测控仪器设计第二章习题
测控课后习题答案
1-2．典型检测仪表控制系统的结构式怎么样的？各单元主要起什么作用？（1）被控对象：是控制系统的核心、它是以单输入单输出、也可以是多输入多输出（2）检测单元：是控制系统实现控制调节的基础、它完成对所有被控变量的直接测量同时也可实现某些参数的间接测量（3）变送单元完成对被测变量信号的转换和传输、其转换结果符合国际标准的符号制式（4）显示单元：是控制系统的附属单元、它将检测单元获得的有关参数、通过适当方式显示操作人员（5）调节单元：完成调节控制规律的运算、它将变送器传输出来的测量信号与给定值进行比较、并对比较结果进行调节运算、以输出作为控制信号（6）执行单元：是控制系统实施控制策略的执行机构它负责将调节器的控制输出信号按执行机构的需要产生出相应信号、以驱动执行机构实现对被控变量的调节作用1-6.什么是仪表的灵敏度和分辨率？两者间存在什么联系？灵敏度是仪表对被控参数变化的灵敏程度、分辨率是输出能相应和分辨率的最小输入量分辨率是灵敏度的一种一般来说仪表的灵敏度越高分辨率也越高1-7.仪表的精度是如何确定的？是用允许的最大引用误差去掉百分号后的数字来衡量的1、被检测物理模型的前提条件属理想条件、与实际检测条件有出入2、测量器件的材料性能或制作方法不佳使检测特性随时间而发生劣化3、电气、空气压、油压等动力源的噪音及容量的影响4、检测线路接头之间存在接触电势或接触电阻5、检测系统的惯性即延迟传递特性不符合检测的目的要求、因此要同时考虑系统静态特性和动态特性6、检测环境的影响、包括温度、气压、振动、辐射7、不同采样所得测量值的差异造成的误差8、人为的疏忽造成误差、包括个人读表偏差、知识经验的深浅、体力及精神状态等9、测量器件进入被测对象、破坏了所要测量的原有状态10、被测对象本身变动大、易受外界干扰以至测量值不稳定。
3-2.说明锁定放大原理在检测系统中的作用？检测埋没在噪声中的微弱信号时、可以主动调制信号、抑制噪声、专门提取微弱信号幅值和相位等有效信息3-3.利用检测方程式说明补偿结构的特点。
测控仪器设计习题解答
第一章1.测控仪器的概念是什么？答：测控仪器是利用测量与控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。
2.为什么说测控仪器的发展与科学技术发展密切相关？答：……3.现代测控仪器技术包含哪些内容？答：……4.测控仪器由哪几部分组成？各部分功能是什么？答：（1）基准部件：提供测量的标准量。
（2）传感器与感受转换部件：感受被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号。
（3）放大部件：提供进一步加工处理和显示的信号。
（4）瞄准部件：用来确定被测量的位置（或零位）。
（5）信息处理与运算部件：用于数据加工、处理、运算和校正等（6）显示部件：用指针与表盘、记录器、数字显示器、打印机、监视器等将测量结果显示出来。
（7）驱动控制部件：用来驱动测控系统中的运动部件。
（8）机械结构部件：用于对被测件、标准器、传感器的定位、支承和运动。
5.写出下列成组名词术语的概念并分清其差异：分度值与分辨力：分度值——一个标尺间隔所代表的被测量值。
分辨力——显示装置能有效辨别的最小示值。
示值范围与测量范围：示值范围——极限示值界限内的一组数。
测量范围——测量仪器误差允许范围内的被测量值。
灵敏度与鉴别力（灵敏阈）：灵敏度——测量仪器响应（输出）的变化除以对应的激励（输入）的变化。
鉴别力——使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化。
仪器的准确度、示值误差、重复性误差：仪器的准确度——测量仪器输出接近于真值的响应的能力。
示值误差——测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。
重复性误差——视差、估读误差、读数误差：视差——当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察方向进行读数和瞄准所引起的误差。
估读误差——观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置而引起的误差，有时也称为内插误差。
读数误差——由于观测者对计量器具示值读数不准确所引起的误差，它包括视差和估读误差。
