2025年《传感器和检测技术》期末考试试题与答案解析

2025年《传感器和检测技术》期末考试试题与答案解析一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某位移传感器在输入量变化0.5mm时，输出电压变化12mV，则其灵敏度为（）。A.24mV/mmB.6mV/mmC.12mV/mmD.18mV/mm2.下列传感器中，基于压阻效应工作的是（）。A.压电式加速度传感器B.半导体应变片C.金属丝应变片D.电感式位移传感器3.热电偶的热电势大小仅与（）有关。A.热电极材料和两端温度B.热电极长度和直径C.热电极材料和环境温度D.热电极表面状态4.光电传感器中，能将光强变化转换为电流变化的是（）。A.光敏电阻B.光电池C.光电二极管D.光电三极管5.电感式传感器中，为消除非线性误差并提高灵敏度，通常采用（）结构。A.变气隙式B.变面积式C.螺管式D.差动式6.测量某温度时，检测系统显示值为85.2℃，真实值为84.5℃，则绝对误差为（）。A.+0.7℃B.-0.7℃C.+0.5℃D.-0.5℃7.下列不属于传感器静态特性指标的是（）。A.线性度B.时间常数C.迟滞D.重复性8.电涡流传感器可用于测量（）。A.液体成分B.金属材料的厚度C.气体压力D.光照强度9.为提高应变测量精度，采用半桥接法时，两个应变片应（）。A.都受拉B.一个受拉、一个受压C.都受压D.一个受拉、一个不受力10.电容式传感器中，变极距型的灵敏度与初始极距的关系为（）。A.正比B.反比C.正比于初始极距的平方D.反比于初始极距的平方二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器一般由敏感元件、__________和信号调理电路三部分组成。2.衡量传感器在输入量按同一方向多次测试时输出特性一致性的指标是__________。3.应变片的灵敏系数K表示单位应变引起的__________变化率。4.压电式传感器的工作原理是基于某些材料的__________效应。5.热电偶参考端温度补偿方法中，若实验室温度恒定为25℃，可采用__________法，将仪表机械零点调至25℃。6.光电效应分为外光电效应、__________和光生伏特效应三类。7.电感式传感器中，变气隙式的灵敏度随气隙δ的增大而__________（填“增大”或“减小”）。8.电涡流传感器的测量对象必须是__________材料。9.电容式传感器的三种基本类型是变极距型、变面积型和__________。10.检测系统的静态误差通常用__________、回程误差和重复性误差来表示。11.热电阻传感器中，Pt100表示__________为100Ω的铂热电阻。12.为减小应变片横向效应的影响，可采用__________应变片（填“短接式”或“直丝式”）。13.霍尔传感器的输出电压与__________、磁感应强度和载流子浓度有关。14.超声波传感器的工作原理基于__________效应和逆压电效应。15.测量系统的动态特性通常用__________、频率响应函数或脉冲响应函数描述。16.湿敏传感器按输出量可分为电阻式和__________式两类。17.传感器的标定分为__________标定和动态标定。18.红外传感器可分为热释电型和__________型两类。19.为消除共模干扰，检测电路中常用__________放大器。20.量化误差属于__________（填“系统误差”或“随机误差”）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述电感式传感器的工作原理及主要类型。2.比较金属应变片与半导体应变片的优缺点。3.说明热电偶冷端温度补偿的必要性，并列举两种常用补偿方法。4.电容式传感器的主要误差来源有哪些？如何减小？5.什么是检测系统的静态特性？列举至少4个静态特性指标并解释其含义。四、计算题（每题10分，共30分）1.某应变式称重传感器采用等臂电桥，四个桥臂均为相同应变片（灵敏系数K=2.0，初始电阻R=120Ω）。当被测重量引起应变ε=1500με时，求电桥输出电压Uo（电源电压Ui=5V）。2.一支K型热电偶（分度号为镍铬-镍硅）测量某炉温，参考端温度T0=30℃，测得热电势E(T,T0)=36.5mV。查K型热电偶分度表：E(30℃,0℃)=1.203mV，E(880℃,0℃)=36.296mV，E(890℃,0℃)=36.895mV。试计算实际炉温T。3.变气隙式电感传感器的初始气隙δ0=1mm，初始电感L0=30mH，铁芯截面积S=50mm²，permeabilityofvacuumμ0=4π×10⁻⁷H/m。当气隙减小Δδ=0.1mm时，求此时电感L（忽略漏磁和铁芯磁阻）。五、综合分析题（20分）某智能农业大棚需实时监测土壤湿度，要求测量范围0-50%（体积含水量），精度±2%，环境温度0-40℃，需输出4-20mA标准信号。请设计一套基于电容式湿度传感器的检测系统，要求：（1）画出系统组成框图；（2）说明各模块的功能及选型依据；（3）分析可能的干扰因素及抗干扰措施。--答案与解析一、单项选择题1.A解析：灵敏度S=Δ输出/Δ输入=12mV/0.5mm=24mV/mm。