《传感器技术及应用》考试试题(含答案)

《传感器技术及应用》考试试题(含答案)一、单项选择题（每题2分，共30分）1.以下关于传感器的描述中，正确的是（）A.传感器仅能将非电信号转换为电信号B.传感器的敏感元件直接感受被测量并输出电信号C.转换元件的作用是将敏感元件输出的非电信号转换为电信号D.所有传感器均需外部电源才能工作2.金属电阻应变片的工作原理主要基于（）A.压阻效应B.应变效应C.热电效应D.光电效应3.变极距型电容传感器的灵敏度与极距的关系是（）A.灵敏度与极距成正比B.灵敏度与极距的平方成反比C.灵敏度与极距的平方成正比D.灵敏度与极距成反比4.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）A.压电材料的居里点较低B.电荷容易通过测量电路泄漏C.压电效应仅在动态应力下产生D.输出信号内阻过高5.霍尔传感器测量磁场时，输出电压与（）无关A.霍尔元件的厚度B.激励电流C.磁场强度D.环境温度6.以下属于能量控制型传感器的是（）A.热电偶B.压电式加速度计C.电感式位移传感器D.光电二极管7.为了减小应变片温度误差，可采用的补偿方法是（）A.将应变片与热敏电阻串联B.在同一弹性元件上粘贴温度补偿片C.增大应变片的工作电流D.采用半导体应变片替代金属应变片8.增量式光电编码器输出的信号不包括（）A.相位差90°的A、B脉冲B.零位脉冲ZC.绝对位置编码D.脉冲频率与转速成正比9.电涡流传感器的工作原理基于（）A.电磁感应中的涡流效应B.电容的变介电常数效应C.压电材料的逆压电效应D.霍尔元件的磁电转换10.以下关于热电偶的描述，错误的是（）A.热电偶必须由两种不同材料的导体组成B.只有当两个接点温度不同时才会产生热电势C.中间导体定律说明在热电偶回路中接入第三种导体不影响总热电势D.冷端温度补偿的目的是消除热端温度波动的影响11.压阻式传感器的核心元件是（）A.金属应变片B.半导体应变层C.压电陶瓷D.电感线圈12.测量液体压力时，应选择（）A.电容式压力传感器（非接触式）B.应变式压力传感器（接触式）C.光电式压力传感器（光学测量）D.热电式压力传感器（温度敏感）13.光纤传感器中，用于测量位移的强度调制型光纤传感器的关键是（）A.光纤的折射率变化B.光强随位移变化的调制关系C.光纤的偏振态变化D.光的干涉效应14.以下传感器中，适合测量微小位移（如μm级）的是（）A.电阻式电位器B.电感式差动变压器C.电容式变极距传感器D.电涡流传感器15.气体浓度检测中，广泛使用的半导体气敏传感器的工作原理是（）A.气体分子吸附导致半导体电导率变化B.气体与传感器材料发生化学反应产生热量C.气体分子对特定波长光的吸收D.气体压力变化引起电容变化二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的基本组成包括________、________和信号调理电路三部分。2.电阻应变片的灵敏度系数S定义为________与________的比值。3.电容传感器的三种基本类型是________、________和变介电常数型。4.电感式传感器可分为自感式、________和________三类，其中________传感器的线性度和灵敏度较高。5.压电材料分为________、________和高分子压电材料三类，常用的压电陶瓷是________。6.霍尔效应的数学表达式为________，其中KH称为________。7.热电偶的基本定律包括均质导体定律、________和________，其中________定律是冷端温度补偿的理论依据。8.光电传感器按工作原理可分为________、________、________和光纤式光电传感器。9.为了提高传感器的性能，常用的技术措施有________、________、________和智能化设计。三、简答题（每题6分，共30分）1.比较金属电阻应变片与半导体压阻式传感器的工作原理、灵敏度及温度特性差异。2.说明电容式传感器的主要优缺点，并列举三种减小其寄生电容影响的措施。3.简述电感式差动变压器（LVDT）的工作原理，并说明其输出特性曲线的特点。4.光电编码器分为哪两类？分别说明其输出信号特点及在位移测量中的应用差异。5.压电式传感器为何通常用于动态测量？若需测量静态力，可采取哪些改进措施？四、分析设计题（每题10分，共20分）1.设计一个基于应变片的电子秤，要求测量范围0~50kg，精度±0.1kg。