2025年传感器技术及应用试卷及答案

2025年传感器技术及应用试卷及答案一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.以下关于传感器定义的描述中，正确的是（）A.传感器仅能将非电信号转换为电信号B.传感器是能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置C.传感器的输出信号只能是模拟信号D.传感器的敏感元件与转换元件必须为同一物理结构2.某压阻式压力传感器的敏感元件采用单晶硅材料，其工作原理主要基于（）A.压电效应B.压阻效应C.应变效应D.热电效应3.下列哪种传感器属于有源型传感器？（）A.电阻应变式传感器B.热电偶C.电感式传感器D.电容式传感器4.衡量传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，输出输入特性曲线不一致的程度，称为（）A.重复性B.迟滞C.线性度D.灵敏度5.光纤传感器中，用于测量温度的分布式光纤传感器通常基于（）A.瑞利散射B.拉曼散射C.布里渊散射D.荧光效应6.某位移传感器的量程为0~100mm，输出电压范围为0~5V。当输入位移为30mm时，理想输出电压应为（）A.1.5VB.2VC.2.5VD.3V7.以下关于MEMS传感器的描述，错误的是（）A.基于微机电系统技术制造B.体积小、功耗低C.仅适用于加速度测量D.可集成多种敏感元件8.热电偶的热电势由（）组成A.接触电势与温差电势B.接触电势与应变电势C.温差电势与压阻电势D.应变电势与压阻电势9.气体传感器中，用于检测甲烷的催化燃烧式传感器主要通过（）原理工作A.气体与敏感材料发生氧化还原反应导致电阻变化B.气体燃烧产生热量改变温度C.气体吸附引起表面电势变化D.气体分子与光发生相互作用10.电感式传感器中，变气隙式电感传感器的灵敏度与气隙初始长度的关系为（）A.灵敏度与初始气隙长度成正比B.灵敏度与初始气隙长度成反比C.灵敏度与初始气隙长度的平方成正比D.灵敏度与初始气隙长度的平方成反比11.下列哪种传感器可用于非接触式测量物体表面温度？（）A.热电阻B.热电偶C.红外辐射温度计D.光纤光栅传感器12.压电器件的工作模式中，“d33”表示（）A.沿3轴方向施加电场时，在3轴方向产生的应变B.沿3轴方向施加应力时，在3轴方向产生的电荷C.沿3轴方向施加电场时，在1轴方向产生的应变D.沿1轴方向施加应力时，在3轴方向产生的电荷13.电容式传感器中，为消除寄生电容干扰，通常采用（）A.屏蔽线+驱动电缆技术B.增加电容极板面积C.减小极板间距D.采用差动结构14.霍尔传感器的输出电压与（）成正比A.输入电流与磁感应强度的乘积B.输入电流与磁感应强度的比值C.输入电流的平方与磁感应强度的乘积D.输入电流与磁感应强度的平方的乘积15.以下关于生物传感器的描述，正确的是（）A.仅能检测生物分子B.由生物识别元件和信号转换元件组成C.不涉及化学反应用于信号转换D.无法集成到可穿戴设备中二、多项选择题（共10题，每题3分，共30分。每题至少有2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.传感器的静态特性指标包括（）A.灵敏度B.频率响应C.线性度D.迟滞2.以下属于数字式传感器的有（）A.光栅传感器B.编码器C.电容式传感器（未模数转换）D.振弦式传感器3.压阻式传感器与应变式传感器的区别包括（）A.敏感材料不同（单晶硅vs金属应变片）B.工作原理不同（压阻效应vs应变效应）C.灵敏度不同（压阻式更高）D.温度稳定性相同4.光纤传感器的优点包括（）A.抗电磁干扰B.耐腐蚀C.可实现分布式测量D.成本极低5.热电阻传感器常用材料有（）A.铂B.铜C.镍D.单晶硅6.气体传感器的主要类型包括（）A.