6.对测控仪器的设计要求有哪些？答：（1）精度要求（2）检测效率要求（3）可靠性要求（4）经济性要求（5）使用条件要求（6）造型要求第二章1.说明分析仪器误差的微分法、几何法、作用线与瞬时臂法和数学逼近法各适用在什么情况下，为什么？答：若能列出仪器全部或局部的作用原理方程，那么，当源误差为各特性或结构参数误差时，可以用微分法求各源对仪器精度的影响。
[测控仪器设计第三版课后答案]测控仪器设计试题及参考答案(Word可编辑版)
![[测控仪器设计第三版课后答案]测控仪器设计试题及参考答案(Word可编辑版)](https://img.taocdn.com/s3/m/691f53c4bdeb19e8b8f67c1cfad6195f302be85d.png)
[测控仪器设计第三版课后答案]测控仪器设计试题及参考答案（Word可编辑版）试题1：什么是测控仪器设计的主要目标？参考答案1：测控仪器设计的主要目标是设计和制造出能够准确测量和控制物理量的仪器。
这些仪器应该具有高精度、高可靠性、高稳定性和高灵敏度等特点，以满足各种测量和控制需求。
试题2：测控仪器设计的基本流程是什么？参考答案2：测控仪器设计的基本流程包括需求分析、方案设计、电路设计、硬件设计、软件设计、原型制作和测试等步骤。
首先，需要对测量和控制需求进行详细的分析和定义。
然后，根据需求设计出测控系统的整体方案。
接下来，进行电路设计，包括选择合适的传感器和信号处理电路等。
然后，进行硬件设计，包括选择合适的元器件和进行PCB设计等。
同时，还需要进行软件设计，包括编写控制程序和界面设计等。
最后，制作出原型并进行测试，根据测试结果进行优化和修改。
试题3：测控仪器设计中常见的传感器有哪些？参考答案3：测控仪器设计中常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光传感器、加速度传感器、位移传感器等。
这些传感器可以将待测物理量转换为电信号，并通过信号处理电路进行处理和放大，最终得到测量结果。
试题4：测控仪器设计中常见的控制器有哪些？参考答案4：测控仪器设计中常见的控制器包括单片机、PLC和DSP等。
这些控制器可以对测控系统进行控制和调节，实现目标物理量的精确控制。
试题5：测控仪器设计中常见的接口有哪些？参考答案5：测控仪器设计中常见的接口包括串口、并口、USB接口、以太网接口等。
这些接口可以实现与外部设备的数据交换和通信，方便用户进行数据采集和控制操作。
测控仪器设计第2章——第3节
迈克尔逊等倾干涉条纹
等倾干涉
24
迈克尔逊干涉仪产生的等倾干涉条纹及M1和M2的相应位置
迈克尔逊等倾干涉条纹
25
迈克耳逊-莫雷实 验测到以太漂移速度 为零，对以太理论是 一个沉重的打击，被 人们称为是笼罩在19 世纪物理学上空的一 朵乌云。
26
对此实验结果，洛仑兹提出了一个假设， 认为一切在以太中运动的物体都要沿运动方向 收缩。由此他证明了，即使地球相对以太有运 动，迈克尔逊也不可能发现它。而爱因斯坦从
优点：简单、快速。
局限性：
（1）首先要能够正确得到仪器作用方程； （2）对于不能列入仪器作用方程的源误差，不能用微 分法求其对仪器精度产生的影响，例如仪器中经常遇到的测
杆间隙、度盘的安装偏心等，因为此类源误差通常产生于装 配调整环节，与仪器作用方程无关。
7
补充：迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)
① 以太不存在，光的传播不需任何媒质，可在 真空中传播，以太不能作绝对参照系。 ② 地球上各方向光速相同，与地球运动状态无 关。 迈克尔逊干涉仪由于可进行精密测量， 1907年迈克尔逊获诺贝尔物理学奖。
21
迈克尔逊干涉仪结构
反射镜 M1
M1 M 2
反 射 镜
M1 移动导轨
单 色 光 源 分光板 G1 补偿板 G 2
13
十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言 了以光速C传播的电磁波的存在。到十九世纪末，实验完 全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么？它的传播速度C 是对谁而言的呢？当时流行的看法是整个宇宙空间充满一 种特殊物质叫做“以太”，电磁波是以太振动的传播。但 人们发现，这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是在 一个静止的以太中运动，那么根据速度叠加原理，在地球 上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否定 了这个结论。如果认为以太被地球带着走，又明显与天文 学上的一些观测结果不符。 1887年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常 精确的测量，仍没有发现地球有相对于以太的任何运动。
