機(jī)械電子工程基礎(chǔ)Ⅰ西交大考試題庫及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種傳感器屬于能量控制型傳感器？A.熱電偶B.壓電式加速度計(jì)C.應(yīng)變片D.光電池答案：C解析：能量控制型傳感器自身不產(chǎn)生能量，依賴外部電源工作，輸出信號(hào)由被測物理量調(diào)制外部能源。應(yīng)變片需外接電源，通過電阻變化反映應(yīng)變，屬于此類；熱電偶（熱電效應(yīng)自發(fā)電）、壓電式（壓電效應(yīng)生電）、光電池（光電效應(yīng)生電）均為能量轉(zhuǎn)換型。2.一階RC低通濾波器的截止頻率計(jì)算公式為：A.\(f_c=\frac{1}{2\piRC}\)B.\(f_c=2\piRC\)C.\(f_c=\frac{RC}{2\pi}\)D.\(f_c=\frac{2\pi}{RC}\)答案：A解析：一階RC低通濾波器的頻率特性由時(shí)間常數(shù)\(\tau=RC\)決定，截止頻率為幅頻特性下降3dB時(shí)的頻率，公式為\(f_c=1/(2\piRC)\)。3.步進(jìn)電機(jī)的步距角由以下哪項(xiàng)參數(shù)決定？A.相數(shù)、齒數(shù)、通電方式B.電壓、電流、繞組匝數(shù)C.負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量D.驅(qū)動(dòng)電源頻率、脈沖數(shù)答案：A解析：步距角公式為\(\theta_s=360^\circ/(mzk)\)，其中\(zhòng)(m\)為相數(shù)，\(z\)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，\(k\)為通電方式系數(shù)（單拍\(k=1\)，雙拍\(k=2\)），因此由相數(shù)、齒數(shù)和通電方式共同決定。4.在信號(hào)調(diào)理電路中，差分放大器的主要作用是：A.提高輸入阻抗B.抑制共模干擾C.增大信號(hào)幅值D.濾除高頻噪聲答案：B解析：差分放大器對(duì)共模信號(hào)（如環(huán)境噪聲）有很強(qiáng)的抑制能力（共模抑制比CMRR高），僅放大差模信號(hào)（有效信號(hào)），常用于傳感器輸出的微弱差分信號(hào)處理。5.以下哪項(xiàng)不屬于PID控制器的參數(shù)？A.比例系數(shù)\(K_p\)B.積分時(shí)間\(T_i\)C.微分時(shí)間\(T_d\)D.采樣周期\(T_s\)答案：D解析：PID控制器的三個(gè)核心參數(shù)為比例系數(shù)\(K_p\)、積分時(shí)間\(T_i\)（或積分系數(shù)\(K_i=K_p/T_i\)）、微分時(shí)間\(T_d\)（或微分系數(shù)\(K_d=K_pT_d\)）。采樣周期\(T_s\)是數(shù)字PID實(shí)現(xiàn)時(shí)的參數(shù)，非控制器本身參數(shù)。6.霍爾傳感器的工作原理基于：A.壓電效應(yīng)B.熱電效應(yīng)C.霍爾效應(yīng)D.壓阻效應(yīng)答案：C解析：霍爾傳感器利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)（通電流的導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生橫向電勢差），將磁場或電流、位移等物理量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。7.增量式光電編碼器輸出的A、B兩相脈沖信號(hào)相位差為：A.90°B.180°C.270°D.360°答案：A解析：增量式編碼器通過兩個(gè)相差1/4周期（90°電角度）的光電檢測元件輸出A、B相脈沖，用于判斷旋轉(zhuǎn)方向（A相超前為正轉(zhuǎn)，B相超前為反轉(zhuǎn)）和計(jì)數(shù)位移。8.以下哪種執(zhí)行器適合高精度位置控制？A.直流電動(dòng)機(jī)B.交流異步電動(dòng)機(jī)C.步進(jìn)電機(jī)D.液壓缸答案：C解析：步進(jìn)電機(jī)通過脈沖信號(hào)控制，每輸入一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過固定步距角，定位精度高（可達(dá)微步級(jí)），適合需要精確位置控制的場景（如數(shù)控機(jī)床、3D打印機(jī)）。9.信號(hào)調(diào)理中，隔離放大器的主要目的是：A.