(2025年)传感器考试试题答案

(2025年)传感器考试试题答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列参数中，不属于传感器静态特性指标的是（）A.线性度B.灵敏度C.固有频率D.重复性答案：C解析：固有频率是传感器动态特性指标，反映其对快速变化输入的响应能力；静态特性指标包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞等。2.应变式传感器中，金属应变片的工作原理基于（）A.压阻效应B.应变效应C.热电效应D.霍尔效应答案：B解析：金属应变片利用金属导体的应变效应（长度和截面积变化引起电阻变化），而压阻效应是半导体材料因应力引起电阻率变化的现象，二者原理不同。3.测量大位移（量程＞10mm）时，最适合的电感式传感器类型是（）A.变气隙式B.变面积式C.螺管式（差动变压器式）D.涡流式答案：C解析：变气隙式电感传感器量程小（通常＜1mm），变面积式量程中等（数毫米），螺管式（如LVDT）量程可达数十毫米至数百毫米，适合大位移测量。4.热电偶测温时，若冷端温度为30℃，仪表显示热端温度为530℃（仪表按冷端0℃校准），则实际热端温度为（）（已知K型热电偶30℃电势为1.203mV，530℃电势为21.849mV）A.530℃B.560℃C.500℃D.无法确定答案：B解析：仪表显示温度对应冷端0℃时的电势E(t,0)=21.849mV。实际冷端温度t0=30℃，则实际热端电势E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=21.849mV-1.203mV=20.646mV。查K型热电偶分度表，20.646mV对应的温度约为560℃。5.下列传感器中，属于能量控制型（需外部电源）的是（）A.压电式传感器B.热电偶C.光电二极管D.电阻应变片答案：D解析：能量控制型传感器自身不产生能量，需外部电源激励（如应变片需恒流/恒压源）；能量转换型（发电型）传感器直接将被测信号转换为能量输出（如压电式、热电偶、光电二极管）。6.电容式传感器用于测量微小位移时，为提高灵敏度和线性度，通常采用（）A.单极式结构B.差动式结构C.变介质式结构D.变面积式结构答案：B解析：差动式电容传感器通过两个电容的反向变化抵消非线性项，灵敏度比单极式提高1倍，且线性度显著改善。7.光纤传感器中，仅利用光纤作为传光介质，敏感元件在光纤外部的类型是（）A.功能型（传感型）B.非功能型（传光型）C.分布式D.准分布式答案：B解析：功能型光纤传感器利用光纤本身的特性（如折射率、长度变化）感知被测信号；非功能型光纤仅作为传光通道，敏感元件（如应变片、温度敏感材料）在光纤外部。8.测量液体压力时，为避免液体进入引压管，应选用（）A.表压传感器B.绝压传感器C.带隔离膜片的压力传感器D.差压传感器答案：C解析：隔离膜片（如不锈钢膜片）将被测液体与传感器内部敏感元件隔离，防止液体侵入导致短路或腐蚀。9.下列气体传感器中，适用于检测低浓度（ppm级）可燃性气体（如甲烷）的是（）A.半导体式B.催化燃烧式C.红外式D.电化学式答案：B解析：催化燃烧式气体传感器通过可燃性气体在催化元件表面燃烧产生热量变化检测浓度，灵敏度高（ppm级），适用于甲烷、氢气等；半导体式主要检测有毒气体（如CO），红外式适合高浓度检测，电化学式多用于有毒气体（如H2S）。10.为减小压电式传感器的低频误差，应采用（）A.电压放大器B.电荷放大器C.微分电路D.积分电路答案：B解析：压电式传感器输出阻抗极高，电压放大器易受电缆电容影响，低频响应差；电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，输入阻抗高，低频特性好（可测静态或慢变信号）。二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、转换元件和______。答案：信号调理电路2.金属应变片的灵敏度系数K由______和______两部分决定，其中主要影响因素是______。答案：几何尺寸变化（ΔL/L和ΔA/A）；电阻率变化（Δρ/ρ）；几何尺寸变化3.