测控仪器设计第2章——第2节
15
量化误差
Amplitude 10.00 10.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0 0 20 111 110 100 011 code width
23=8份
1份=1.25V
3-bit ADC
010
001 000 40 60 80 100 120 140
216=65536份 1份=0.0001526V
对 心 移 动 从 动 件
偏 置 移 动 从 动 件
23
摆动从动件
移动从动件
滚子从动件盘型凸轮机构轮廓曲线的设计步骤： （1）画出滚子中心的轨 迹（称为理论轮廓）
n
B
（2）以理论轮廓为圆心， 滚子半径rS为半径画圆，再 画滚子圆族的包络线，则为 从动件凸轮的工作轮廓曲线 （称为实际轮廓曲线）。
理论轮廓曲线
25
为压力角
（四）测量与控制电路
x (t )
s ：采样频率 H ：模拟信号的最高频率分量
•采样 用一系列时间离散序列 x* (t ) 来描述连续的模拟信号 x(t ) 。
X ( )
x (t )
a) 模拟信号
d)
g)
t
H H 模拟信号频谱
T ()
T
H ( )
t
实际脉冲采样结果
T (t )
b) e)
s
h)
X ()
T
理想采样脉冲
x (t )
t
X ()
实际采样脉冲频谱
理想采样脉冲频谱 f) i)
c) 理想离散信号
t
s
s
实际脉冲采样频谱
测控仪器设计第2章——第3节
4
P33
一、误差分析的理论基础：误差独立作用原理 误差分析的理论基础：
P33
除仪器输入以外， 除仪器输入以外，另有影响仪器输出的因素 qi (i = 1,2,L n ) 。假设某一 因素的变动（源误差） 使仪器产生一个附加输出，称为局部误差。 因素的变动（源误差）∆qi 使仪器产生一个附加输出，称为局部误差。
运行误差总结： 运行误差总结：
仪器在使用过程中产生的误差，属于随机误差。始终存在，无法消除。 仪器在使用过程中产生的误差，属于随机误差。始终存在，无法消除。
3
第三节 仪器误差的分析
精度：是误差的反义词。 精度：是误差的反义词。误差大 精度低； 精度低；误差小 精度高 所以，仪器误差分析又称为仪器精度分析
∆Qi = Pi ∆qi
局部误差 影响系数 源误差
∆y = ∑ Pi ∆qi = ∑ ∆Qi
i =1 i =1
n
n
仪器总误差
误差独立作用原理的内容： 误差独立作用原理的内容： ①一个源误差仅使仪器产生一个局部误差。局部误差是源误差的线性函 一个源误差仅使仪器产生一个局部误差。 与其他源误差无关。 数，与其他源误差无关。 ②仪器总误差是局部误差的综合。 仪器总误差是局部误差的综合。 意义： 意义：
具体步骤： 具体步骤： 1. 列出仪器的作用方程； 列出仪器的作用方程；
∆y =
∑
i =1
n
∂y ∆ qi = ∂ qi
∑ P ∆q
i i =1
n
i
=
∑ ∆Q
i =1
n
第二章课后习题答案
第二章习题一、选择题1.测试装置传递函数H （s ）的分母与（ ）有关。
A.输入量x （t ）B.输入点的位置C.装置的结构 2.测试装置的频响函数H （j ω）是装置动态特性在（ ）中的描述。
A ．幅值域 B.时域 C.频率域D.复数域 3.线形系统的叠加原理表明（ ）。
A.加于线形系统的各个输入量所产生的响应过程互不影响B.系统的输出响应频率等于输入激励的频率C.一定倍数的原信号作用于系统所产生的响应，等于原信号的响应乘以该倍数 4.一般来说，测试系统的灵敏度越高，其测量范围（ ）。
A.越宽 B. 越窄 C.不变5.若测试系统由两个环节串联而成，且环节的传递函数分别为12(),()H s H s ，则该系统总的传递函数为（ ）。
若两个环节并联时，则总的传递函数为（ ）。
A. 12()()H s H s + B.12()()H s H s ⋅ C.12()()H s H s - D.12()/()H s H s6.输出信号与输入信号的相位差随频率变化的关系就是（ ）。
