华中科技大学工程测试与信息处理 作业及答案.docx

华中科技大学工程测试与信息处理作业及答案

?一、课程概述

工程测试与信息处理是一门涉及工程领域中测试技术和信息处理方法的重要课程。它旨在培养学生掌握如何运用各种测试手段获取工程系统的相关信息，并对这些信息进行有效的处理、分析和解释，以实现对工程系统性能的评估、故障诊断和优化设计等目标。

本课程涵盖了测试系统的基本组成与特性、传感器技术、信号调理与转换、数据采集与记录、信号分析与处理等多个方面的知识和技能。通过理论学习与实践操作相结合的方式，使学生具备解决实际工程测试问题的能力。

二、作业内容及解答

作业一：测试系统的基本概念

1.题目：简述测试系统的组成及其各部分的作用。

2.解答：

测试系统一般由传感器、信号调理电路、数据采集与记录装置、信号分析与处理软件以及显示与输出设备等部分组成。

-传感器：是测试系统的首要环节，其作用是将被测量（如物理量、化学量、生物量等）转换为与之有确定对应关系的电量输出，例如应变片将力转换为电阻变化，热电偶将温度转换为热电势等。

-信号调理电路：对传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、调制解调、阻抗匹配等处理，以便后续能够顺利进行数据采集和分析。例如，通过放大电路提高微弱信号的幅值，通过滤波电路去除噪声干扰。

-数据采集与记录装置：采集经过调理后的信号，并将其转换为数字信号进行存储记录，以便后续分析处理。常见的数据采集卡能够按照一定的采样频率对模拟信号进行采样量化，转换为数字信号存储在计算机硬盘中。

-信号分析与处理软件：运用各种信号处理算法，如时域分析、频域分析、统计分析等，对采集到的数字信号进行分析处理，提取有用信息，如计算信号的幅值、频率、相位等参数，进行信号特征提取和模式识别等。

-显示与输出设备：将处理后的结果以直观的形式显示出来，如通过显示器显示波形、数据报表等，或者输出到打印机打印测试报告，也可将结果传输给其他控制系统用于进一步的决策和控制。

作业二：传感器技术

1.题目：说明应变片的工作原理，并分析其测量应变时可能产生的误差来源。

2.解答：

应变片的工作原理基于金属的电阻应变效应。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生相应的变化。具体来说，金属丝的电阻\(R\)与长度\(L\)、横截面积\(A\)以及电阻率\(\rho\)之间的关系为\(R=\rho\frac{L}{A}\)。当应变片粘贴在被测物体表面，随着物体的变形，应变片的金属丝也会发生变形，从而导致电阻值的变化。通过测量电阻值的变化，就可以间接测量出物体的应变。

应变片测量应变时可能产生的误差来源主要有以下几个方面：

-温度误差：应变片的电阻值不仅与应变有关，还会随温度变化而改变。温度变化会导致应变片的热膨胀以及电阻率的变化，从而产生虚假应变信号。为了减小温度误差，通常采用温度补偿方法，如采用温度自补偿应变片、桥路补偿等。

-横向效应误差：应变片敏感栅的横向部分也会感受应变，从而使应变片的指示应变大于真实应变，产生横向效应误差。可以通过优化应变片的结构设计，尽量减小横向部分的尺寸来降低横向效应误差。

-粘贴误差：应变片粘贴质量不佳，如粘贴不牢固、有气泡等，会影响应变片与被测物体之间的变形传递，导致测量误差。因此，要确保应变片粘贴牢固、平整，与被测物体良好接触。

-应变片本身的误差：应变片的制造工艺、材料特性等因素也会导致其电阻-应变特性存在一定的离散性，从而带来测量误差。在使用前应选择质量可靠、性能稳定的应变片，并进行校准和标定。

作业三：信号调理与转换

1.题目：画出一个简单的电桥电路，并说明其平衡条件以及如何利用电桥进行应变测量。

2.解答：

简单的电桥电路如下图所示：

[此处插入一个简单的惠斯通电桥电路图，四个桥臂分别为\(R_1\)、\(R_2\)、\(R_3\)、\(R_4\)，电源为\(E\)，输出端接检流计\(G\)或放大器]

电桥的平衡条件为\(\frac{R_1}{R_2}=\frac{R_3}{R_4}\)。

当在电桥的一个桥臂（如\(R_1\)）接入应变片时，若应变片因应变而电阻发生变化\(\DeltaR_1\)，则电桥平衡被打破，输出端会产生电压\(U_{out}\)。根据电桥的输出特性，当\(R_1\)有微小变化\(\DeltaR_1\)时，输出电压\(U_{out}\)与\(\DeltaR_1\)之间存在一定的关系。

对于等臂电桥（\(R_1=R_2=R_3=R_4=R\)