2025年传感器原理与应用考试题目及答案

2025年传感器原理与应用考试题目及答案一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.以下关于传感器的定义，正确的是（）A.将非电信号转换为电信号的装置B.将电信号转换为非电信号的装置C.仅能测量物理量的装置D.仅能输出数字信号的装置2.传感器的静态特性中，描述输出量与输入量之间线性关系的参数是（）A.灵敏度B.线性度C.重复性D.迟滞3.金属应变片的工作原理基于（）A.压阻效应B.应变效应C.热电效应D.压电效应4.光电传感器中，光敏二极管利用的是（）A.外光电效应B.内光电效应C.光生伏特效应D.光电导效应5.变极距型电容式传感器的灵敏度与极距的关系是（）A.灵敏度与极距成正比B.灵敏度与极距成反比C.灵敏度与极距的平方成反比D.灵敏度与极距的平方成正比6.差动变压器式电感传感器的转换原理是（）A.自感变化B.互感变化C.涡流效应D.压磁效应7.热电偶能够产生热电势的必要条件是（）A.两热电极材料相同，两端温度不同B.两热电极材料不同，两端温度相同C.两热电极材料不同，两端温度不同D.两热电极材料相同，两端温度相同8.半导体气敏传感器主要用于检测（）A.液体浓度B.气体成分或浓度C.固体表面特性D.电磁辐射强度9.霍尔传感器的输出电压与（）成正比A.输入电流、磁感应强度、霍尔系数B.输入电流、磁感应强度、载流子浓度C.输入电压、磁感应强度、霍尔系数D.输入电压、磁感应强度、载流子浓度10.评价传感器动态特性的时域指标是（）A.截止频率B.固有频率C.上升时间D.通频带二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分。每题至少有2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.以下属于传感器动态特性评价指标的有（）A.阶跃响应的上升时间B.正弦输入的幅频特性C.线性度D.固有频率2.电容式传感器按结构可分为（）A.变极距型B.变面积型C.变介电常数型D.变磁导率型3.热电偶的热电势由（）组成A.塞贝克电势B.珀尔帖电势C.汤姆逊电势D.霍尔电势4.金属应变片的温度补偿方法包括（）A.电桥补偿法B.热敏电阻补偿法C.应变片自补偿法D.软件补偿法5.光电传感器的典型应用场景包括（）A.物体计数B.温度测量C.转速检测D.气体成分分析三、填空题（共10题，每题2分，共20分）1.传感器一般由______、转换元件和信号调理电路三部分组成。2.应变片的灵敏度系数K定义为______与应变ε的比值。3.热电阻常用的材料是______（写出一种）和铜。4.霍尔效应的数学表达式为______。5.压电材料可分为压电晶体、压电陶瓷和______三类。6.光纤传感器按光在光纤中的传播模式可分为单模光纤和______。7.气敏传感器检测气体时，通常需要______（如加热）以提高灵敏度。8.电感式传感器按转换原理可分为自感式、互感式和______。9.热电偶的冷端补偿方法包括冰浴法、______和软件补偿法。10.湿度传感器按输出信号可分为电阻式和______。四、简答题（共5题，其中13题为封闭型，45题为开放型，每题8分，共40分）1.简述压电传感器的工作原理及等效电路。2.应变式传感器的温度误差主要由哪些因素引起？常用的补偿方法有哪些？3.电容式传感器存在哪些主要缺点？如何改进？4.比较铂电阻、热电偶、半导体热敏电阻三种温度传感器的适用场景（从测量范围、精度、响应速度、成本等方面分析）。5.设计一个基于光电传感器的转速测量系统，画出原理框图并说明工作流程。五、应用题（共3题，第1题为计算题，第2题为分析题，第3题为综合题，共25分）1.（8分）某金属应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R0=120Ω。将其粘贴在弹性试件表面，当试件受拉产生应变ε=1500με时，求应变片的电阻变化量ΔR及相对变化量ΔR/R。2.（8分）某应变式称重传感器采用四臂电桥（全桥）测量，四个应变片均粘贴在弹性梁上（两个受拉，两个受压）。分析该传感器可能的误差来源，并提出至少3种补偿或减小误差的措施。3.（9分）设计一个温室环境监测系统，需检测温度、湿度、光照强度和CO₂浓度。要求：（1）为每种参数选择合适的传感器类型；（2）画出系统信号处理流程（包含传感器→信号调理→数据采集→显示/控制）；（3）说明信号调理环节的主要功能（如放大、滤波、线性化等）。