2025年《传感与检测技术》习题及解答

2025年《传感与检测技术》习题及解答一、选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分）（一）单项选择题（110题）1.以下哪项属于传感器的静态特性参数？A.固有频率B.线性度C.阻尼比D.谐振频率答案：B2.压电式传感器不能直接测量静态信号的主要原因是：A.压电材料的居里点限制B.电荷泄漏导致信号衰减C.压电效应仅存在于动态应力D.后续电路无法处理直流信号答案：B3.光电式传感器中，光敏电阻基于哪种光电效应工作？A.外光电效应B.内光电效应C.光生伏特效应D.光电导效应答案：D4.变面积式电容传感器的输出特性为：A.线性B.平方关系C.对数关系D.指数关系答案：A5.以下哪种传感器常用于测量微小位移（精度≤1μm）？A.电阻应变式传感器B.电感式差动变压器C.电涡流式传感器D.电容式传感器答案：B6.热电偶测温时，补偿导线的作用是：A.延长热电极长度B.补偿冷端温度变化C.提高测量灵敏度D.降低热惯性答案：B7.霍尔传感器的输出电压与以下哪项无关？A.激励电流B.磁感应强度C.霍尔系数D.传感器厚度答案：D（霍尔电压公式：UH=KHIB，KH=1/(nq)，与厚度无关）8.以下不属于数字式传感器的是：A.光栅传感器B.编码器C.电容式位移传感器D.磁栅传感器答案：C9.测量气体压力时，若被测介质具有腐蚀性，应选用：A.应变式压力传感器B.扩散硅压力传感器C.电容式压力传感器D.带隔离膜片的压力传感器答案：D10.某温度传感器的量程为0~100℃，精度等级为0.5级，其最大绝对误差为：A.0.5℃B.0.25℃C.0.1℃D.1℃答案：A（最大绝对误差=量程×精度等级%=100×0.5%=0.5℃）（二）多项选择题（1115题）11.以下属于传感器动态特性指标的有：A.时间常数B.超调量C.灵敏度D.频率响应范围答案：ABD12.压电式传感器的前置放大器类型包括：A.电压放大器B.电荷放大器C.电流放大器D.功率放大器答案：AB13.光电耦合器的主要作用有：A.隔离输入输出电路B.放大电信号C.实现电平转换D.抑制电磁干扰答案：ACD14.电涡流式传感器可用于测量：A.位移B.厚度C.温度D.材料电阻率答案：ABD15.以下关于热电阻的描述正确的有：A.常用材料为铂和铜B.测量范围一般低于热电偶C.输出信号为电阻变化D.需采用三线制接法减小引线电阻影响答案：ABCD二、填空题（本大题共10小题，每空2分，共20分）1.传感器通常由敏感元件、转换元件和________三部分组成。答案：信号调理电路2.压电效应分为正压电效应和________。答案：逆压电效应3.电感式传感器按转换原理可分为自感式、互感式和________。答案：电涡流式4.光敏二极管在工作时通常施加________偏置电压。答案：反向5.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6.应变片的灵敏度系数定义为________与被测应变的比值。答案：电阻相对变化率（ΔR/R）7.电容式传感器的寄生电容会导致测量误差，常用的抑制方法有驱动电缆法、________和整体屏蔽法。答案：浮地屏蔽法8.霍尔传感器的误差主要包括温度误差、________和不等位电势误差。答案：寄生直流电势误差9.数字式位移传感器中，光栅的莫尔条纹具有位移放大作用和________功能。答案：平均误差10.检测系统的静态特性指标除线性度外，还包括迟滞、________和重复性。答案：灵敏度三、简答题（本大题共8小题，第1620题每题5分，第2124题每题6分，共46分）16.简述电阻应变片的工作原理。答案：电阻应变片基于金属的应变效应工作。