2025年(电子信息)传感器技术试题及答案

2025年(电子信息)传感器技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列传感器中，基于压阻效应工作的是（）。A.石英晶体加速度计B.半导体应变片C.电容式压力传感器D.电感式位移传感器2.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程度的指标是（）。A.线性度B.灵敏度C.迟滞D.重复性3.热电偶传感器的工作原理基于（）。A.压电效应B.霍尔效应C.塞贝克效应D.光电效应4.电涡流式传感器主要用于测量（）。A.气体成分B.温度C.位移或厚度D.湿度5.光敏二极管在光照下的工作模式是（）。A.正向偏置B.反向偏置C.零偏置D.任意偏置6.下列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.易受寄生电容干扰7.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.金属材料的几何尺寸变化C.半导体材料的压阻效应D.弹性体的形变8.压电式传感器不能用于静态测量的原因是（）。A.压电材料静态下不产生电荷B.电荷易通过测量电路泄漏C.灵敏度随时间衰减D.输出信号频率过低9.霍尔传感器测量磁场时，输出电压与（）成正比。A.磁感应强度、控制电流B.磁感应强度、载流子浓度C.控制电流、载流子迁移率D.载流子浓度、温度10.光纤传感器中，用于测量压力的功能型光纤传感器主要利用（）。A.光强变化B.相位变化C.波长变化D.偏振态变化二、多项选择题（每题3分，共15分。每题至少2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.下列属于传感器静态特性指标的有（）。A.线性度B.频率响应C.迟滞D.重复性2.压电材料包括（）。A.石英晶体B.锆钛酸铅（PZT）C.半导体硅D.铌酸锂3.电容式传感器的常见结构形式有（）。A.变极距型B.变面积型C.变介电常数型D.变磁导率型4.光电传感器的组成部分通常包括（）。A.光源B.光学通路C.光电器件D.信号调理电路5.传感器信号调理电路的功能包括（）。A.放大微弱信号B.滤波去噪C.线性化补偿D.模数转换三、填空题（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.金属应变片的工作原理是______，半导体应变片的工作原理是______。3.热电偶的冷端补偿方法包括冰浴法、______和______。4.电感式传感器按转换原理可分为变磁阻式、______和______三类。5.压阻式传感器常用的半导体材料是______，其灵敏度系数约为金属应变片的______倍。四、简答题（共30分）1.（6分）简述压阻效应与压电效应的区别，各举一例应用传感器。2.（8分）说明电容式传感器的边缘效应及其补偿方法。3.（8分）比较热电偶与热电阻在温度测量中的优缺点。4.（8分）设计一个基于应变片的桥梁应力监测系统，需说明传感器选型、信号调理电路设计及误差补偿措施。五、应用题（共25分）1.（10分）某金属应变片的原始电阻R=120Ω，灵敏度系数S=2.0，当承受应变ε=1000με（1με=1×10⁻⁶）时，求电阻变化量ΔR；若将该应变片接入单臂电桥（桥压U=5V），求电桥输出电压U₀（电桥为等臂电桥，忽略非线性误差）。2.（15分）某压电式加速度传感器的电荷灵敏度S_q=20pC/g（g为重力加速度，取9.8m/s²），配套电荷放大器的反馈电容C_f=1000pF。当被测振动加速度为5g时，求电荷放大器的输出电压U₀（电荷放大器输入电阻极大，忽略泄漏）。若实测输出电压低于理论值，分析可能的误差来源（至少3种）。答案及解析一、单项选择题1.B（半导体应变片利用压阻效应，石英晶体为压电效应）2.C（迟滞描述正反行程的不一致性）3.C（塞贝克效应是热电偶的物理基础）4.C（电涡流传感器通过金属导体的涡流效应测位移、厚度等）5.B（光敏二极管反向偏置时，光照产生的光电流与光强成正比）6.D（易受寄生电容干扰是电容式传感器的缺点）7.B（金属应变片灵敏度主要由几何形变引起的电阻变化决定）8.B（压电传感器输出为电荷，静态下电荷易通过电路泄漏）9.A（霍尔电压U_H=K_HIB，K_H为霍尔系数，与控制电流I、磁感应强度B成正比）10.B（功能型光纤传感器利用光纤本身的特性变化，如压力引起的相位变化）二、多项选择题1.ACD（频率响应是动态特性指标）2.ABD（半导体硅主要用于压阻式传感器，非压电材料）3.ABC（变磁导率型属于电感式传感器）4.ABCD（光电传感器需光源、光路、光电器件及信号调理）5.ABC（模数转换属于后续处理，非调理电路核心功能）三、填空题1.转换元件2.金属应变效应；压阻效应3.补偿导线法；电桥补偿法4.差动变压器式；电涡流式5.单晶硅；50~100四、简答题1.压阻效应与压电效应的区别：压阻效应是半导体材料因应力作用引起电阻率变化的现象（如半导体应变片）；压电效应是某些晶体因机械应力作用在表面产生电荷的现象（如石英晶体加速度计）。二者本质区别：压阻效应为电阻率变化，压电效应为电荷产生。2.电容式传感器的边缘效应及补偿：边缘效应指极板边缘电场分布不均，导致实际电容与理想值偏差，降低灵敏度和线性度。补偿方法：①增加极板间距与面积比（但限制灵敏度）；②使用保护环结构，在极板周围设置辅助电极，屏蔽边缘电场；③采用差动结构，抵消部分边缘效应影响。3.热电偶与热电阻的优缺点比较：热电偶：优点是测量范围宽（200℃~2000℃）、响应快、结构简单；缺点是需要冷端补偿、输出信号微弱（mV级），需放大电路。热电阻：优点是测量精度高（尤其低温段）、输出信号大（Ω级变化）；缺点是测量范围较窄（200℃~850℃）、需恒流源供电，易受导线电阻影响（需三线制或四线制）。4.桥梁应力监测系统设计：传感器选型：选用金属箔式应变片（抗干扰强、稳定性好），粘贴于桥梁关键受力部位（如梁体底部）。信号调理电路：采用全桥差动电桥（提高灵敏度，抑制温度误差），配合仪用放大器（高共模抑制比）放大信号，后接低通滤波器（滤除环境噪声）。误差补偿：①温度补偿（采用补偿片粘贴于不受力的相同材料上，接入电桥邻臂）；②非线性补偿（通过软件查表或多项式拟合修正电桥输出）；③导线电阻补偿（采用三线制连接，消除导线电阻影响）。五、应用题1.应变片电阻变化与电桥输出计算：电阻变化量ΔR=S·R·ε=2.0×120Ω×1000×10⁻⁶=0.24Ω。单臂电桥输出电压（等臂电桥，忽略非线性）：U₀=(ΔR/(4R))·U=(0.24/(4×120))×5V=0.0025V=2.5mV。2.压电式加速度传感器输出电压及误差分析：电荷输出Q=S_q·a=20pC/g×5g=100pC。电荷放大器输出电压