(2025年)传感器原理及应用试题及答案

(2025年)传感器原理及应用试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.金属应变片的灵敏系数主要由（）决定。A.材料电阻率的相对变化B.几何尺寸的相对变化C.材料泊松比D.温度系数答案：B解析：金属应变片的灵敏系数K=1+2μ+Δρ/(ρΔε)，其中1+2μ为几何尺寸变化引起的灵敏系数，Δρ/(ρΔε)为电阻率变化引起的部分。对于金属材料，电阻率变化较小，因此主要由几何尺寸变化（1+2μ）决定。2.变磁阻式电感传感器（自感式）测量位移时，为提高线性度和灵敏度，通常采用（）结构。A.单线圈变气隙B.差动式C.变面积式D.变介电常数式答案：B解析：差动式结构通过两个线圈反向工作，可抵消非线性误差，灵敏度比单线圈提高约1倍，线性度显著改善。3.下列电容式传感器中，（）的灵敏度与极板间距成反比。A.变极距型B.变面积型C.变介电常数型D.以上均不是答案：A解析：变极距型电容传感器的电容C=ε0εrA/δ，灵敏度S=dC/dδ=-ε0εrA/δ²，与δ²成反比，近似线性时可视为与δ成反比。4.光电传感器中，能将光信号转换为电信号的核心元件是（）。A.光源B.光学系统C.光电器件D.信号处理电路答案：C解析：光电器件（如光电二极管、光敏电阻）直接利用光电效应实现光-电转换，是核心元件。5.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）。A.压电材料的居里点低B.电荷容易泄漏C.输出阻抗高D.灵敏度随频率变化答案：B解析：压电式传感器通过电荷输出工作，静态测量时电荷无法持续积累（因泄漏），导致信号衰减，故适用于动态测量。6.霍尔传感器的输出电压与（）成正比。A.输入电流B.磁感应强度C.输入电流与磁感应强度的乘积D.输入电流与磁感应强度的比值答案：C解析：霍尔电压UH=KHIB，其中KH为霍尔系数，I为输入电流，B为磁感应强度，故输出与I和B的乘积成正比。7.光纤传感器中，利用光纤本身作为敏感元件的是（）。A.功能型（传感型）B.非功能型（传光型）C.强度调制型D.相位调制型答案：A解析：功能型光纤传感器中，光纤既是传光介质又是敏感元件（如利用光纤的应变引起折射率变化），而非功能型光纤仅用于传光。8.以下传感器中，属于数字式传感器的是（）。A.热电偶B.编码器C.应变片D.电感式位移传感器答案：B解析：编码器直接输出数字脉冲信号（如增量式编码器输出A、B、Z相脉冲），属于数字式；其余为模拟式传感器。9.MEMS加速度计的核心敏感结构通常是（）。A.悬臂梁-质量块B.压电陶瓷片C.电感线圈D.光纤光栅答案：A解析：MEMS加速度计多采用硅微加工技术制作悬臂梁-质量块结构，通过质量块的惯性力引起悬臂梁形变，进而通过电容或压阻检测位移。10.用于气体浓度检测的半导体式传感器，其工作原理主要基于（）。A.电导率变化B.热电动势C.压电效应D.磁阻效应答案：A解析：半导体气体传感器（如SnO2基）吸附气体分子后，表面载流子浓度改变，导致电导率变化，通过测量电阻变化检测气体浓度。二、填空题（每空1分，共20分）1.电阻应变片的主要参数包括（）、（）和（）。（标称电阻值、灵敏系数、允许工作电流）2.电感式传感器按转换原理可分为（）和（）两类。（自感式、互感式）3.电容式传感器的测量电路包括（）、（）和（）等。（电桥电路、调频电路、运算放大器电路）4.光电效应分为（）、（）和（）三类。（外光电效应、内光电效应、光生伏特效应）5.压电材料可分为（）、（）和（）三大类。（压电晶体、压电陶瓷、高分子压电材料）6.热电偶的基本定律包括（）、（）和（）。（均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律）7.霍尔传感器的误差主要有（）、（）和（）。（零位误差、温度误差、不等位电势）三、简答题（每题6分，共30分）1.简述变极距型电容传感器的非线性误差及其改善方法。答案：变极距型电容传感器的电容C=ε0εrA/δ，其输出电容与极板间距δ成反比，导致输出特性非线性。非线性误差可表示为γ≈(Δδ/δ0)×100%（Δδ为位移变化量，δ0为初始间距）。改善方法包括：①采用差动结构（两个电容反向变化，非线性误差大幅降低）；②限制测量范围（Δδ远小于δ0，近似线性）；③采用线性化电路（如运算放大器电路将输出转换为线性电压）。2.比较光电二极管与光敏电阻的工作特性。答案：①工作原理：光电二极管基于光生伏特效应（PN结内建电场分离光生载流子），光敏电阻基于内光电效应（光照引起电导率增加）；②输出特性：光电二极管输出电流与光照强度成线性关系，光敏电阻输出电阻与光照强度成非线性关系；③响应速度：光电二极管响应快（纳秒级），光敏电阻响应慢（毫秒级）；④灵敏度：光敏电阻灵敏度高（光照变化引起电阻显著变化），光电二极管线性度更好；⑤应用场景：光电二极管适用于高速检测（如光通信），光敏电阻适用于低速光照测量（如照明控制）。