2025年传感器考试题目及答案

2025年传感器考试题目及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于传感器基本组成的描述中，正确的是（）A.仅包含敏感元件B.敏感元件与转换元件必须为同一物理结构C.信号调理电路的作用是将非电信号转换为电信号D.部分传感器可直接输出数字信号答案：D2.某应变片的电阻变化率ΔR/R与应变ε的比值为2.1，其灵敏度系数K的定义为（）A.K=ΔR/(R·ε)B.K=ε/(ΔR/R)C.K=ΔR/(ε·R²)D.K=Δ(ΔR/R)/Δε答案：A3.压电式传感器不能用于静态信号测量的主要原因是（）A.压电材料的居里温度低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.输出信号频率响应范围窄答案：B4.热电偶的热电势由两部分组成，分别是（）A.接触电势与温差电势B.塞贝克电势与珀尔帖电势C.汤姆逊电势与接触电势D.温差电势与珀尔帖电势答案：A5.下列光电传感器中，基于外光电效应的是（）A.光敏电阻B.光电二极管C.光电倍增管D.光电池答案：C6.电容式传感器采用差动结构的主要目的是（）A.提高灵敏度，减小非线性误差B.降低温度漂移C.扩大测量范围D.简化信号调理电路答案：A7.气敏传感器检测甲烷（CH₄）时，通常需要加热至200~400℃，其主要原因是（）A.促进气体分子在敏感材料表面的吸附与反应B.消除环境湿度干扰C.提高传感器的响应速度D.防止敏感材料氧化答案：A8.MEMS加速度计的核心敏感结构通常是（）A.悬臂梁-质量块结构B.压电陶瓷薄片C.电感线圈D.光纤光栅答案：A9.为了提高电感式传感器的分辨力，可采用的措施是（）A.增大激励电源频率B.减小线圈匝数C.降低负载电阻D.采用单线圈结构答案：A10.光纤传感器中，用于测量压力的相位调制型传感器主要利用的物理效应是（）A.磁光效应B.弹光效应C.电光效应D.声光效应答案：B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、______、______、重复性和漂移。答案：灵敏度；迟滞2.金属应变片的工作原理基于______效应，而半导体应变片的工作原理主要基于______效应。答案：电阻应变；压阻3.电感式传感器按转换原理可分为自感式、______和______三类。答案：互感式（差动变压器式）；电涡流式4.热电偶的冷端补偿方法主要有______、______和电桥补偿法。答案：冰浴法（0℃恒温法）；温度修正法（计算修正法）5.压电材料可分为压电晶体、______和______三大类，其中______（填类型）因具有良好的加工性和柔韧性被广泛应用于柔性传感器。答案：压电陶瓷；高分子压电材料；高分子压电材料6.光电传感器的调制方式包括______调制、______调制和偏振调制，其中______调制可有效抑制环境光干扰。答案：强度；频率；频率7.MEMS传感器的特点包括______、______、低功耗和可批量生产，其制造工艺主要基于______技术。答案：微型化；集成化；半导体微加工8.气体传感器的主要性能指标有______、______、响应时间和恢复时间，其中______是指传感器对目标气体与其他气体的区分能力。答案：灵敏度；选择性；选择性三、简答题（每题6分，共30分）1.简述电阻应变片测量电路中采用半桥和全桥连接的优势。答案：半桥连接使用两片应变片，一片作为工作片，另一片作为补偿片（或同为工作片），可抵消温度引起的虚假应变，提高灵敏度（为单臂电桥的2倍）。全桥连接使用四片应变片，其中两片受拉、两片受压，不仅完全消除温度误差，且灵敏度进一步提升至单臂的4倍，同时非线性误差显著降低，适用于高精度测量场景。2.说明霍尔传感器的工作原理，并举例其在电机控制中的应用。答案：霍尔传感器基于霍尔效应：当载流半导体薄片置于磁场中，且电流方向与磁场垂直时，薄片两侧会产生霍尔电势，大小为UH=KH·I·B·cosθ（KH为霍尔系数，I为工作电流，B为磁感应强度，θ为电流与磁场夹角）。在电机控制中，霍尔传感器可用于检测转子位置（通过测量永磁体磁场的变化），为驱动电路提供换相信号，实现无刷直流电机的精准控制；也可测量电枢电流，用于过流保护和转矩控制。3.比较压电式传感器与压阻式传感器的优缺点及适用场景。答案：压电式传感器优点：灵敏度高、频响宽（适用于动态测量）、结构简单、体积小；缺点：不能测静态信号（电荷易泄漏）、需要高输入阻抗前置放大器。适用于振动、冲击、动态力测量（如发动机振动监测）。压阻式传感器优点：静态特性好（可测静态/准静态信号）、灵敏度高（半导体压阻效应显著）、易集成；缺点：温度漂移大（需温度补偿）、机械强度较低。适用于压力、加速度的静态/低频测量（如汽车胎压监测、电子秤）。4.分析光纤传感器中强度调制型与相位调制型的差异（从原理、优缺点、应用场景三方面）。答案：原理：强度调制型通过被测物理量改变光纤中传输光的强度（如微弯损耗、吸收损耗）；相位调制型通过被测物理量改变光的相位（如应力引起的折射率/长度变化）。优点：强度调制型结构简单、成本低、信号检测容易；相位调制型灵敏度极高（可达10⁻⁶rad级）、抗干扰能力强。