2025传感器技术试题(附答案)

2025传感器技术试题(附答案)一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.传感器的基本组成不包括以下哪一部分？（）A.敏感元件B.转换元件C.显示元件D.信号调理电路2.金属电阻应变片的工作原理基于（）。A.压电效应B.应变效应C.热电效应D.霍尔效应3.热电偶的测温原理基于（）。A.塞贝克效应B.珀尔帖效应C.汤姆逊效应D.压电效应4.以下属于外光电效应的器件是（）。A.光敏电阻B.光电二极管C.光电倍增管D.光电池5.压电陶瓷（如PZT）的压电系数比石英晶体（）。A.大B.小C.相等D.无法比较6.霍尔传感器用于测量（）。A.温度B.压力C.磁场D.湿度7.MEMS传感器的核心优势是（）。A.高精度B.微型化与集成化C.高灵敏度D.宽测量范围8.光纤传感器抗电磁干扰的主要原因是（）。A.光纤为绝缘体B.光信号频率高C.光纤直径小D.采用数字信号传输9.金属氧化物半导体气敏传感器主要用于检测（）。A.液体浓度B.气体浓度C.温度D.湿度10.电容式湿度传感器的敏感机理是（）。A.吸湿后电阻变化B.吸湿后电容变化C.吸湿后电感变化D.吸湿后热导率变化二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，多选、错选不得分，少选得1分）1.传感器的主要性能指标包括（）。A.灵敏度B.线性度C.响应时间D.迟滞2.以下属于传感器在工业自动化中的典型应用的是（）。A.机床刀具磨损监测B.流水线物体计数C.人体体温测量D.电机转速测量3.电容式传感器的类型包括（）。A.变面积式B.变极距式C.变介电常数式D.变磁导率式4.光电传感器按检测方式可分为（）。A.对射式B.反射式C.漫反射式D.接触式5.近年来快速发展的新型传感器技术包括（）。A.柔性可穿戴传感器B.生物酶传感器C.物联网集成传感器D.量子点传感器三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.传感器的灵敏度定义为______与______的比值。2.电阻应变片的灵敏度公式为K=______。3.平行板电容传感器的电容计算公式为C=______（ε₀为真空介电常数，εᵣ为相对介电常数，A为极板面积，d为极板间距）。4.压电效应分为______和______两种类型。5.霍尔电压的表达式为U_H=______（K_H为霍尔系数，I为工作电流，B为磁感应强度，d为半导体薄片厚度）。6.热电偶的参考端温度补偿常用方法有______和______。四、简答题（共5题，第13题每题6分，第45题每题8分，共34分）1.简述电阻应变片的工作原理及主要误差来源。（封闭型）2.比较电感式传感器（变磁阻式）与电容式传感器的异同点。（封闭型）3.说明光电传感器中“光生伏特效应”的定义及典型应用器件。（封闭型）4.设计一个基于压电式传感器的振动监测系统，需考虑哪些关键因素？（开放型）5.分析MEMS传感器在消费电子（如智能手机）中的典型应用及技术优势。（开放型）五、计算题（共3题，每题7分，共21分）1.某金属电阻应变片的初始电阻R₀=120Ω，灵敏度K=2.0，当被测应变ε=1500με时，求应变片的电阻变化量ΔR。（1με=10⁻⁶）2.一变极距式电容传感器，初始极板间距d₀=0.2mm，极板面积A=50mm²，介质为空气（ε₀=8.85×10⁻¹²F/m），求初始电容C₀；若极板间距减小10%，求电容变化量ΔC（忽略边缘效应）。3.某压电式力传感器的压电系数d=2.3×10⁻¹²C/N，当受到F=80N的动态力作用时，求传感器输出电荷量Q；若后续连接的电荷放大器反馈电容C_f=100pF，求放大器输出电压U₀（U₀=Q/C_f）。六、综合分析题（共2题，每题15分，共30分）1.设计一套智能家居环境监测系统，需监测温度、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并说明选型依据；（2）画出系统信号处理流程框图（包含传感器、信号调理、数据采集、显示/传输模块）；（3）分析系统在低功耗设计中的关键技术（如传感器唤醒机制、数据传输协议选择）。2.某高压输电线路需监测导线温度和微风振动，要求采用光纤传感器。分析：（1）光纤传感器相较于传统电类传感器的优势；（2）分别选择适用于温度和振动监测的光纤传感器类型（如FP型、布拉格光栅型），并说明原理；（3）设计一个多参数集成监测方案（需包含光路结构、解调方法）。