(2025年)《传感器技术及应用》试题及答案

(2025年)《传感器技术及应用》试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种效应是压电式传感器的工作基础？A.热电效应B.压电效应C.霍尔效应D.压阻效应答案：B2.金属应变片的灵敏度系数主要取决于：A.金属材料的电阻率变化B.几何尺寸变化引起的电阻变化C.温度变化引起的电阻变化D.压阻效应引起的电阻变化答案：B（金属应变片的灵敏度系数K≈(1+2μ)，主要由几何形变引起）3.光电传感器中，能够将光强变化转换为电信号的核心元件是：A.光电二极管B.发光二极管C.光敏电阻D.光电耦合器答案：C（光敏电阻基于内光电效应，阻值随光强变化）4.热电偶的热电势由两部分组成，分别是：A.接触电势和温差电势B.塞贝克电势和珀尔帖电势C.汤姆逊电势和接触电势D.温差电势和珀尔帖电势答案：A（热电势=接触电势（不同材料接触）+温差电势（同一材料两端温差））5.以下不属于电容式传感器优点的是：A.动态响应好B.温度稳定性高C.结构简单D.测量范围大答案：D（电容式传感器量程较小，易受寄生电容干扰）6.霍尔传感器测量磁场时，输出电压与以下哪个参数无关？A.霍尔系数B.载流子浓度C.激励电流D.磁场强度答案：B（霍尔电压UH=KHIB，KH=1/(nq)，与载流子浓度n相关，因此B错误）7.以下哪种传感器属于有源传感器？A.应变片B.热电偶C.光敏电阻D.电容式位移传感器答案：B（有源传感器需外部电源，热电偶可直接输出电势）8.MEMS传感器的核心优势是：A.高精度B.低成本、微型化C.耐高温D.抗电磁干扰答案：B（MEMS基于微加工技术，实现微型化和批量生产）9.红外传感器用于气体检测时，主要利用的原理是：A.气体分子对特定波长红外光的吸收B.气体分子的热辐射C.气体分子的电离效应D.气体分子的荧光效应答案：A（如CO2检测利用4.26μm红外吸收）10.超声波传感器测距时，测量精度主要受以下哪个因素影响？A.超声波频率B.环境温度C.被测物体颜色D.传感器尺寸答案：B（声速v=331+0.6T，温度影响声速，进而影响距离计算）二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.传感器的静态特性指标包括：A.灵敏度B.线性度C.响应时间D.重复性答案：ABD（响应时间为动态特性指标）2.以下属于温度传感器的有：A.PT100热电阻B.K型热电偶C.DS18B20数字传感器D.石英谐振式传感器答案：ABC（石英谐振式传感器主要用于压力或加速度测量）3.光纤传感器的优点包括：A.抗电磁干扰B.电绝缘性好C.可远距离传输D.测量精度低答案：ABC（光纤传感器精度高，D错误）4.气体传感器的常用敏感材料有：A.二氧化锡（SnO2）B.铂（Pt）C.氧化锌（ZnO）D.硅（Si）答案：AC（SnO2、ZnO为半导体气敏材料，Pt用于催化燃烧式传感器）5.加速度传感器的常见类型包括：A.压电式B.压阻式C.电容式D.电感式答案：ABC（电感式加速度传感器较少见，主要用于大位移测量）三、填空题（每题2分，共20分）1.传感器一般由敏感元件、转换元件和__________三部分组成。答案：信号调理电路2.压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和__________三大类。答案：压电聚合物（如PVDF）3.应变片的灵敏度系数定义为__________与应变的比值。答案：电阻相对变化率（ΔR/R）4.热电阻传感器利用金属或半导体的__________随温度变化的特性工作。答案：电阻率5.霍尔效应中，霍尔电压与激励电流、磁场强度成正比，与__________成反比。答案：载流子浓度（或材料厚度）6.电容式传感器按测量参数可分为变极距型、变面积型和__________型。答案：变介电常数7.光电效应分为外光电效应、内光电效应和__________效应。答案：光生伏特8.热电偶的中间导体定律指出，在热电偶回路中接入第三种导体，只要__________，回路总热电势不变。答案：第三种导体两端温度相同9.MEMS加速度传感器通常基于__________原理，通过质量块的位移检测加速度。答案：电容检测（或压阻检测）10.红外传感器按工作原理分为热释电型和__________型。答案：光子（或量子）四、简答题（共25分）（一）封闭型简答题（每题5分，共10分）1.