传感器原理及应用期末考试试题库含答案

传感器原理及应用期末考试试题库含答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.传感器的核心功能是（）A.放大信号B.感受被测量并转换为可用输出信号C.存储数据D.显示测量结果答案：B2.描述传感器静态特性的指标中，“输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度”称为（）A.灵敏度B.迟滞C.线性度D.重复性答案：C3.金属应变片的灵敏度系数K主要取决于（）A.材料的电阻率变化B.几何尺寸变化C.温度变化D.泊松比变化答案：B（注：金属应变片的K≈1+2μ，主要由几何尺寸变化主导；半导体应变片K由电阻率变化主导）4.变极距型电容式传感器的非线性误差与初始极距d₀的关系是（）A.d₀越大，非线性误差越小B.d₀越大，非线性误差越大C.无关D.先增大后减小答案：A（公式推导：ΔC/C₀≈Δd/d₀+(Δd/d₀)²…，初始d₀越大，二次项影响越小）5.电涡流传感器的工作原理基于（）A.压电效应B.电磁感应C.热电效应D.霍尔效应答案：B（电涡流是金属导体在交变磁场中产生的感应电流）6.压电式传感器不能测量静态信号的原因是（）A.电荷会通过测量电路泄漏B.压电材料静态下不产生电荷C.放大器无法处理直流信号D.传感器固有频率低答案：A（压电元件等效为电荷源与电容并联，静态时电荷通过负载电阻泄漏）7.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.温度答案：C（霍尔电压公式：U_H=K_HIB，K_H为霍尔系数）8.光电效应中，“光照下半导体材料电导率变化”属于（）A.外光电效应B.内光电效应C.光生伏特效应D.光电导效应答案：D（内光电效应包括光电导效应和光生伏特效应，光电导效应表现为电导率变化）9.热电偶的热电势由（）组成A.接触电势和温差电势B.仅接触电势C.仅温差电势D.感应电势答案：A（两种导体接触产生接触电势，同一导体两端温差产生温差电势）10.测量气体压力时，优先选择的传感器是（）A.应变式压力传感器B.电容式压力传感器C.压电式压力传感器D.电感式压力传感器答案：B（电容式适合低压测量，气体压力通常较低）11.为减小应变片温度误差，常用的补偿方法是（）A.单臂电桥B.双臂电桥（半桥）C.增加应变片数量D.提高供桥电压答案：B（半桥中一片工作片，一片补偿片，处于同一温度场但不受力）12.以下传感器中，属于数字式传感器的是（）A.热电偶B.光电编码器C.应变片D.电容式位移传感器答案：B（光电编码器输出脉冲信号，直接对应数字量）13.超声波传感器的工作频率通常在（）A.20Hz以下B.20Hz20kHzC.20kHz以上D.任意频率答案：C（超声波定义为频率高于20kHz的机械波）14.湿度传感器的主要参数不包括（）A.量程B.响应时间C.精度D.居里温度答案：D（居里温度是铁电材料的特性参数，与湿度无关）15.传感器标定的目的是（）A.提高灵敏度B.确定输入输出关系C.减小噪声D.延长寿命答案：B（标定是通过标准量输入，确定传感器的静态/动态特性曲线）二、多项选择题（每题3分，共30分，少选得1分，错选不得分）1.传感器的基本组成包括（）A.敏感元件B.转换元件C.信号调理电路D.显示模块答案：ABC（显示模块非必需）2.属于传感器动态特性指标的有（）A.上升时间B.超调量C.线性度D.稳态误差答案：ABD（线性度是静态特性指标）3.电阻应变片的温度误差来源包括（）A.应变片材料的电阻温度系数B.被测材料与应变片材料的线膨胀系数差异C.环境湿度变化D.电桥电源电压波动答案：AB（湿度和电源波动属于外部干扰，非温度误差本质来源）4.电容式传感器的优点包括（）A.动态响应好B.结构简单C.