缺点：强度调制型易受光源波动、光纤损耗影响（稳定性差）；相位调制型需复杂的干涉仪（如马赫-曾德尔）和解调电路（成本高）。应用：强度调制型用于位移、温度的粗略测量（如液位监测）；相位调制型用于高精度应变、声波检测（如光纤水听器、地震监测）。5.简述气敏传感器的温度补偿方法及其必要性。答案：必要性：气敏传感器的敏感材料（如金属氧化物）电导率随温度变化显著，环境温度波动会导致输出漂移，影响测量准确性。补偿方法：（1）硬件补偿：在传感器附近集成温度传感器（如热敏电阻），通过电桥电路将温度信号与气敏信号结合，实时修正输出；（2）软件补偿：利用微处理器采集温度数据，通过预先标定的温度-灵敏度曲线进行算法补偿；（3）恒温控制：通过加热元件将敏感材料温度稳定在最佳工作点（如催化燃烧式传感器的300℃恒温），减少环境温度影响。四、计算题（每题10分，共30分）1.某金属应变片的初始电阻R0=120Ω，灵敏度系数K=2.0，粘贴于弹性模量E=2×10¹¹Pa的钢构件表面。当构件受拉应力σ=500MPa时，求：（1）应变ε；（2）电阻变化量ΔR；（3）若采用四臂全桥测量（桥压U=5V），输出电压U0。（注：胡克定律σ=E·ε）答案：（1）由σ=E·ε，得ε=σ/E=500×10⁶Pa/2×10¹¹Pa=2.5×10⁻³（2500με）（2）ΔR/R=K·ε→ΔR=R0·K·ε=120Ω×2.0×2.5×10⁻³=0.6Ω（3）全桥输出电压U0=U·(ΔR1/R1-ΔR2/R2+ΔR3/R3-ΔR4/R4)/4。假设两片受拉（ΔR/R=+Kε），两片受压（ΔR/R=-Kε），则U0=U·(Kε+Kε+Kε+Kε)/4=U·Kε=5V×2.0×2.5×10⁻³=0.025V（25mV）2.一支K型热电偶（镍铬-镍硅）测量某炉温，冷端温度T0=30℃，测得热电势E(T,T0)=33.29mV。查K型热电偶分度表（部分数据：E(800℃,0℃)=33.27mV，E(810℃,0℃)=33.68mV，E(30℃,0℃)=1.20mV），求实际炉温T。答案：根据中间温度定律，E(T,0℃)=E(T,T0)+E(T0,0℃)=33.29mV+1.20mV=34.49mV。分度表中，E(800℃,0℃)=33.27mV，E(810℃,0℃)=33.68mV？（注：实际K型分度表800℃对应约33.27mV，850℃约35.38mV，此处假设数据为示例）。假设题目中数据为：E(850℃,0℃)=34.47mV，E(851℃,0℃)=34.51mV，则34.49mV对应温度约850℃+(34.49-34.47)/(34.51-34.47)×1℃=850.5℃。（注：需根据实际分度表修正，此处为解题示例）3.某光电二极管的光照度-电流特性为I=0.5×E（I单位mA，E单位lx），暗电流Id=10μA。若采用运算放大器构成电流-电压转换电路（反馈电阻Rf=10kΩ），当光照度E=2000lx时，求输出电压Uo（忽略运放失调电流）。答案：光电流Ip=0.5×E=0.5×2000=1000mA=1A（注：实际光电二极管电流通常为μA级，此处数据为示例）。总电流I总=Ip+Id=1A+0.01mA≈1A（Id可忽略）。电流-电压转换电路输出Uo=-I总×Rf=-1A×10kΩ=-10,000V（显然不合理，说明题目数据需调整）。修正：假设I=0.5μA/lx，则Ip=0.5×2000=1000μA=1mA，I总=1mA+0.01mA≈1mA，Uo=-1mA×10kΩ=-10V（合理）。五、综合分析题（每题10分，共20分）1.设计一个基于传感器的智能农业大棚环境监测系统，要求监测温度、湿度、光照度和土壤湿度4类参数。需完成：（1）选择每类参数对应的传感器类型及型号（需说明选择依据）；（2）画出系统结构框图（文字描述即可）；（3）简述信号处理与传输流程。答案：（1）传感器选择：-温度：数字式温敏传感器DS18B20（单总线接口、精度±0.5℃、适合大棚多节点部署）；-湿度：电容式湿度传感器SHT30（集成温湿度测量、I²C接口、抗干扰能力强）；-光照度：硅光电池型光照传感器BH1750（数字输出、量程0~65535lx、适合农业光照范围）；-土壤湿度：频域反射（FDR）式土壤湿度传感器（如TR-50，通过测量土壤介电常数反演湿度，不受土壤盐分影响）。（2）系统结构：传感器节点→信号调理模块（放大、滤波）→微控制器（如STM32，采集并处理数据）→无线传输模块（LoRa或NB-IoT）→云平台→用户终端（手机/PC）。（3）信号处理与传输：传感器输出模拟或数字信号（如DS18B20为数字信号，SHT30为I²C数字信号），经微控制器读取后，进行线性校正、温度补偿（如土壤湿度需温度修正），转换为实际物理量（如℃、%RH、lx、%Vol）。数据通过无线模块上传至云平台，云平台存储历史数据并进行分析（如判断是否需灌溉、补光），用户通过终端查看实时数据及报警信息（如温度超阈值）。2.MEMS加速度计在可穿戴设备（如智能手表）中应用广泛，但面临噪声抑制、低功耗和抗冲击等挑战。请分析：（1）噪声来源及抑制方法；（2）低功耗设计策略；（3）抗冲击加固措施。答案：（1）噪声来源：机械热噪声（质量块布朗运动）、电路噪声（放大器噪声、AD转换噪声）、环境振动干扰。抑制方法：机械结构优化（增加质量块尺寸、减小阻尼）；电路设计（采用低噪声放