2025年《传感器原理及应用》的期末考试试题及答案

2025年《传感器原理及应用》的期末考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种效应是压阻式传感器的工作基础？A.磁阻效应B.压阻效应C.热电效应D.光电效应2.霍尔传感器测量磁场时，其输出电压与下列哪项无关？A.霍尔元件厚度B.载流子浓度C.环境温度D.激励电流频率3.光纤传感器中，利用外界物理量改变光纤中光强的调制方式属于？A.相位调制B.强度调制C.频率调制D.偏振调制4.某应变片的灵敏度系数为2.1，当应变ε=500με时，其电阻相对变化率ΔR/R为？A.0.00105B.0.0021C.0.0105D.0.0215.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是？A.压电材料居里点低B.电荷容易泄漏C.灵敏度随频率降低而下降D.输出阻抗过高6.气敏传感器检测甲烷浓度时，通常利用的敏感机理是？A.表面吸附引起电导率变化B.热导系数差异C.红外吸收特性D.电化学氧化还原反应7.热电偶测温时，若参考端温度为25℃，测得热电势为36.2mV（对应1000℃时的热电势为41.3mV，25℃时为1.0mV），则被测温度约为？A.950℃B.975℃C.1000℃D.1025℃8.电容式传感器采用差动结构的主要目的是？A.提高灵敏度B.减小非线性误差C.降低温度漂移D.以上都是9.以下哪种传感器属于有源传感器？A.应变式传感器B.电感式传感器C.热电偶D.光电二极管10.MEMS加速度计的核心敏感结构通常是？A.悬臂梁质量块B.压电陶瓷片C.光纤光栅D.霍尔元件二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的静态特性指标主要包括线性度、灵敏度、______和______等。2.金属应变片的工作原理是基于______效应，而半导体应变片主要利用______效应。3.电感式传感器可分为变磁阻式、______和______三类，其基本原理是利用______的变化实现非电量测量。4.光电效应分为外光电效应、______和______，其中光敏电阻基于______效应。5.热电偶的基本定律包括______定律、______定律和______定律，其中______定律是参考端温度补偿的理论依据。6.气体传感器按敏感材料可分为金属氧化物半导体型、______、______和固体电解质型，其中金属氧化物型传感器通常需要______以激活表面反应。7.光纤的两个主要传输模式是______和______，多模光纤适用于______距离传输。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述电感式传感器中涡流效应的产生条件及对测量的影响。2.比较压电式传感器与压阻式传感器在工作原理、信号调理和应用场景上的差异。3.说明热电偶参考端温度补偿的常用方法（至少3种），并简述其原理。4.分析电容式传感器测量位移时，变极距型、变面积型和变介质型各自的优缺点。5.简述气敏传感器中“温度循环”工作模式的作用及其对检测性能的影响。四、分析题（每题10分，共20分）1.某汽车胎压监测系统（TPMS）需要实时检测轮胎内压力（范围0-1000kPa）和温度（-40℃-120℃）。请为该系统选择压力传感器和温度传感器，说明选型依据，并设计信号调理电路的基本结构（需包含传感器输出特性、信号放大、滤波及A/D转换环节）。2.某应变式称重传感器在实际使用中出现输出漂移，可能的误差来源有哪些？提出3种以上补偿或抑制措施。五、综合设计题（20分）设计一个智能农业大棚环境监测系统，要求监测参数包括温度（-10℃-50℃）、湿度（20%-95%RH）、光照强度（0-100klx）和CO₂浓度（300-2000ppm）。需完成以下任务：（1）为每个参数选择合适的传感器类型，说明选型依据（需考虑精度、成本、环境适应性）；（2）设计信号采集与传输方案（包括传感器输出信号类型、调理电路功能、通信协议选择）；（3）提出系统抗干扰设计的关键措施（至少3项）。答案一、单项选择题1.B2.D3.B4.A（ΔR/R=K·ε=2.1×500×10⁻⁶=0.00105）5.B6.A7.B（(36.2-1.0)/(41.3-1.0)=35.2/40.3≈0.873，1000℃×0.873+25℃≈975℃）8.D9.C10.A二、填空题1.