电大试卷2025年07《传感器与测试技术》附答案

电大试卷2025年07《传感器与测试技术》附答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.金属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.霍尔效应答案：B2.电感式传感器中，能够实现非接触测量的是（）A.变气隙式B.变面积式C.螺管式D.差动变压器式答案：C3.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）A.压电材料电荷易泄漏B.静态信号频率为0C.传感器内阻过低D.后续电路无法放大直流信号答案：A4.下列传感器中，属于能量控制型的是（）A.热电偶B.压电式加速度计C.电感式位移传感器D.光电二极管答案：C5.电容式传感器采用差动结构后，灵敏度（）A.不变B.提高1倍C.提高2倍D.降低1/2答案：B6.霍尔传感器测量磁场时，输出电压与（）成正比A.输入电流与磁感应强度的乘积B.输入电流与磁感应强度的比值C.输入电流的平方D.磁感应强度的平方答案：A7.测量滚动轴承振动时，最适合的传感器是（）A.电阻应变片B.电涡流传感器C.热电偶D.气敏传感器答案：B8.光电传感器中，利用外光电效应的器件是（）A.光敏电阻B.光电池C.光电倍增管D.光敏二极管答案：C9.测试系统的动态特性指标中，反映系统响应速度的是（）A.灵敏度B.线性度C.时间常数D.回程误差答案：C10.为消除应变片温度误差，常用的补偿方法是（）A.单臂电桥测量B.半桥双臂工作C.增加应变片数量D.提高供电电压答案：B二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、__________和转换电路。答案：转换元件2.金属应变片的灵敏度系数主要由__________变化引起，而半导体应变片的灵敏度系数主要由__________变化引起。答案：几何尺寸；电阻率3.电感式传感器按转换原理可分为自感式和__________式，其中__________式传感器的灵敏度更高。答案：互感（差动变压器）；差动4.电容式传感器的三种基本类型是变极距式、变面积式和__________式，其中__________式的非线性误差最大。答案：变介质；变极距5.压电材料分为压电晶体和__________两大类，其工作原理基于__________效应。答案：压电陶瓷；压电6.光电效应分为外光电效应、__________和__________，其中光电池基于__________效应。答案：内光电效应（光电导）；光生伏特效应；光生伏特7.电涡流传感器的测量原理基于__________效应，可用于测量位移、__________和厚度。答案：电涡流；振动8.测试系统的静态特性指标包括线性度、__________、__________和分辨力。答案：灵敏度；回程误差（迟滞）9.应变片电桥中，半桥双臂工作时，输出电压与应变呈__________关系，且温度误差__________。答案：线性；相互抵消三、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差动电桥的优点。答案：差动电桥的优点包括：（1）提高灵敏度，双臂工作时输出电压为单臂的2倍；（2）减小非线性误差，单臂电桥输出与应变成非线性关系，差动电桥通过相邻桥臂反向应变抵消非线性项；（3）实现温度补偿，相邻桥臂的应变片处于相同温度环境，温度引起的电阻变化相互抵消。2.电感式传感器的零点残余电压是如何产生的？如何减小？答案：零点残余电压产生原因：（1）传感器两线圈的电气参数（如电感、内阻）和几何尺寸不完全对称；（2）磁性材料的非线性（如铁芯磁化曲线的非线性）；（3）激励信号中含有高次谐波；（4）线圈间分布电容的影响。减小方法：（1）设计时保证线圈和铁芯的对称性；（2）采用相敏检波电路区分信号相位；（3）在电路中加入补偿网络（如电阻、电容）抵消残余电压；（4）选用高纯度磁性材料，降低非线性误差。