2025年大學(xué)大二（測(cè)控技術(shù)與儀器）精密儀器設(shè)計(jì)階段測(cè)試試題及答案

（考試時(shí)間：90分鐘滿分100分）班級(jí)______姓名______第I卷（選擇題，共40分）答題要求：本卷共20小題，每小題2分。在每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是符合題目要求的，請(qǐng)將正確答案的序號(hào)填在括號(hào)內(nèi)。1.精密儀器設(shè)計(jì)中，精度是衡量?jī)x器性能的重要指標(biāo)，以下關(guān)于精度的說(shuō)法正確的是（）A.精度越高，儀器測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確B.精度只與儀器的制造工藝有關(guān)C.精度與儀器的使用環(huán)境無(wú)關(guān)D.精度是儀器能夠測(cè)量的最大范圍答案：A2.在精密儀器設(shè)計(jì)中，傳感器的作用是（）A.將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)B.對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大處理C.顯示測(cè)量結(jié)果D.存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)答案：A3.以下哪種材料常用于制造高精度的儀器零件（）A.普通鋼材B.鋁合金C.陶瓷D.塑料答案：C4.精密儀器設(shè)計(jì)中，誤差補(bǔ)償技術(shù)的目的是（）A.減小儀器的固有誤差B.消除儀器的系統(tǒng)誤差C.提高儀器的測(cè)量精度D.降低儀器的制造成本答案：C5.對(duì)于光學(xué)精密儀器，以下哪種光學(xué)元件對(duì)成像質(zhì)量影響最大（）A.平面鏡B.凸透鏡C.凹透鏡D.棱鏡答案：B6.在精密儀器設(shè)計(jì)中，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不包括（）A.體積小B.功耗低C.成本高D.集成度高答案：C7.儀器的分辨率是指（）A.儀器能夠分辨的最小測(cè)量變化量B.儀器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度C.儀器的測(cè)量范圍D.儀器的可靠性答案：A8.以下哪種測(cè)量方法不屬于精密測(cè)量方法（）A.激光干涉測(cè)量法B.光柵測(cè)量法C.萬(wàn)用表測(cè)量法D.電容測(cè)量法答案：C9.精密儀器設(shè)計(jì)中，溫度補(bǔ)償?shù)闹饕康氖牵ǎ〢.提高儀器的穩(wěn)定性B.降低儀器的功耗C.增加儀器的測(cè)量范圍D.改善儀器的外觀答案：A10.對(duì)于高精度的角度測(cè)量，常采用的傳感器是（）A.應(yīng)變片B.光柵尺C.編碼器D.加速度計(jì)答案：C11.精密儀器設(shè)計(jì)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則不包括（）A.高剛度B.高精度C.高成本D.良好的穩(wěn)定性答案：C12.以下哪種儀器屬于精密測(cè)量?jī)x器（）A.普通卡尺B.電子天平C.萬(wàn)用表D.示波器答案：B13.在精密儀器設(shè)計(jì)中，信號(hào)處理電路的作用不包括（）A.放大信號(hào)B.濾波信號(hào)C.存儲(chǔ)信號(hào)D.數(shù)字化信號(hào)答案：C14.對(duì)于精密儀器的裝配，以下說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A.裝配工藝對(duì)儀器精度有重要影響B(tài).裝配過(guò)程中要注意零件的清潔C.裝配順序不重要D.裝配后需要進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)答案：C15.精密儀器設(shè)計(jì)中，可靠性設(shè)計(jì)的目的是（）A.提高儀器的使用壽命B.降低儀器的制造成本C.增加儀器的功能D.改善儀器的外觀答案：A16.以下哪種因素不會(huì)影響精密儀器的測(cè)量精度（）A.使用人員的操作熟練程度B.儀器的工作溫度C.儀器的品牌D.儀器的安裝環(huán)境答案：C17.在精密儀器設(shè)計(jì)中，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可以（）A.提高測(cè)量效率B.降低儀器的精度C.增加儀器的體積D.減少儀器的功能答案：A18.對(duì)于精密儀器的校準(zhǔn)，以下說(shuō)法正確的是（）A.校準(zhǔn)是為了使儀器達(dá)到標(biāo)稱精度B.校準(zhǔn)只需要在儀器使用前進(jìn)行C.校準(zhǔn)不需要專業(yè)設(shè)備D.校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)儀器精度沒有影響答案：A19.精密儀器設(shè)計(jì)中，電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要性在于（）A.防止儀器受到外界電磁干擾B.提高儀器的電磁發(fā)射強(qiáng)度C.增加儀器的功耗D.改善儀器的外觀答案：A20.以下哪種儀器常用于精密尺寸測(cè)量（）A.顯微鏡B.硬度計(jì)C.光譜分析儀D.三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x答案：D第II卷（非選擇題，共60分）（一）填空題（共10分）答題要求：本大題共5小題，每小題2分，請(qǐng)將正確答案填寫在橫線上。1.精密儀器設(shè)計(jì)中，常用的誤差分類包括系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和______。答案：粗大誤差2.光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)主要由物鏡和______的放大倍數(shù)決定。答案：目鏡（二）簡(jiǎn)答題（共20分）答題要求：本大題共4小題，每小題5分，請(qǐng)簡(jiǎn)要回答問(wèn)題。1.簡(jiǎn)述精密儀器設(shè)計(jì)中傳感器的選型原則。答案：傳感器的選型原則包括：與測(cè)量對(duì)象特性匹配，滿足測(cè)量精度、量程要求，具有良好的線性度、重復(fù)性、穩(wěn)定性，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，功耗低，體積小，便于安裝調(diào)試，成本合理等。