2025年XXX《传感器与测试技术》形成性考核附答案

2025年XXX《传感器与测试技术》形成性考核附答案一、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。每小题只有一个正确选项）1.以下关于传感器的定义，最准确的是（）。A.将电信号转换为非电物理量的装置B.将非电物理量转换为电信号的装置C.仅能测量温度、压力的装置D.仅输出数字信号的装置2.金属电阻应变片的工作原理主要基于（）。A.压电效应B.压阻效应C.应变电阻效应D.热电效应3.压电式传感器不能直接用于静态测量的主要原因是（）。A.输出信号微弱B.电荷易通过负载电阻泄漏C.温度漂移严重D.频率响应范围窄4.下列哪种光电效应属于外光电效应？（）A.光敏电阻的光导效应B.光电池的光生伏特效应C.光电管的光电发射效应D.光敏二极管的光伏效应5.电感式传感器中，变气隙式传感器的灵敏度与气隙初始长度的关系是（）。A.灵敏度与初始气隙长度成正比B.灵敏度与初始气隙长度成反比C.灵敏度与初始气隙长度的平方成正比D.灵敏度与初始气隙长度的平方成反比6.热电偶的热电势由两部分组成，分别是（）。A.接触电势和温差电势B.应变电势和接触电势C.温差电势和压阻电势D.压阻电势和应变电势7.电容式传感器测量线位移时，若采用变面积式结构，其输出特性为（）。A.线性B.非线性C.指数关系D.对数关系8.测试系统的静态特性指标中，描述输入量在正反行程中输出量差异的是（）。A.线性度B.灵敏度C.迟滞D.重复性9.下列哪类传感器适用于测量加速度？（）A.应变式力传感器B.压电式加速度传感器C.电容式位移传感器D.光电式转速传感器10.电桥测量电路中，采用半桥双臂接法时，若两个应变片均受拉应变，则输出电压与单臂接法相比（）。A.增大1倍B.增大2倍C.减小1倍D.不变11.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.压磁效应D.热电效应12.为减小应变片温度误差，可采用的补偿方法是（）。A.增大应变片的初始电阻B.采用温度自补偿应变片C.降低测量环境温度D.减少应变片的工作电流13.光纤传感器中，利用光纤本身作为敏感元件的是（）。A.功能型光纤传感器B.非功能型光纤传感器C.传光型光纤传感器D.强度调制型光纤传感器14.测量范围为0~100℃的温度传感器，满量程输出为5V，其灵敏度为（）。A.0.05V/℃B.0.5V/℃C.5V/℃D.20V/℃15.以下不属于测试系统组成部分的是（）。A.传感器B.信号调理电路C.执行器D.数据采集与处理单元二、多项选择题（本大题共5小题，每小题3分，共15分。每小题有2~4个正确选项，错选、漏选均不得分）1.传感器的静态特性指标包括（）。A.线性度B.灵敏度C.频率响应D.迟滞2.电感式传感器的常见类型有（）。A.变气隙式B.变面积式C.螺管式D.差动变压器式3.信号调理电路的主要功能包括（）。A.放大信号B.滤波C.模数转换D.线性化处理4.热电偶的基本定律包括（）。A.均质导体定律B.中间导体定律C.参考电极定律D.压阻定律5.光电式传感器的常用光源有（）。A.白炽灯B.激光二极管C.发光二极管（LED）D.热电偶三、填空题（本大题共10小题，每空1分，共20分）1.传感器一般由__________、__________和信号调理电路三部分组成。2.金属电阻应变片的灵敏系数K定义为__________与__________的比值。3.压电材料分为__________和__________两大类。4.电容式传感器按工作原理可分为__________、__________和变介电常数式三种。5.测试系统的动态特性常用__________、__________和频率响应函数描述。6.热电偶补偿导线的作用是将__________延伸到温度恒定的__________处。7.霍尔传感器的输出电压与__________和__________成正比。8.电感式传感器中，差动结构可以提高__________并减小__________。9.光电效应分为__________、__________和光生伏特效应三种类型。10.应变片的温度误差主要由__________和__________引起。四、简答题（本大题共4小题，第1~2题为封闭型，第3~4题为开放型，共20分）1.（5分）简述金属应变片与半导体应变片的工作原理差异及优缺点。2.（5分）说明压电传感器为何需要配备高输入阻抗的前置放大器。3.（5分）某工厂需监测传送带上方物料的高度（范围0~50cm），请推荐一种合适的传感器类型，并说明选择依据及测量原理。4.（5分）结合实际应用，分析测试系统中干扰噪声的主要来源及抑制措施。五、应用题（本大题共2小题，第1题为计算类，第2题为综合分析类，共25分）1.（10分）某应变片的灵敏系数K=2.0，初始电阻R=120Ω。将其粘贴在受轴向拉伸的钢构件表面，测得应变ε=1000με（1με=1×10⁻⁶）。若采用单臂电桥（电源电压U=5V，电桥初始平衡），求电桥输出电压ΔU。（注：电桥输出公式ΔU≈(U/4)·(ΔR/R)）2.