A.幅频特性B.相频特性C.传递函数D.频率响应函数7.时间常数为τ的一阶装置，输入频率为 1ωτ=的正弦信号，则其输出与输入间的相位差是（ ）。
A.-45° B-90° C-180°8.测试装置的脉冲响应函数与它的频率响应函数间的关系是（ ）。
A.卷积 B.傅氏变换对 C.拉氏变换对 D.微分 9.对不变线形系统的频率响应函数等于（ ）。
A. 系统的正弦输出与正弦输入比B. 系统稳态正弦输出的傅氏变换与正弦输入的傅氏变换之比C. 用虚指数函数表示系统稳态正弦输出与正弦输入之比10.对某二阶系统输入周期信号 000()sin()x t A t ωϕ=+，则其输出信号将保持（ ）。
A.幅值不变，频率、相位改变 B.相位不变，幅值、频率改变 C.频率不变，幅值、相位改变11.二阶系统的阻尼率ξ越大，则其对阶越输入的时的响应曲线超调量（ ）。
测控系统习题解答
第一章绪论1.为什么说仪器技术是信息的源头技术？仪器是一种信息的工具，起着不可或缺的信息源的作用。
仪器是信息时代的信息获取→处理→传输的链条中的源头技术。
如果没有仪器，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。
钱学森院士对新技术革命的论述中说：“新技术革命的关键技术是信息技术”。
信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。
测量技术则是关键和基础。
现在提到信息技术通常想到的只是计算机技术和通讯技术，而关键的基础性的测量技术却往往被人们忽视了。
从上所述可以看出仪器技术是信息的源头技术。
仪器工业是信息工业的重要组成部分。
2.为什么现代测控系统一般都要微机化？随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，代替传统测控系统的常规电子线路，从而成为新一代的微机化测控系统。
将微型计算机技术引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本，易于升级换代等。
因此，现代测控系统设计，特别是高精度、高性能、多功能的测控系统，目前已很少有不采用计算机技术的了。
3.微机化测控系统有哪几种类型？画出它们的组成框图。
三种类型：微机化检测系统、微机化控制系统、微机化测控系统。
1第2章 习题解答1、模拟输入通道有哪几种类型?各有何特点?答：按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采集式(简称集中式)和分散采集式(简称分布式)两大类型。
集中式的特点是多路信号共同使用一个S/H 和A/D 电路，模拟多路切换器MUX 对多路信号分时切换、轮流选通到S/H 和A/D 进行数据采集。
分布式的特点是每一路信号都有一个S/H 和A/D ，因而也不再需要模拟多路切换器MUX 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
9
20
9.92
9.858 0.062
8
25
10.7 10.728 -0.028
7
30
12.8 11.598 1.202
6
5
10
15
20
25
30
R1 扇形齿轮半径 R 2 小齿轮半径 S 测杆竖直位移
a 杠杆短臂长
由公式（1）可知，D和S为非线性关系。而实际生产中，非线性刻划 的刻度盘制造困难，读数不方便。为了方便，通常采用线性刻度盘。
此时：
D L R1 S (2) R2 a
故原理误差为：
P60 习题3.机械式测微仪的原理如图所示。
1）试分析仪器的原理误差；
2）阐述仪器各个误差源；
3）用作用线与瞬时臂法分析杠杆短臂误
差 a、表盘刻划半径误差 l 和表盘安装
偏心e所引起的局部误差。
D
L 50
R2 1
R1 100 a5 S
解： (1)原理误差推导。 测杆1感受尺寸变化，其位移S经过一级杠 杆传动（正弦机构）和一级齿轮传动使长
质量/g 长度/cm
5 10 15 20 25 30 7.25 8.12 8.95 9.92 10.70 12.8
求：1）测力弹簧特性表达式； 2）绘制校正曲线； 3）估计测力弹簧线性特性表达式并给出非线性误差。
解： 1）测力弹簧特性表达式：
14
y = 0.2083x + 5.9773 R2 = 0.9647
D
D
D
L
R1 R2
S a
arcsin
S a
(3)
