(2025年)传感器与检测技术期末测试题含答案

(2025年)传感器与检测技术期末测试题含答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某电阻应变片的敏感栅材料为康铜，其灵敏系数K=2.0，当承受0.001的应变时，电阻相对变化量ΔR/R为（）。A.0.001B.0.002C.0.003D.0.004答案：B2.电感式传感器中，下列哪种类型的灵敏度最高（）。A.变气隙式B.变面积式C.螺管式D.差动变气隙式答案：D3.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.灵敏度随温度变化答案：B4.热电偶的参考端温度补偿方法中，若采用补偿导线法，补偿导线的热电特性应与（）。A.测量端热电偶相同B.参考端热电偶相同C.测量端和参考端均不同D.任意材料答案：A5.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：C6.下列光电效应中，属于外光电效应的是（）。A.光电导效应B.光生伏特效应C.光电发射效应D.光伏效应答案：C7.电容式传感器中，变介电常数型常用于测量（）。A.位移B.压力C.湿度D.加速度答案：C8.涡流式传感器的工作原理基于（）。A.压电效应B.电磁感应C.霍尔效应D.光电效应答案：B9.光纤传感器中，用于传光的光纤主要利用了（）。A.光的折射B.光的反射C.光的全反射D.光的散射答案：C10.某超声波传感器的工作频率为40kHz，其在空气中的波长约为（）（声速取340m/s）。A.0.85cmB.8.5cmC.0.085cmD.85cm答案：A（计算：λ=v/f=340/40000=0.0085m=0.85cm）二、填空题（每空2分，共20分）1.电阻应变片的灵敏度系数K定义为______与______的比值。答案：电阻相对变化量ΔR/R；应变ε2.电感式传感器的等效电路可表示为______与______的串联。答案：电感L；电阻R3.压电式传感器的前置放大器主要有______和______两种类型。答案：电压放大器；电荷放大器4.热电偶的热电势由______和______两部分组成。答案：接触电势；温差电势5.光敏电阻的工作原理基于______效应，其阻值随光照强度增加而______。答案：光电导；减小三、简答题（每题8分，共40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：差动电桥可提高灵敏度（单臂电桥输出为ΔR/R·U/4，差动双臂为ΔR/R·U/2，全桥为ΔR/R·U）；消除温度误差（相邻桥臂应变片温度变化引起的ΔR/R相同，电桥输出抵消）；减小非线性误差（单臂电桥存在ΔR/R的二次项，差动电桥二次项相互抵消）。2.比较压电式传感器与电容式传感器的优缺点。答案：压电式传感器优点：灵敏度高、频响宽（可测动态信号）、结构紧凑；缺点：不能测静态信号（电荷易泄漏）、需要高输入阻抗前置放大器。电容式传感器优点：结构简单、动态响应好、分辨率高；缺点：易受寄生电容干扰、非线性误差较大（变极距型）。3.说明涡流式传感器可用于哪些非接触测量，并解释其工作原理。答案：可测量位移、厚度、转速、材料缺陷等。工作原理：传感器线圈通高频交流电产生交变磁场，被测导体在磁场中产生涡流，涡流磁场与原磁场相互作用改变线圈的电感或阻抗，通过检测电感/阻抗变化实现对被测参数的测量。4.简述光纤传感器中功能型（传感型）与非功能型（传光型）的区别。答案：功能型光纤既是传光介质又是敏感元件，利用光纤本身的光学特性（如折射率、相位）随被测参数变化实现传感（如光纤陀螺）；非功能型光纤仅用于传光，敏感元件为其他材料（如光纤端面的反射膜测压力），光纤不参与敏感过程。5.分析热电偶参考端温度不为0℃时的补偿方法及适用场景。