2025年传感器技术模拟测试题及答案

2025年传感器技术模拟测试题及答案一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.以下关于传感器的定义，最准确的是（）A.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B.仅能将物理量转换为电信号的装置C.用于检测温度、压力的专用仪器D.具有数据处理功能的智能设备2.应变片的灵敏度系数K定义为（）A.电阻变化率与应变的比值B.应变与电阻变化率的比值C.输出电压与输入力的比值D.温度变化与电阻变化的比值3.热电偶的热电势主要由（）组成A.接触电势和温差电势B.霍尔电势和压电电势C.压阻电势和光电势D.磁阻电势和电容变化电势4.压阻式传感器的核心物理效应是（）A.半导体材料的电阻率随应力变化B.金属材料的电阻随应变变化C.压电材料的电荷随压力变化D.电容极板间距随压力变化5.以下属于光电传感器的是（）A.热释电红外传感器B.热电偶C.压阻式压力传感器D.电感式位移传感器6.气敏传感器检测甲烷气体时，常用的敏感材料是（）A.SnO₂（二氧化锡）B.压电陶瓷C.光纤D.铂电阻7.霍尔传感器的输出电压与（）成正比A.磁感应强度和控制电流B.温度和压力C.应变和电阻率D.电容和频率8.光纤传感器的主要优势不包括（）A.抗电磁干扰B.耐高温高压C.信号传输距离短D.耐腐蚀9.MEMS传感器的核心制造技术是（）A.微机电系统加工工艺B.传统机械加工C.手工组装D.化学气相沉积10.红外传感器按探测机理可分为（）A.光子型和热型B.主动型和被动型C.接触式和非接触式D.模拟型和数字型11.电容式传感器测量位移时，变面积型的输出特性为（）A.线性B.非线性C.指数型D.对数型12.以下不属于传感器静态特性参数的是（）A.线性度B.响应时间C.灵敏度D.迟滞13.压电式传感器适用于测量（）A.动态力或加速度B.静态压力C.直流电压D.恒定温度14.磁阻传感器的工作原理基于（）A.材料电阻率随磁场变化B.电磁感应定律C.霍尔效应D.压磁效应15.生物传感器的关键组件是（）A.生物敏感膜和信号转换器B.微处理器和显示屏C.电池和外壳D.光纤和光源二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，多选、错选不得分）1.传感器的动态特性指标包括（）A.上升时间B.超调量C.线性度D.稳态误差2.MEMS传感器的特点包括（）A.微型化B.集成化C.高成本D.批量生产3.光纤传感器可用于检测的物理量有（）A.温度B.位移C.磁场D.湿度4.半导体气敏传感器的工作条件通常需要（）A.加热至一定温度B.光照C.施加偏置电压D.暴露于真空环境5.智能传感器的功能包括（）A.自校准B.自诊断C.数据处理D.单一参数检测三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.传感器一般由敏感元件、__________和转换电路三部分组成。2.应变片的温度误差补偿方法主要有__________补偿法和电桥补偿法。3.热电偶的冷端温度补偿方法包括冰浴法、__________和电桥补偿法。4.压电材料分为压电晶体和__________两大类。5.电感式传感器按转换原理可分为变磁阻式、__________和涡流式。6.光电效应分为外光电效应、__________和光生伏特效应。7.气敏传感器的响应时间是指从接触被测气体到输出达到__________所需的时间。8.霍尔元件的不等位电势是由于__________不一致引起的。9.光纤的基本结构由纤芯、__________和涂覆层组成。10.生物传感器中，常用的生物敏感材料有酶、抗体、__________等。四、简答题（共5题，第13题每题6分，第45题每题8分，共34分）1.（封闭型）简述传感器线性度的定义及计算方法。2.（封闭型）说明压电式传感器不能用于静态测量的原因。3.（封闭型）列举三种常见的温度传感器，并简述其工作原理。4.（开放型）分析5G通信技术对传感器发展的新需求（至少3点）。5.（开放型）对比传统传感器与智能传感器的差异（从功能、结构、应用场景三方面说明）。五、应用题（共3题，第1题8分，第2题10分，第3题13分，共31分）1.（计算类）某金属应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R₀=120Ω。当被测应变ε=1000με（1με=1×10⁻⁶）时，求应变片的电阻变化量ΔR。若将该应变片接入单臂电桥（电源电压U=5V，其余桥臂电阻均为120Ω），求电桥的输出电压U₀。（提示：电桥输出公式U₀≈(U/4)(ΔR/R₀)）2.（分析类）某电感式位移传感器在实际应用中出现非线性误差，试分析可能的误差来源（至少3点），并提出对应的补偿措施。3.（综合类）设计一个基于MEMS的汽车轮胎压力监测系统（TPMS），要求说明系统的核心组件（至少5个）、各组件的功能及信号传输流程。