3.说明压电式传感器为何需要电荷放大器，并简述其工作原理。答案：压电式传感器输出电荷信号，内阻极高（约10¹²Ω），直接连接测量电路会因电荷泄漏导致信号衰减。电荷放大器是一种高输入阻抗、低输出阻抗的运算放大器电路，其输入级接压电传感器，反馈电容Cf跨接在运放输出端与反相输入端之间。根据虚短虚断原理，输出电压UO=-Q/Cf（Q为传感器电荷），将高内阻的电荷信号转换为低内阻的电压信号，且输出仅与Cf和Q有关，不受连接电缆电容影响，适合远距离传输。4.简述热电偶冷端补偿的必要性及常用方法。答案：热电偶的热电势仅与热端（测量端）和冷端（参考端）的温差有关，若冷端温度不为0℃，则需补偿以确保测量准确性。常用方法：①冰浴法（冷端置于0℃冰水中，适用于实验室）；②补偿导线法（用与热电偶热电特性相近的导线将冷端延伸至温度稳定处）；③电桥补偿法（利用不平衡电桥产生的电压抵消冷端温度变化引起的热电势变化）；④软件补偿法（通过温度传感器测量冷端温度，利用计算机查表修正热电势）。5.分析MEMS传感器相比传统传感器的优势。答案：①微型化：尺寸小（微米级），适合集成于狭小空间（如手机、无人机）；②低功耗：质量小、惯性小，驱动能量低；③批量制造：基于半导体工艺，可大规模生产，成本低；④多功能集成：可在同一芯片上集成传感器、信号处理电路和执行器（如惯性测量单元IMU集成加速度计和陀螺仪）；⑤高性能：机械响应快（谐振频率高），噪声低（通过微结构优化）。四、分析计算题（每题10分，共30分）1.某金属应变片的灵敏系数K=2.0，标称电阻R=120Ω，粘贴于弹性模量E=2×10¹¹Pa的钢构件表面。当构件受拉应力σ=100MPa时，求应变片的电阻变化量ΔR及相对变化率ΔR/R。（已知应变ε=σ/E）解：应变ε=σ/E=100×10⁶Pa/2×10¹¹Pa=5×10⁻⁴相对电阻变化率ΔR/R=Kε=2.0×5×10⁻⁴=1×10⁻³电阻变化量ΔR=R×(ΔR/R)=120Ω×0.001=0.12Ω2.一变面积型电容传感器，极板宽度a=20mm，极板间距δ=0.1mm，介电常数ε=ε0=8.85×10⁻¹²F/m，初始覆盖长度l0=50mm。当动极板移动Δl=10mm时，求电容变化量ΔC。（电容公式C=εa(l0±Δl)/δ）解：初始电容C0=εal0/δ=8.85×10⁻¹²×0.02m×0.05m/0.0001m≈8.85×10⁻¹¹F=88.5pF移动后电容C1=εa(l0-Δl)/δ=8.85×10⁻¹²×0.02×(0.05-0.01)/0.0001≈70.8pF（假设Δl为减小方向）电容变化量ΔC=C1-C0=70.8pF-88.5pF=-17.7pF（负号表示电容减小）3.某压电式加速度传感器的灵敏度为20pC/g（g=9.8m/s²），连接电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF。当被测加速度为5g时，求电荷放大器的输出电压UO。解：传感器输出电荷Q=灵敏度×加速度=20pC/g×5g=100pC电荷放大器输出电压UO=-Q/Cf=-100pC/1000pF=-0.1V（负号表示反相，通常取绝对值）五、综合应用题（20分）设计一个基于传感器的智能温室环境监测系统，要求监测温度、湿度、光照强度和土壤水分4个参数，画出系统组成框图，并说明各部分的功能及传感器选型依据。答案：系统组成框图：传感器模块→信号调理电路→数据采集模块→微控制器（MCU）→通信模块→上位机/手机APP各部分功能及选型：1.传感器模块：-温度：选用DS18B20数字温度传感器（单总线接口，精度±0.5℃，适合温室-40~85℃环境）；-湿度：选用SHT30温湿度一体传感器（I2C接口，湿度精度±2%RH，抗干扰能力强）；-光照强度：选用BH1750FVI数字光强传感器（测量范围1~65535lx，精度±20%，适合温室自然光照）；-土壤水分：选用FDR（频域反射）式土壤湿度传感器（通过测量土壤介电常数检测水分，精度±3%，避免电极极化）。2.信号调理电路：-模拟传感器（如早期模拟型土壤水分传感器）需通过运放电路进行信号放大、滤波（如低通滤波器抑制50Hz工频干扰）；-数字传感器直接输出数字信号（如I2C、单总线），无需调理。3.数据采集模块：-对于模拟信号，采用MCU内置的ADC（如12位精度，满足0~3.3V输入范围）；-数字信号通过MCU的I/O口直接读取（如DS18B20的单总线协议）。4.微控制器（MCU）：-选用STM32F103系列（ARMCortex-M3内核，支持多通信接口，可同时处理4路传感器数据）；-功能：定时采集数据、数据滤波（如滑动平均滤波消除噪声）、阈值判断（如温度超过35℃触发报警）。5.通信模块：-短距离传输：蓝牙模块（如HC-05，传输距离10m，适合温室本地监控）；-长距离传输：LoRa模块（低功耗广域网，传输距离3~10km，适合大型温室群数据上传至云端）