2025年电气工程传感器技术与应用试题及答案

2025年电气工程传感器技术与应用试题及答案一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.以下传感器中，基于压阻效应工作的是（）。A.压电式加速度传感器B.扩散硅压力传感器C.电感式位移传感器D.电容式液位传感器2.某电阻应变片的灵敏度系数K=2.0，原电阻R=120Ω，当受到ε=5000με的应变时，其电阻变化量ΔR约为（）。A.0.6ΩB.1.2ΩC.2.4ΩD.3.0Ω3.为减小变极距型电容传感器的非线性误差，通常采用（）结构。A.单极板B.差动C.串联D.并联4.以下传感器中，属于发电型（能量转换型）传感器的是（）。A.热电偶B.热电阻C.光电二极管D.电感式接近开关5.霍尔传感器测量磁场时，若激励电流I=10mA，霍尔系数KH=20mV·mm²/(mA·T)，磁感应强度B=0.5T，霍尔元件厚度d=0.1mm，则输出霍尔电压UH为（）。A.10mVB.20mVC.50mVD.100mV6.光纤传感器中，用于测量温度的常见调制方式是（）。A.相位调制B.强度调制C.波长调制D.偏振调制7.MEMS加速度传感器的核心敏感结构通常是（）。A.悬臂梁质量块B.压电陶瓷片C.电感线圈D.电容极板对8.以下传感器中，不能直接测量转速的是（）。A.磁电式转速传感器B.电涡流式转速传感器C.热电偶D.光电编码器9.为提高传感器的抗干扰能力，信号调理电路中常用的措施不包括（）。A.屏蔽电缆B.共模抑制C.放大倍数无限增大D.接地设计10.智能传感器区别于传统传感器的核心特征是（）。A.具备数据处理与通信功能B.灵敏度更高C.体积更小D.测量范围更广二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，多选、错选不得分，少选得1分）1.以下属于电感式传感器的有（）。A.变气隙式自感传感器B.差动变压器式互感传感器C.电涡流式传感器D.压磁式传感器2.压电传感器适用于测量（）。A.静态力B.动态力C.高频振动D.直流压力3.光电传感器的常用光源包括（）。A.激光二极管（LD）B.发光二极管（LED）C.白炽灯D.X射线源4.传感器的静态特性指标包括（）。A.线性度B.灵敏度C.频率响应D.重复性5.物联网传感器的典型需求包括（）。A.低功耗B.高精度C.自组网能力D.单一功能三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.电阻应变片的灵敏度系数K定义为单位应变引起的________变化率。2.电容传感器的三种基本类型是变极距型、变面积型和________。3.热电偶的热电势由接触电势和________两部分组成。4.电涡流传感器的工作原理基于________效应。5.压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和________三大类。6.磁敏传感器中，________传感器对磁场的灵敏度高于霍尔传感器。7.传感器信号调理电路中，________放大器常用于抑制共模干扰，适用于差分信号放大。8.红外温度传感器通过检测物体辐射的________来测量温度。9.传感器的动态特性通常用________或频率响应函数来描述。10.智能传感器的核心组成包括敏感元件、信号处理单元和________。四、简答题（共4题，第13题每题6分，第4题7分，共25分）1.简述电阻应变片测量应变时，温度误差的产生原因及补偿方法。2.比较变极距型、变面积型电容传感器的优缺点，并说明各自适用场景。3.说明压电传感器为何不能用于静态测量，其后续信号调理电路通常采用哪两种类型？4.结合智能电网需求，分析传感器在其中的典型应用（至少列举3类传感器及对应的监测对象）。五、计算题（共2题，每题10分，共20分）1.某差动变压器式位移传感器的输出电压与位移的关系为：当位移x=0时，输出电压U=0；x=+1mm时，U=+50mV；x=1mm时，U=50mV。若测得输出电压为+30mV，求此时的位移值；若传感器的非线性误差为±1%FS（满量程为±2mm），求该位移值的最大可能误差。2.某压电式加速度传感器的电荷灵敏度SQ=10pC/g（g为重力加速度，取9.8m/s²），配接电荷放大器，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF。当被测加速度a=5g时，求电荷放大器的输出电压Uo（电荷放大器输出电压公式：Uo=Q/Cf，Q为传感器输出电荷）。