2025年传感器与检测技术期末测试卷(含答案)

2025年传感器与检测技术期末测试卷(含答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某压阻式传感器在0-100kPa压力范围内输出电压为0-5V，其灵敏度为（）A.0.05V/kPaB.0.5V/kPaC.5V/kPaD.20kPa/V2.以下传感器中，基于压电效应工作的是（）A.应变片B.热电偶C.压电加速度计D.电感式位移传感器3.为消除热电偶冷端温度波动对测量的影响，最常用的补偿方法是（）A.冰浴法B.电桥补偿法C.延长导线法D.计算修正法4.某光电传感器的响应时间为10μs，其可测量的最高信号频率约为（）（提示：f≈1/(2πτ)）A.1.6kHzB.16kHzC.160kHzD.1.6MHz5.关于电容式传感器的非线性误差，以下说法正确的是（）A.变面积式电容传感器无理论非线性误差B.变极距式电容传感器的非线性误差随初始极距增大而增大C.变介电常数式电容传感器的非线性误差不可消除D.差动结构会增大非线性误差6.以下不属于传感器静态特性指标的是（）A.重复性B.频率响应C.迟滞D.线性度7.某磁电式速度传感器的输出信号为正弦波，其幅值与被测速度的关系为（）A.幅值与速度成正比B.幅值与速度平方成正比C.幅值与速度成反比D.幅值与速度无关8.用于测量微小位移（<10μm）的最佳传感器是（）A.电位器式位移传感器B.电感式差动变压器C.电涡流传感器D.电容式变极距传感器9.以下关于MEMS传感器的描述，错误的是（）A.基于微机电系统技术制造B.体积小、功耗低，但成本较高C.可集成多种敏感元件于同一芯片D.广泛应用于智能手机和物联网设备10.某温度检测系统中，采用K型热电偶（分度号K的热电势-温度关系为E(t,t0)=41μV/℃），冷端温度t0=25℃，测得热电势E=20.5mV，则被测温度t为（）A.500℃B.525℃C.475℃D.550℃二、填空题（每空1分，共15分）1.传感器一般由________、________和转换电路三部分组成。2.应变片的灵敏系数K表示________，其物理意义是________。3.电感式传感器的基本类型包括________、________和电涡流式。4.热电偶的基本定律包括________、________和中间温度定律。5.光电效应分为外光电效应、________和________，其中光电倍增管基于________效应工作。6.为提高传感器的抗干扰能力，常用的信号调理技术有________、________和隔离技术。7.某传感器的量程为0-500℃，最大绝对误差为±2.5℃，则其精度等级为________级（精度=最大绝对误差/量程×100%）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述应变片温度误差的产生原因及常用补偿方法。2.比较电感式传感器与电容式传感器在测量位移时的优缺点。3.说明霍尔传感器的工作原理，并列举其三种典型应用场景。4.为什么压电式传感器不能用于静态测量？如何解决其低频响应问题？5.设计一个基于传感器的智能农业土壤监测系统，需监测参数包括湿度、温度、pH值，说明各参数对应的传感器类型及系统基本组成。四、计算题（每题8分，共24分）1.某金属应变片的电阻R=120Ω，灵敏系数K=2.0，粘贴于受轴向应力的试件表面，试件材料的弹性模量E=2×10^11Pa。当试件承受σ=100MPa的拉应力时，求应变片的电阻变化量ΔR及相对变化率ΔR/R。（提示：应变ε=σ/E）2.某变极距电容式传感器的初始极距d0=0.1mm，极板面积A=50mm²，介电常数ε=ε0=8.85×10^-12F/m。