2025年传感器技术试题及答案

2025年传感器技术试题及答案一、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拟合直线的偏离程度B.灵敏度是输出变化量与输入变化量的比值C.重复性反映传感器在输入量按同一方向连续多次变化时的输出一致性D.分辨力是传感器能检测到的最小输入变化量，与量程无关2.压阻式传感器的核心工作原理是（）。A.金属应变效应B.半导体压阻效应C.压电效应D.热电效应3.热电偶测温时，为消除冷端温度变化的影响，常用的补偿方法是（）。A.电桥补偿法B.恒流源激励法C.频率调制法D.相位差检测法4.以下传感器中，基于光电效应工作的是（）。A.霍尔传感器B.光纤位移传感器（反射式）C.电感式接近开关D.压阻式压力传感器5.某应变片的灵敏度系数为2.1，当承受应变ε=500με时，其电阻相对变化量ΔR/R为（）。A.0.00105B.0.0021C.0.0105D.0.0216.以下属于数字式传感器的是（）。A.热电偶B.电容式位移传感器C.光栅传感器D.压电式加速度传感器7.霍尔传感器测量磁场时，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8.以下关于MEMS传感器的特点，错误的是（）。A.体积小、功耗低B.集成度高，可批量生产C.精度受加工工艺影响大D.仅适用于单一物理量测量9.气体传感器中，检测甲烷（CH₄）常用的敏感材料是（）。A.二氧化锡（SnO₂）B.钛酸钡（BaTiO₃）C.石英晶体D.聚偏氟乙烯（PVDF）10.智能传感器区别于传统传感器的核心特征是（）。A.具备信号调理电路B.集成微处理器或通信接口C.采用新型敏感材料D.输出模拟信号二、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指标的有（）。A.上升时间B.过冲量C.线性度D.频率响应范围2.光纤传感器的优点包括（）。A.抗电磁干扰能力强B.可实现远距离传输C.对被测对象无影响（非接触测量）D.适用于高温、高压等恶劣环境3.压电式传感器可测量的物理量包括（）。A.静态力B.动态加速度C.振动频率D.直流电压4.电容式传感器的常见类型有（）。A.变极距型B.变面积型C.变介电常数型D.变磁导率型5.以下关于传感器标定的描述，正确的有（）。A.需在标准工作条件下进行B.静态标定用于确定静态特性参数C.动态标定需输入已知的动态激励信号D.标定结果仅用于验证传感器设计合理性三、填空题（共10空，每空1分，共10分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、__________和信号调理电路。2.金属应变片的工作原理是__________，而半导体应变片的工作原理是__________。3.热电偶的热电势由__________和__________两部分组成。4.电感式传感器按结构可分为变气隙型、__________和__________三种。5.气体传感器的主要性能指标包括灵敏度、响应时间、__________和__________。四、简答题（共5题，每题8分，共40分）1.（封闭型）简述应变片温度误差的产生原因及补偿方法。2.（封闭型）比较压电式传感器与压阻式传感器的工作原理及适用场景。3.（开放型）智能传感器通常集成哪些功能模块？结合5G或物联网应用，说明其优势。4.（封闭型）解释光电效应的三种类型，并各举一例对应的光电传感器。5.（开放型）分析MEMS传感器在消费电子（如智能手机）中的典型应用，并说明其小型化带来的技术挑战。五、计算题（共3题，每题10分，共30分）1.某电阻应变片的标称电阻R₀=120Ω，灵敏度系数K=2.0，粘贴在弹性模量E=2×10¹¹Pa的钢构件表面。当构件承受应力σ=100MPa时，求：（1）应变ε的大小；（2）应变片的电阻变化量ΔR；（3）若采用单臂电桥（电源电压U=5V），求电桥输出电压U₀（电桥初始平衡，忽略非线性误差）。2.用K型热电偶（镍铬镍硅）测量某炉温，已知冷端温度t₀=25℃，测得热电势E(t,t₀)=33.28mV。查K型热电偶分度表（部分数据如下），求炉温t。|温度t（℃）|0|25|500|800|1000|||||||||E(t,0)mV|0|1.00|20.65|33.28|41.27|3.某变气隙电感式传感器的初始气隙δ₀=1mm，初始电感L₀=20mH，线圈匝数N=1000匝，铁芯截面积A=1cm²（忽略漏磁和铁芯磁阻）。当气隙减小Δδ=0.1mm时，求此时的电感L（提示：电感公式L=μ₀N²A/(2δ)，μ₀=4π×10⁻⁷H/m）。六、综合分析题（共1题，20分）某智能农业大棚需实时监测环境参数（温度、湿度、光照强度、CO₂浓度），并通过物联网平台实现远程控制。请设计一套传感器系统方案，要求：（1）列出各参数对应的传感器类型及工作原理；（2）说明传感器信号的调理与传输流程（包括模数转换、通信协议选择）；（3）分析可能的干扰源及误差补偿方法（至少3种）。