(2025年)传感器与检测技术试卷及答案

(2025年)传感器与检测技术试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.以下哪种传感器属于能量控制型传感器？A.热电偶B.压电式加速度计C.应变片D.光电池答案：C2.某应变片的灵敏度系数为2.1，当受到轴向应变ε=3000με时，其电阻相对变化量ΔR/R为？A.0.63%B.0.42%C.0.21%D.0.84%答案：A（ΔR/R=Kε=2.1×3000×10⁻⁶=0.63%）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.计算修正法答案：B（工业中电桥补偿法更易实现）4.变气隙式电感传感器的输出特性呈非线性，为改善线性度通常采用？A.增大初始气隙B.采用差动结构C.减小线圈匝数D.增加激励频率答案：B（差动结构可抵消二次项，线性度提升）5.以下哪种光电效应属于外光电效应？A.光电导效应B.光生伏特效应C.光电发射效应D.光热效应答案：C（外光电效应指电子逸出材料表面，如光电管）6.霍尔传感器的输出电压与以下哪个参数无关？A.激励电流B.磁感应强度C.载流子浓度D.传感器厚度答案：D（霍尔电压UH=KHIB，KH=1/(nq)，与厚度无关）7.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是？A.电荷易泄漏B.灵敏度低C.频响范围窄D.成本过高答案：A（静态下电荷无法持续积累，易通过绝缘电阻泄漏）8.光纤传感器中，利用光纤本身作为敏感元件的属于？A.功能型传感器B.非功能型传感器C.强度调制型D.相位调制型答案：A（功能型光纤既传光又感知信号）9.磁电式速度传感器的工作原理基于？A.电磁感应定律B.霍尔效应C.磁阻效应D.压磁效应答案：A（导体切割磁感线产生感应电动势）10.电容式传感器采用调频电路转换信号时，电容变化会导致？A.频率变化B.幅度变化C.相位变化D.脉宽变化答案：A（调频电路中，电容是谐振回路元件，C变化→频率f变化）11.以下哪种传感器适合测量微小位移（精度≤1μm）？A.电阻应变式B.电涡流式C.激光三角测距式D.电感式答案：C（激光三角法精度可达亚微米级）12.热电阻测量温度时，采用三线制接法的主要目的是？A.提高灵敏度B.减小引线电阻误差C.简化电路D.增加测量范围答案：B（三线制通过电桥平衡抵消引线电阻影响）13.气敏传感器检测可燃气体时，通常利用的是？A.电阻变化B.电容变化C.电势变化D.光强变化答案：A（金属氧化物半导体气敏元件吸附气体后电阻率改变）14.为提高传感器的抗干扰能力，下列措施中不适用的是？A.屏蔽接地B.增加信号幅值C.采用差分放大D.降低工作频率答案：D（降低频率可能引入更多低频噪声，抗干扰需针对性滤波）15.某压力传感器的量程为0-10MPa，满量程输出为5V，当输入3MPa时，理想输出应为？A.1.5VB.2VC.2.5VD.3V答案：A（灵敏度S=5V/10MPa=0.5V/MPa，3MPa×0.5=1.5V）二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器一般由______、______和转换电路三部分组成。（敏感元件、转换元件）2.衡量传感器动态特性的主要指标有______、______和相位误差。（时间常数、固有频率）3.应变片的温度误差可通过______补偿法和______补偿法消除。（桥路、应变片自）4.热电偶的热电势由______电势和______电势组成。（接触、温差）5.电感式传感器按结构可分为变气隙式、______和______三类。（变面积式、螺管式）6.电容式传感器的三种基本类型是______、______和变介电常数式。（变极距式、变面积式）7.