2025年传感器与检测技术习题库附答案

2025年传感器与检测技术习题库附答案一、单项选择题1.某应变式传感器的灵敏度系数为2.1，当应变ε=500με时，其电阻相对变化量ΔR/R为（）。A.0.00105B.0.0021C.0.0105D.0.021答案：A（ΔR/R=Kε=2.1×500×10⁻⁶=0.00105）2.压电式传感器输出信号微弱，需搭配前置放大器。下列不属于其常用前置放大器类型的是（）。A.电压放大器B.电荷放大器C.电流放大器D.阻抗变换器答案：C（压电传感器输出高内阻电荷或电压信号，需电压/电荷放大器或阻抗变换器匹配，电流放大器不适用）3.光电式传感器中，能将光信号转换为电信号的核心效应不包括（）。A.外光电效应B.内光电效应C.光生伏特效应D.热电效应答案：D（热电效应属于热传感器原理，非光电转换核心）4.衡量传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时输出-输入特性不一致程度的指标是（）。A.线性度B.迟滞C.重复性D.灵敏度答案：C（重复性描述多次同向测量的一致性，迟滞是正反行程差异）5.电容式传感器中，若采用变面积式结构，其输出特性为（）。A.线性B.非线性C.平方关系D.对数关系答案：A（变面积式电容C=εA/d，A为变量时C与A线性相关）6.热电偶测量温度时，若冷端温度为25℃，显示仪表机械零位调至0℃，测得热电势为33.28mV（对应1000℃时的热电势），则实际被测温度为（）（已知25℃时热电势为1.00mV）。A.975℃B.1000℃C.1025℃D.无法确定答案：C（实际热电势=33.28+1.00=34.28mV，对应1025℃）7.下列传感器中，适合测量动态力的是（）。A.电阻应变式力传感器B.压阻式力传感器C.压电式力传感器D.电感式力传感器答案：C（压电传感器基于压电效应，适用于动态测量，静态测量需电荷保持，易衰减）8.光纤传感器中，利用光纤本身作为敏感元件的属于（）。A.传光型光纤传感器B.传感型光纤传感器C.反射型光纤传感器D.透射型光纤传感器答案：B（传感型光纤既传光又感知信号，传光型仅传光，敏感元件在外）9.某电感式传感器线圈电感L=2mH，接入f=10kHz的交流电桥，其感抗X_L为（）。A.0.1256ΩB.12.56ΩC.125.6ΩD.1256Ω答案：C（X_L=2πfL=2×3.14×10×10³×2×10⁻³=125.6Ω）10.气体传感器中，用于检测甲烷浓度的常用敏感材料是（）。A.二氧化锡（SnO₂）B.氧化锌（ZnO）C.氧化锆（ZrO₂）D.钛酸钡（BaTiO₃）答案：A（SnO₂是典型半导体气敏材料，对甲烷、一氧化碳等还原性气体敏感）二、填空题1.传感器静态特性的主要指标包括线性度、灵敏度、迟滞、（）和分辨力。答案：重复性2.应变片的温度误差主要由（）和（）两个因素引起。答案：电阻丝温度系数；试件与电阻丝线膨胀系数差异3.压电材料分为压电晶体、（）和（）三类，其中（）因灵敏度高、易加工被广泛应用。答案：压电陶瓷；压电聚合物；压电陶瓷4.热电偶的热电势由（）电势和（）电势组成，其中（）电势是主要部分。答案：接触；温差；接触5.光电效应中，外光电效应的典型器件是（），内光电效应的典型器件是（），光生伏特效应的典型器件是（）。答案：光电管；光敏电阻；太阳能电池（或光电池）6.电容式传感器的三种基本类型是（）、（）和（），其中（）型可通过差动结构改善非线性。答案：变极距；变面积；变介质；变极距7.电感式传感器分为（）式、（）式和电涡流式，其中电涡流式可实现（）测量。答案：自感；互感（差动变压器）；非接触8.压阻式传感器基于（）效应，其灵敏度比应变式传感器（）（填“高”或“低”）。答案：压阻；高9.智能传感器的核心特征是具备（）、（）和（）功能，通常集成（）芯片实现。答案：自校准；自诊断；数据处理；微处理器（或MCU）10.