重复性；迟滞2.电阻应变；压阻3.变压器式；涡流式；电感量4.内光电效应；光生伏特效应；内光电5.均质导体；中间导体；中间温度；中间温度6.电化学型；催化燃烧型；加热7.单模；多模；短三、简答题1.涡流效应产生条件：金属导体处于交变磁场中，且导体与磁场存在相对运动或磁场强度变化。影响：涡流会产生反向磁场，导致电感线圈的阻抗和等效电感变化；利用此特性可设计涡流式传感器测量位移、厚度等；但涡流会引起能量损耗（涡流损耗），需在高频应用中考虑对灵敏度和线性度的影响。2.工作原理：压电式基于压电材料的正压电效应（机械应力→电荷）；压阻式基于半导体的压阻效应（应力→电阻率变化）。信号调理：压电式需高输入阻抗前置放大器（如电荷放大器），适用于动态测量；压阻式输出为电阻变化，需电桥电路转换为电压信号，可测静态和动态。应用场景：压电式用于振动、冲击测量（如发动机振动监测）；压阻式用于压力、加速度静态测量（如汽车胎压监测）。3.常用方法：（1）冰浴法：将参考端置于0℃冰水混合物，直接使用分度表；（2）补偿电桥法：在参考端接入不平衡电桥，电桥输出电压随参考端温度变化，抵消热电势变化；（3）软件补偿法：通过温度传感器测量参考端温度，利用计算机根据分度表公式修正测量结果；（4）延伸导线法：使用与热电偶热电特性相同的补偿导线，将参考端延伸至温度稳定处。4.变极距型：灵敏度高（与极距平方成反比），但线性范围小（Δd/d₀<10%），适用于小位移测量；变面积型：线性度好（输出与位移成正比），灵敏度较低，适用于较大线位移或角位移；变介质型：可测液体/气体高度、成分，灵敏度取决于介质介电常数差异，受温度影响较大。5.温度循环模式：周期性改变传感器加热温度（如200℃→400℃→200℃）。作用：（1）清除表面吸附的干扰气体（如水蒸气），减少基线漂移；（2）不同温度下敏感材料对目标气体的响应特性不同，通过多温度点数据提高选择性；（3）激活表面反应位点，提升对低浓度气体的灵敏度。影响：可改善长期稳定性和气体识别能力，但会增加功耗和电路复杂度。四、分析题1.（1）压力传感器选型：MEMS压阻式传感器（如飞思卡尔MPX5700），量程0-700kPa（覆盖1000kPa需求），精度±1%FS，温度补偿范围-40℃-125℃，适合汽车恶劣环境；温度传感器：PT100铂电阻（或NTC热敏电阻），PT100精度高（±0.1℃），线性好，适合-40℃-120℃范围。（2）信号调理电路：压力传感器输出为0-5V模拟电压（电桥输出经仪表放大器放大），经低通滤波器（截止频率10Hz，抑制轮胎振动噪声）后进入12位A/D转换器；温度传感器（PT100）采用恒流源激励（1mA），通过差分放大器测量电压，经二阶RC滤波（截止频率5Hz）后转换为数字信号。2.误差来源：（1）温度漂移：应变片和弹性体热膨胀系数不匹配，或压阻系数随温度变化；（2）蠕变：弹性体材料在长期负载下产生塑性变形；（3）横向效应：应变片敏感栅横向部分对横向应变的响应；（4）导线电阻变化：连接导线受温度影响电阻改变；（5）电磁干扰：周围电机、无线信号耦合到测量电路。补偿措施：（1）温度补偿：采用双应变片差动接法，或在电桥中接入温度补偿片；（2）选择低蠕变弹性体材料（如铝合金）；（3）使用横向效应小的应变片（如短接栅结构）；（4）采用三线制或四线制连接，消除导线电阻影响；（5）电路中增加屏蔽层和滤波电容，抑制电磁干扰。五、综合设计题（1）传感器选型：-温度：DS18B20数字温度传感器（精度±0.5℃，单总线接口，成本低，适合-10℃-55℃）；-湿度：SHT30数字温湿度传感器（湿度精度±2%RH，集成温度补偿，抗冷凝，适合高湿环境）；-光照：BH1750FVI数字光照传感器（量程0-65535lx，精度±20%，I²C接口，体积小）；-CO₂：MH-Z19B红外CO₂传感器（量程0-5000ppm，精度±(50ppm+5%读值)，抗干扰强，适合农业环境）。（2）信号采集与传输：-输出信号：DS18B20（单总线数字）、SHT30（I²C数字）、BH1750（I²C数字）、MH-Z19B（UART数字）；-调理电路：数字传感器无需复杂调理，仅需电源滤波（100nF去耦电容）和电平匹配（3.3V转5V用于MH-Z19B）；-通信协议：通过Arduino或STM32单片机作为主控，通过I²C/SPI/UART读取传感器数据，经处理后通过LoRa模块（长距离低功耗）或WiFi（短距离高速）传输