当被测物体受外力作用产生应变时，粘贴在其表面的应变片随之发生机械变形，导致应变片的电阻值发生变化。电阻相对变化率ΔR/R与应变ε的关系为ΔR/R=Kε，其中K为灵敏度系数，由材料的几何尺寸变化（ΔL/L和ΔA/A）和电阻率变化（Δρ/ρ）共同决定。17.对比分析热电偶与热电阻在温度检测中的优缺点。答案：（1）热电偶：优点是测量范围宽（200~2000℃）、响应快、结构简单；缺点是输出信号小（mV级），需冷端补偿，线性度较差。（2）热电阻：优点是测量精度高（尤其低温段）、输出信号大（Ω级）、线性度好；缺点是测量范围较窄（200~850℃），需恒流源供电，存在自热误差。18.说明电感式差动变压器（LVDT）的工作原理及优势。答案：LVDT由初级线圈、两个对称次级线圈和可动铁芯组成。初级线圈通交变电流后，铁芯位移导致两个次级线圈的互感变化，输出电压为两次级电压之差。当铁芯处于中间位置时，输出电压为零；偏离中心时，输出电压与位移成正比，且相位反映位移方向。优势：线性范围宽（±250mm）、灵敏度高（mV/μm）、分辨率高（0.1μm）、寿命长。19.解释光电传感器中“光电倍增管”的工作原理。答案：光电倍增管由光阴极、倍增极和阳极组成。入射光照射光阴极时，外光电效应使其发射光电子；光电子经聚焦电极加速后轰击第一倍增极，产生二次电子发射；二次电子依次轰击后续倍增极（通常10~15级），电子数量呈指数级倍增；最终大量电子被阳极收集，形成与入射光强成正比的输出电流。20.简述检测系统中信号调理的主要目的及常用电路。答案：目的：将传感器输出的微弱、非电或非标准电信号转换为后续处理电路可接受的标准信号（如0~5V、4~20mA），同时抑制噪声、提高信噪比。常用电路：电桥电路（用于电阻/电感/电容传感器）、放大电路（如仪表放大器）、滤波电路（低通/高通/带通滤波器）、调制解调电路（用于动态信号）、线性化电路（如二极管折线近似电路）。21.分析压电式传感器为何需要配置高输入阻抗前置放大器。答案：压电式传感器的等效输出为电荷源（Q=dF）或电压源（U=Q/Ca），其中Ca为传感器自身电容。由于压电材料的绝缘电阻虽高（10^12~10^14Ω），但仍存在漏电流，若后续电路输入阻抗过低，电荷会通过输入电阻快速泄漏，导致信号衰减。高输入阻抗前置放大器（如电荷放大器输入阻抗>10^12Ω）可减小电荷泄漏，保持输出信号的准确性，同时实现阻抗匹配，避免信号失真。22.设计一个基于应变片的称重系统，需考虑哪些关键问题？答案：（1）应变片选型：根据被测材料（如钢/铝）选择合适的基底材料和敏感栅材料（如康铜/镍铬合金），确保温度系数匹配；（2）布片与组桥：在弹性体（如悬臂梁/轮辐式）的应力集中区沿主应力方向粘贴应变片，采用全桥接法提高灵敏度并补偿温度误差；（3）温度补偿：利用应变片的自补偿或桥路补偿（如在弹性体无应力区粘贴补偿片）；（4）信号调理：配置高精度仪表放大器（抑制共模干扰）、低通滤波器（滤除机械振动噪声）；（5）线性化处理：通过软件或硬件电路修正弹性体的非线性变形；（6）过载保护：设置机械限位或电子过载报警。23.说明电涡流式传感器的工作原理及影响电涡流效应的主要因素。答案：工作原理：当传感器线圈通交变电流时，线圈周围产生交变磁场；被测金属导体在磁场中感应出电涡流，电涡流产生的反向磁场会改变原线圈的阻抗（ΔZ=R+jX）；通过检测线圈阻抗变化（或Q值变化）可获得被测参数（如位移、厚度、电导率）。主要因素：线圈与被测体的距离δ、被测体的电导率σ、磁导率μ、激励频率f。当δ减小时，阻抗变化增大；σ或μ增大时，涡流效应增强；f过高时，涡流渗透深度（δ=√(ρ/(πfμ))）减小，仅表面层起作用。24.对比分析半导体式气敏传感器与催化燃烧式气敏传感器的适用场景。答案：（1）半导体式：基于金属氧化物（如SnO2）表面吸附气体后电导率变化工作。