六、综合应用题（共1题，10分）设计一个工业机器人手臂的位移检测系统，要求：（1）选择合适的位移传感器类型（需说明选择依据）；（2）设计信号调理电路的基本结构（需包含关键元件）；（3）提出至少2项抗干扰措施。参考答案与解析一、单项选择题1.B（扩散硅压力传感器利用半导体材料的压阻效应，即电阻率随应力变化；压电式传感器基于压电效应，属于发电型。）2.B（ΔR=K·R·ε=2.0×120Ω×5000×10⁻⁶=1.2Ω。）3.B（差动结构通过两个电容的反向变化抵消非线性项，减小误差。）4.A（热电偶直接将热能转换为电能，属于发电型；热电阻需外部电源，属于能量控制型。）5.A（UH=KH·I·B/d=20×10⁻³×10×10⁻³×0.5/(0.1×10⁻³)=0.01V=10mV。）6.C（光纤温度传感器常用波长调制（如FP腔）或强度调制（如荧光材料），但波长调制精度更高。）7.A（MEMS加速度传感器多采用微机械悬臂梁质量块结构，通过电容或压阻检测位移。）8.C（热电偶测量温度，无法直接测转速；光电编码器通过脉冲计数测转速。）9.C（放大倍数过大会引入噪声，需合理选择增益。）10.A（智能传感器集成CPU、存储器和通信模块，具备自校准、自诊断功能。）二、多项选择题1.ABCD（电感式传感器包括自感式、互感式（差动变压器）、电涡流式和压磁式（利用磁导率变化）。）2.BC（压电传感器的输出电荷会通过负载电阻泄漏，无法测量静态量，适用于动态力和高频振动。）3.ABC（X射线源用于射线检测，非光电传感器常用光源。）4.ABD（频率响应属于动态特性指标。）5.ABC（物联网传感器需低功耗以延长寿命，高精度满足监测需求，自组网实现数据传输，多功能集成更符合需求。）三、填空题1.电阻（ΔR/R与ε的比值）2.变介电常数型（如液位传感器通过介质变化测液位）3.温差电势（同一导体两端温度不同产生的电势）4.电磁感应（金属导体在交变磁场中产生涡流，影响线圈阻抗）5.高分子压电材料（如PVDF）6.磁阻（如AMR、GMR传感器灵敏度高于霍尔元件）7.仪用（三运放结构，高共模抑制比）8.红外辐射（波长0.76~1000μm的电磁波）9.阶跃响应（时域指标）10.通信接口（如I2C、SPI或无线模块）四、简答题1.温度误差原因：应变片的电阻随温度变化（电阻温度系数）；被测件与应变片材料热膨胀系数不同，导致虚假应变。补偿方法：电桥补偿法（采用补偿片与工作片处于同一温度场，接入电桥相邻臂）；温度自补偿应变片（选择特定材料使电阻温度系数与热膨胀系数匹配）。2.变极距型：优点是灵敏度高（与极距平方成反比）；缺点是非线性严重（Δd/d0需小于1/5~1/10），适用于小位移测量（如微位移检测）。变面积型：优点是线性度好（输出与位移成正比）；缺点是灵敏度较低（与极板宽度成正比），适用于较大位移测量（如角位移或线位移≥mm级）。3.不能测静态的原因：压电传感器的电荷会通过后续电路的泄漏电阻缓慢放电，静态力作用下输出电荷无法保持，导致信号衰减。信号调理电路：电荷放大器（将电荷转换为电压，输入阻抗极高，减少电荷泄漏）；电压放大器（需高输入阻抗运放，适用于高频信号）。4.智能电网应用：光纤电流传感器：监测高压输电线路电流（抗电磁干扰，绝缘性好）；温度传感器（如分布式光纤测温）：监测变压器、电缆接头温度（实时定位热点）；微振动传感器（如MEMS加速度计）：监测输电塔风振或舞动（预防倒塔事故）；气体传感器（如SF6传感器）：监测变电站六氟化硫气体浓度（保障设备安全）。五、计算题1.位移值计算：传感器灵敏度S=50mV/1mm=50mV/mm。输出U=+30mV时，位移x=U/S=30mV/(50mV/mm)=0.6mm。最大误差：满量程FS=2mm（±1mm范围，总量程2mm），非线性误差=±1%FS=±0.02mm。因此，位移值的最大可能误差为±0.02mm。2.电荷计算：Q=SQ×a=10pC/g×5g=50pC。输出电压：Uo=Q/Cf=50pC/1000pF=0.05V=50mV（负号表示相位相反，通常取绝对值）。六、综合应用题（1）传感器选择：选用差动变压器式位移传感器（LVDT）。依据：工业机器人手臂位移范围通常为几毫米至几十毫米，LVDT线性度高（≤0.5%）、精度高（可达μm级）、抗干扰能力强（输出为交流电压，便于调理），适合中程位移检测。（2）信号调理电路结构：基本结构包括：激励源：产生正弦波（如5kHz、3V），为LVDT初级线圈供电；相敏检波器：将次级线圈的交流输出转换为与位移方向相关的直流电压（需参考激励