参考答案及解析一、单项选择题1.D（分辨力与量程相关，通常用满量程的百分比表示）2.B（压阻式传感器利用半导体材料的压阻效应，金属应变片利用应变效应）3.A（电桥补偿法通过温度敏感电阻抵消冷端温度变化的影响）4.B（反射式光纤传感器通过光强变化检测位移，基于光电效应）5.A（ΔR/R=Kε=2.1×500×10⁻⁶=0.00105）6.C（光栅传感器输出脉冲信号，属于数字式；其余为模拟式）7.A（霍尔电压公式U_H=K_HIB，K_H为霍尔系数）8.D（MEMS传感器可集成多物理量测量，如惯性测量单元（IMU））9.A（SnO₂是典型的半导体气体敏感材料，用于检测还原性气体如CH₄）10.B（智能传感器集成微处理器，具备自校准、自诊断、通信功能）二、多项选择题1.ABD（线性度是静态特性指标）2.ABCD（光纤传感器的主要优势包括抗干扰、远距离传输、非接触、耐恶劣环境）3.BC（压电式传感器仅适用于动态测量，无法测静态力或直流电压）4.ABC（变磁导率型属于电感式传感器）5.ABC（标定结果用于确定传感器性能，指导实际应用）三、填空题1.转换元件2.金属应变效应；半导体压阻效应3.接触电势；温差电势4.变面积型；螺管型5.选择性；稳定性四、简答题1.温度误差原因：①应变片电阻随温度变化（电阻温度系数）；②试件与应变片材料热膨胀系数不同，引起附加应变。补偿方法：①桥路补偿法（半桥/全桥接入温度补偿片）；②热敏电阻补偿法（在电桥中串联/并联温度敏感电阻）；③选择自补偿应变片（敏感栅材料与试件热膨胀系数匹配）。2.工作原理：压电式传感器利用压电材料的压电效应（机械能→电能），输出电荷或电压；压阻式传感器利用半导体材料的压阻效应（应力→电阻率变化），输出电阻变化。适用场景：压电式适用于动态力、加速度、振动测量（无法测静态量）；压阻式适用于静态/动态压力、应力测量（需恒流/恒压激励）。3.功能模块：敏感元件、信号调理电路（放大/滤波）、微处理器（MCU）、存储单元、通信接口（如I²C、SPI、蓝牙）、自校准/自诊断模块。优势（以物联网为例）：集成通信接口可直接接入5G/LoRa网络，实现低功耗远程传输；MCU可本地处理数据（如均值滤波、异常值报警），减少云端计算压力；自校准功能降低维护成本，适用于无人值守场景。4.光电效应类型及传感器：①外光电效应（光子→电子逸出）：光电管、光电倍增管；②内光电效应（光子→半导体内部载流子增加）：光敏电阻（光电导效应）；③光生伏特效应（光子→PN结产生电势）：光电池、光电二极管。5.典型应用：加速度计（计步、屏幕旋转）、陀螺仪（游戏操控、AR定位）、气压计（海拔测量）、指纹传感器（电容式MEMS）。技术挑战：小型化导致敏感结构尺寸减小，信噪比降低；多物理场耦合（如温度、应力）影响精度；封装工艺要求高（需保护微结构免受环境损伤）；功耗控制（需与低功耗MCU匹配）。五、计算题1.（1）ε=σ/E=100×10⁶Pa/(2×10¹¹Pa)=5×10⁻⁴（或500με）（2）ΔR=R₀·K·ε=120Ω×2.0×5×10⁻⁴=0.12Ω（3）单臂电桥输出U₀=U·ΔR/(4R₀)=5V×0.12Ω/(4×120Ω)=0.00125V（或1.25mV）2.热电势E(t,0)=E(t,t₀)+E(t₀,0)=33.28mV+1.00mV=34.28mV（注：分度表中E(t,0)为热端t、冷端0℃的电势）。查分度表，E(800℃,0)=33.28mV，E(1000℃,0)=41.27mV，34.28mV介于800℃与1000℃之间。线性插值：(34.2833.28)/(41.2733.28)=1/7.99≈0.125，故t≈800+200×0.125=825℃（精确值需查更详细分度表，此处简化计算）。3.初始电感L₀=μ₀N²A/(2δ₀)，变化后δ=δ₀Δδ=0.9mm=0.9×10⁻³m，L=μ₀N²A/(2δ)=L₀·δ₀/δ=20mH×1mm/0.9mm≈22.22mH。六、综合分析题（1）传感器类型及原理：温度：铂电阻传感器（Pt100），利用金属电阻随温度线性变化的特性；湿度：电容式湿度传感器，高分子聚合物介电常数随湿度变化，导致电容变化；光照强度：硅光电池（光生伏特效应），输出电流与光照强度成正比；CO₂浓度：非分散红外（NDIR）传感器，CO₂对特定波长（4.26μm）红外光有吸收，通过检测透射光强计算浓度。（2）信号调理与传输流程：铂电阻：电桥电路将电阻变化转为电压信号→运放放大→ADC（16位，分辨率0.1℃）；电容式湿度传感器：C/V转换电路→低通滤波（消除50Hz工频干扰）→ADC（12位）；硅光电池：I/V转换（跨阻放大器）→对数放大（扩展动态范围）→ADC；NDIR传感器：红外探测器输出微弱电流→锁相放大（抑制背景噪声）→ADC；传输：传感器节点通过MCU（如STM32）收集数据→Modbus协议打包→LoRa模块（低功耗广域网）传输至物联网网关→TCP/IP上传至云平