电感式传感器中，差动变压器（LVDT）的输出电压与铁芯位移成______关系，其零点残余电压产生的主要原因是______和______。答案：近似线性；线圈不对称；铁芯材料不均匀4.热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律、______和______。答案：中间温度定律；参考电极定律5.电容式传感器按参数变化方式可分为变极距式、______和______三类，其中______的灵敏度最高但非线性最严重。答案：变面积式；变介质式；变极距式6.压电材料分为压电晶体（如______）、压电陶瓷（如______）和高分子压电材料（如______）。答案：石英（SiO2）；PZT（锆钛酸铅）；PVDF（聚偏氟乙烯）7.光电传感器中，将光信号转换为电信号的核心元件是______，其工作模式包括______和______（如光电二极管工作在______模式时响应速度更快）。答案：光电器件；光伏模式（自发电）；光电导模式（外偏压）；反向偏置（光电导）8.为提高传感器的抗干扰能力，常用的屏蔽措施包括______屏蔽（抑制电场干扰）和______屏蔽（抑制磁场干扰）。答案：静电（金属箔）；电磁（高导磁材料如坡莫合金）三、简答题（每题8分，共40分）1.比较应变式传感器与压阻式传感器的异同点。答：相同点：均通过电阻变化检测被测物理量（如力、压力）；输出信号需电桥电路转换。不同点：①材料：应变式采用金属应变片（如康铜），压阻式采用半导体（如硅）；②原理：应变式基于金属的应变效应（几何尺寸变化为主），压阻式基于半导体的压阻效应（电阻率变化为主）；③灵敏度：压阻式灵敏度（K≈100-200）远高于应变式（K≈2）；④温度影响：压阻式温度系数大（需严格温度补偿），应变式温度系数小；⑤线性度：应变式线性好（金属电阻变化与应变成正比），压阻式非线性显著（半导体电阻率变化与应力呈非线性关系）；⑥量程：应变式适合中大量程，压阻式适合小量程（高灵敏度易过载）。2.简述电感式传感器变磁阻工作原理，并推导其电感量公式。答：变磁阻式电感传感器由线圈、铁芯和可动衔铁组成，被测位移引起衔铁移动，改变气隙长度δ或气隙面积A，从而改变磁路磁阻R_m，最终改变线圈电感L。磁路总磁阻R_m=R_铁芯+R_衔铁+2R_气隙≈2δ/(μ0A)（铁芯和衔铁磁阻远小于气隙）。线圈电感L=N²/R_m≈N²μ0A/(2δ)（N为匝数，μ0为真空磁导率）。当δ变化时，L与δ成反比（变气隙式）；当A变化时，L与A成正比（变面积式）。3.说明热电偶冷端补偿的必要性，并列举三种常用补偿方法。答：必要性：热电偶热电势E(t,t0)仅与热端t和冷端t0的温差有关，而仪表通常按冷端t0=0℃分度。若t0≠0℃，则E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)，需对冷端温度t0进行补偿，否则测量结果会产生误差（误差大小等于E(t0,0)对应的温度）。常用方法：①冰浴法：将冷端置于0℃冰水混合物（实验室标准方法）；②补偿电桥法：在电桥中接入热敏电阻，电桥输出电压随t0变化，抵消E(t0,0)的影响；③软件补偿法：通过温度传感器测量t0，利用分度表软件计算实际t=查表(E(t,t0)+E(t0,0))；④延伸导线法：使用与热电偶热电特性相同的补偿导线，将冷端延伸至温度稳定的控制室。4.分析电容式传感器测量电路中“驱动电缆技术”的作用及实现方式。答：作用：电容式传感器输出阻抗高（可达10¹²Ω），长电缆的分布电容（C_c≈50-200pF/m）会显著降低灵敏度并引入干扰。驱动电缆技术通过减小传感器与电缆间的电位差，消除分布电容的影响。实现方式：在传感器输出端与电缆芯线之间接入高增益同相放大器（缓冲器），使电缆芯线电位与传感器输出端电位近似相等（ΔU≈0）。此时，分布电容C_c两端电位差为0，C_c上无电流流过，相当于被“屏蔽”，电缆仅起传导电位的作用，不影响传感器等效电容。5.简述压电式传感器不能测量静态信号的原因及解决方法。答：原因：压电式传感器等效为电荷源Q和电容C_p的并联，输出电压U=Q/C_p。当被测信号为静态（如恒定力）时，电荷会通过测量电路的泄漏电阻R（包括电缆绝缘电阻、放大器输入电阻）缓慢泄漏，导致U逐渐衰减至0，无法反映静态量。