答案及解析一、单项选择题1.A（传感器的核心功能是将非电信号转换为电信号）2.B（线性度描述输出输入的线性偏离程度）3.B（金属应变片基于应变效应，半导体应变片基于压阻效应）4.C（光敏二极管利用光生伏特效应，光敏电阻利用光电导效应）5.C（变极距型电容公式C=εA/d，灵敏度S=dC/dd=εA/d²，与d²成反比）6.B（差动变压器是互感式电感传感器，通过互感变化产生感应电动势）7.C（热电偶需两种不同材料，且两端温度不同才能产生热电势）8.B（气敏传感器专门用于气体检测）9.A（霍尔电压UH=KHIB，其中KH为霍尔系数）10.C（上升时间是时域动态指标，截止频率、通频带是频域指标）二、多项选择题1.ABD（线性度是静态特性指标）2.ABC（变磁导率型属于电感式传感器）3.ABC（霍尔电势是霍尔传感器的原理，与热电偶无关）4.ACD（热敏电阻补偿法属于电桥补偿的一种具体形式，通常归类为电桥补偿法）5.AC（温度测量常用热电阻/热电偶，气体成分分析常用气敏传感器）三、填空题1.敏感元件2.电阻相对变化量ΔR/R3.铂（或铂电阻）4.UH=KHIB（或UH=RHIB/d，其中KH=RH/d）5.压电聚合物（或有机压电材料）6.多模光纤7.加热（或温度激励）8.电涡流式9.补偿电桥法（或恒温法）10.电容式四、简答题1.压电传感器工作原理：利用压电材料的压电效应（正压电效应：机械应力→电荷；逆压电效应：电场→形变），当外界应力作用于压电片时，表面产生电荷，实现力电转换。等效电路：压电传感器可等效为电荷源（Q=dF，d为压电系数，F为外力）与电容Cp并联；若考虑引线电容Cc和放大器输入电容Ci，则总电容为Cp+Cc+Ci；实际应用中常用电压放大器时，等效为电压源（U=Q/C总）与电容C总串联。2.温度误差来源：①应变片电阻随温度变化（热阻效应）；②试件与应变片材料热膨胀系数不同，导致附加应变。补偿方法：①电桥补偿法（采用补偿片，与工作片处于同一温度场但不受力）；②应变片自补偿法（选择特定敏感栅材料，使热阻变化与热膨胀引起的电阻变化相互抵消）；③软件补偿（通过温度传感器实时测量环境温度，修正应变值）。3.主要缺点：①输出阻抗高，负载能力差（需高输入阻抗放大器）；②寄生电容影响大（引线电容、极板与周围物体电容干扰）；③非线性（变极距型尤其明显）。改进措施：①采用驱动电缆技术（引线与屏蔽层等电位，减小寄生电容）；②差动结构（提高灵敏度，减小非线性）；③集成化设计（缩短引线，降低寄生电容）；④使用运算放大器构成闭环测量电路（提高负载能力）。4.适用场景比较：铂电阻：测量范围200~850℃，精度高（0.1~0.5℃），稳定性好，成本较高，适用于高精度、中低温测量（如实验室、工业过程控制）。热电偶：测量范围200~2000℃，量程宽，响应快（毫秒级），但精度较低（1~5℃），需冷端补偿，适用于高温、恶劣环境（如熔炉、发动机）。半导体热敏电阻：测量范围50~300℃，灵敏度高（电阻变化率大），响应快（毫秒级），但线性差、量程窄、稳定性低，适用于低成本、小范围温度检测（如家电、医疗设备）。5.原理框图：光源→调制器→被测旋转体（带反光标记）→光电接收器→信号处理→显示/计数器。工作流程：光源发出恒定光，经调制器（如狭缝）形成脉冲光；旋转体上每转一周，反光标记反射一次光，光电接收器（如光敏二极管）输出一个电脉冲；信号处理电路（放大、整形）将脉冲转换为方波，计数器统计单位时间内脉冲数，计算转速（转速=脉冲数×60/(齿数×时间)）。五、应用题1.计算过程：由灵敏度系数定义K=(ΔR/R)/ε，得ΔR/R=K·ε=2.0×1500×10⁻⁶=0.003；ΔR=R0·(ΔR/R)=120Ω×0.003=0.36Ω。答案：ΔR=0.36Ω，ΔR/R=0.3%。2.误差来源：①温度误差（应变片热阻效应、试件与应变片热膨胀差异）；②非线性误差（电桥输出与应变的非线性关系，尤其大应变时）；③横向效应（应变片敏感栅横向部分对纵向应变的响应，导致测量误差）；④蠕变与松弛（应变片胶层随时间产生的变形）；⑤零点漂移（电桥初始不平衡、放大器噪声）。补偿措施：①采用全桥四臂工作（两个受拉片、两个受压片，温度引起的电阻变化相互抵消）；②选择横向效应小的应变片（如箔式应变片）；③对电桥输出进行线性化补偿（如软件查表修正）；④增加温度传感器实时监测环境温度，通过软件修正应变值；⑤选用低漂移放大器，优化电桥供电稳定性。3.（1）传感器选型：温度：铂电阻（如Pt100，高精度）或热电偶（如K型，宽量程）；湿度：电容式湿度传感器（如HS1101，响应快）；光照强度：光电二极管（如硅光电池，线性好）或光敏电阻（低成本）；CO₂浓度：红外气体传感器（NDIR型，精度高，抗干扰强）。（2）信号处理流程：传感器→信号调理（放大/滤波/线性化）→数据采集（A/D转换）→微控制器（数据处理）→显示（LCD/LED）/控制（继电器/变频器）。（3）信号调理