2025年传感器及检测技术题库及答案

2025年传感器及检测技术题库及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.传感器的静态特性中，描述输出量与输入量之间实际关系曲线偏离拟合直线的程度的指标是（）。A.灵敏度B.线性度C.迟滞D.重复性2.金属电阻应变片的工作原理主要基于（）。A.压阻效应B.应变效应C.热电效应D.霍尔效应3.以下哪种传感器属于发电型传感器？（）A.热电偶B.热电阻C.应变片D.电感式传感器4.电涡流式传感器的测量原理基于（）。A.压电效应B.电磁感应中的涡流效应C.电容变化D.光电效应5.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）。A.压电材料的居里点低B.输出信号微弱C.电荷易泄漏D.频率响应范围窄6.光敏电阻的工作原理基于（）。A.外光电效应B.内光电效应（光电导效应）C.光生伏特效应D.热电效应7.热电偶的热电势大小仅与（）有关。A.热电极的材料和两端温度B.热电极的长度和直径C.热电极的形状D.环境湿度8.变间隙式电容传感器的灵敏度与初始间隙d₀的关系是（）。A.灵敏度与d₀成正比B.灵敏度与d₀成反比C.灵敏度与d₀的平方成反比D.灵敏度与d₀无关9.霍尔传感器的输出电压与（）成正比。A.输入电流和磁感应强度的乘积B.输入电流C.磁感应强度D.输入电流与磁感应强度的比值10.检测系统的动态特性中，描述系统对阶跃输入响应速度的指标是（）。A.固有频率B.时间常数C.阻尼比D.通频带二、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.传感器的静态特性指标包括（）。A.线性度B.灵敏度C.固有频率D.迟滞2.电阻应变片的组成部分包括（）。A.敏感栅B.基底C.引出线D.压电陶瓷3.以下属于内光电效应的传感器有（）。A.光电管B.光敏电阻C.光电池D.光敏二极管4.电感式传感器的常见类型包括（）。A.变气隙式B.变面积式C.螺管式D.电涡流式5.检测系统误差的主要来源有（）。A.传感器本身的误差B.信号传输干扰C.环境温度变化D.操作人员读数误差三、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。2.应变片的灵敏度系数K定义为________与应变ε的比值。3.电容式传感器按参数变化方式可分为变间隙式、变面积式和________三种类型。4.压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和________三大类。5.热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律和________。6.霍尔元件的不等位电势是由于________引起的。7.电感式传感器的转换原理是基于________。8.光电效应分为外光电效应、内光电效应和________。9.检测系统的动态特性常用________、频率响应函数和脉冲响应函数描述。10.电涡流传感器可用于测量位移、厚度、________和转速等参数。四、简答题（共30分）（一）封闭型简答题（每题5分，共15分）1.简述电感式传感器的工作原理。2.说明热电偶冷端温度补偿的必要性及常用方法。3.比较变间隙式与变面积式电容传感器的优缺点。（二）开放型简答题（每题7.5分，共15分）4.分析电阻应变片在测量时产生温度误差的原因，并列举两种补偿方法。5.某汽车胎压监测系统需实时检测轮胎内部压力（范围0.2~0.5MPa，精度±1%），试选择合适的传感器类型，并说明选择依据。五、应用题（共25分）（一）计算题（每题6分，共12分）1.某金属电阻应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R₀=120Ω。当被测应变ε=500με时，求应变片的电阻变化量ΔR。2.已知镍铬镍硅热电偶的热电势E(100℃,0℃)=4.095mV，E(200℃,0℃)=8.137mV。若冷端温度为50℃，热端温度为200℃，求实际测得的热电势E(200℃,50℃)。（二）分析题（6分）3.某电容式位移传感器为变间隙式结构，初始间隙d₀=0.1mm，极板面积A=100mm²，介电常数ε=ε₀εᵣ（ε₀=8.85×10⁻¹²F/m，εᵣ=1）。当被测位移使间隙减小Δd=0.01mm时，计算电容变化量ΔC，并说明其输出特性的非线性问题。（三）综合题（7分）4.设计一个基于应变片的桥梁应力检测系统，需考虑哪些关键因素？请从传感器选型、信号调理、误差补偿及数据采集四个方面展开说明。