上式很不直观，为此按幂级数展开并取前两项，得：
D
L
R1 R2
S a
S a
1 6
S a
3
1 6
L
R1 R2
S a
3
D1
tan 0.016 5.33104 rad
H 30
因此，由于测杆倾斜所导致的 垂直方向的最大变化值：
h L(1 cos ) L 2 50 5.33 10 4 2 7.1106 mm
2
2
P60 习题9.采用标准砝码校准测力弹簧特性，所得测量数据如下：
y 0.174x 6.738
10
9.5
9
8.5
8
7.5
7
6.5
6
5
10
15
20
25 14 30
13
y = 0.2083x + 5.9773 R2 = 0.9647
12
X
Y
Y'
Delta
5
7.25
7.248 0.002
11
10
8.12
8.118 0.002
10
15
8.95
8.988 -0.038
(4)
此为指示端的原理误差。
在输入端的原理误差为：
S
D L R1
a S 3
6a
(5)
a R2
（2）误差源：
原理误差：
其中：
D
1
L
R1
S
3
6 R2 a
L 指针长度
R1 扇形齿轮半径 R 2 小齿轮半径 S 测杆竖直位移
14
13
13
12
12
11
11
10
10
9
9
8
8
7
7
6
6
5
10
15
20
25
30
5
14 y = 0.0004x3 - 0.0183x2 + 0.4007x + 5.6133
14
13
R2 = 0.9957
13
12
12
11
11
10
10
9
9
8
8
7
7
6
6
5
10
15
20
25
30
5
y = 0.0043x2 + 0.0596x + 6.969 R2 = 0.9862
L=50的指针偏转一个角度
由图知：
S a sin
推出 arcsin S
a
又 R1 R2 故 R1
R2
因此，指针末端位移
D L L R1 L R1 arcsin S (1)
R2
R2
a
其中： L 指针长度
S2
a
用瞬时臂法： 将机械式测微仪分解为两对运动副： （1）1-2，推力运动副 （2）2-3，推力运动副
（A）杠杆短臂误差 a
a
a
1-2，推力运动副 作用线为其接触区的公法线方向。
瞬时臂误差： r0 () a cos
作用误差：
Fa
a cos d a sin a sin 0
e sin
L
局部误差：
F
L
e sin
L
e sin
P60 习题8. 有一测杆在轴套孔中运动，测杆和轴套孔的公差分
别为
d
D 0 、
0.003
0.013 0
，轴套长为
h
30mm
，测杆长
l
50mm
，求测杆倾斜带来的误差。
D2 H
P39 解： 测杆与轴套之间的最大配合间隙：
0
转换到指示端：
作 用
Fa指示端
Fa
R1 R2
a sin R1
R2
线
（B）表盘刻划半径误差 l
l L
当指针偏转角度 时，由于表盘刻划半
径导致的误差为
(L l) L l
（C）表盘安装偏心 e
根据书P35，表盘安装偏心 e 相当于引入额外的角度
10
15
20
25
30
y = 6E-06x5 - 0.0005x4 + 0.0153x3 0.214x2 + 1.5377x + 3.3 R2 = 1
10
15
20
25
30
解：
2）绘制校正曲线；
3）估计测力弹簧线性特性表达式并给出非线性误差。
11 10.5
y = 0.174x + 6.378 R2 = 0.9992
a 杠杆短臂长
制造误差： 如：表盘安装偏心等
（3）局部误差计算：
全微分法：
D L R1 arcsin S
R2
a
为计算 a和L 所带来的误差，将上式求全微分，得：
D
R1 R2
arcsin
S a
L
Байду номын сангаас
L a
R1 R2
S a2
0.013- (-0.003) 0.016mm
测杆的最大倾斜角：
D1
tan 0.016 5.33104 rad
H 30
用计算器得： 0.03054
因此，由于测杆倾斜所导致的 垂直方向的最大变化值：
h L(1 cos ) L 2 50 0.03054 2 0.0233 mm
2
2
P60 习题8. 有一测杆在轴套孔中运动，测杆和轴套孔的公差分
别为
d
D 0 、
0.003
0.013 0
，轴套长为
h
30mm
，测杆长
l
50mm
，求测杆倾斜带来的误差。
D2 H
P39 解： 测杆与轴套之间的最大配合间隙：
0.013- (-0.003) 0.016mm
测杆的最大倾斜角：