(2025年)传感器及应用技术试题和答案

(2025年)传感器及应用技术试题和答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列哪种效应是压阻式传感器的工作基础？A.霍尔效应B.压电效应C.半导体电阻率随应力变化D.金属电阻随应变变化答案：C2.光纤传感器中，用于测量温度的分布式传感技术通常基于：A.瑞利散射B.拉曼散射C.布里渊散射D.菲涅尔反射答案：B3.MEMS加速度传感器的核心敏感结构一般采用：A.悬臂梁-质量块B.螺线管线圈C.石英谐振器D.薄膜热电偶答案：A4.红外气体传感器检测CO₂时，主要利用的是气体对特定波长红外光的：A.反射特性B.透射特性C.吸收特性D.散射特性答案：C5.下列传感器中，属于生物传感器的是：A.氧化锆氧传感器B.酶电极葡萄糖传感器C.热释电人体传感器D.压阻式血压传感器答案：B6.为提高电容式传感器的灵敏度和线性度，实际应用中最常用的结构是：A.变面积式B.变极距式C.差动式D.变介电常数式答案：C7.磁敏传感器中，能够直接测量磁场方向的是：A.霍尔传感器B.磁阻传感器（AMR）C.磁通门传感器D.巨磁阻传感器（GMR）答案：B8.用于工业现场的温度传感器Pt100采用三线制接法的主要目的是：A.提高测量精度B.简化电路设计C.降低成本D.增强抗干扰能力答案：A9.超声波传感器用于测距时，其测量精度主要受限于：A.超声波频率B.环境温度C.传感器尺寸D.发射功率答案：B10.智能传感器区别于传统传感器的关键特征是：A.集成信号调理电路B.具备自校准、自诊断功能C.采用数字输出接口D.灵敏度更高答案：B二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的静态特性主要包括线性度、迟滞、重复性和__________等指标。答案：灵敏度2.应变片的敏感栅材料常用__________（如康铜）或半导体材料（如单晶硅）。答案：金属合金3.压电式传感器不能测量静态信号的原因是其等效电路存在__________，导致电荷无法长期保存。答案：漏电阻4.光电传感器中，将光信号转换为电信号的核心元件是__________（如光敏二极管、光敏电阻）。答案：光电器件5.气体传感器的主要性能指标包括灵敏度、选择性、响应时间和__________。答案：稳定性6.电感式传感器按工作原理可分为变磁阻式、__________和涡流式三类。答案：变压器式7.热电偶的热电势由__________和温差电势组成。答案：接触电势8.磁敏传感器中，__________（如InSb）的霍尔系数较大，适用于低磁场测量。答案：半导体材料9.生物传感器的分子识别元件通常是酶、抗体或__________等生物活性物质。答案：DNA10.光纤传感器按传感原理可分为功能型（本征型）和__________（非本征型）两类。答案：传光型11.为抑制共模干扰，应变测量电桥常采用__________接法（如半桥、全桥）。答案：差动12.热释电传感器主要用于检测__________的红外辐射（如人体移动）。答案：变化13.电容式传感器的寄生电容会导致灵敏度下降，常用__________技术（如驱动电缆法）降低其影响。答案：屏蔽14.物联网传感器节点的关键设计目标是低功耗，常用__________（如LoRa、NB-IoT）实现长距离通信。答案：窄带物联网技术15.压力传感器中，__________（如硅压阻式）通过检测压阻效应实现压力测量。答案：半导体式16.激光位移传感器基于__________原理（如三角测距法），可实现高精度非接触测量。答案：光学三角17.湿度传感器按敏感材料可分为电解质式、陶瓷式和__________（如高分子聚合物）三类。答案：有机膜式18.加速度传感器的量程选择需考虑被测对象的最大加速度，而__________则影响低频信号的测量精度。答案：噪声密度19.气体传感器的加热元件作用是__________，提高气体与敏感材料的反应速率。答案：激活敏感层20.智能传感器的典型架构包括敏感元件、信号调理电路、__________和通信接口。答案：微处理器（或MCU）三、简答题（每题8分，共40分）1.比较压电式传感器与电容式传感器的优缺点，并说明各自适用的测量场景。答案：压电式传感器优点：灵敏度高、频响宽（适用于动态测量）、结构紧凑；缺点：不能测静态信号（因电荷泄漏）、需要高输入阻抗前置放大器。适用场景：机械振动、冲击、动态力测量（如发动机振动监测）。电容式传感器优点：灵敏度高（差动结构）、动态响应好、非接触测量；缺点：易受寄生电容干扰、非线性（变极距式）。适用场景：微小位移测量（如精密机械定位）、液位检测、湿度测量。2.说明光电传感器的调制方式及其在实际应用中的意义。