra≤3.2μm，并用丙酮清洗去除油污，確保應(yīng)變片與試件良好粘結(jié)；固化需按膠黏劑要求控制溫度（如環(huán)氧樹脂膠60℃固化2h）和壓力（0.1-0.3MPa），避免氣泡和脫膠。若處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變傳遞失真（如粘結(jié)層過厚引起應(yīng)變損失）或零點(diǎn)漂移（殘留油污導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度不足）。3.頻率響應(yīng)函數(shù)包含幅頻特性|H(f)|和相頻特性φ(f)。幅頻特性決定不同頻率成分的幅值衰減程度，若信號(hào)頻率超出系統(tǒng)通頻帶，會(huì)導(dǎo)致幅值失真；相頻特性決定各頻率成分的相位延遲，非線性相位特性會(huì)導(dǎo)致相位失真（如方波信號(hào)出現(xiàn)前沿畸變）。4.（1）電磁干擾：來自動(dòng)力線或高頻設(shè)備，措施為屏蔽電纜+單端接地；（2）接地干擾：多接地點(diǎn)電位差引起，措施為一點(diǎn)接地；（3）溫度干擾：環(huán)境溫度變化導(dǎo)致傳感器漂移，措施為溫度補(bǔ)償（如應(yīng)變片雙片補(bǔ)償）或恒溫箱。5.熱電偶基于塞貝克效應(yīng)（兩種不同金屬導(dǎo)體端點(diǎn)溫差產(chǎn)生熱電勢(shì)），適用于高溫測(cè)量（可達(dá)1600℃），但需要冷端補(bǔ)償；熱電阻基于金屬電阻隨溫度變化的特性（如Pt100），精度高（±0.1℃），但最高溫度僅約850℃，高溫下易氧化。四、計(jì)算題1.（1）應(yīng)變?chǔ)?σ/E=150×10?Pa/(200×10?Pa)=750×10??=750με（2）ΔR=K×R×ε=2.0×120Ω×750×10??=0.18Ω（3）全橋輸出Uo=(ΔR1/R-ΔR2/R+ΔR3/R-ΔR4/R)×Ui/4，因全橋四臂均受拉（假設(shè)對(duì)稱布置），ΔR1=ΔR3=+0.18Ω，ΔR2=ΔR4=-0.18Ω（若為對(duì)臂受拉受壓），則Uo=(0.18/120+0.18/120+0.18/120+0.18/120)×5/4=(0.72/120)×1.25=0.006×1.25=0.0075V=7.5mV（注：若四臂均受同號(hào)應(yīng)變，輸出為(4×ΔR/R)×Ui/4=ΔR/R×Ui=0.18/120×5=0.0075V，結(jié)果一致）2.（1）最高頻率fmax=2000Hz，最小采樣頻率fs≥2fmax=4000Hz（4kHz）（2）奈奎斯特間隔=fs/2=5kHz/2=2.5kHz，各頻率成分（100Hz、500Hz、2000Hz）均小于2.5kHz，無混疊（3）若fs=3kHz，奈奎斯特頻率=1.5kHz，2000Hz＞1.5kHz，會(huì)發(fā)生混疊，混疊頻率=2000Hz-3kHz=-1000Hz（等效于1000Hz）。解決方法：增加采樣頻率至≥4kHz，或在采樣前加抗混疊低通濾波器（截止頻率≤1.5kHz）五、綜合分析題（1）傳感器選型：選用壓電式加速度傳感器（如PCB352C33），頻率范圍0.3-10kHz（覆蓋軸承故障頻率，通常為幾倍轉(zhuǎn)頻，假設(shè)轉(zhuǎn)頻50Hz，故障頻率約50×8=400Hz至50×20=1000Hz），靈敏度100mV/g（滿足信號(hào)幅度要求）。安裝方式：采用M5螺紋剛性連接（避免磁座松動(dòng)引起高頻衰減），測(cè)點(diǎn)選擇軸承座垂直、水平和軸向三個(gè)方向。（2）信號(hào)調(diào)理：前置電荷放大器（輸入阻抗＞1012Ω，抑制電荷泄漏），設(shè)置高通濾波（截止頻率1Hz，去除低頻干擾）和低通濾波（截止頻率5kHz，防止混疊），增益調(diào)整至輸出電壓0-5V（匹配數(shù)據(jù)采集卡量程）。（3）數(shù)據(jù)采集參數(shù)：采樣頻率fs≥2×最高故障頻率（假設(shè)軸承外圈故障頻率約3kHz），取fs=10kHz；采樣時(shí)長(zhǎng)根據(jù)分析要求，需至少包含5個(gè)轉(zhuǎn)頻周期（轉(zhuǎn)頻50Hz，周期0.02s，5周期0.1s，實(shí)際取1-5s以覆蓋統(tǒng)計(jì)特性）。（4）干擾源及抑制：①電磁干擾（變頻器、電機(jī)）：使用屏蔽電纜，放大器外殼接地，傳感器接地與系統(tǒng)共地；②機(jī)械噪聲（齒輪嚙合振動(dòng)）：通過帶通濾波（中心頻率設(shè)為軸承故障頻率）提取特征