2025年大学《传感器原理与应用》试题及答案

2025年大学《传感器原理与应用》试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种效应是压阻式传感器的工作基础？A.应变效应B.压阻效应C.热电效应D.压电效应答案：B2.光电传感器中，光敏二极管主要利用的是：A.外光电效应B.内光电效应C.光生伏特效应D.光电导效应答案：C3.金属应变片的温度误差主要由两种因素引起，其中因试件与应变片材料线膨胀系数不同导致的误差属于：A.电阻温度系数引起的误差B.热输出误差C.横向效应误差D.蠕变误差答案：B4.变极距型电容式传感器的输出特性为：A.线性关系B.反比关系C.平方关系D.近似线性关系（小位移时）答案：D5.霍尔传感器中，载流子在磁场中受洛伦兹力偏转形成霍尔电压，其大小与以下哪项无关？A.激励电流B.磁场强度C.载流子浓度D.传感器尺寸答案：D（注：霍尔电压公式为UH=KHIB，KH与载流子浓度成反比，与传感器厚度有关，尺寸中的厚度已包含在KH中，故“尺寸”表述不严谨，但选项中D为正确选项）6.以下哪种材料不属于压电材料？A.石英晶体B.钛酸钡C.康铜合金D.聚偏氟乙烯（PVDF）答案：C7.光纤传感器中，利用光纤本身作为敏感元件的属于：A.功能型传感器B.非功能型传感器C.强度调制型D.相位调制型答案：A8.热电偶测量温度时，若参考端温度不为0℃，常用的补偿方法是：A.冷端恒温法B.计算修正法C.电桥补偿法D.以上均是答案：D9.气敏传感器检测甲烷（CH4）时，通常需要加热至特定温度，其主要目的是：A.提高传感器灵敏度B.去除表面吸附的水分C.加速气体与敏感材料的化学反应D.防止传感器结露答案：C10.磁电式传感器的工作原理基于：A.电磁感应定律B.霍尔效应C.磁阻效应D.压磁效应答案：A二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的静态特性主要包括线性度、灵敏度、______和______。（迟滞；重复性）2.金属应变片的敏感栅常用材料为______或______（康铜；镍铬合金）。3.压电传感器的前置放大器有两种形式：______和______（电压放大器；电荷放大器）。4.电容式传感器按结构可分为变极距型、______和______（变面积型；变介电常数型）。5.光电传感器一般由光源、______和______三部分组成（光学通路；光电器件）。6.热电偶的基本定律包括均质导体定律、______和______（中间导体定律；中间温度定律）。7.常见的磁敏传感器有霍尔传感器、______和______（磁阻传感器；磁敏二极管/三极管）。8.气敏传感器加热的目的是______和______（加速气体反应；去除吸附干扰物质）。9.光纤的基本结构由______、包层和______组成（纤芯；涂覆层）。10.超声波传感器的工作模式主要有______和______（透射式；反射式）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述金属应变片产生温度误差的原因及主要补偿方法。答：温度误差产生原因：①应变片电阻随温度变化（电阻温度系数引起）；②试件与应变片材料线膨胀系数不同，导致应变片产生附加应变（热输出误差）。补偿方法：①电桥补偿法（利用补偿片接入电桥邻臂）；②温度自补偿法（选用特定敏感栅材料，使电阻温度系数与线膨胀系数匹配）；③线路补偿法（如采用恒流源供电减小温度影响）。2.电容式传感器有哪些主要优点和缺点？答：优点：①动态响应快（无机械惯性）；②灵敏度高（尤其变极距型）；③非接触测量（可测微小位移）；④结构简单、适应性强（可在恶劣环境中使用）。缺点：①输出非线性（变极距型在大位移时明显）；②易受寄生电容干扰（需屏蔽）；③负载能力差（需高输入阻抗放大器）。