半导体式B.催化燃烧式C.电化学式D.红外式7.电感式传感器的常见类型有（）A.变气隙式B.变面积式C.螺管式D.差动变压器式8.压电传感器可测量的物理量包括（）A.加速度B.力C.静态压力D.振动9.传感器信号调理电路通常包括（）A.放大电路B.滤波电路C.模数转换电路D.稳压电路10.物联网中常用的传感器包括（）A.温湿度传感器B.加速度传感器C.气体传感器D.图像传感器三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.传感器的基本组成通常包括敏感元件、________和转换电路三部分。2.衡量传感器对输入量微小变化敏感程度的指标是________。3.应变式传感器中，金属应变片的灵敏度系数K主要由________和几何尺寸变化两部分决定。4.热电偶的参考端温度补偿方法中，________是通过在热电偶回路中串入一个补偿电桥，利用电桥输出电压抵消参考端温度变化的影响。5.电容式传感器的三种基本类型为变极距式、变面积式和________。6.霍尔传感器的误差主要包括温度误差、________和不等位电势误差。7.MEMS加速度传感器通常基于________原理，通过检测质量块的位移来测量加速度。8.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。9.气体传感器中，半导体式传感器的敏感材料通常为________（如SnO₂、ZnO）。10.传感器的动态特性是指其对________输入信号的响应特性。四、简答题（共5题，每题6分，共30分）1.简述电阻应变片的温度误差来源及补偿方法。2.比较压电式传感器与压阻式传感器的工作原理及适用场景。3.说明光纤光栅传感器的基本工作原理，并列举其在工程监测中的一个应用实例。4.解释电感式传感器中差动结构的作用，并说明其对灵敏度和线性度的影响。5.简述传感器信号调理中“隔离放大”的作用及常用实现方式。五、计算题（共3题，每题10分，共30分）1.某电阻应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R₀=120Ω。当被测构件产生ε=1500με的应变时，求应变片的电阻变化量ΔR及相对变化率ΔR/R₀。（1με=1×10⁻⁶）2.一热电偶的热电势与温度的关系为E(T,T₀)=a(TT₀)+b(TT₀)²，其中a=40μV/℃，b=0.05μV/℃²。已知参考端温度T₀=25℃，测得热电势E=3.2mV，求被测温度T。3.某变极距式电容传感器的初始极板间距d₀=0.2mm，极板面积A=50mm²，真空介电常数ε₀=8.85×10⁻¹²F/m，相对介电常数εᵣ=1。当极板间距减小Δd=0.02mm时，求电容变化量ΔC及灵敏度S（灵敏度定义为ΔC/Δd）。六、综合应用题（共2题，每题15分，共30分）1.设计一个基于传感器的智能温室环境监测系统，要求：（1）列出需要监测的关键环境参数；（2）选择对应的传感器类型并说明理由；（3）画出系统架构示意图（文字描述即可）；（4）提出数据传输与处理的基本方案。2.某汽车胎压监测系统（TPMS）需要实时检测轮胎压力和温度。请：（1）分析胎压传感器的性能要求（如量程、精度、工作温度范围）；（2）选择适合的压力传感器类型（如电容式、压阻式、压电式）并说明理由；（3）设计温度补偿方案以提高测量精度；（4）提出无线传输模块的选型依据（如传输距离、功耗、抗干扰能力）。参考答案一、单项选择题1.B2.B3.B4.B5.B6.A7.C8.A9.B10.D11.C12.B13.A14.A15.B二、多项选择题1.ACD2.ABD3.ABC4.ABC5.ABC6.ABCD7.ABCD8.ABD9.ABCD10.ABCD三、填空题1.转换元件2.灵敏度3.材料电阻率变化4.电桥补偿法5.