温度稳定性好D.易受寄生电容影响答案：ABC（D是缺点）5.压电材料包括（）A.石英晶体B.压电陶瓷（如PZT）C.半导体硅D.高分子压电薄膜（如PVDF）答案：ABD（半导体硅无压电效应）6.光电传感器的常见类型有（）A.透射式B.反射式C.漫反射式D.涡流式答案：ABC（涡流式属于电感式）7.热电偶冷端补偿方法包括（）A.冰浴法B.电桥补偿法C.软件补偿法D.增大热电极直径答案：ABC（增大直径不影响冷端温度）8.以下传感器中，可实现非接触测量的有（）A.电涡流传感器B.激光位移传感器C.应变式力传感器D.超声波距离传感器答案：ABD（应变式需接触被测物体）9.传感器信号调理电路通常包括（）A.电桥电路B.放大电路C.滤波电路D.模数转换电路答案：ABCD（根据需求可选配）10.影响传感器精度的因素有（）A.非线性误差B.迟滞误差C.重复性误差D.环境干扰答案：ABCD（均会影响测量结果准确性）三、填空题（每空2分，共30分）1.传感器的静态特性是指输入量为________或变化________时的输出输入关系。答案：静态量（或缓慢变化量）；极缓慢2.金属应变片的灵敏度系数K的表达式为________，其中μ为材料的________。答案：K=(ΔR/R)/ε；泊松比3.电容式传感器按工作原理分为三种类型：________、变面积型、________。答案：变极距型；变介质型4.电感式传感器中，差动变压器的输出电压与铁芯位移成________关系（填“线性”或“非线性”），其零点残余电压产生的主要原因是________。答案：线性；线圈不对称或铁芯磁化曲线非线性5.压电效应分为________和________，其中________效应可用于制造超声波发生器。答案：正压电效应；逆压电效应；逆压电6.霍尔传感器的不等位电势是由于________引起的，可通过________方法减小。答案：霍尔电极安装不对称；调整电极位置或补偿电路7.热电阻传感器利用金属的________随温度变化的特性，常用材料有________和铜。答案：电阻率；铂8.光纤传感器的工作原理基于光的________效应，分为________型（功能型）和非功能型。答案：全反射；传感四、简答题（共30分）1.（6分，封闭型）简述电阻应变式传感器的工作原理及信号调理过程。答案：工作原理：被测力作用于弹性元件使其产生应变，粘贴在弹性元件上的应变片随弹性元件变形，其电阻值因几何尺寸变化（金属）或电阻率变化（半导体）而改变，通过电阻变化反映应变大小。信号调理过程：应变片接入电桥（如惠斯通电桥）将电阻变化转换为电压变化，经放大器放大，滤波器去除噪声，最终输出与被测量成比例的电信号。2.（6分，封闭型）比较变极距型与变面积型电容式传感器的优缺点。答案：变极距型：优点是灵敏度高（灵敏度与初始极距平方成反比）；缺点是非线性误差大（输出与Δd/d₀成非线性关系），测量范围小（Δd通常为d₀的1/10~1/100）。变面积型：优点是输出线性度好（电容变化与位移成线性关系），测量范围大；缺点是灵敏度较低（灵敏度与极板长度或角度成正比，与初始极距成反比）。3.（6分，开放型）设计一个基于光电传感器的自动计数系统，需考虑哪些关键因素？答案：需考虑：①光电传感器类型选择（透射式/反射式/漫反射式），根据被测物体的透明度、表面反射率决定；②光源波长与光电元件的匹配（如红外光抗可见光干扰）；③检测距离与传感器量程的匹配；④响应时间（需大于物体通过光轴的时间，避免漏计）；⑤抗干扰设计（如屏蔽环境光、滤光片、信号滤波）；⑥触发阈值设置（区分物体遮挡与无遮挡状态）。4.（6分，开放型）分析压电式传感器为何需要高输入阻抗前置放大器。答案：压电式传感器等效为电荷源（Q）与电容（C_a）并联，输出阻抗极高（约10¹²Ω）。若后续测量电路输入阻抗低，电荷会通过负载电阻快速泄漏，导致信号衰减。