提高信號(hào)幅值B.阻斷共模干擾的傳導(dǎo)路徑C.濾除高頻噪聲D.匹配前后級(jí)阻抗答案：B解析：隔離放大器通過光耦或變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離，阻斷地環(huán)路干擾和高壓共模信號(hào)的傳導(dǎo)，保障系統(tǒng)安全和信號(hào)準(zhǔn)確性。10.在開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出：A.會(huì)反饋到輸入端參與控制B.僅由輸入信號(hào)決定C.對(duì)干擾有較強(qiáng)抑制能力D.必須使用傳感器檢測輸出答案：B解析：開環(huán)控制無反饋環(huán)節(jié)，輸出僅由輸入指令決定，結(jié)構(gòu)簡單但抗干擾能力弱；閉環(huán)控制通過傳感器檢測輸出并反饋，可抑制干擾。二、填空題（每空1分，共15分）1.應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)\(K\)定義為單位應(yīng)變引起的________變化率，公式為\(K=\frac{\DeltaR/R}{\varepsilon}\)。答案：電阻2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的分辨率由________決定，8位ADC的分辨率為________（以滿量程5V為例）。答案：位數(shù)；約19.5mV（\(5V/2^8\approx0.0195V\)）3.壓電式傳感器適用于________測量（填“靜態(tài)”或“動(dòng)態(tài)”），原因是其等效電路為________（填“高內(nèi)阻”或“低內(nèi)阻”），靜態(tài)信號(hào)會(huì)因電荷泄漏而衰減。答案：動(dòng)態(tài)；高內(nèi)阻4.PWM（脈寬調(diào)制）控制執(zhí)行器時(shí)，通過調(diào)節(jié)________來改變平均輸出功率，常用于________（舉一例）的調(diào)速控制。答案：占空比；直流電機(jī)5.絕對(duì)式光電編碼器通過________表示位置，無需________即可直接讀取絕對(duì)位置。答案：不同編碼的碼道；初始定位6.一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)\(\tau\)越小，系統(tǒng)響應(yīng)越________（填“快”或“慢”），超調(diào)量為________。答案：快；07.直流伺服電機(jī)的調(diào)速方法包括調(diào)節(jié)________電壓或________電壓（填“電樞”或“勵(lì)磁”）。答案：電樞；勵(lì)磁三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述應(yīng)變片測量電橋（惠斯通電橋）的工作原理，并說明半橋和全橋連接的優(yōu)勢。答案：應(yīng)變片測量電橋利用電橋平衡原理：當(dāng)四臂電阻\(R_1R_3=R_2R_4\)時(shí)，輸出電壓\(U_o=0\)；被測應(yīng)變引起某臂電阻變化（如\(R_1\)變?yōu)閈(R_1+\DeltaR\)），電橋失衡，輸出電壓\(U_o\approx(U_i/4)(\DeltaR/R)\)（\(U_i\)為橋壓）。半橋連接使用兩個(gè)應(yīng)變片（一受拉、一受壓），可抵消溫度誤差（溫度引起的電阻變化相互抵消），輸出靈敏度為單臂的2倍；全橋使用四個(gè)應(yīng)變片（兩對(duì)拉壓），輸出靈敏度為單臂的4倍，且溫度補(bǔ)償和非線性誤差抑制效果更佳。2.比較增量式光電編碼器與絕對(duì)式光電編碼器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場景。答案：增量式編碼器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通過脈沖計(jì)數(shù)測量位移/轉(zhuǎn)速；缺點(diǎn)：斷電后位置丟失，需初始定位，無法直接獲取絕對(duì)位置。應(yīng)用場景：需要相對(duì)位置測量的場合（如機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)角度增量檢測）。