答案及解析一、单项选择题1.A（传感器的标准定义是能感受被测量并转换为可用输出信号的器件）2.A（灵敏度系数K=ΔR/(R₀·ε)，即电阻变化率与应变的比值）3.A（热电偶热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势组成）4.A（压阻效应是半导体电阻率随应力变化的现象）5.A（热释电红外传感器利用红外辐射引起的热电效应，属于光电传感器）6.A（SnO₂是常用的甲烷检测气敏材料）7.A（霍尔电压U_H=K_H·I·B，与控制电流I和磁感应强度B成正比）8.C（光纤传感器信号传输距离远，抗干扰能力强）9.A（MEMS基于微机电系统加工工艺，如光刻、刻蚀等）10.A（红外传感器按机理分为光子型（量子型）和热型（热敏型））11.A（变面积型电容传感器的电容C=εA/d，A为变量时输出线性）12.B（响应时间属于动态特性参数）13.A（压电传感器依赖电荷积累，静态力会导致电荷泄漏，适用于动态测量）14.A（磁阻效应指材料电阻率随磁场变化的现象）15.A（生物传感器由生物敏感膜（识别被测物）和信号转换器（转换为电信号）组成）二、多项选择题1.ABD（线性度是静态特性，动态特性包括上升时间、超调量、稳态误差等）2.ABD（MEMS传感器因批量生产成本低，故C错误）3.ABCD（光纤传感器可通过调制检测温度、位移、磁场、湿度等多种物理量）4.AC（半导体气敏传感器需加热激活表面反应，并施加偏置电压检测电阻变化）5.ABC（智能传感器具备自校准、自诊断、数据处理功能，可检测多参数）三、填空题1.转换元件2.温度自3.补偿导线法4.压电陶瓷（或压电聚合物）5.变压器式（或互感式）6.内光电效应（或光电导效应）7.稳定值的90%（或设定阈值）8.霍尔电极安装位置（或电极对称性）9.包层10.微生物（或DNA、细胞）四、简答题1.线性度定义：传感器实际输出输入特性曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与满量程输出的百分比。计算方法：①选择拟合直线（如最小二乘法、端点连线法）；②计算实际曲线与拟合直线的最大偏差ΔL_max；③线性度=ΔL_max/满量程输出×100%。2.原因：压电式传感器的工作原理是基于压电材料的压电效应（应力→电荷）。当测量静态力时，电荷会通过传感器内部的绝缘电阻和测量电路的输入电阻缓慢泄漏，导致输出信号逐渐衰减直至为零，无法稳定反映静态量。因此仅适用于动态测量（如振动、冲击）。3.①热电偶：基于塞贝克效应，两种不同材料的导体组成闭合回路，两端温度差产生热电势，通过测量热电势反推温度；②铂电阻（RTD）：利用铂金属的电阻随温度升高而线性增大的特性，通过测量电阻值确定温度；③热敏电阻：采用半导体材料（如金属氧化物），电阻随温度变化显著（正或负温度系数），通过电桥测量电阻变化。4.①高速数据传输需求：5G的高带宽（eMBB）要求传感器支持高频采样（如工业传感器需μs级采样），以满足实时数据传输；②低时延要求：5G的uRLLC场景（如自动驾驶）需要传感器响应时间≤1ms，推动传感器信号处理集成化（如边缘计算）；③大规模连接（mMTC）：5G支持百万级设备/平方公里，要求传感器低功耗（如NBIoT兼容传感器）、低成本（如MEMS批量生产）；④高精度同步：5G的时间敏感网络（TSN）需要传感器时钟同步精度达ns级，促进传感器内置高精度时钟模块。5.①功能：传统传感器仅实现信号转换（物理量→电信号）；智能传感器集成微处理器，具备自校准、自诊断、数据融合、通信（如485/CAN）等功能。②结构：传统传感器由敏感元件+转换电路组成；智能传感器增加MCU、存储单元（EEPROM）、通信接口（如I²C），部分集成A/D转换器。③应用场景：传统传感器用于简单检测（如工业温度计）；智能传感器用于复杂系统（如工业物联网、智能汽车），支持多参数监测、远程控制及故障预警。五、应用题1.计算过程：①ΔR=K·R₀·ε=2.0×120Ω×1000×10⁻⁶=0.24Ω②电桥输出U₀≈(U/4)(ΔR/R₀)=(5V/4)(0.24Ω/120Ω)=(1.25V)(0.002)=0.0025V=2.5mV答案：ΔR=0.24Ω，U₀=2.5mV2.误差来源及补偿措施：①铁芯非线性磁化：电感式传感器的磁路中，铁芯在高磁场下会饱和，导致电感与位移的非线性关系。补偿措施：选用高磁导率、低饱和磁感应强度的材料（如坡莫合金），或限制工作在铁芯的线性磁化区域。②线圈分布电容影响：线圈的寄生电容会改变电感的等效阻抗，尤其在高频下导致输出非线性。补偿措施：采用屏蔽线减少分布电容，或在电路中加入补偿电容抵消寄生效应。③激励电源不稳定：交流激励电压的幅值或频率波动会导致电感输出信号失真。补偿措施：使用稳压稳频电源（如锁相环控制的正弦波发生器），或在电路中加入自动增益控制（AGC）模块。3.系统设计：核心组件及功能：①MEMS压力传感器：采用压阻式或电容式MEMS芯片，集成在轮胎内部，检测胎内气压（量程01000kPa，精度±1%FS）。②MEMS温度传感器：与压力传感器集成（多参数芯片），监测胎温（40℃~125℃），用于气压的温度补偿（理想气体定律P/T=常数）。③微控制器（MCU）：如ARMCortexM0，负责读取传感器数据、执行校准算法（如温度补偿公式P_comp=P_raw×(T_ref+273.15)/(T_raw+273.15)）、控制无线发射。④无线发射器（RFTransmitter）：采用433MHz或2.4GHz频段（符合ISO21