压电材料分为______和______两大类，常用的压电陶瓷是______。（压电晶体、压电陶瓷；PZT）8.光电传感器的核心元件是______，其基本工作模式包括______和反射式。（光电转换元件；透射式）9.超声波传感器测距的公式为______，其中t为______。（d=v×t/2；超声波往返时间）10.智能传感器的关键特征是具备______、______和自诊断功能。（自校准、自补偿）三、简答题（每题6分，共30分）1.比较应变式传感器与压阻式传感器的异同。答：相同点：均基于电阻变化测量物理量；均需电桥转换信号。不同点：应变式利用金属应变片的几何形变引起电阻变化（ΔR/R≈Kε），灵敏度较低（K≈2）；压阻式利用半导体材料的压阻效应（ΔR/R≈πσ），灵敏度高（K≈100-200），但温度稳定性差。2.简述热电偶的中间导体定律及其工程意义。答：定律内容：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，回路总热电势不变。工程意义：允许在热电偶回路中接入测量仪表（如电压表、补偿导线），不影响热电势测量，便于实际应用。3.电容式传感器存在哪些主要缺点？如何改进？答：缺点：①输出阻抗高，易受干扰；②非线性严重（变极距式）；③寄生电容影响大。改进措施：①采用驱动电缆法降低干扰；②使用差动结构改善线性度；③集成化设计减小寄生电容；④采用频率调制或运算放大器式转换电路提高信号处理能力。4.列举光电传感器的5种典型应用场景，并说明对应的光电效应类型。答：①光电开关（透射/反射式）：外光电效应（光电管）或内光电效应（光敏二极管）；②CCD图像传感器：光生伏特效应（半导体PN结）；③照度计：光电导效应（光敏电阻）；④光纤通信探测器：光生伏特效应（PIN光电二极管）；⑤激光测距仪：相位调制（干涉型光纤传感器，基于光的相位变化）。5.说明超声波传感器用于液体液位测量时的注意事项。答：①需考虑超声波在液体中的传播速度（受温度、液体成分影响，需温度补偿）；②液面波动会导致回波信号不稳定，需增加滤波或多次测量取平均；③液体表面若有泡沫或悬浮物，可能衰减超声波，需选择合适频率（高频衰减大，低频分辨率低）；④传感器安装需垂直于液面，避免倾斜导致回波偏移；⑤量程需预留余量，避免液面过高或过低超出检测范围。四、分析计算题（每题8分，共32分）1.某应变片的电阻R0=120Ω，灵敏度系数K=2.0，粘贴在弹性模量E=200GPa的钢构件上。当构件受拉应力σ=100MPa时，求：（1）应变ε；（2）电阻变化量ΔR；（3）若采用单臂电桥（桥压U=3V），输出电压Uo。解：（1）ε=σ/E=100×10⁶Pa/200×10⁹Pa=5×10⁻⁴（500με）（2）ΔR=R0×K×ε=120×2.0×5×10⁻⁴=0.12Ω（3）单臂电桥输出Uo=U×(ΔR/R0)/4=3×(0.12/120)/4=3×0.001/4=0.00075V=0.75mV2.铂热电阻（Pt100）在0℃时电阻R0=100Ω，温度系数α=0.00385/℃。采用三线制接法接入电桥，若测量时环境温度为25℃，被测介质温度为150℃，求热电阻的实际电阻值。（假设电阻-温度关系为R=R0(1+αt)）解：被测温度t=150℃，则R=100×(1+0.00385×150)=100×(1+0.5775)=157.75Ω3.变气隙式差动电感传感器的初始气隙δ0=1mm，初始电感L1=L2=50mH，气隙变化Δδ=±0.1mm，线圈匝数N=2000匝，铁芯截面积A=10mm²，permeabilityofvacuumμ0=4π×10⁻⁷H/m。求：（1）单个电感的变化量ΔL；（2）差动输出电感变化量ΔL_diff。