絕對(duì)式編碼器優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)位置對(duì)應(yīng)唯一編碼（二進(jìn)制/格雷碼），斷電后位置保留，可直接讀取絕對(duì)位置；缺點(diǎn)：碼道數(shù)多（n位對(duì)應(yīng)n個(gè)碼道），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。應(yīng)用場景：需要高精度絕對(duì)位置測量的場合（如航空航天定位、精密儀器校準(zhǔn)）。3.說明PID控制器中比例（P）、積分（I）、微分（D）環(huán)節(jié)的作用及各自的副作用。答案：比例環(huán)節(jié)（P）：輸出與誤差成正比（\(u_p=K_pe(t)\)），快速響應(yīng)誤差，減小穩(wěn)態(tài)誤差；副作用：比例系數(shù)過大易導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)甚至震蕩。積分環(huán)節(jié)（I）：輸出與誤差積分成正比（\(u_i=(K_p/T_i)\inte(t)dt\)），消除穩(wěn)態(tài)誤差（積分累積消除余差）；副作用：積分作用過強(qiáng)會(huì)延長調(diào)節(jié)時(shí)間，甚至引起積分飽和（誤差長期存在時(shí)輸出限幅）。微分環(huán)節(jié)（D）：輸出與誤差微分成正比（\(u_d=K_pT_dde(t)/dt\)），預(yù)測誤差變化趨勢，抑制超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；副作用：對(duì)高頻噪聲敏感（微分放大噪聲），需配合低通濾波使用。4.簡述壓電式加速度傳感器的工作原理及信號(hào)調(diào)理要求。答案：工作原理：壓電式加速度傳感器基于壓電效應(yīng)，質(zhì)量塊在加速度\(a\)作用下產(chǎn)生慣性力\(F=ma\)，作用于壓電元件（如石英晶體、壓電陶瓷）產(chǎn)生電荷\(Q=dF=dma\)（\(d\)為壓電常數(shù)），電荷與加速度成正比。信號(hào)調(diào)理要求：①高輸入阻抗前置放大器（如電荷放大器或電壓放大器），因壓電元件等效內(nèi)阻極高（\(10^{10}\Omega\)以上），低阻抗會(huì)導(dǎo)致電荷快速泄漏，信號(hào)衰減；②電荷放大器將電荷轉(zhuǎn)換為電壓（\(U_o=-Q/C_f\)，\(C_f\)為反饋電容），輸出電壓與加速度成正比；③需配置低通濾波器（截止頻率低于傳感器固有頻率的1/3），避免共振干擾。5.說明PWM控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的基本思想，并推導(dǎo)平均輸出電壓與占空比的關(guān)系。答案：PWM控制通過高頻開關(guān)（如MOSFET）通斷電機(jī)電源，調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間（脈寬）與周期的比例（占空比\(D=t_{on}/T\)），改變電機(jī)兩端的平均電壓，從而控制轉(zhuǎn)速。設(shè)電源電壓為\(U_s\)，導(dǎo)通時(shí)間\(t_{on}\)內(nèi)電機(jī)電壓為\(U_s\)，關(guān)斷時(shí)間\(t_{off}=T-t_{on}\)內(nèi)電壓為0（忽略續(xù)流二極管壓降），則一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓\(U_{avg}=(U_s\cdott_{on}+0\cdott_{off})/T=U_s\cdotD\)。因此，平均電壓與占空比成正比，通過調(diào)節(jié)\(D\)（0≤D≤1）即可實(shí)現(xiàn)0到\(U_s\)的連續(xù)電壓調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。四、計(jì)算題（每題8分，共24分）1.某應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)\(K=2.0\)，初始電阻\(R_0=120\Omega\)，粘貼在彈性模量\(E=200GPa\)的鋼構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受拉產(chǎn)生應(yīng)變\(\varepsilon=1500\mu\varepsilon\)（\(1\mu\varepsilon=10^{-6}\)）時(shí)，求：（1）應(yīng)變片的電阻變化量\(\DeltaR\)；（2）若采用單臂電橋（橋壓\(U_i=5V\)），忽略非線性誤差，輸出電壓\(U_o\)為多少？