(2025年)《传感器技术及应用》考试试题(含答案)

(2025年)《传感器技术及应用》考试试题(含答案)一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是最符合题目要求的）1.下列关于传感器静态特性的描述中，错误的是（）A.线性度是指传感器输出输入特性曲线与理想直线的偏离程度B.灵敏度是输出变化量与输入变化量的比值C.迟滞反映传感器在正、反行程中输出输入特性曲线的不重合程度D.重复性是指传感器在不同输入速率下输出特性的一致程度2.电阻应变片的工作原理基于（）A.压电效应B.压阻效应C.应变效应D.热电效应3.压电传感器不能用于静态测量的主要原因是（）A.压电材料的居里点较低B.电荷容易通过测量电路泄漏C.输出信号内阻过小D.灵敏度随温度变化显著4.热电偶测温时，采用补偿导线的主要目的是（）A.提高测量精度B.延长热电极长度C.降低环境温度影响D.简化冷端温度补偿5.变间隙式电容传感器的灵敏度与初始间隙的关系为（）A.灵敏度与初始间隙成正比B.灵敏度与初始间隙成反比C.灵敏度与初始间隙的平方成正比D.灵敏度与初始间隙的平方成反比6.霍尔传感器的输出电压与（）成正比A.输入电流与磁感应强度的乘积B.输入电流与磁感应强度的比值C.输入电流的平方与磁感应强度的乘积D.输入电流与磁感应强度的平方的乘积7.光纤传感器中，利用外界信号引起光纤折射率变化的调制方式属于（）A.强度调制B.相位调制C.频率调制D.偏振调制8.下列气体传感器中，适用于检测易燃易爆气体的是（）A.电化学气体传感器B.半导体气体传感器C.红外气体传感器D.催化燃烧式气体传感器9.智能传感器与传统传感器的核心区别在于（）A.具备更高的灵敏度B.集成了微处理器或通信模块C.采用新型敏感材料D.能够直接输出数字信号10.电感式传感器中，差动式结构相比单线圈结构的主要优势是（）A.降低非线性误差B.提高测量范围C.简化电路设计D.减少温度漂移二、多项选择题（本大题共5小题，每小题3分，共15分。在每小题给出的四个选项中，至少有两项是符合题目要求的，错选、多选、少选均不得分）11.传感器动态特性的评价指标包括（）A.时间常数B.固有频率C.线性度D.阻尼比12.光电传感器的常见类型包括（）A.透射式B.反射式C.漫反射式D.涡流式13.下列属于磁敏传感器的有（）A.霍尔传感器B.磁阻传感器C.电感式传感器D.电涡流传感器14.设计压力测量系统时，选择压阻式传感器的优点包括（）A.灵敏度高B.测量范围宽C.温度稳定性好D.易于集成15.物联网中传感器节点的关键技术需求包括（）A.低功耗设计B.高精度测量C.无线通信能力D.抗干扰能力三、填空题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。请将答案填写在横线处）16.传感器的基本组成包括敏感元件、__________和信号调理电路。17.金属电阻应变片的灵敏度系数主要由__________变化和电阻率变化共同决定。18.压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和__________三大类。19.热电偶的测温原理基于__________效应，其热电势由接触电势和温差电势组成。20.电容式传感器按工作原理可分为变面积式、变间隙式和__________式三种类型。21.电涡流传感器的测量原理基于__________效应和集肤效应。22.光电编码器按编码方式可分为增量式和__________式两类。23.气敏传感器的主要性能指标包括灵敏度、选择性、__________和稳定性。24.