2025年传感器与检测技术期末试题含答案

2025年传感器与检测技术期末试题含答案一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.以下不属于传感器静态特性指标的是（）A.线性度B.灵敏度C.响应时间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.变面积式电容传感器的输出特性为（）A.线性B.非线性C.指数型D.对数型4.电涡流传感器的工作原理基于（）A.电磁感应B.压电效应C.光电效应D.磁阻效应5.压电式传感器不能直接测量静态信号的原因是（）A.灵敏度太低B.电荷容易泄漏C.线性度差D.温度漂移严重6.霍尔传感器的输出电压与（）成正比A.输入电流、磁感应强度的乘积B.输入电流、磁感应强度的比值C.输入电流的平方D.磁感应强度的平方7.热电偶的热电势由（）组成A.接触电势和温差电势B.接触电势和热释电电势C.温差电势和压电电势D.热释电电势和压电电势8.光纤传感器中，用于传输光信号的核心部分是（）A.纤芯B.包层C.涂覆层D.护套9.某温度传感器的量程为0~100℃，最大绝对误差为±1℃，则其精度等级为（）A.0.5级B.1.0级C.1.5级D.2.0级10.以下哪种传感器可用于非接触式位移测量？（）A.电阻应变式传感器B.电感式差动变压器C.电涡流传感器D.压阻式传感器二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.传感器的动态特性指标包括（）A.上升时间B.超调量C.线性度D.频率响应特性2.电容式传感器的常见类型有（）A.变极距式B.变面积式C.变介电常数式D.变磁导率式3.属于数字式传感器的有（）A.光栅传感器B.编码器C.热电偶D.应变片4.减小传感器温度误差的方法包括（）A.温度补偿电路B.选择温度系数小的材料C.增加传感器尺寸D.采用恒温环境5.光电效应的类型包括（）A.外光电效应B.内光电效应C.光生伏特效应D.压电光电效应三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.传感器一般由敏感元件、（）和转换电路三部分组成。2.电阻应变片的灵敏度系数K表示（）变化率与（）变化率的比值。3.差动变压器式传感器属于（）式电感传感器，其输出电压与铁芯位移成（）关系。4.压电材料分为压电晶体、（）和压电半导体三类。5.热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律和（）定律。6.光电耦合器的核心是将电信号转换为（）信号，再转换为电信号。7.测量误差按性质可分为系统误差、（）和粗大误差。四、简答题（共4题，每题8分，共32分）1.简述电感式传感器中差动结构的作用。2.说明热电偶冷端温度补偿的必要性及常用补偿方法。3.比较金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理及性能差异。4.分析光纤传感器的传光原理，并列举两种典型的光纤传感器应用场景。五、应用题（共2题，第1题8分，第2题5分，共13分）1.某变极距式电容传感器的初始极板间距d₀=1mm，极板面积A=100mm²，极板间介质为空气（ε₀=8.85×10⁻¹²F/m）。当极板间距变化Δd=+0.1mm时，计算：（1）初始电容C₀；（2）变化后的电容C₁；（3）若采用线性近似，计算相对非线性误差δ（提示：δ=|(C₁C₀近似值)/C₁|×100%）。2.某压力检测系统使用压阻式传感器（灵敏度S=2mV/MPa），后续连接放大器（放大倍数K=50）和A/D转换器（量程0~5V，12位）。当被测压力为1.5MPa时，计算：（1）传感器输出电压；（2）放大器输出电压；（3）A/D转换器的输出数字量（结果取整数）。答案及解析一、单项选择题1.C（响应时间属于动态特性指标）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（变面积式电容传感器的电容与面积变化呈线性关系）4.A（电涡流传感器利用电磁感应产生的涡流效应）5.B（压电传感器输出为电荷信号，静态下电荷易泄漏）6.A（霍尔电压公式：U_H=K_H·I·B，K_H为霍尔系数）7.A（热电偶热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成）8.A（纤芯是光信号传输的核心，折射率高于包层）9.B（精度等级=（最大绝对误差/量程）×100%=（1/100）×100%=1.0级）10.C（电涡流传感器通过电磁感应实现非接触测量）二、多项选择题1.ABD（线性度是静态特性指标）2.ABC（变磁导率式属于电感式传感器）3.AB（光栅和编码器输出数字信号，热电偶和应变片输出模拟信号）4.ABD（增加尺寸可能增大温度误差）5.ABC（压电光电效应不存在，常见类型为外光电、内光电、光生伏特）三、填空题1.转换元件2.电阻；应变3.互感；近似线性（或线性）4.压电陶瓷5.中间温度6.光7.随机误差四、简答题1.电感式传感器差动结构的作用：（1）提高灵敏度：差动结构中两个电感的变化方向相反，输出为两者差值，灵敏度为单线圈的2倍；（2）减小非线性误差：单个电感的输出与位移呈非线性关系，差动结构通过差值抵消部分非线性项；（3）抑制温漂等共模干扰：环境变化对两个电感的影响相同，差值输出可抵消干扰。2.热电偶冷端温度补偿的必要性及方法：必要性：热电偶的热电势仅与热端和冷端的温差有关，若冷端温度不为0℃（或参考温度），则测量结果会产生误差。常用方法：（1）冷端恒温法：将冷端置于0℃恒温槽中（如冰水混合物）；（2）补偿导线法：用与热电偶热电特性相近的导线将冷端延伸至温度稳定的控制室；（3）电桥补偿法：利用不平衡电桥产生的电压抵消冷端温度变化引起的电势差；（4）软件补偿法：通过测量冷端温度，利用热电势分度表进行数值修正。3.金属电阻应变片与半导体应变片的比较：工作原理：金属应变片基于应变效应（几何尺寸变化引起电阻变化）；半导体应变片基于压阻效应（载流子迁移率变化引起电阻率变化）。性能差异：（1）灵敏度：半导体应变片灵敏度（约100~200）远高于金属应变片（约2）；（2）线性度：金属应变片线性度好，半导体应变片非线性严重；（3）温度稳定性：金属应变片温度系数小，半导体应变片温度漂移大；（4）机械强度：金属应变片机械强度高，半导体应变片脆性大。4.光纤传感器的传光原理及应用场景：传光原理：利用光的全反射现象，当光从光密介质（纤芯，折射率n₁）入射到光疏介质（包层，折射率n₂）时，若入射角大于临界角，则光在纤芯与包层界面发生全反射，沿纤芯传播。典型应用：（1）光纤位移传感器：通过测量反射光强随位移的变化检测微小位移；（2）光纤温度传感器：利用光纤材料的热光效应（折射率随温度变化），通过检测光相位或波长变化实现温度测量；（3）光纤光栅传感器：通过布拉格光栅的波长漂移检测应变或温度（如桥梁健康监测）。五、应用题1.（1）初始电容C₀=ε₀A/d₀=8.85×10⁻¹²×(100×10⁻⁶)/(1×10⁻³)=8.85×10⁻¹³F=0.885pF；（2）变化后极板间距d₁=d₀+Δd=1.1mm=1.1×10⁻³m，C₁=ε₀A/d₁=8.85×10⁻¹²×(100×10⁻⁶)/(1.1×10⁻³)≈8.05×10⁻¹³F=0.805pF；（3）线性近似时，ΔC近似=C₀Δd/d₀=0.885pF×0.1/1=0.0885pF，C₀近似值=C₀+ΔC近似=0.8850.0885=0.7965pF；非线性误差δ=|(C₁C₀近似值)/C₁|×100%=|(0.8050.7965)/0.805|×100%≈1.06%