答案一、单项选择题1.C2.B3.A4.C5.A6.C7.B8.A9.B10.B二、多项选择题1.ABCD2.ABD3.ABC4.ABC5.ABCD三、填空题1.输出变化量；输入变化量2.(ΔR/R₀)/ε3.ε₀εᵣA/d4.正压电效应；逆压电效应5.K_HIB/d6.冰浴法；电桥补偿法四、简答题1.工作原理：金属电阻应变片基于“应变效应”，即金属丝受机械应变时，其电阻值因几何尺寸（长度、截面积）和电阻率变化而改变，ΔR/R₀≈Kε（K为灵敏度系数，ε为应变）。主要误差来源：温度误差（电阻随温度变化）、横向效应（应变片横向栅丝对轴向应变的敏感）、机械滞后（应变片受力恢复过程的非线性）、蠕变（长期受力下电阻缓慢变化）。2.相同点：均为能量转换型传感器，通过参数（电感/电容）变化检测位移、压力等物理量；需后续信号调理电路（如电桥、振荡电路）。不同点：电感式依赖磁路变化（变磁阻、变气隙），受电磁干扰影响大；电容式依赖电场变化，对湿度敏感；电感式灵敏度较低但线性范围宽，电容式灵敏度高但非线性误差大（变极距式）。3.光生伏特效应：半导体材料受光照射时，内部产生电动势（开路电压）或短路电流的现象（无需外部偏压）。典型器件：光电池（如硅光电池、砷化镓光电池），用于太阳能发电、光照强度检测。4.关键因素：（1）传感器选型：根据振动频率范围选择压电材料（如PZT适用于中高频，石英晶体适用于超高频）；（2）前置放大器：需匹配高内阻的压电传感器，采用电荷放大器或电压放大器；（3）频率响应：确保系统带宽覆盖被测振动的主要频率成分（如机械振动通常010kHz）；（4）抗干扰设计：屏蔽电缆减少电磁噪声，接地避免地环路干扰；（5）标定与校准：使用标准振动台标定灵敏度，定期校准确保精度。5.典型应用：（1）加速度计：用于手机重力感应（屏幕旋转）、计步功能；（2）陀螺仪：用于游戏操控、AR/VR姿态跟踪；（3）气压计：辅助GPS定位（高度测量）、室内导航；（4）地磁传感器：电子罗盘（方向定位）。技术优势：（1）微型化：尺寸小（如1×1×0.5mm³），适合手机内部紧凑空间；（2）低功耗：采用MEMS工艺降低功耗（如加速度计待机电流<1μA）；（3）集成化：多传感器融合（如6轴IMU集成加速度计+陀螺仪）；（4）成本低：批量制造降低单价（单颗MEMS传感器<1美元）。五、计算题1.ΔR=R₀·K·ε=120Ω×2.0×1500×10⁻⁶=0.36Ω。2.初始电容C₀=ε₀A/d₀=8.85×10⁻¹²F/m×(50×10⁻⁶m²)/(0.2×10⁻³m)=2.21×10⁻¹²F=2.21pF；极板间距减小10%后，d₁=0.2×0.9=0.18mm，C₁=ε₀A/d₁=2.21pF×(0.2/0.18)≈2.46pF；ΔC=C₁C₀≈0.25pF。3.电荷量Q=d·F=2.3×10⁻¹²C/N×80N=1.84×10⁻¹⁰C=184pC；输出电压U₀=Q/C_f=184pC/100pF=1.84V。六、综合分析题1.（1）传感器选型：温度：数字式温敏传感器（如DS18B20），精度±0.5℃，单总线接口低功耗；湿度：电容式湿度传感器（如SHT30），响应时间<8s，抗污染能力强；光照：光电二极管（如BH1750），量程065535lux，I²C接口易集成；CO₂：非色散红外（NDIR）传感器（如SCD40），量程4005000ppm，精度±(30ppm+3%)。（2）信号处理流程：传感器→信号调理（放大、滤波）→ADC（模数转换）→微控制器（数据处理）→无线传输（WiFi/BLE）→手机APP/云平台显示。（3）低功耗设计：传感器唤醒机制：平时休眠，定时（如每10分钟）唤醒采集数据；数据压缩：仅传输变化超过阈值的参数（如温度变化>1℃）；传输协议：选择低功耗协议（如BLE5.0，功耗比WiFi低90%）；电源管理：采用锂电池+能量收集（如光电池），延长续航。2.（1）优势：抗电磁干扰：光纤为绝缘体，无金属导线，不受高压电磁场影响；本征安全：无电信号传输，避免高压环境下的火花风险；长距离传输：光信号衰减小，可监测数公里外的线路；多参数复用：一根光纤可同时监测温度、振动等多种参数。（2）传感器类型及原理：温度监测：光纤布拉格光栅（FBG）传感器，温度变化引起光栅周期λ_B变化（λ_B=2nΛ，n为折射率，Λ为周期），通过解调λ_B偏移量得到温度；振动监测：法布里珀罗（FP）干涉型传感器，振动引起FP腔长变化，导致干涉光强周期性变化，通过解调光强频率得