超声波传感器的工作原理基于（）效应和（）效应，可用于（）、（）等检测场景。答案：压电；逆压电；距离测量；厚度检测（或物位、流量）三、简答题1.简述应变式传感器中温度补偿的常用方法及原理。答案：常用方法包括单丝自补偿法、双丝组合补偿法和桥路补偿法。桥路补偿法最常用：将工作应变片与补偿应变片接入电桥相邻桥臂，补偿片粘贴在与试件材料相同但不受力的补偿块上。当温度变化时，两应变片电阻变化相同，电桥输出仅反映试件应变，抵消温度误差。2.为什么压电式传感器不能用于静态信号测量？如何扩展其低频响应？答案：压电传感器等效为电荷源与电容并联，输出信号需通过高内阻回路保持电荷。静态信号要求电荷长期保存，但实际回路存在漏电阻，电荷会缓慢泄漏，导致输出衰减。扩展低频响应可采用电荷放大器（输入阻抗极高，减少电荷泄漏）或增加前置放大器的输入电容（延长时间常数）。3.比较电容式传感器与电感式传感器的优缺点及适用场景。答案：电容式传感器优点：结构简单、动态响应好、灵敏度高；缺点：易受寄生电容干扰、非线性（变极距型）。适用于微位移、湿度、物位检测。电感式传感器优点：输出信号强、抗干扰性好；缺点：频率响应低、结构复杂。适用于较大位移（几μm至数mm）、振动、压力检测。4.说明热电偶冷端补偿的必要性及常用补偿方法。答案：热电偶热电势与两端温差相关，分度表以冷端0℃为基准。实际冷端温度不为0℃时，需补偿以保证测量准确性。常用方法：冷端恒温法（冰浴）、冷端温度修正法（测量冷端温度后查表修正）、补偿电桥法（利用不平衡电桥产生补偿电势）、集成温度传感器补偿（通过电路自动修正）。5.分析光电式传感器中调制技术的作用及常见调制方式。答案：作用：抑制背景光干扰、提高信噪比、实现远程传输。常见调制方式：光源强度调制（如正弦波调制）、光脉冲调制（如方波斩光）、频率调制（不同频率区分多信号）、相位调制（利用相位差检测）。四、综合题1.设计一个基于应变式传感器的电子秤检测系统，需说明关键组成部分及各部分功能。答案：系统组成及功能：（1）弹性敏感元件（如悬臂梁）：将重量转换为应变；（2）应变片：粘贴于弹性元件表面，将应变转换为电阻变化；（3）电桥电路（如惠斯通电桥）：将电阻变化转换为电压信号；（4）信号调理电路（放大器、滤波器）：放大微弱信号，滤除噪声；（5）A/D转换器：将模拟信号转换为数字信号；（6）微处理器（MCU）：处理数据、校准、显示重量；（7）显示模块：输出测量结果。关键环节需考虑弹性元件线性度、应变片粘贴工艺、电桥激励稳定性及温度补偿。2.某智能空调需检测室内CO₂浓度，选用红外气体传感器（NDIR），分析其工作原理及信号处理流程。答案：原理：CO₂对特定波长（4.26μm）红外光有强吸收，根据比尔-朗伯定律，吸光度与浓度成正比。流程：（1）红外光源发射广谱光；（2）光通过气室（含被测气体），CO₂吸收特定波长光；（3）滤光片选择4.26μm（测量波长）和参考波长（如3.9μm，CO₂无吸收）；（4）双探测器分别接收两波长光强；（5）信号处理模块计算两信号比值，消除光源波动、气室污染等干扰；（6）根据比值-浓度标定曲线输出CO₂浓度。3.某工业场景需监测旋转轴的转速（范围0-3000rpm），设计检测方案并选择合适传感器，说明选型依据及信号处理方法。答案：方案：采用电涡流式转速传感器或磁电式转速传感器。选型依据：电涡流式为非接触测量，适用于恶劣环境（油污、粉尘）；磁电式无需供电，结构简单，成本低。以电涡流为例：（1）在旋转轴上安装金属齿盘（或粘贴金属片）；（2）传感器探头对准齿盘，轴旋转时齿顶/齿槽与探头距离变化，电涡流效应导致线圈阻抗变化；（3）阻抗变化经调理电路转换为脉冲信号；（4）通过频率测量（F=齿数×转速/60）计算转速；（5）信号处理：放大滤波后，用MCU的定时器测量脉冲频率，换算为转速显示。4.分析MEMS加速度传感器的工作原理，说明其在智能手环中的应用场景及信号处理需求。答案：原理：基于微