智能传感器的典型功能包括自校准、自诊断、__________和数据处理。25.传感器标定的目的是确定其__________特性和动态特性的定量关系。四、简答题（本大题共5小题，其中第2628题为封闭型，第2930题为开放型，共25分）26.简述电感式传感器的工作原理及主要应用场景（5分）。27.说明霍尔效应的定义，并推导霍尔电压的表达式（6分）。28.比较电阻应变片与压阻式传感器在工作原理和应用上的差异（6分）。29.某企业需监测车间设备的振动频率（范围505000Hz），请分析选择压电式传感器而非电容式传感器的原因（4分）。30.设计智能家居环境监测系统时，需同时测量温度、湿度和光照强度，试说明传感器选型的关键考虑因素（4分）。五、应用题（本大题共4小题，其中第31题为计算类，第32题为分析类，第3334题为综合类，共20分）31.某应变式称重传感器的弹性体为实心圆柱（直径D=20mm，弹性模量E=2×10¹¹Pa），粘贴的电阻应变片灵敏度系数K=2.0，初始电阻R=120Ω。当施加5000N的拉力时，计算：（1）弹性体的轴向应变ε；（2）应变片的电阻变化量ΔR；（3）若采用单臂电桥（桥压U=5V），输出电压Uo（已知电桥灵敏度S=U/4R）（6分）。32.某光电转速传感器输出两路相位差90°的方波信号（A、B相），实际测试中发现A相幅值正常但B相无输出。试分析可能的故障原因及排查步骤（5分）。33.设计基于压电传感器的机械振动监测系统，要求：（1）列出系统的主要组成部分；（2）说明信号调理电路的关键功能；（3）给出振动幅值和频率的计算方法（6分）。34.设计一个智能温湿度传感器系统，要求：（1）硬件部分包含敏感元件、微控制器、通信模块；（2）采用I²C协议与上位机通信；（3）具备温度补偿功能。请画出系统框图，并说明各模块的作用及温度补偿的实现逻辑（7分）。答案及解析一、单项选择题1.D（重复性是指同一工作条件下，输入按同一方向作全量程多次变化时，输出特性的一致程度，与输入速率无关）2.C（电阻应变片利用金属导体的应变效应，即应变引起电阻率和几何尺寸变化导致电阻变化）3.B（压电传感器输出为电荷信号，静态测量时电荷易通过测量电路泄漏，无法保持稳定输出）4.A（补偿导线用于将热电偶冷端延伸至温度稳定的控制室，配合冷端补偿电路提高测量精度）5.D（变间隙式电容传感器灵敏度公式为S=εA/d₀²，与初始间隙d₀的平方成反比）6.A（霍尔电压公式U_H=K_HIB，其中K_H为霍尔系数，与输入电流I和磁感应强度B的乘积成正比）7.B（相位调制通过外界信号改变光纤折射率或长度，导致光相位变化）8.D（催化燃烧式气体传感器利用可燃气体在催化剂作用下燃烧产生热量，适用于易燃易爆气体检测）9.B（智能传感器集成微处理器或通信模块，具备自诊断、数据处理等功能，区别于传统传感器的单一信号转换）10.A（差动式电感传感器通过两个线圈反向连接，可抵消非线性误差，提高线性度）二、多项选择题11.ABD（动态特性指标包括时间常数、固有频率、阻尼比；线性度属于静态特性）12.ABC（涡流式属于电感式传感器，光电传感器包括透射式、反射式、漫反射式）13.AB（磁阻传感器和霍尔传感器基于磁敏效应；电感式和电涡流传感器基于电磁感应）14.ABD（压阻式传感器灵敏度高、易集成，但温度稳定性较差，需温度补偿）15.ACD（物联网节点需低功耗以延长寿命，具备无线通信和抗干扰能力；高精度非必选，需根据场景调整）三、填空题16.转换元件17.几何尺寸（或长度、截面积）18.高分子压电材料（或压电聚合物）19.塞贝克（或热电）20.变介电常数21.电磁感应（或涡流）22.绝对23.响应时间（或恢复时间）24.自补偿（或自适应）25.静态四、简答题26.