若极板因被测位移Δd=0.01mm（d=d0-Δd）而靠近，求电容变化量ΔC及相对变化量ΔC/C0（忽略边缘效应，C0=εA/d0）。3.某热电阻测温系统中，铂电阻Pt100在0℃时电阻R0=100Ω，温度系数α=0.00385Ω/(Ω·℃)。采用电桥测量，电桥电源电压U=5V，桥臂电阻R1=R2=R3=100Ω，热电阻接于R4桥臂。当被测温度t=100℃时，求电桥输出电压Uo（电桥输出公式：Uo=U(R4R2-R1R3)/((R1+R4)(R2+R3))，忽略导线电阻）。五、综合分析题（共11分）某工厂需监测旋转机械的振动状态，要求测量频率范围5-1000Hz，振动位移幅值0.01-1mm。现有三种传感器可选：（1）压电式加速度传感器（频率响应1-10000Hz，灵敏度10mV/g，需配电荷放大器）；（2）电感式差动变压器（频率响应0-500Hz，灵敏度0.5V/mm，线性范围±2mm）；（3）电涡流位移传感器（频率响应0-10kHz，灵敏度2V/mm，线性范围±1mm）。（1）分析各传感器的适用性，选择最合理的传感器并说明理由；（7分）（2）设计该振动监测系统的信号调理与采集流程，需包含必要的环节。（4分）答案一、单项选择题1.A2.C3.B4.B5.A6.B7.A8.D9.B10.B二、填空题1.敏感元件；转换元件2.单位应变引起的电阻相对变化；ΔR/R=Kε3.变磁阻式；差动变压器式4.均质导体定律；中间导体定律5.内光电效应；光生伏特效应；外光电6.滤波；放大（或调制解调）7.0.5三、简答题1.原因：①应变片电阻随温度变化（热阻效应）；②试件与应变片材料线膨胀系数不同导致附加应变。补偿方法：①电桥补偿法（半桥或全桥）；②温度自补偿应变片；③辅助温度传感器修正。2.电感式优点：结构简单、输出功率大、抗干扰强；缺点：频率响应低、非线性误差较大。电容式优点：灵敏度高、动态响应好、可非接触测量；缺点：易受寄生电容影响、需要高阻抗信号调理。3.原理：霍尔元件通以电流I，在垂直磁场B中产生霍尔电压UH=KHIB（KH为霍尔系数）。应用：电机转速测量、位移检测、电流传感器、无刷电机换向。4.压电式传感器基于压电效应（电荷/电压输出），静态时电荷会通过泄漏电阻缓慢释放，无法保持稳定输出。解决低频响应：采用高输入阻抗前置放大器（如电荷放大器），减小泄漏影响；或结合其他传感器（如压阻式）互补。5.湿度：电容式或电阻式土壤湿度传感器；温度：铂电阻或热电偶；pH值：玻璃电极式pH传感器。系统组成：传感器阵列→信号调理（放大、滤波）→微控制器（A/D转换、数据处理）→无线传输模块（Zigbee/LoRa）→云平台→终端显示与预警。四、计算题1.应变ε=σ/E=100×10^6Pa/(2×10^11Pa)=5×10^-4ΔR/R=Kε=2×5×10^-4=0.001ΔR=R×0.001=120×0.001=0.12Ω2.C0=εA/d0=8.85×10^-12×50×10^-6/(0.1×10^-3)=4.425×10^-11FΔd=0.01mm，d=d0-Δd=0.09mmC=εA/d=8.85×10^-12×50×10^-6/(0.09×10^-3)=4.917×10^-11FΔC=C-C0=0.492×10^-11FΔC/C0=(C-C0)/C0=Δd/d0/(1-Δd/d0)=0.01/0.1/(1-0.01/0.1)=1/9≈11.1%3.R4=R0(1+αt)=100×(1+0.00385×100)=138.5ΩUo=5×(138.5×100-100×100)/((100+138.5)(100+100))=5×(3850)/(238.5×200)=5×3850/47700≈0.404V五、综合分析题（1）压电式：频率范围1-10000Hz覆盖5-1000Hz，但需测位移需积分（加速度→速度→位移），可能引入误差；电感式：频率响应0-500Hz不满足1000Hz