解：（1）电感公式L=N²μ0A/(2δ)（单线圈），初始δ0=1mm=0.001m，Δδ=0.1mm=0.0001m当δ=δ0+Δδ=0.0011m时，L1=N²μ0A/(2δ)=2000²×4π×10⁻⁷×10×10⁻⁶/(2×0.0011)≈(4×10⁶×4π×10⁻¹³)/(0.0022)≈(5.0265×10⁻⁶)/0.0022≈2.285mH（此为近似，实际应为L1=L0×δ0/(δ0+Δδ)=50×1/1.1≈45.45mH，ΔL1=45.45-50=-4.55mH；同理δ=δ0-Δδ=0.9mm时，L2=50×1/0.9≈55.56mH，ΔL2=5.56mH）（2）差动输出ΔL_diff=L2-L1=55.56-45.45=10.11mH（线性化后ΔL_diff≈2L0×Δδ/δ0=2×50×0.1/1=10mH，与近似一致）4.霍尔传感器的灵敏度KH=20mV/(mA·T)，激励电流I=10mA，被测磁场B=0.3T，求输出电压UH。若传感器厚度d=0.5mm，载流子浓度n=10²⁰/cm³，验证KH的理论值是否合理（电子电荷量q=1.6×10⁻¹⁹C）。解：（1）UH=KH×I×B=20×10×0.3=60mV（2）理论KH=1/(nqd)，注意单位转换：n=10²⁰/cm³=10²⁶/m³，d=0.5mm=0.5×10⁻³mKH=1/(10²⁶×1.6×10⁻¹⁹×0.5×10⁻³)=1/(8×10⁴)=1.25×10⁻⁵V/(A·T)=12.5mV/(mA·T)（与给定的20mV/(mA·T)有差异，可能因材料修正或工艺因素）五、综合应用题（每题14分，共28分）1.设计一个智能农业大棚的环境监测系统，需检测温度（-10℃~50℃，精度±0.5℃）、湿度（20%~90%RH，精度±2%RH）、光照强度（0~100klx，精度±5%）和CO2浓度（300~2000ppm，精度±50ppm）。要求：（1）选择各参数对应的传感器类型并说明理由；（2）画出信号调理的典型流程框图；（3）提出抗干扰措施。答：（1）传感器选型：-温度：铂电阻（Pt100）或数字式传感器（如DS18B20）。Pt100精度高（±0.1℃），适合宽温区；DS18B20数字输出，抗干扰强，满足±0.5℃要求。-湿度：电容式湿度传感器（如SHT30）。电容式精度高（±1.5%RH），响应快，适合农业环境。-光照：硅光电池或光敏二极管（如BH1750）。硅光电池线性度好，BH1750数字输出，量程0~65535lx，满足100klx需求。-CO2：红外气体传感器（NDIR）。NDIR精度高（±30ppm），抗其他气体干扰，适合长期监测。（2）信号调理流程：传感器输出→滤波（RC低通滤除高频噪声）→放大（运放调理至ADC输入范围）→ADC采样（12位或16位）→微控制器（MCU）处理（线性化、温度补偿）→无线传输（LoRa/NB-IoT）→云端存储分析。（3）抗干扰措施：①传感器金属外壳接地屏蔽电磁干扰；②信号线缆采用屏蔽双绞线，减少共模干扰；③电源端加TVS二极管防浪涌；④软件端采用滑动平均滤波消除随机噪声；⑤温湿度传感器与CO2传感器分开布局，避免相互影响（如湿度高影响CO2测量）。2.某汽车碰撞检测系统需实时监测碰撞加速度（量程±100g，精度±2g）和车门变形量（量程0~50mm，精度±0.5mm）。请设计传感器方案：（1）选择加速度传感器和位移传感器类型；（2）说明传感器的安装位置及信号传输方式；（3）分析碰撞时的信号特征及融合策略。答：（1）传感器选型：-加速度：MEMS压阻式加速度计（如ADXL377）。量程±200g，精度±1g，满足需求；MEMS体积小，适合车载集成。-位移：电涡流式位移传感器（如KD2306）。非接触测量，量程0~50mm，精度±0.1mm，适合车门变形这种动态测量。（2）安装与传输：加速度计安装在车辆纵梁（碰撞敏感部位）和B柱（乘员舱），共4个（前后左右）；位移传感器安装在