需说明：（1）弹性元件的选择及结构设计；（2）应变片的粘贴位置与桥路连接方式；（3）温度补偿方案；（4）信号调理与显示模块的设计思路。2.某生产线需检测带材（如钢板）的跑偏量（即带材中心线与基准线的偏移距离），要求测量范围±50mm，精度±1mm。请设计一种基于光电传感器的检测方案，需详细说明：（1）传感器类型及布局；（2）光信号与电信号的转换原理；（3）跑偏量的计算方法；（4）信号处理与报警模块的实现思路。参考答案一、单项选择题1.C2.B3.B4.B5.D6.C7.B8.C9.A10.D11.B12.B13.B14.C15.A二、填空题1.敏感元件；转换元件2.电阻相对变化率（ΔR/R）；应变（ε）3.变极距型；变面积型4.互感式（差动变压器式）；电涡流式；差动变压器式5.压电单晶（如石英）；压电陶瓷（如PZT）；钛酸钡（或PZT）6.UH=KHIB；霍尔灵敏度系数7.中间导体定律；中间温度定律；中间温度8.透射式；反射式；漫反射式9.非线性补偿；温度补偿；误差校正三、简答题1.（1）工作原理：金属应变片基于金属的应变效应（几何尺寸变化引起电阻变化）；压阻式传感器基于半导体的压阻效应（电阻率变化引起电阻变化）。（2）灵敏度：压阻式传感器灵敏度远高于金属应变片（约高50~100倍）。（3）温度特性：金属应变片温度误差主要由电阻温度系数引起，可通过补偿片减小；压阻式传感器温度误差由压阻系数的温度依赖性及电阻率温度系数共同引起，需采用恒温或电桥补偿电路。2.优点：非接触测量、灵敏度高、动态响应好、结构简单；缺点：寄生电容影响大、输出非线性（变极距型）、负载能力差。改进措施：①采用驱动电缆法（将传感器与前置放大器的输入电缆屏蔽层接至放大器输出端，形成等电位屏蔽）；②整体屏蔽（将传感器与调理电路置于同一屏蔽壳内）；③采用运算放大器法（利用运放高输入阻抗减小漏电流）。3.工作原理：LVDT由初级线圈、两个对称次级线圈和可动铁芯组成。初级线圈通交变电流后产生交变磁场，铁芯移动时改变两个次级线圈的互感，次级线圈感应电动势之差与铁芯位移成线性关系。输出特性：当铁芯在中心位置时，两次级电动势大小相等、相位相反，输出电压为零（零点残余电压）；铁芯偏离中心时，输出电压与位移成正比，相位反映位移方向。4.分类：绝对式光电编码器和增量式光电编码器。输出特点：绝对式编码器输出与位置对应的二进制（或格雷码）编码，直接表示绝对位置；增量式编码器输出A、B两相正交脉冲（频率反映转速）和Z相零位脉冲（标记参考点）。应用差异：绝对式适合需要实时绝对位置的场景（如数控机床定位）；增量式需通过计数获得相对位置，适合转速测量或短距离位移测量（需配合参考点校准）。5.原因：压电传感器输出为电荷信号，测量电路输入阻抗极高，静态力作用下电荷会通过绝缘电阻缓慢泄漏，导致输出信号衰减。改进措施：①采用电荷放大器（高输入阻抗，减少电荷泄漏）；②结合力平衡原理（如压电式力平衡传感器，通过反馈抵消静态力引起的电荷变化）；③使用高绝缘材料（如聚四氟乙烯）降低泄漏电流。四、分析设计题1.（1）弹性元件选择：悬臂梁结构（矩形截面，材料为40Cr钢，长度L=100mm，宽度b=20mm，厚度h=5mm），其应变分布均匀，易于粘贴应变片。（2）应变片粘贴：在悬臂梁上表面受拉区和下表面受压区各粘贴两片应变片（共4片），组成全桥电路（R1、R2上表面，R3、R4下表面），全桥可提高灵敏度并抑制共模干扰。（3）温度补偿：将补偿片粘贴在与弹性元件同材料、同环境的补偿块上，接入电桥的相邻臂（如R1与补偿片R1’），利用温度引起的电阻变化相互抵消。（4）信号调理：电桥输出经仪表放大器（如AD620，增益1000）放大，通过低通滤波器（截止频率10Hz）滤除噪声，再经16位A/D转换器（如ADS1115）转换为数字信号，由单片机（STM32）计算重量（重量=应变×弹性模量×截面积/（重力加速度×梁长）），最后通过LCD显示。2.（1）传感器类型及布局：采用对射式光电传感器阵列，发射端为线性排列的LED（波长850nm，间距2mm，共50个），接收端为对应的光电二极管阵列（与发射端一一对应）。发射端与接收端分别安装在带材两侧，基准线对齐阵列中心。（2）信号转换：带材跑偏时遮挡部分LED光线，接收端对应位置的光电二极管输出电流减小。通过扫描电路依次读取各光电二极管的输出电压（经I/V转换），得到被遮挡的位置。（3）跑偏量计算：设未跑偏时中心位置为第25号光电二极管（对应0mm），若跑偏后被遮挡的最左位置为i