优点：灵敏度高、响应快、成本低；缺点：选择性差（对多种气体敏感）、需加热（300~500℃）。适用于环境监测（如CO、CH4浓度报警）、工业废气检测。（2）催化燃烧式：基于可燃气体在催化剂（如铂丝）表面燃烧产生热量，导致铂丝电阻变化工作。优点：选择性好（仅对可燃气体敏感）、线性度高；缺点：易中毒（硫化物会覆盖催化剂）、功耗大。适用于可燃气体泄漏检测（如煤矿瓦斯、天然气）。四、应用题（本大题共5小题，第2527题每题8分，第2829题每题10分，共44分）25.某电阻应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R0=120Ω，粘贴在弹性模量E=200GPa的钢构件表面。当构件受拉应力σ=100MPa时，求应变片的电阻变化量ΔR及应变ε。（已知应变ε=σ/E）解答：应变ε=σ/E=100×10^6Pa/200×10^9Pa=5×10^4（500με）电阻变化量ΔR=K×R0×ε=2.0×120Ω×5×10^4=0.12Ω答案：ΔR=0.12Ω，ε=500με26.一变极距式电容传感器，初始极板间距d0=0.1mm，极板面积A=100mm²，空气介电常数ε0=8.85×10^12F/m。若极板间距减小Δd=0.01mm（Δd<<d0），求电容变化量ΔC及相对变化量ΔC/C0。解答：初始电容C0=ε0A/d0=8.85×10^12×100×10^6/0.1×10^3=8.85×10^11F=88.5pF极距变化时，ΔC≈C0Δd/d0（线性近似）ΔC≈88.5pF×0.01mm/0.1mm=8.85pF相对变化量ΔC/C0≈Δd/d0=0.01/0.1=10%答案：ΔC≈8.85pF，ΔC/C0≈10%27.某压电式加速度传感器的电荷灵敏度SQ=10pC/g（g为重力加速度，g=9.8m/s²），配接电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF。当被测加速度a=5g时，求电荷放大器的输出电压Uo。（电荷放大器输出电压Uo=Q/Cf）解答：电荷量Q=SQ×a=10pC/g×5g=50pC输出电压Uo=Q/Cf=50pC/1000pF=0.05V（负号表示相位相反，通常取绝对值）答案：Uo=0.05V（或0.05V）28.设计一个基于热电偶的温度检测系统，要求测量范围0~800℃，精度±1℃，输出4~20mA标准信号。需说明：（1）热电偶选型；（2）冷端补偿方法；（3）信号调理电路组成；（4）线性化处理方案。解答：（1）热电偶选型：测量0~800℃可选K型（镍铬镍硅）热电偶，其线性度较好（误差±0.75%），测温范围200~1372℃，符合要求。（2）冷端补偿：采用集成温度传感器（如AD590）测量冷端温度T0，通过单片机查表（K型热电偶分度表）计算热端温度T=查表值(T0+热电势E)。（3）信号调理电路：热电偶输出mV级信号→低噪声仪表放大器（如AD620，增益100）→二阶低通滤波器（截止频率10Hz，滤除工频干扰）→A/D转换器（16位，分辨率0.1mV）→单片机处理→D/A转换器输出0~5V→V/I转换电路（如XTR115）输出4~20mA。（4）线性化处理：K型热电偶的热电势温度关系近似为E=aT+bT²+cT³，通过单片机存储分度表（或多项式拟合系数），根据实测E和T0查表计算T，实现线性化输出。29.某电感式差动变压器的初级线圈激励电压为5V（频率1kHz），次级线圈匝数N1=N2=500匝，铁芯位移x=0时，初级电感L0=2mH，互感M1=M2=0.5mH；当铁芯上移Δx时，M1=0.5+0.1ΔxmH，M2=0.50.1ΔxmH（Δx单位：mm）。求Δx=2mm时，次级输出电压的有效值。（差动变压器输出电压Uo=U21U22，次级电压有效值U2=ωM