答案及解析一、单项选择题1.B（线性度反映实际曲线与拟合直线的偏离程度）2.B（金属应变片基于应变效应，半导体应变片基于压阻效应）3.A（热电偶直接将温度差转换为电势，属于发电型；热电阻需外部供电，属于参量型）4.B（电涡流传感器利用金属导体在交变磁场中的涡流效应）5.C（压电传感器输出为电荷，静态测量时电荷易通过测量电路泄漏，导致信号衰减）6.B（光敏电阻的阻值变化基于内光电效应中的光电导效应）7.A（热电势仅与热电极材料和两端温度有关，与尺寸无关）8.C（变间隙式电容传感器灵敏度S=ΔC/Δd=εA/d₀²，与d₀²成反比）9.A（霍尔电压U_H=K_HIB，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）10.B（时间常数τ越小，阶跃响应上升到稳态值的63.2%所需时间越短，响应速度越快）二、多项选择题1.ABD（固有频率属于动态特性指标）2.ABC（压电陶瓷是压电传感器的敏感材料，非应变片组成）3.BD（光电管基于外光电效应，光电池基于光生伏特效应，光敏电阻和二极管基于内光电效应）4.ABCD（电感式传感器包括自感式的变气隙、变面积、螺管式，以及互感式的差动变压器和电涡流式）5.ABCD（系统误差来源包括传感器、传输、环境、人为因素）三、填空题1.信号调理电路2.电阻相对变化量ΔR/R3.变介电常数式4.高分子压电材料5.中间温度定律6.霍尔电极安装不对称7.电磁感应定律8.光生伏特效应9.传递函数10.电导率（或材料缺陷）四、简答题1.电感式传感器工作原理：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。例如，变气隙式电感传感器通过改变磁路中气隙的大小，引起电感L=μ₀N²A/(2δ)的变化（μ₀为真空磁导率，N为匝数，A为气隙面积，δ为气隙长度），从而实现非电量检测。2.热电偶冷端补偿必要性及方法：必要性：热电偶的热电势与冷端温度有关，若冷端温度不为0℃，则测量结果会产生误差。常用方法：冷端恒温法（将冷端置于0℃恒温槽）、补偿导线法（用与热电偶热电特性相近的导线延长冷端至温度稳定处）、电桥补偿法（利用不平衡电桥产生的电势抵消冷端温度变化的影响）。3.变间隙式与变面积式电容传感器比较：变间隙式：灵敏度高（与d₀²成反比），但非线性严重（ΔC与Δd呈非线性关系），测量范围小（仅适用于小位移）。变面积式：线性度好（ΔC与ΔA成正比），测量范围大，但灵敏度较低（与d₀成反比）。4.电阻应变片温度误差原因及补偿方法：原因：①应变片材料的电阻温度系数导致ΔR_T1=R₀αΔT（α为电阻温度系数，ΔT为温度变化）；②试件与应变片材料线膨胀系数不同，引起附加应变Δε_T=(β_gβ_s)ΔT（β_g为试件线膨胀系数，β_s为应变片基底线膨胀系数），导致ΔR_T2=R₀K(β_gβ_s)ΔT。补偿方法：①电桥补偿法（将补偿片贴在与试件材料相同但不受力的补偿块上，与工作片接入电桥相邻臂）；②温度自补偿应变片（通过选择敏感栅材料，使α与(β_gβ_s)K的影响相互抵消）。5.汽车胎压监测传感器选型：选择类型：压阻式压力传感器（或电容式压力传感器）。依据：①测量范围匹配（0.2~0.5MPa在压阻式传感器的常用量程内）；②精度满足（压阻式传感器精度可达±0.1%~±1%，符合±1%要求）；③体积小、易集成（适合轮胎内部安装）；④动态响应快（能实时监测胎压变化）。五、应用题1.应变片电阻变化量计算：由ΔR/R=Kε，得ΔR=R₀Kε=120Ω×2.0×500×10⁻⁶=0.12Ω。2.热电偶热电势计算：根据中间温度定律，E(200℃,50℃)=E(200℃,0℃)E(50℃,0℃)。查镍铬镍硅热电偶分度表得E(50℃,0℃)=2.023mV（实际数据需查表，此处假设），故E(200℃,50℃)=8.137mV2.023mV=6.114mV。3.电容变化量及非线性分析：初始电容C₀=ε₀A/d₀=8.85×10⁻¹²F/m×100×10⁻⁶m²/(0.1×10⁻³m)=8.85×10⁻¹¹F=88.5pF。间隙减小后d=d₀Δd=0.09mm，此时电容C=ε₀A/d=8.85×10⁻¹²×100×10⁻⁶/(0.09×10⁻³)=98.3pF。ΔC=CC₀=9.8pF。非线性问题：变间隙式电容传感器的输出ΔC与Δd的关系为ΔC≈C₀Δd/d₀(1+Δd/d₀)，当Δd/d₀不可忽略时（如Δd=0.01mm，Δd/d₀=10%），非线性误差显著，需采用差动结构或线性化电路补偿。4.桥梁应力检测系统设计：传感器选型：选择高精度金属应变片（如K=2.0，R=120Ω），匹配桥梁材料（钢或混凝土）的线膨胀系数，确保温度自补偿或采用双片补偿