高输入阻抗前置放大器（如电荷放大器或电压跟随器）可减少电荷泄漏，保持信号幅值；同时，前置放大器可将高阻抗输出转换为低阻抗输出，便于后续电路处理。5.（6分，综合型）某温度控制系统需测量0~300℃的液体温度，可选传感器有PT100热电阻、K型热电偶、半导体温度传感器（如AD590），试分析选型依据并推荐方案。答案：选型依据：①测量范围：PT100（200~850℃）、K型热电偶（0~1300℃）、AD590（55~150℃），300℃在三者量程内；②精度：PT100精度高（0.1~0.5℃），K型热电偶（0.5~2℃），AD590（0.5~1℃）；③线性度：PT100和AD590线性好，K型热电偶需线性化处理；④环境适应性：液体测量需传感器耐腐蚀性，PT100通常封装为不锈钢，K型热电偶需保护套管，AD590为集成芯片，需防水；⑤信号调理：PT100需恒流源和电桥，K型热电偶需冷端补偿，AD590输出电流信号易处理。推荐方案：优先选择PT100热电阻，因其精度高、线性好，适合中低温（0~300℃）液体测量，配合恒流源和差分放大器即可实现高精度信号调理。五、应用题（共30分）1.（8分，计算类）某金属应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R₀=120Ω，粘贴在弹性模量E=2×10¹¹Pa的钢质构件上。当构件受拉应力σ=100MPa时，求应变片的电阻变化量ΔR。（提示：应变ε=σ/E）解：①计算应变：ε=σ/E=100×10⁶Pa/2×10¹¹Pa=5×10⁻⁴（500με）②电阻相对变化：ΔR/R₀=K·ε=2.0×5×10⁻⁴=1×10⁻³③电阻变化量：ΔR=R₀×(ΔR/R₀)=120Ω×0.001=0.12Ω答案：ΔR=0.12Ω2.（8分，计算类）一变极距型电容式传感器，初始极距d₀=1mm，极板面积A=3.14×10⁻⁴m²，ε=ε₀=8.85×10⁻¹²F/m。当极距减小Δd=0.1mm时，求：（1）初始电容C₀；（2）Δd=0.1mm时的电容C；（3）非线性误差δ（用百分比表示）。解：（1）初始电容C₀=εA/d₀=8.85×10⁻¹²×3.14×10⁻⁴/1×10⁻³≈2.78×10⁻¹²F=2.78pF（2）Δd=0.1mm时，d=d₀Δd=0.9mm=9×10⁻⁴m，C=εA/d=8.85×10⁻¹²×3.14×10⁻⁴/9×10⁻⁴≈3.09pF（3）理想线性电容变化量（按ΔC≈C₀Δd/d₀）：ΔC_ideal=C₀×(Δd/d₀)=2.78pF×(0.1/1)=0.278pF实际电容变化量：ΔC_real=CC₀=3.09pF2.78pF=0.31pF非线性误差δ=[(ΔC_realΔC_ideal)/ΔC_real]×100%≈[(0.310.278)/0.31]×100%≈10.3%答案：（1）2.78pF；（2）3.09pF；（3）约10.3%3.（8分，分析类）某压电式加速度传感器的灵敏度为10pC/g（g为重力加速度，1g=9.8m/s²），与电荷放大器连接，电荷放大器的反馈电容C_f=1000pF。当被测加速度为5g时，求电荷放大器的输出电压U_o（电荷放大器输出电压U_o=Q/C_f）。解：①传感器输出电荷Q=灵敏度×加速度=10pC/g×5g=50pC②输出电压U_o=Q/C_f=50pC/1000pF=0.05V答案：U_o=0.05V4.（6分，综合类）某压力测量系统使用差动电感式传感器（差动变压器），输出电压与位移成线性关系。当被测压力为0时，铁芯处于中间位置，输出电压为0；当压力为1MPa时，铁芯上移0.5mm，输出电压为+2V；当压力为1MPa（负压）时，铁芯下移0.5mm，输出电压为2V。现测得输出电压为+1.5V，求被测压力值，并画出输出电压与压力的关系曲线。解：①灵敏度S=输