答案：（1）补偿导线法：用与热电偶热电特性相同的导线将参考端延伸至温度稳定处（如控制室），适用于参考端温度波动小的场景；（2）冷端温度修正法：测量参考端温度t0，按公式E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)修正，适用于t0已知且稳定的情况；（3）补偿电桥法：在电桥中接入热敏电阻，电桥输出随t0变化补偿热电偶热电势变化，适用于t0波动较大的工业现场。四、分析计算题（每题10分，共30分）1.某应变片的电阻R=120Ω，灵敏系数K=2.0，粘贴在弹性模量E=2×10^11Pa的钢件上，承受应力σ=100MPa。若采用四臂差动电桥（电源电压U=5V），求电桥输出电压Uo。解：应变ε=σ/E=100×10^6Pa/(2×10^11Pa)=5×10^-4电阻相对变化ΔR/R=K·ε=2.0×5×10^-4=1×10^-3四臂差动电桥输出Uo=U·(ΔR1/RΔR2/R+ΔR3/RΔR4/R)/4（假设相邻臂受拉压）若两臂受拉（ΔR/R=1×10^-3），两臂受压（ΔR/R=-1×10^-3），则总变化量为4×1×10^-3Uo=5×(4×1×10^-3)/4=5×1×10^-3=0.005V=5mV答案：5mV2.用K型热电偶（镍铬-镍硅）测量某炉温，参考端温度t0=30℃，测得热电势E(t,t0)=33.28mV。查K型热电偶分度表：E(800℃,0℃)=33.28mV，E(30℃,0℃)=1.203mV。求实际炉温t。解：根据中间温度定律，E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=33.28mV+1.203mV=34.483mV查分度表：E(820℃,0)=34.105mV，E(830℃,0)=34.513mV34.483mV介于820℃和830℃之间，线性插值：ΔE=34.483-34.105=0.378mV每10℃对应的ΔE=34.513-34.105=0.408mV温度t=820℃+0.378/0.408×10≈820+9.26≈829.26℃答案：约829.3℃3.某变气隙式电感传感器，初始气隙δ0=1mm，线圈匝数N=2000匝，铁芯截面积A=100mm²（μr→∞），空气磁导率μ0=4π×10^-7H/m。求气隙减小Δδ=0.1mm时，电感变化量ΔL。解：初始电感L0=N²μ0A/(2δ0)（单气隙，磁通经两个气隙）A=100mm²=100×10^-6m²=1×10^-4m²，δ0=1mm=0.001mL0=2000²×4π×10^-7×1×10^-4/(2×0.001)=4×10^6×4π×10^-11/0.002=16π×10^-5/0.002=8π×10^-2≈0.2513H气隙减小后δ=δ0-Δδ=0.9mm=0.0009mL=N²μ0A/(2δ)=0.2513×0.001/0.0009≈0.2792HΔL=L-L0≈0.2792-0.2513=0.0279H≈27.9mH答案：约27.9mH五、综合应用题（20分）设计一个基于传感器的电机轴承温度在线检测系统，要求：（1）选择合适的温度传感器；（2）画出系统原理框图；（3）说明信号调理与抗干扰措施；（4）简述数据采集与显示方案。答案要点：（1）传感器选型：电机轴承温度通常在-40℃~150℃范围内，需非接触或接触式测量。接触式可选PT100热电阻（精度高，线性好）或K型热电偶（响应快，耐温高）；非接触式可选红外温度传感器（适用于无法直接接触的场景）。考虑到轴承需实时监测，优先选PT100（精度±0.1℃，适合工业场景）。（2）系统原理框图：PT100传感器→信号调理电路（恒流源激励、电桥转换、放大滤波）→A/D转换器→微控制器（MCU）→通信模块（RS485/CAN）→上位机（显示、报警）。（3）信号调理与抗干扰：信号调理：PT100采用三线制接法（消除导线电阻影响），电桥输出经仪表放大器（如AD620）放大，低通滤波器（截止频率10Hz，抑制电机振动干扰）滤除高频噪声。抗干扰：传感器导线采用屏蔽电缆并单端接地；电源端加π型滤波（抑制电网干扰）；MCU外围加去耦电容（抑制数字电路噪声）；软件上采用滑动平