工作原理：电感式传感器利用电磁感应原理，将被测非电量（如位移、振动）转换为电感量或互感量的变化。主要组成包括线圈、铁芯和可动衔铁，当被测参数引起衔铁位移时，磁路磁阻变化，导致电感变化。应用场景：位移测量（如机床刀具定位）、振动监测（如电机轴承振动）、尺寸检测（如零件厚度测量）。27.霍尔效应定义：当通有电流的导体或半导体置于与电流垂直的磁场中时，在垂直于电流和磁场的方向上会产生电动势的现象。推导：设载流子浓度为n，电荷量为q，电流I=nevA（v为载流子漂移速度，A为截面积），磁场B作用下载流子受洛伦兹力F_L=qvB，当电场力F_E=qE_H与F_L平衡时，qE_H=qvB，得E_H=vB。霍尔电压U_H=E_Hb（b为半导体宽度），结合I=nevbd（d为厚度），得v=I/(nebd)，代入得U_H=IB/(ned)=K_HIB（K_H=1/(ned)为霍尔系数）。28.工作原理差异：电阻应变片基于金属的应变效应（几何尺寸变化为主）；压阻式传感器基于半导体的压阻效应（电阻率变化为主）。应用差异：应变片适用于大应变、高精度测量（如称重、力传感器）；压阻式传感器灵敏度高、体积小，适用于微小压力测量（如血压计、气压传感器），但温度稳定性较差，需补偿。29.选择压电式传感器的原因：（1）压电式传感器频响范围宽（通常0.1Hz10⁶Hz），可覆盖505000Hz的振动频率；（2）电容式传感器动态响应较慢，适用于低频或静态测量，高频振动时容抗变化大，易受噪声干扰；（3）压电式传感器输出电荷信号，配合电荷放大器可有效抑制高频噪声，适合振动监测。30.选型关键因素：（1）测量范围与精度：温度（如40℃125℃）、湿度（0100%RH）、光照（0100000lux）需覆盖环境范围，精度满足系统需求（如温度±0.5℃）；（2）响应时间：智能家居需实时监测，传感器响应时间应小于1秒；（3）抗干扰能力：避免温湿度传感器相互影响（如湿度传感器需防冷凝），光照传感器需滤除可见光以外的干扰；（4）功耗与接口：无线节点需低功耗（如采用I²C或SPI接口），兼容微控制器；（5）成本与可靠性：选择工业级器件，确保长期稳定运行。五、应用题31.（1）轴向应变ε=F/(EA)，A=π(D/2)²=π×0.01²≈3.14×10⁻⁴m²，ε=5000/(2×10¹¹×3.14×10⁻⁴)≈7.96×10⁻⁵；（2）ΔR=K×R×ε=2.0×120×7.96×10⁻⁵≈0.0191Ω；（3）Uo=S×ΔR=(5/4×120)×0.0191≈(5/480)×0.0191≈0.000199V≈0.2mV。32.可能故障原因：（1）B相光电元件损坏（如发光二极管老化或光敏三极管失效）；（2）B相信号调理电路故障（如放大电路元件损坏）；（3）B相连接线路断路或接触不良；（4）被测物体遮挡B相光路径（如码盘脏污或安装偏移）。排查步骤：①用万用表检测B相发光二极管是否有驱动电压；②用示波器观察B相光敏元件输出端是否有光信号对应的电流变化；③检查线路连接，更换同型号元件测试；④清洁码盘并调整传感器与码盘的间距和角度。33.（1）系统组成：压电传感器、信号调理电路（电荷放大器、滤波器）、数据采集卡、计算机（或嵌入式处理器）。（2）信号调理电路功能：电荷放大器将高内阻电荷信号转换为低内阻电压信号；滤波器（低通/带通）去除噪声，保留505000Hz振动信号。（3）计算方法：幅值：通过采集信号的峰值或有效值计算（如有效值U_rms=U_peak/√2）；频率：对采集信号进行快速傅里叶变换（FFT），频谱图中幅值最大处的频率即为振动频率。34.系统框图：[温湿度敏感元件（如SHT30）]→[信号调理电路（ADC、放大）]→[微控制器（如STM32）