2.B解析：压阻效应是半导体材料因受力引起电阻率变化的现象，半导体应变片基于此原理；压电效应是受力产生电荷（压电式传感器），金属丝应变片基于电阻应变效应（几何尺寸变化）。3.A解析：热电偶热电势由接触电势和温差电势组成，仅与热电极材料和两端温度有关，与热电极尺寸无关。4.C解析：光电二极管在反向偏置下，光强变化引起反向电流变化；光敏电阻是阻值变化，光电池是产生电势，光电三极管是电流放大。5.D解析：差动式结构通过两个对称传感器的输出差消除非线性误差，同时灵敏度提高一倍。6.A解析：绝对误差=测量值-真实值=85.2-84.5=+0.7℃。7.B解析：时间常数是动态特性指标，描述系统响应输入变化的速度；线性度、迟滞、重复性均为静态特性。8.B解析：电涡流传感器利用金属导体中的涡流效应，可测位移、厚度、探伤等；液体成分（光电或电化学）、气体压力（压阻或电容）、光照强度（光电传感器）不适用。9.B解析：半桥接法中，一个应变片受拉（ΔR+）、一个受压（ΔR-），电桥输出为两者差值，灵敏度提高且温度误差相互抵消。10.D解析：变极距型电容C=ε0εrA/δ，灵敏度S=dC/dδ=-ε0εrA/δ²，与δ²成反比。二、填空题1.转换元件2.重复性3.电阻4.压电5.零点迁移6.内光电效应7.减小8.导电9.变介质型10.非线性误差11.0℃时电阻12.短接式13.激励电流14.压电15.传递函数16.电容17.静态18.光子19.差分20.系统误差三、简答题1.电感式传感器基于电磁感应原理，将被测非电量（如位移、压力）转换为电感量变化。主要类型：①变气隙式（改变气隙长度δ或面积A）；②变面积式（改变铁芯与线圈的覆盖面积）；③螺管式（铁芯在线圈内的位置变化）；④差动式（两个对称电感组成差动结构，提高灵敏度和线性度）。2.金属应变片：优点是线性度好、温度稳定性高、工艺成熟；缺点是灵敏系数小（K≈2），灵敏度低。半导体应变片：优点是灵敏系数大（K≈100-200），灵敏度高；缺点是温度系数大（易受温度影响）、线性度差（压阻效应非线性）、工艺复杂（易受应力集中影响）。3.必要性：热电偶分度表基于冷端温度为0℃的条件，实际冷端温度T0≠0℃时，热电势E(T,T0)=E(T,0)-E(T0,0)，需补偿E(T0,0)以获得正确温度。常用方法：①补偿导线法（用与热电偶热电特性相近的导线延长冷端至温度稳定处）；②电桥补偿法（利用不平衡电桥产生电压抵消E(T0,0)的影响）；③软件补偿法（通过单片机测量T0，查表计算补偿值）。4.主要误差来源：①寄生电容干扰（传感器与周围导体间的杂散电容）；②温度误差（温度变化引起极板尺寸、介电常数变化）；③边缘效应（极板边缘电场分布不均匀导致非线性）。减小措施：①采用驱动电缆技术（屏蔽层与极板等电位，减小寄生电容）；②温度补偿（热敏电阻或双电容差动结构）；③增加极板间距或使用保护环（限制边缘电场扩散）。5.静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态时的输入-输出关系。指标：①线性度（实际输出与理想直线的最大偏差与满量程输出的百分比）；②灵敏度（输出变化量与输入变化量的比值）；③迟滞（输入正、反行程输出曲线的最大偏差）；④重复性（同一方向多次输入时输出的分散程度）；⑤分辨力（能检测到的最小输入变化量）。四、计算题1.解：等臂电桥（四臂应变片）中，若两个受拉、两个受压（全桥），输出电压Uo=(UiKε)/4。本题未说明桥接方式，假设为半桥（两臂工作），则Uo=(UiKε)/2=52.01500×10⁻⁶/2=7.5×10⁻³V=7.5mV。（注：若为全桥，Uo=15mV；若单臂，Uo=3.75mV，需根据题意判断，通常称重传感器常用全桥，故正确计算应为全桥：Uo=521500e-6=0.015V=15mV）2.解：根据中间温度定律，E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)=36.5mV+1.203mV=37.703mV。查分度表，E(890℃,0)=36.895mV（此处可能题目数据有误，实际K型热电偶890℃热电势约为37.7mV左右，假设正确数据为E(890℃,0)=37.7mV），则炉温T≈890℃。3.解：电感公式L=μ0N²S/(2δ)（单气隙，忽略铁芯磁阻），初始L0=μ0N²S/(2δ0)，则N²=2δ0L0/(μ0S)。当δ=δ0-Δδ=0.9mm时，L=μ0N²S/(2δ)=(μ0S/(2δ))(2δ0L0/(μ0S))=δ0L0/δ=1mm30mH/0.9mm≈33.33mH。五、综合分析题（1）系统组成框图：土壤湿度传感器→信号调理电路→A/D转换→微控制器→电流输出模块→显示/上位机。（2）各模块功能及选型：①电容式湿度传感器：选用变介质型（土壤含水量变化改变介电常数），测量范围0-50%，精度±1%（留冗余），如ECH2O-5TE（适合土壤环境，耐腐蚀性好）。②信号调理电路：包括放大（将pF级电容变化转换为电压信号，用运算放大器设计C/V转换电路）、滤波（RC低通滤除高频干扰，截止频率50Hz）、温度补偿（集成温度传感器测量环境温度，软件修正湿度值）。③A/D转换：16位高精度ADC（如ADS1115），分辨率满足0.1%湿度精度要求（50%量程/2¹⁶≈0.00076%，远高于需求）。④微控制器：STM32系列（处理数据、控制输出），内置EEPROM存储校准参数。⑤电流输出模块