简述传感器静态特性中“迟滞”的定义及产生原因。答案：迟滞是指传感器在输入量增大（正行程）和减小（反行程）时，输出输入特性曲线不重合的现象。产生原因包括敏感元件材料的内摩擦、机械部件的间隙、电荷积累等不可逆因素。2.比较压阻式传感器与压电式传感器的工作原理及应用场景差异。答案：压阻式传感器基于半导体材料的压阻效应（电阻率随应力变化），需外部电源，适用于静态或低频动态测量（如压力、加速度）；压电式传感器基于压电材料的压电效应（应力→电荷），为无源传感器，适用于高频动态测量（如振动、冲击）。（二）开放型简答题（每题7.5分，共15分）3.某智能温室需要监测空气温度（20~50℃）、湿度（20%~90%RH）、光照强度（0~10万lux），请为每种参数选择合适的传感器类型，并说明选型依据。答案：温度：选择PT100热电阻（精度高，200~650℃量程覆盖需求）或DS18B20数字传感器（单总线接口，便于组网）。湿度：选择电容式湿度传感器（如SHT30），响应快（<5s），精度±2%RH，适用于温室环境。光照：选择硅光电池（响应光谱接近可见光）或光敏二极管（如TSL2561），量程覆盖0~10万lux，线性度好。选型依据需考虑量程匹配、精度要求（温室通常±0.5℃、±3%RH）、抗环境干扰（防潮、防尘）、接口兼容性（数字信号便于集成）。4.分析汽车碰撞检测系统中，加速度传感器的选型要求及信号处理流程。答案：选型要求：量程：需覆盖碰撞时的高加速度（通常±100g~±200g）；频响：高频响应（>1kHz）以捕捉瞬时冲击；精度：高分辨率（如16位ADC）确保触发阈值准确；可靠性：抗振动、耐高温（40~125℃）、EMC防护。信号处理流程：传感器输出模拟信号→低通滤波（去除高频噪声）→ADC采样→微控制器（MCU）计算加速度变化率（jerk）→与预设阈值比较→触发安全气囊或安全带预紧器。五、应用题（共20分）（一）计算题（每题5分，共10分）1.某金属应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R0=120Ω。当被测物体产生ε=5000με的应变时，求应变片的电阻变化量ΔR。答案：由灵敏度系数定义K=(ΔR/R0)/ε，得ΔR=K×R0×ε=2.0×120Ω×5000×10⁻⁶=1.2Ω。2.用K型热电偶（镍铬镍硅）测量某炉温，参考端温度T0=25℃，测得热电势E(T,T0)=33.28mV。查K型热电偶分度表（部分数据：25℃对应1.00mV，1000℃对应41.27mV，800℃对应33.28mV），求实际炉温T。答案：根据中间温度定律，E(T,0℃)=E(T,T0)+E(T0,0℃)=33.28mV+1.00mV=34.28mV。查分度表，34.28mV对应的温度约为820℃（插值计算：33.28mV对应800℃，34.70mV对应820℃，34.2833.28=1.00mV，(1.00/1.42)×20≈14℃，故T≈800+14=814℃，实际分度表精确值为813℃）。（二）分析题（5分）3.某电容式位移传感器测量范围0~1mm，极板初始间距d0=1mm，面积A=100mm²，介电常数ε=ε0=8.85×10⁻¹²F/m。当被测物体位移Δd=0.1mm（极板间距减小），求电容变化量ΔC，并分析变极距型电容传感器的非线性误差。答案：初始电容C0=εA/d0=8.85e12×100e6/1e3≈8.85×10⁻¹³F=0.885pF。位移后间距d=d0Δd=0.9mm，电容C=εA/d≈0.885pF×(1/0.9)≈0.983pF。ΔC=CC0≈0.098pF。非线性误差由电容与位移的倒数关系引起，近似为δ≈(Δd/d0)×100%=10%（实际公式δ≈(Δd/d0)/(1Δd/d0)×100%≈11.1%），因此变极距型传感器需限制Δd/d0<10%以降低非线性。（三）综合设计题（5分）4.设计一个基于传感器的智能家居环境监测系统，要求：（1）选择至少3类传感器；（2）说明信号采集与处理流程；（3）列出系统核心功能。答案：（1）传感器选型：温湿度传感器（SHT30，I2C接口，精度±0.3℃、±2%RH）；气体传感器（MQ135，检测CO2、VOC，模拟输出）；光照传感器（TSL2591，数字输出，量程0~880000lux）。（2）信号流程：传感器→ADC（气体传感器模拟信号转换）→微控制器（STM32，读取数字信号、处理模拟信号）→WiFi模块（E