2.說(shuō)明精密儀器設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。答案：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：高剛度以保證儀器在受力時(shí)變形??；高精度確保各部件運(yùn)動(dòng)和定位精確；良好的穩(wěn)定性使儀器在工作中性能穩(wěn)定；合理的布局方便操作、安裝和維護(hù)；減少熱變形對(duì)精度的影響；具備良好的密封和防護(hù)性能等。3.簡(jiǎn)述精密儀器設(shè)計(jì)中信號(hào)處理電路的組成部分及其作用。答案：信號(hào)處理電路一般由放大電路（放大微弱信號(hào)）、濾波電路（去除干擾信號(hào)）、調(diào)制解調(diào)電路（適用于信號(hào)傳輸?shù)惹闆r）、數(shù)字化電路（將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)便于處理和存儲(chǔ)）等組成，作用是對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，提高信號(hào)質(zhì)量，便于后續(xù)測(cè)量和控制。4.解釋精密儀器設(shè)計(jì)中精度和分辨率的區(qū)別。答案：精度是指測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值的接近程度，反映測(cè)量的準(zhǔn)確程度；分辨率是指儀器能夠分辨的最小測(cè)量變化量，體現(xiàn)儀器對(duì)微小變化的感知能力。精度受多種誤差影響，分辨率則主要取決于儀器的硬件特性。（三）分析題（共15分）答題要求：本大題共1小題，15分。請(qǐng)閱讀以下材料，然后回答問(wèn)題。材料：在某精密儀器設(shè)計(jì)中，采用了一種新型的傳感器來(lái)測(cè)量壓力。該傳感器輸出的信號(hào)為mV級(jí)的微弱電壓信號(hào)，且存在一定的噪聲干擾。儀器的測(cè)量精度要求較高，測(cè)量范圍為0-10MPa。問(wèn)題：針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)處理電路，說(shuō)明各部分電路的作用及選型依據(jù)。答案：首先設(shè)計(jì)放大電路，選用低噪聲、高增益的運(yùn)算放大器，如OP07等，將mV級(jí)微弱信號(hào)放大到合適幅度，以滿足后續(xù)電路處理要求。然后設(shè)計(jì)濾波電路，采用帶通濾波器，濾除噪聲干擾，根據(jù)噪聲頻率范圍選擇合適的截止頻率，如采用二階有源帶通濾波器。接著可考慮采用調(diào)制解調(diào)電路，若需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，將放大后的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，如采用AM調(diào)制，再通過(guò)解調(diào)電路恢復(fù)原始信號(hào)。數(shù)字化電路可選用合適的ADC芯片，如ADS1115等，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)便于后續(xù)處理和存儲(chǔ)，其分辨率要滿足測(cè)量精度要求，采樣頻率根據(jù)信號(hào)變化速度確定，以保證能準(zhǔn)確采集信號(hào)。（四）綜合題（共15分）答題要求：本大題共1小題，15分。閱讀以下材料，回答問(wèn)題。材料：某精密光學(xué)儀器在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)成像質(zhì)量下降，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)是由于光學(xué)鏡頭的溫度變化導(dǎo)致了焦距的改變。已知該儀器工作環(huán)境溫度范圍為10℃-40℃，鏡頭材料的熱膨脹系數(shù)為α，鏡頭焦距為f。問(wèn)題：1.分析溫度變化對(duì)鏡頭焦距的影響原理。答案：根據(jù)熱膨脹原理，溫度變化時(shí)鏡頭材料會(huì)發(fā)生熱膨脹或收縮。由于鏡頭各部分溫度變化一致，材料的熱膨脹會(huì)使鏡頭的尺寸發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致鏡頭的曲率半徑等參數(shù)變化，根據(jù)透鏡成像公式，焦距與這些參數(shù)相關(guān)，所以焦距會(huì)發(fā)生改變。具體來(lái)說(shuō)，溫度升高時(shí)，材料膨脹，鏡頭曲率半徑變化，焦距增大；溫度降低時(shí)，材料收縮，焦距減小。2.提出一種溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，并說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)原理。答案：可采用熱脹冷縮系數(shù)與鏡頭材料不同的補(bǔ)償元件，如選用一種熱脹冷縮系數(shù)相反的材料制成的補(bǔ)償片。當(dāng)溫度變化時(shí)，補(bǔ)償片的變形與鏡頭的變形相反，通過(guò)合理設(shè)計(jì)補(bǔ)償片的結(jié)構(gòu)和安裝位置，使其變形量能夠抵消鏡頭因溫度變化而產(chǎn)生的焦距變化。例如，將補(bǔ)償片安裝在鏡頭附近，當(dāng)溫度升高時(shí)，鏡頭焦距增大，補(bǔ)償片因熱膨脹而產(chǎn)生的變形會(huì)使鏡頭的實(shí)際焦距變化減小，從而實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，保證成像質(zhì)量。（五）設(shè)計(jì)題（共20分）答題要求：本大題共1小題，20分。設(shè)計(jì)一個(gè)用于精密位移測(cè)量的儀器，要求測(cè)量范圍為0-10mm，測(cè)量精度達(dá)到±0.01mm。答案：可采用激光干涉測(cè)量原理來(lái)設(shè)計(jì)該儀器。首先，選用穩(wěn)定的激光光源，如氦氖激光器，其輸出的激光具有良好的單色性和相干性。然后，設(shè)計(jì)干涉光路，讓激光束經(jīng)過(guò)分光鏡分成兩束，一束作為參考光，一束照射到被測(cè)物體表面反射回來(lái)作為測(cè)量光，兩束光在探測(cè)器處發(fā)生干涉。通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化來(lái)測(cè)量位移