機械工程測試技術第三版熊詩波課後答案

2023-02-01 09:45:02 字數 5152 閱讀 9145

緒論 0-1 敘述我國法定計量單位的基本內容。

解答:教材p4~5,二、法定計量單位。

0-2 如何保證量值的準確和一致?

解答:(參考教材p4~6,二、法定計量單位~五、量值的傳遞和計量器具檢定)

1、對計量單位做出嚴格的定義;

2、有儲存、復現和傳遞單位的一整套制度和裝置;

3、必須儲存有基準計量器具,包括國家基準、副基準、工作基準等。

3、必須按檢定規程對計量器具實施檢定或校準,將國家級準所復現的計量單位量值經過各級計算標準傳遞到工作計量器具。

0-3 何謂測量誤差?通常測量誤差是如何分類表示的?

解答:(教材p8~10,八、測量誤差)

0-4 請將下列諸測量結果中的絕對誤差改寫為相對誤差。

①1.0182544v±7.8μv

②(25.04894±0.00003)g

③(5.482±0.026)g/cm2

解答:①②③0-5 何謂測量不確定度?國際計量局於2023年提出的建議《實驗不確定度的規定建議書inc-1(1980)》的要點是什麼?

解答:(1)測量不確定度是表徵被測量值的真值在所處量值範圍的乙個估計,亦即由於測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度。

(2)要點:見教材p11。

0-6為什麼選用電表時,不但要考慮它的準確度,而且要考慮它的量程?為什麼是用電表時應盡可能地在電表量程上限的三分之二以上使用?用量程為150v的0.

5級電壓表和量程為30v的1.5級電壓表分別測量25v電壓,請問哪乙個測量準確度高?

解答:(1)因為多數的電工儀表、熱工儀表和部分無線電測量儀器是按引用誤差分級的(例如,精度等級為0.2級的電表,其引用誤差為0.2%),而

引用誤差=絕對誤差/引用值

其中的引用值一般是儀表的滿度值(或量程),所以用電表測量的結果的絕對誤差大小與量程有關。量程越大,引起的絕對誤差越大,所以在選用電表時,不但要考慮它的準確度,而且要考慮它的量程。

(2)從(1)中可知,電表測量所帶來的絕對誤差=精度等級×量程/100,即電表所帶來的絕對誤差是一定的,這樣,當被測量值越大,測量結果的相對誤差就越小,測量準確度就越高,所以用電表時應盡可能地在電表量程上限的三分之二以上使用。

(3)150v的0.5級電壓表所帶來的絕對誤差=0.5×150/100=0.

75v;30v的1.5級電壓表所帶來的絕對誤差=1.5×30/100=0.

45v。所以30v的1.5級電壓表測量精度高。

0-7 如何表達測量結果?對某量進行8次測量,測得值分別為:802.

40,802.50,802.38,802.

48,802.42,802.46,802.

45,802.43。求其測量結果。

解答:(1)測量結果=樣本平均值±不確定度

或(2)所以測量結果=802.44+0.014268

0-8 用公尺尺逐段丈量一段10m的距離,設丈量1m距離的標準差為0.2mm。如何表示此項間接測量的函式式?求測此10m距離的標準差。

解答:(1)

(2)0-9 直圓柱體的直徑及高的相對標準差均為0.5%,求其體積的相對標準差為多少?

解答:設直徑的平均值為,高的平均值為,體積的平均值為,則

所以第一章訊號的分類與描述

1-1 求週期方波(見圖1-4)的傅利葉級數(復指數函式形式),劃出|cn|–ω和φn–ω圖,並與表1-1對比。

解答:在乙個週期的表示式為

積分區間取(-t/2,t/2)

所以復指數函式形式的傅利葉級數為

,。沒有偶次諧波。其頻譜圖如下圖所示。

1-2 求正弦訊號的絕對均值和均方根值。

解答:1-3 求指數函式的頻譜。

解答:1-4 求符號函式(見圖1-25a)和單位階躍函式(見圖1-25b)的頻譜。

a)符號函式的頻譜

t=0處可不予定義,或規定sgn(0)=0。

該訊號不滿足絕對可積條件,不能直接求解,但傅利葉變換存在。

可以借助於雙邊指數衰減訊號與符號函式相乘,這樣便滿足傅利葉變換的條件。先求此乘積訊號x1(t)的頻譜,然後取極限得出符號函式x(t)的頻譜。

b)階躍函式頻譜

在跳變點t=0處函式值未定義,或規定u(0)=1/2。

階躍訊號不滿足絕對可積條件,但卻存在傅利葉變換。由於不滿足絕對可積條件,不能直接求其傅利葉變換,可採用如下方法求解。

解法1:利用符號函式

結果表明,單位階躍訊號u(t)的頻譜在f=0處存在乙個衝激分量,這是因為u(t)含有直流分量,在預料之中。同時,由於u(t)不是純直流訊號,在t=0處有跳變,因此在頻譜中還包含其它頻率分量。

解法2:利用衝激函式

根據傅利葉變換的積分特性

1-5 求被截斷的余弦函式(見圖1-26)的傅利葉變換。

解:w(t)為矩形脈衝訊號

所以根據頻移特性和疊加性得:

可見被截斷余弦函式的頻譜等於將矩形脈衝的頻譜一分為二,各向左右移動f0,同時譜線高度減小一半。也說明,單一頻率的簡諧訊號由於截斷導致頻譜變得無限寬。

1-6 求指數衰減訊號的頻譜

解答:所以 單邊指數衰減訊號的頻譜密度函式為

根據頻移特性和疊加性得:

1-7 設有一時間函式f(t)及其頻譜如圖1-27所示。現乘以余弦型振盪。在這個關係中,函式f(t)叫做調製訊號,余弦振盪叫做載波。

試求調幅訊號的傅利葉變換,示意畫出調幅訊號及其頻譜。又問:若時將會出現什麼情況?