解决方法：①采用电荷放大器：电荷放大器输入阻抗极高（＞10¹²Ω），泄漏电流极小，可延长电荷保持时间（时间常数τ=RC_p），实现准静态测量；②增加前置放大器输入电容：增大C_p可降低泄漏电流的影响（但会降低灵敏度）；③选择高绝缘材料：使用聚四氟乙烯等绝缘材料制作电缆和接头，减小泄漏电阻R。四、计算题（每题10分，共20分）1.某应变式称重传感器采用四片相同的金属应变片（灵敏度系数K=2.0，初始电阻R=120Ω）组成全桥电路，供桥电压U=5V。当被测重量为100kg时，应变片产生的应变为ε=2000με（1με=10⁻⁶）。求此时电桥的输出电压U_o。解：全桥电路中，四片应变片均受应变，其中两片受拉（+ε），两片受压（-ε），电桥输出电压公式为：U_o=(KεU)/4代入数据：K=2.0，ε=2000×10⁻⁶=2×10⁻³，U=5VU_o=(2.0×2×10⁻³×5)/4=0.005V=5mV2.某变极距式电容传感器，初始极板间距δ0=0.1mm，极板面积A=100mm²，空气介质（ε0=8.85×10⁻¹²F/m）。当极板间距变化Δδ=+10μm时，求电容变化量ΔC，并比较单极式与差动式的灵敏度（灵敏度定义为ΔC/Δδ）。解：初始电容C0=ε0A/δ0=8.85×10⁻¹²×100×10⁻⁶/(0.1×10⁻³)=8.85×10⁻¹¹F=88.5pF变极距式电容传感器的电容与间距关系为C=ε0A/(δ0+Δδ)（Δδ为位移，Δδ＞0时间距增大）电容变化量ΔC=C-C0=ε0A[1/(δ0+Δδ)-1/δ0]=ε0A(-Δδ)/[δ0(δ0+Δδ)]代入数据：Δδ=10μm=0.01mm=1×10⁻⁵m，δ0=0.1mm=1×10⁻⁴mΔC=8.85×10⁻¹²×100×10⁻⁶×(-1×10⁻⁵)/[1×10⁻⁴×(1×10⁻⁴+1×10⁻⁵)]≈-7.375×10⁻¹²F=-7.375pF单极式灵敏度S1=ΔC/Δδ≈-7.375pF/10μm≈-0.7375pF/μm（负号表示间距增大时电容减小）差动式结构中，一个电容C1=ε0A/(δ0+Δδ)，另一个电容C2=ε0A/(δ0-Δδ)，总电容变化ΔC差动=C2-C1=ε0A[1/(δ0-Δδ)-1/(δ0+Δδ)]=ε0A×2Δδ/[δ0²-(Δδ)²]≈2ε0AΔδ/δ0²（Δδ≪δ0时）差动式灵敏度S2=ΔC差动/Δδ≈2ε0A/δ0²=2C0/δ0=2×88.5pF/0.1mm=1770pF/mm=1.77pF/μm结论：差动式灵敏度（1.77pF/μm）约为单极式（0.7375pF/μm）的2倍，且线性度更好（Δδ≪δ0时，ΔC差动≈2C0Δδ/δ0，近似线性）。五、综合分析题（20分）设计一个基于传感器的智能胎压监测系统（TPMS），要求：（1）选择合适的压力传感器和温度传感器类型；（2）说明信号调理与数据传输方案；（3）提出抗干扰设计措施。答：（1）传感器选型：①压力传感器：选用MEMS压阻式压力传感器（如飞思卡尔MPX系列）。优点：体积小（适合安装在轮胎内部）、灵敏度高（可检测0.1-10bar胎压）、集成度高（可与温度传感器、信号调理电路单片集成）。②温度传感器：选用集成式数字温度传感器（如DS18B20）或MEMS热电偶。轮胎内温度范围约-40℃~120℃，DS18B20测量精度±0.5℃，采用单总线接口，易与微控制器连接；MEMS热电偶体积小，可与压力传感器共面制作，适合高集成度设计。（2）信号调理与数据传输：①信号调理：压阻式传感器输出为毫伏级模拟信号，需通过仪表放大器（如AD620）放大至0-3.3V，再经低通滤波器（截止频率10Hz，滤除轮胎转动引起的高频噪声）后输入微控制器（MCU）的ADC模块。温度传感器若为数字型（如DS18B20），直接通过单总线传输数字信号至MCU；若为模拟型（如热电偶），需经冷端补偿电路（集成温度传感器测量冷端温度）和放大滤波后输入ADC。②数据处理：MCU对压力和温度信号进行校准（存储出厂校准系数），补偿温度对压力的影响（压力测量值=原始值+温度补偿项）。③数据传输：采用低功耗射频（RF）模块（如2.4GHzISM频段，符合IEEE802.15.4标准）将数据（压力、温度、电池电量）发送至车内接收模块。发射周期可动态调整（正常行驶时1次/分钟，胎压异常时1次/秒）。（3）抗干扰设计：①电磁屏蔽：传感器模块外壳