变介电常数式6.霍尔效应副效应7.惯性力8.非功能型9.金属氧化物半导体10.动态四、简答题1.温度误差来源：①应变片电阻随温度变化（热阻效应）；②被测构件与应变片材料线膨胀系数不同引起的附加应变。补偿方法：①电桥补偿法（利用工作片与补偿片处于同一温度场）；②温度自补偿应变片（通过选择特定敏感栅材料匹配线膨胀系数）；③电路补偿（如在桥路中接入热敏电阻调整桥压）。2.工作原理：压电式基于压电材料的压电效应（机械能→电能），仅适用于动态测量；压阻式基于半导体材料的压阻效应（应力→电阻率变化），可测静态和动态。适用场景：压电式用于振动、冲击测量（如加速度传感器）；压阻式用于静态压力测量（如汽车胎压监测）。3.原理：光纤光栅通过紫外光在光纤芯层写入周期性折射率调制，反射特定波长（布拉格波长λ_B=2nΛ，n为纤芯折射率，Λ为光栅周期）。当温度或应力变化时，n和Λ改变，λ_B漂移，通过检测波长偏移量实现测量。应用实例：桥梁索力监测（将光纤光栅传感器粘贴于钢索表面，通过波长变化监测应力）。4.差动结构作用：抵消温度等共模干扰，提高灵敏度，改善线性度。影响：灵敏度提高约1倍（变气隙式差动传感器灵敏度为单线圈的2倍）；线性度提升（非线性误差从约±10%降至±1%以内）。5.作用：隔离传感器与后续电路的地电位差，抑制共模干扰，保护电路免受高压冲击。实现方式：①电磁隔离（变压器耦合，用于交流信号）；②光电隔离（光耦合器，用于数字或调制后的模拟信号）；③电容隔离（高频信号）。五、计算题1.解：ΔR/R₀=K·ε=2.0×1500×10⁻⁶=3×10⁻³ΔR=R₀·ΔR/R₀=120×3×10⁻³=0.36Ω答案：ΔR=0.36Ω，ΔR/R₀=0.3%2.解：代入T₀=25℃，E=3.2mV=3200μV，得方程：40(T25)+0.05(T25)²=3200令x=T25，方程化简为0.05x²+40x3200=0解得x=[40±√(40²+4×0.05×3200)]/(2×0.05)（取正根）x=[40±√(1600+640)]/0.1=[40±√2240]/0.1≈[40+47.33]/0.1≈73.3℃T=25+73.3=98.3℃答案：T≈98.3℃3.解：初始电容C₀=ε₀εᵣA/d₀=8.85×10⁻¹²×1×50×10⁻⁶/(0.2×10⁻³)=2.2125×10⁻¹¹F=22.125pF极板间距减小后d=d₀Δd=0.18mm，电容C=ε₀A/d=8.85×10⁻¹²×50×10⁻⁶/(0.18×10⁻³)=2.4722×10⁻¹¹F=24.722pFΔC=CC₀≈2.597pF（或用微分近似ΔC≈C₀Δd/d₀=22.125×(0.02)/0.2=2.2125pF，因Δd较小，近似值与实际值接近）灵敏度S=ΔC/Δd≈2.2125pF/0.02mm=110.625pF/mm答案：ΔC≈2.21pF（或2.6pF，视近似方法），S≈110.6pF/mm六、综合应用题1.智能温室监测系统设计（1）关键参数：温度（0~50℃）、湿度（20%~95%RH）、光照强度（0~100klx）、CO₂浓度（300~2000ppm）、土壤湿度（5%~90%）。（2）传感器选择：①温度：数字式DS18B20（单总线、高精度）；②湿度：电容式SHT30（集成温湿度，抗干扰）；③光照：光敏电阻/硅光电池（宽量程）；④CO₂：红外式（NDIR，长期稳定）；⑤土壤湿度：频域反射（FDR）传感器（抗盐碱）。（3）系统架构：传感器节点→无线传输模块（ZigBee/LoRa）→网关→云平台（存储、分析）→终端（手机/PC显示+报警）。（4）数据处理：设定阈值（如温度>35℃报警），通过机器学习预测作物需水周期，联动执行器（风机、灌溉系统）。2.汽车TPMS设计（1）性能要求：量程0~1000kPa（覆盖胎压200~350kPa+安全裕度）；精度±1