解:所以根據頻移特性和疊加性得:

可見調幅訊號的頻譜等於將調製訊號的頻譜一分為二,各向左右移動載頻ω0,同時譜線高度減小一半。

若將發生混疊。

1-8 求正弦訊號的均值、均方值和概率密度函式p(x)。

解答:(1),式中—正弦訊號週期

(2)(3)在乙個週期內

第二章測試裝置的基本特性

2-1 進行某動態壓力測量時,所採用的壓電式力感測器的靈敏度為90.9nc/mpa,將它與增益為0.005v/nc的電荷放大器相連,而電荷放大器的輸出接到一台筆式記錄儀上,記錄儀的靈敏度為20mm/v。

試計算這個測量系統的總靈敏度。當壓力變化為3.5mpa時,記錄筆在記錄紙上的偏移量是多少?

解:若不考慮負載效應,則各裝置串聯後總的靈敏度等於各裝置靈敏度相乘,即

s=90.9(nc/mpa)0.005(v/nc)20(mm/v)=9.09mm/mpa。

偏移量:y=s3.5=9.093.5=31.815mm。

2-2 用乙個時間常數為0.35s的一階裝置去測量週期分別為1s、2s和5s的正弦訊號,問穩態響應幅值誤差將是多少?

解:設一階系統,

,t是輸入的正弦訊號的週期

穩態響應相對幅值誤差,將已知週期代入得

2-3 求週期訊號x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t45)通過傳遞函式為h(s)=1/(0.005s+1)的裝置後得到的穩態響應。

解:,,

該裝置是一線性定常系統,設穩態響應為y(t),根據線性定常系統的頻率保持性、比例性和疊加性得到

y(t)=y01cos(10t+1)+y02cos(100t45+2)

其中,, 所以穩態響應為

2-4 氣象氣球攜帶一種時間常數為15s的一階溫度計,以5m/s的上公升速度通過大氣層。設溫度按每公升高30m下降0.15℃的規律而變化,氣球將溫度和高度的資料用無線電送回地面。

在3000m處所記錄的溫度為l℃。試問實際出現l℃的真實高度是多少?

解:該溫度計為一階系統,其傳遞函式設為。溫度隨高度線性變化,對溫度計來說相當於輸入了乙個斜坡訊號,而這樣的一階系統對斜坡訊號的穩態響應滯後時間為時間常數=15s,如果不計無線電波傳送時間,則溫度計的輸出實際上是15s以前的溫度,所以實際出現l℃的真實高度是

hz=h-v=3000-515=2925m

2-5 想用乙個一階系統做100hz正弦訊號的測量,如要求限制振幅誤差在5%以內,那麼時間常數應取多少?若用該系統測量50hz正弦訊號,問此時的振幅誤差和相角差是多少?

解:設該一階系統的頻響函式為

,是時間常數

則穩態響應相對幅值誤差

令≤5%,f=100hz,解得≤523s。

如果f=50hz,則

相對幅值誤差:

相角差:

2-6 試說明二階裝置阻尼比多採用0.6~0.8的原因。

解答:從不失真條件出發分析。在0.707左右時,幅頻特性近似常數的頻率範圍最寬,而相頻特性曲線最接近直線。

2-7 將訊號cost輸入乙個傳遞函式為h(s)=1/(s+1)的一階裝置後,試求其包括瞬態過程在內的輸出y(t)的表示式。

解答:令x(t)=cost,則,所以

利用部分分式法可得到

利用逆拉普拉斯變換得到

2-8 求頻率響應函式為3155072 / (1 + 0.01j)(1577536 + 1760j - 2)的系統對正弦輸入x(t)=10sin(62.8t)的穩態響應的均值顯示。

解:該系統可以看成是乙個一階線性定常系統和乙個二階線性定常系統的串聯,串聯後仍然為線性定常系統。根據線性定常系統的頻率保持性可知,當輸入為正弦訊號時,其穩態響應仍然為同頻率的正弦訊號,而正弦訊號的平均值為0,所以穩態響應的均值顯示為0。

2-9 試求傳遞函式分別為1.5/(3.5s + 0.5)和41n2/(s2 + 1.4ns + n2)的兩環節串聯後組成的系統的總靈敏度(不考慮負載效應)。

解:,即靜態靈敏度k1=3

,即靜態靈敏度k2=41

因為兩者串聯無負載效應,所以

總靜態靈敏度k = k1 k2 = 3 41 = 123

2-10 設某力感測器可作為二階振盪系統處理。已知感測器的固有頻率為800hz,阻尼比=0.14,問使用該感測器作頻率為400hz的正弦力測試時,其幅值比a()和相角差()各為多少?

若該裝置的阻尼比改為=0.7,問a()和()又將如何變化?

解:設,則

,,即,將fn = 800hz, = 0.14,f = 400hz,代入上面的式子得到

a(400) 1.31,(400) 10.57

如果 = 0.7,則a(400) 0.975,(400) 43.03

2-11 對乙個可視為二階系統的裝置輸入一單位階躍函式後,測得其響應的第乙個超調量峰值為1.5,振盪週期為6.28s。

設已知該裝置的靜態增益為3,求該裝置的傳遞函式和該裝置在無阻尼固有頻率處的頻率響應。

解:因為d = 6.28s,所以

d = 2/d = 1rad/s

所以當 = n時,

第三章常用感測器與敏感元件

3-1 在機械式感測器中,影響線性度的主要因素是什麼?可舉例說明。

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