《传感器原理及应用》的试题及答案

《传感器原理及应用》的试题及答案一、单项选择题（每题2分，共10分）1.以下关于传感器的定义，正确的是（）。A.传感器是将非电信号转换为电信号的装置B.传感器仅能检测物理量C.传感器输出信号一定是电压信号D.传感器不包含信号调理电路2.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.压电效应3.压电传感器不能直接测量静态信号的主要原因是（）。A.压电材料的居里温度低B.电荷泄漏导致信号衰减C.输出阻抗过高D.灵敏度随时间降低4.下列传感器中，属于发电型传感器的是（）。A.电阻应变片B.热电偶C.电容式位移传感器D.电感式接近开关5.光电二极管的工作模式是（）。A.正向偏置，利用外光电效应B.反向偏置，利用内光电效应C.正向偏置，利用内光电效应D.反向偏置，利用外光电效应二、多项选择题（每题3分，共15分。每题至少有2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.重复性2.影响电容式传感器精度的因素有（）。A.边缘效应B.寄生电容C.温度漂移D.输入阻抗3.以下属于内光电效应的器件是（）。A.光电管B.光敏电阻C.光电二极管D.光电倍增管4.磁电式传感器可用于测量（）。A.位移B.速度C.加速度D.温度5.传感器信号调理电路的功能包括（）。A.放大微弱信号B.滤波抑制噪声C.线性化补偿D.模数转换三、填空题（每空1分，共20分）1.传感器一般由______、______和______三部分组成。2.传感器的灵敏度定义为______，单位为______（以电压输出、位移输入为例）。3.金属应变片的灵敏度系数公式为K=______，其中μ为______，Δρ/ρ为______。4.压电材料分为______、______和______三类，常见的压电陶瓷是______。5.电感式传感器分为______、______和______三种类型，其核心是利用______变化实现测量。6.热电偶的工作原理基于______效应，其热电势由______和______组成。四、简答题（共30分）1.（6分，封闭型）简述变面积式电容传感器的工作原理，并推导其灵敏度公式（假设初始极板面积为A，初始间距为d，介电常数为ε）。2.（6分，封闭型）比较压电式传感器与压阻式传感器的异同点（从工作原理、材料、适用场景三方面分析）。3.（6分，开放型）某应变片测量系统在高温环境下出现输出漂移，可能的原因有哪些？提出至少2种温度补偿方法。4.（6分，开放型）设计一个基于光电传感器的带材跑偏检测系统，需说明传感器类型选择、检测原理及信号处理流程。5.（6分，封闭型）解释霍尔传感器的“霍尔效应”，并写出霍尔电压公式（标注各符号含义）。五、应用题（共25分）1.（8分，计算类）某金属应变片的参数为：初始电阻R=120Ω，灵敏度系数K=2.0，粘贴于弹性模量E=2×10¹¹Pa的钢质构件表面。当构件受拉应力σ=100MPa时，求应变片的电阻变化量ΔR及相对变化率ΔR/R。（已知应变ε=σ/E）2.（9分，分析类）某变间隙式电容传感器的初始参数：极板面积A=50mm²，初始间距d₀=0.1mm，介电常数ε=ε₀=8.85×10⁻¹²F/m。若被测位移Δd=+5μm（极板间距增大），忽略边缘效应：（1）计算初始电容C₀；（2）计算位移后的电容C；（3）分析该传感器的非线性误差（提示：非线性误差δ=|(CC₀)/C₀(Δd/d₀)|/|(Δd/d₀)|×100%）。3.（8分，综合类）设计一个基于传感器的汽车胎压监测系统（TPMS），要求：（1）选择合适的压力传感器类型并说明理由；（2）画出系统组成框图（包含传感器、信号调理、数据传输、显示模块）；（3）列出信号调理环节的关键电路（至少2种）及其功能。参考答案一、单项选择题1.A（传感器核心是将非电信号转换为电信号，B错误因可检测化学量等；C错误因输出可为电流、频率；D错误因部分传感器含调理电路）2.B（金属应变片基于应变效应，压阻效应为半导体特性）3.B（压电传感器依赖电荷积累，静态下电荷泄漏导致信号衰减）4.B（热电偶直接将热能转换为电能，属发电型；其他为能量转换型）5.B（光电二极管反向偏置，利用内光电效应产生光生载流子）二、多项选择题1.ABD（频率响应属动态特性）2.ABC（输入阻抗影响信号传输，非传感器自身精度因素）3.BC（光电管、光电倍增管为外光电效应器件）4.BC（磁电式传感器基于电磁感应，测速度或加速度）5.ABC（模数转换属数据采集，非调理电路核心功能）三、填空题1.敏感元件、转换元件、信号调理电路2.输出变化量与输入变化量的比值、V/mm（或mV/μm等）3.(1+2μ)+(Δρ/ρΔε)、泊松比、电阻率相对变化率与应变的比值4.压电晶体（如石英）、压电陶瓷（如PZT）、压电聚合物（如PVDF）、PZT（锆钛酸铅）5.自感式、互感式（差动变压器式）、电涡流式、电感量（或磁路磁阻）6.塞贝克、接触电势、温差电势四、简答题1.变面积式电容传感器通过改变极板重叠面积实现测量。初始电容C₀=εA/d₀；当极板水平位移Δx（重叠面积变为AΔA，ΔA=aΔx，a为极板宽度），则C=ε(AΔA)/d₀=C₀εaΔx/d₀；灵敏度S=ΔC/Δx=εa/d₀（负号表示电容随面积减小而减小）。2.异同点：工作原理：压电式基于压电效应（机械应力→电荷）；压阻式基于压阻效应（应力→电阻率变化）。材料：压电式用石英、PZT等；压阻式用单晶硅等半导体。适用场景：压电式适合动态测量（如振动）；压阻式可测静态/动态压力（如血压计）。3.漂移原因：应变片电阻的温度系数导致热电阻变化；弹性体热膨胀引起虚假应变。补偿方法：电桥补偿法（接补偿片于不受力且同温度环境）；选择自补偿应变片（温度系数与弹性体匹配）。4.系统设计：传感器类型：对射式光电传感器（发射器、接收器分置带材两侧）。检测原理：带材跑偏时遮挡部分光束，接收器输出光强变化，光强与跑偏量成对应关系。信号处理：光电信号经放大、滤波后，通过A/D转换为数字信号，与基准值比较计算跑偏量，输出报警或控制信号。5.霍尔效应：载流导体（半导体）在垂直磁场中，载流子受洛伦兹力偏转，在垂直电流和磁场方向产生霍尔电势。公式：U_H=K_HIB/d，其中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。五、应用题1.计算过程：应变ε=σ/E=100×10⁶Pa/2×10¹¹Pa=5×10⁻⁴；ΔR/R=Kε=2.0×5×10⁻⁴=1×10⁻³；ΔR=R×ΔR/R=120Ω×0.001=0.12Ω。2.分析过程：（1）C₀=ε₀A/d₀=8.85×10⁻¹²×50×10⁻⁶/0.1×10⁻³=4.425×10⁻¹¹F=44.25pF；（2）d=d₀+Δd=0.1+0.005=0.105mm，C=ε₀A/d=8.85×10⁻¹²×50×10⁻⁶/0.105×10⁻³≈42.14pF；（3）理想线性变化率ΔC_linear/C₀=Δd/d₀=5×10⁻³/0.1=0.05；实际变化率ΔC_real/C₀=(42.1444.25)/44.25≈0.0477；非线性误差δ=|0.0477(0.05)|/0.05×100%≈4.6%。3.