3.压电传感器为何不能用于测量静态或缓慢变化的信号？答：压电传感器的工作原理是基于压电效应产生电荷，其输出为电荷或电压信号。由于压电材料的绝缘电阻并非无穷大，电荷会通过测量电路泄漏，导致静态或缓慢变化信号无法稳定输出。只有动态信号（如振动、冲击）能持续产生电荷，抵消泄漏，因此压电传感器更适用于动态测量。4.简述光电效应的三种类型及其对应的典型光电器件。答：①外光电效应（光电子发射效应）：光子能量大于材料逸出功时，电子逸出表面，典型器件为光电管、光电倍增管；②内光电效应（光电导效应）：光子激发半导体内部载流子，使电导率增加，典型器件为光敏电阻；③光生伏特效应：光子激发半导体产生电动势，典型器件为光电池（如硅光电池）、光敏二极管/三极管。5.热电偶正常工作需要满足哪些基本条件？答：①由两种不同材料的导体（或半导体）组成闭合回路；②两个接点处温度不同（一个为测量端，一个为参考端）；③材料需为均质导体（否则会因温度梯度产生附加热电势）；④回路中无其他干扰电势（如接触电势需仅由两种材料和温度差决定）。四、分析计算题（每题10分，共20分）1.某金属应变片的电阻R=120Ω，灵敏度系数K=2.0，粘贴于弹性模量E=2×10^11Pa的钢试件表面。当试件受轴向拉力F作用时，应变片电阻变化ΔR=0.36Ω。求：（1）试件的应变ε；（2）试件所受拉力F（试件横截面积A=5×10^-4m²）。解：（1）由灵敏度公式K=ΔR/(Rε)，得ε=ΔR/(RK)=0.36/(120×2.0)=1.5×10^-3（即1500με）。（2）由胡克定律σ=Eε，σ=F/A，故F=σA=EεA=2×10^11×1.5×10^-3×5×10^-4=1.5×10^5N。答案：（1）1.5×10^-3；（2）1.5×10^5N。2.一变极距型电容式传感器，初始极板间距d0=0.1mm，极板面积A=200mm²，介质为空气（ε0=8.85×10^-12F/m）。当极板间距减小Δd=0.01mm时，求：（1）初始电容C0；（2）电容变化量ΔC（忽略边缘效应，且Δd<<d0时可用近似公式ΔC≈-C0Δd/d0）。解：（1）C0=ε0A/d0=8.85×10^-12×(200×10^-6)/(0.1×10^-3)=1.77×10^-11F=17.7pF。（2）ΔC≈-C0Δd/d0=-17.7pF×0.01/0.1=-1.77pF（负号表示电容增大）。答案：（1）17.7pF；（2）+1.77pF（注：实际电容随间距减小而增大，ΔC应为正，近似公式中的负号表示变化方向，最终结果取绝对值）。五、综合应用题（20分）设计一个基于传感器的智能温室环境监测系统，要求：（1）列出需监测的关键环境参数及对应的传感器类型；（2）画出系统原理框图（文字描述即可）；（3）说明传感器信号的处理流程。答：（1）关键参数及传感器：①温度：DS18B20（数字式温度传感器，单总线通信）；②湿度：HS1101（电容式湿度传感器，输出频率与湿度相关）；③光照强度：BH1750（数字式光强传感器，I2C接口）；④二氧化碳浓度：MH-Z19（红外CO2传感器，PWM/串口输出）；⑤土壤湿度：FDR型土壤湿度传感器（频域反射法，测量介电常数）。（2）系统原理框图：传感器模块（温度、湿度、光照、CO2、土壤湿度传感器）→信号调理电路（放大、滤波、AD转换）→微控制器（STM32/Arduino，数据采集、存储）→无线传输模块（WiFi/4G）→上位机（手机APP/云平台，数据显示、阈值报警）→执行机构（风机、加湿器、补光灯、CO2发生器，根据阈值自动控制）。（3）信号处理流程：①模拟信号传感器（如HS1101）输出经运放调理（如将电容变化转换为电压），通过AD转换为数字信号；②数字传感器（如DS18B20、BH1750）