3.比较压电式传感器与压阻式传感器的工作原理及应用场景。答案：工作原理：压电式传感器基于压电材料的压电效应（机械能→电能），输出电荷或电压，适用于动态测量；压阻式传感器基于半导体材料的压阻效应（应力→电阻率变化），通过电阻变化测量应力，可用于静态和动态测量。应用场景：压电式传感器常用于振动、冲击、加速度测量（如汽车碰撞测试）；压阻式传感器常用于压力测量（如血压计、工业压力变送器）。4.说明光电传感器中调制技术的作用及实现方法。答案：作用：（1）抑制背景光干扰（如环境光、杂散光）；（2）提高信噪比，将直流或缓变信号转换为交流信号，便于交流放大；（3）区分被测信号与干扰信号。实现方法：（1）光源调制：通过机械斩光器或电信号调制（如正弦波、方波驱动LED）；（2）接收端解调：采用锁相放大器或相敏检波器，仅提取与调制频率相同的信号分量。5.测试系统的频率响应特性对测量结果有何影响？如何选择测试系统的工作频带？答案：影响：若被测信号频率超出测试系统的工作频带，会导致幅值失真（幅值衰减）和相位失真（相位滞后），测量结果偏离真实值。选择方法：（1）根据被测信号的最高频率f_max，选择测试系统的上限截止频率f_c≥(2~5)f_max（保证幅值误差≤5%）；（2）对于需要精确相位信息的测量（如振动模态分析），需选择相位特性接近线性的系统；（3）综合考虑灵敏度、分辨率等指标，避免过度带宽导致噪声增大。四、分析计算题（共30分）1.（10分）某金属应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R=120Ω，用于测量构件应变。若构件产生ε=1500με的应变，采用单臂电桥（桥压U=3V）测量，求电桥输出电压ΔU。若改为半桥双臂工作（两片应变片，一片受拉、一片受压，应变均为ε），输出电压变为多少？解：单臂电桥输出电压公式：ΔU=(U/4)·K·ε代入数据：ΔU=(3/4)×2.0×1500×10^-6=2.25×10^-3V=2.25mV半桥双臂工作时，两应变片分别为+ε和-ε，电桥输出为：ΔU'=(U/4)·K·(ε-(-ε))=(U/4)·K·2ε=(U/2)·K·ε代入数据：ΔU'=(3/2)×2.0×1500×10^-6=4.5×10^-3V=4.5mV答案：单臂输出2.25mV，半桥输出4.5mV。2.（10分）某变极距式电容传感器，初始极板间距d0=0.1mm，极板面积A=200mm²，空气介质（ε0=8.85×10^-12F/m）。若极板间距变化Δd=+5μm（增大），求电容变化量ΔC。若采用差动结构（另一极板间距变化Δd=-5μm），总电容变化量ΔC_total为多少？（忽略边缘效应）解：初始电容C0=ε0·A/d0A=200mm²=200×10^-6m²=2×10^-4m²，d0=0.1mm=1×10^-4mC0=8.85×10^-12×2×10^-4/1×10^-4=1.77×10^-11F=17.7pF变极距式电容的近似公式（Δd<<d0时）：ΔC≈-C0·Δd/d0当Δd=+5μm=5×10^-6m时：ΔC1≈-17.7pF×(5×10^-6)/(1×10^-4)=-17.7pF×0.05=-0.885pF差动结构时，另一电容变化ΔC2≈-C0·(-Δd)/d0=+0.885pF总电容变化量ΔC_total=ΔC2-ΔC1=0.885pF-(-0.885pF)=1.77pF答案：单电容变化-0.885pF，差动总变化1.77pF。3.（10分）某光电转速传感器采用透射式结构，码盘上有60个透光孔。当被测轴转速n=1500r/min时，求输出脉冲的频率f。若将码盘改为120孔，测量同一转速时，频率变为多少？若传感器输出脉冲经频率-电压转换（转换系数k=0.1V/Hz），求两种码盘下的输出电压U1和U2。解：脉冲频率f=(n/60)×Z，其中Z为透光孔数。当Z=60，n=1500r/min时：f1=(1500/60)×60