答案：（1）由靈敏度系數(shù)定義\(K=\DeltaR/(R_0\varepsilon)\)，得：\(\DeltaR=KR_0\varepsilon=2.0\times120\Omega\times1500\times10^{-6}=0.36\Omega\)（2）單臂電橋輸出電壓公式（小信號(hào)近似）：\(U_o\approx(U_i/4)(\DeltaR/R_0)=(5V/4)\times(0.36\Omega/120\Omega)=(5/4)\times0.003=0.00375V=3.75mV\)2.設(shè)計(jì)一個(gè)一階RC低通濾波器，要求截止頻率\(f_c=1kHz\)，電容\(C=0.1\muF\)，求所需電阻\(R\)的值；若輸入信號(hào)包含50Hz工頻干擾和2kHz高頻噪聲，該濾波器對(duì)兩者的衰減倍數(shù)分別為多少？（提示：幅頻特性\(|A(f)|=1/\sqrt{1+(f/f_c)^2}\)）答案：（1）由\(f_c=1/(2\piRC)\)，得：\(R=1/(2\pif_cC)=1/(2\pi\times1000Hz\times0.1\times10^{-6}F)\approx1591.5\Omega\)（取1.6kΩ）（2）50Hz干擾的衰減倍數(shù)：\(|A(50)|=1/\sqrt{1+(50/1000)^2}=1/\sqrt{1+0.0025}\approx0.9987\)（衰減可忽略）2kHz噪聲的衰減倍數(shù)：\(|A(2000)|=1/\sqrt{1+(2000/1000)^2}=1/\sqrt{5}\approx0.447\)（衰減至約44.7%）3.某步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)\(m=4\)，轉(zhuǎn)子齒數(shù)\(z=50\)，采用四相八拍通電方式（\(k=2\)），驅(qū)動(dòng)脈沖頻率\(f=1000Hz\)，求：（1）步距角\(\theta_s\)；（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速\(n\)（單位：r/min）。答案：（1）步距角公式\(\theta_s=360^\circ/(mzk)=360^\circ/(4\times50\times2)=360^\circ/400=0.9^\circ\)（2）轉(zhuǎn)速公式\(n=(f\times\theta_s)/(360^\circ\times60s/min)\)，代入數(shù)據(jù)：\(n=(1000Hz\times0.9^\circ)/(360^\circ\times60)=(900^\circ/s)/(21600^\circ/min)=0.041667r/s\times60=2.5r/min\)五、綜合分析題（11分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32的溫度控制系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)0~100℃的溫度測量與恒溫控制（目標(biāo)溫度可設(shè)置）。需完成以下步驟：（1）選擇溫度傳感器并說明理由；（2）設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路（畫出簡化框圖并標(biāo)注關(guān)鍵模塊）；（3）選擇執(zhí)行器并說明驅(qū)動(dòng)方式；（4）設(shè)計(jì)控制算法（需說明核心參數(shù)及調(diào)節(jié)邏輯）。答案：（1）傳感器選擇：DS18B20數(shù)字溫度傳感器。理由：單總線接口（僅需1根數(shù)據(jù)線+GND），與STM32通信簡單；測量范圍-55~+125℃（滿足0~100℃需求），精度±0.5℃（典型值）；數(shù)字輸出（無需額外ADC），抗干擾能力強(qiáng)。（2）信號(hào)調(diào)理電路框圖：傳感器（DS18B20）→單總線接口電路（上拉電阻，匹配STM32的GPIO電平）→STM32（內(nèi)置上拉，通過單總線協(xié)議讀取溫度值）。無需模擬調(diào)理，因DS18B20直接輸出數(shù)字信號(hào)。（3）執(zhí)行器選擇與驅(qū)動(dòng)：半導(dǎo)體熱電片（TEC）。理由：體積小、無機(jī)械部件、響應(yīng)快（毫秒級(jí)），可通過電流方向控制制熱/制冷，適合小范圍恒溫控制。驅(qū)動(dòng)方式：H橋驅(qū)動(dòng)電路（由MOSFE