答案：光电传感器的调制方式包括强度调制、频率调制、相位调制和波长调制。强度调制最常用，通过调制光强实现信号传输；频率调制通过改变光的频率（如正弦波调制）提高抗干扰能力；相位调制利用光的相位变化测量微小位移；波长调制通过选择特定波长光避免环境光干扰。意义：调制可有效抑制环境光噪声（如自然光、杂散光），提高信号信噪比；实现多路复用（如波长divisionmultiplexing），提升系统集成度；扩展测量范围（如相位调制用于大位移测量）。3.简述温度传感器Pt100三线制接法的工作原理，并解释其如何消除导线电阻的影响。答案：三线制接法中，Pt100的三个引脚分别连接到测量电桥的两个激励端和一个检测端，其中两根导线（R1、R2）串联在电桥的两个相邻桥臂，第三根导线（R3）连接检测端。工作原理：电桥激励电流I流经R1和Pt100（Rt），产生电压降I(R1+Rt)；检测端测量的是Rt上的电压（I×Rt）与R2上的电压（I×R2）的差值。由于R1和R2为同一型号导线（长度、材质相同），R1=R2，因此导线电阻引起的电压降（I×R1和I×R2）相互抵消，最终输出仅与Rt相关，消除了导线电阻的影响。4.分析金属应变片与半导体应变片在工作原理和性能上的差异。答案：工作原理：金属应变片基于金属电阻的应变效应（ΔR/R≈Kε，K为金属材料的应变灵敏系数，约2）；半导体应变片基于压阻效应（ΔR/R≈πσ，π为压阻系数，σ为应力），其灵敏系数可达金属的50-100倍。性能差异：半导体应变片灵敏度高（适合微小应变测量），但温度稳定性差（压阻系数受温度影响大）、线性度低（压阻效应非线性显著）；金属应变片线性度好、温度稳定性高（可通过温度补偿改善），但灵敏度较低（适合较大应变测量）。5.列举三种提升气体传感器选择性的方法，并说明其原理。答案：（1）敏感材料改性：通过掺杂（如在SnO₂中掺杂Pd、Pt）改变材料表面活性位点，增强对特定气体的吸附能力（如Pd催化CO氧化）；（2）温度调制：不同气体在敏感材料表面的反应活化能不同，通过周期性改变加热温度（如300℃→400℃→200℃），获取特征响应曲线（如乙醇在350℃响应强，CO在250℃响应强）；（3）阵列式设计（电子鼻）：采用多个不同敏感材料的传感器组成阵列，结合模式识别算法（如BP神经网络）区分混合气体（如通过10个传感器的响应模式识别甲烷、氢气、VOCs）。四、分析设计题（每题10分，共20分）1.设计一个基于应变片的电子秤，要求量程0-50kg，精度0.1%FS（满量程）。需说明：（1）弹性体材料及结构选择；（2）应变片布片与接桥方式；（3）信号调理电路的关键设计要点。答案：（1）弹性体材料：选择40Cr钢（高强度、低滞后）或铝合金（轻量化），结构采用悬臂梁式（一端固定，一端加载）或轮辐式（适合多方向力测量），悬臂梁式结构简单，适合电子秤。（2）布片与接桥：在悬臂梁的上下表面对称粘贴4片应变片（R1-R4），上表面受拉（R1、R3），下表面受压（R2、R4）。采用全桥接法（R1-R4组成惠斯通电桥），差动输出可提高灵敏度（4倍单臂电桥），并抑制温度漂移（上下表面应变片温度变化同步，电阻变化相消）。（3）信号调理电路：①恒压源供电（5V），确保电桥输出稳定；②仪表放大器（如AD620）放大微弱信号（电桥输出约mV级），共模抑制比>100dB以抑制干扰；③低通滤波器（截止频率10Hz）滤除振动噪声；④A/D转换（16位，分辨率0.1%FS要求ΔV=50kg×0.1%=0.05kg，对应电桥输出ΔV=K×ε×V桥，需A/D分辨率≤0.05kg对应的电压值）；⑤温度补偿（通过热敏电阻监测弹性体温度，软件修正应变片的温度漂移）。2.设计一个智能家居环境监测系统，需监测温度（-10℃~50℃）、湿度（20%~90%RH）、CO₂（0~5000ppm）和PM2.5（0~500μg/m³）。要求：（1）选择各参数对应的传感器类型及型号；（2）设计传感器节点的通信方案（协议、拓扑）；（3）说明数据处理与异常报警的逻辑。答案：（1）传感器选择：-温度：数字式传感器DS18B20（精度±0.5℃，单总线接口）；-湿度：SHT30（I²C接口，精度±2%RH）；-CO₂：NDIR（非分散红外）传感器（如S8-0040，量程0-5000ppm，精度±50ppm+3%读数）；-PM2.5：激光散射式传感器（如GP2Y1010AU0F，检测范围0-500μg/m³，精度±10%）。（2）通信方案：传感器节点采用低功耗MCU（如STM32L0系列）作为主控，通过I²C/SPI接口采集各传感器数据。通信协议选择ZigBee（低功耗、自组网）或蓝牙Mesh（支持多节点通信），拓扑结构采用星型（中心节点为网关，连接手机/路由器）。网关通过Wi-Fi将数据上传至云平台（如阿里云IoT）。（3）数据处理与报警