（15分）设计一个基于热电阻的温度测试系统，要求测量范围50℃~200℃，精度±0.5℃。需完成以下任务：（1）选择合适的热电阻类型并说明原因；（2）设计信号调理电路（需包含放大、线性化、滤波模块）；（3）描述数据采集与处理的主要步骤；（4）分析可能的误差来源及补偿方法。答案及解析一、单项选择题1.B（传感器的核心功能是将非电物理量转换为电信号）2.C（金属应变片基于应变引起的电阻变化，即应变电阻效应；半导体应变片基于压阻效应）3.B（压电传感器输出电荷，静态时电荷通过负载电阻泄漏，无法维持稳定输出）4.C（外光电效应指电子逸出表面，如光电管；内光电效应包括光导、光伏效应）5.D（变气隙式电感传感器灵敏度公式为S=μ₀A/(2δ₀²)，与δ₀平方成反比）6.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）7.A（变面积式电容传感器的电容C=ε₀εᵣA/d，A与位移成线性关系，故输出线性）8.C（迟滞描述正反行程的输出差异；线性度是输出与拟合直线的偏离）9.B（压电式传感器适用于动态测量，加速度是动态量）10.B（半桥双臂接法中，两个应变片ΔR/R符号相同，输出ΔU=(U/4)(ΔR₁/RΔR₂/R)，若均受拉则ΔR₁=ΔR₂=ΔR，实际应为双臂差动接法时输出为单臂2倍，本题假设双臂同向应变，可能题目设定为差动，则输出增大2倍）11.A（磁电式传感器基于电磁感应，通过线圈与磁场相对运动产生电动势）12.B（温度自补偿应变片通过材料匹配减小温度引起的电阻变化）13.A（功能型光纤传感器利用光纤本身的特性变化，如相位、偏振；非功能型仅传光）14.A（灵敏度=满量程输出/测量范围=5V/100℃=0.05V/℃）15.C（测试系统包括传感器、信号调理、数据采集处理，执行器属于控制系统）二、多项选择题1.ABD（频率响应属于动态特性指标）2.ABCD（电感式传感器包括变气隙、变面积、螺管、差动变压器等类型）3.ABD（模数转换属于数据采集单元，非信号调理）4.ABC（压阻定律与热电偶无关）5.ABC（热电偶是温度传感器，非光源）三、填空题1.敏感元件；转换元件2.电阻相对变化率（ΔR/R）；应变（ε）3.压电晶体；压电陶瓷4.变极距式；变面积式5.阶跃响应函数；脉冲响应函数6.热电偶冷端；参考端（或仪表端）7.控制电流；磁感应强度8.灵敏度；非线性误差（或温度误差）9.外光电效应；内光电效应（或光导效应）10.电阻温度系数；试件与应变片的线膨胀系数差异四、简答题1.差异：金属应变片基于应变电阻效应（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）。优点：金属应变片线性好、温度稳定性高；半导体应变片灵敏度高（约为金属的50~100倍）。缺点：金属应变片灵敏度低；半导体应变片温度误差大、线性差。2.压电传感器输出为电荷信号，内阻极高（约10¹²~10¹⁴Ω）。若直接连接低输入阻抗电路，电荷会快速泄漏，导致信号衰减。高输入阻抗前置放大器（如电荷放大器或电压跟随器）可减少电荷泄漏，保持信号完整性，并将高内阻信号转换为低内阻输出，便于后续处理。3.推荐激光三角反射式位移传感器。依据：测量范围0~50cm符合激光传感器量程；非接触测量，适合传送带物料；精度较高（可达0.1mm级）。原理：激光发射器发射光斑到物料表面，反射光经透镜聚焦到PSD（位置敏感探测器）。物料高度变化时，反射光在PSD上的位置变化，通过光电转换将位置信号转换为电压信号，经处理得到高度值。4.干扰噪声来源：电磁干扰（如电机、高频设备产生的电磁场）；温度干扰（环境温度变化引起传感器漂移）；电源噪声（电源电压波动或纹波）；接地干扰（多设备共地导致的地电位差）。抑制措施：电磁屏蔽（传感器与电缆加金属屏蔽层）；温度补偿（采用恒温箱或软件补偿算法）；电源滤波（加稳压电源、LC滤波电路）；单点接地（系统所有接地端连接到同一参考点）；软件滤波（如均值滤波、中值滤波）。五、应用题1.计算过程：应变ε=1000με=1000×10⁻⁶=1×10⁻³电阻相对变化率ΔR/R=K·ε=2.0×1×10⁻³=0.002电桥输出电压ΔU≈(U/4)·(ΔR/R)=(5V/4)×0.002=0.0025V=2.5mV答案：2.5mV2.（1）热电阻选择：PT100（铂热电阻）。原因：测量范围200℃~850℃覆盖50℃~200℃；精度高（A级精度±(0.15+0.002|t|)℃，满足±0.5℃要求）；稳定性好、线性度较高。（2）信号调理电路设计：放大模块：采用恒流源激励（如1mA），热电阻Rₜ上的电压U=I·Rₜ，通过仪表放大器（如AD620）放大，增益根据量程调整（Rₜ在50℃时约80.31Ω，200℃时约175.86Ω，电压范围0.0803V~0.1759V，放大至0~5V需增益约28~62）。线性化模块：铂热电阻的电阻温度关系为Rₜ=R₀(1+At+Bt²)（0℃~850℃），可通过多项式拟合电路或微处理器查表法实现线性化。滤波模块：加入RC低通滤波器（如截止频率10Hz），抑制高频噪声。（3）数据采集与处理步骤：信号调理后的电压经A/D转换器（如16位ADC，精度优于0.01V）转换为数字信号