2025年传感器实验试题及答案

2025年传感器实验试题及答案一、单项选择题（每题2分，共10分）1.电阻应变片的灵敏系数K定义为（）A.应变片电阻变化率与机械应变的比值B.应变片电阻与机械应变的比值C.应变片长度变化率与电阻变化率的比值D.机械应变与电阻变化率的比值2.差动变压器式电感传感器的输出电压特性曲线呈（）A.线性关系（正负对称）B.非线性关系（单峰）C.指数关系D.对数关系3.电容式传感器采用差动结构的主要目的是（）A.提高灵敏度，减小非线性误差B.降低成本C.简化电路设计D.增加测量范围4.光电式传感器中，用于测量物体转速的常用类型是（）A.透射式光电传感器B.反射式光电传感器C.光电池D.光敏二极管5.热电偶的热电势由（）组成A.接触电势与温差电势之和B.接触电势与温差电势之差C.仅接触电势D.仅温差电势二、多项选择题（每题3分，共9分，少选得1分，错选不得分）1.影响电阻应变式传感器测量精度的因素包括（）A.温度变化引起的应变片电阻漂移B.应变片粘贴工艺（如胶层厚度）C.电桥供电电压的稳定性D.被测材料的泊松比2.电感式传感器的常用信号调理电路有（）A.相敏检波电路B.电桥电路C.差动整流电路D.电荷放大器3.设计基于热电阻的温度测量系统时，需考虑的关键问题有（）A.热电阻的引线电阻补偿（如三线制接法）B.热电阻的响应时间C.环境电磁干扰对信号传输的影响D.热电阻的非线性特性校正三、填空题（每空2分，共20分）1.电阻应变片的工作原理基于______效应，其灵敏系数K的表达式为K=______（ΔR为电阻变化量，R为初始电阻，ε为机械应变）。2.差动变压器式电感传感器的输出特性在零点附近存在______现象，需通过______电路消除。3.电容式传感器按结构可分为变极距型、变面积型和变______型，其中______型灵敏度最高（填类型）。4.光电式传感器的核心元件是______，其基本工作原理是______（填物理效应）。5.热电偶的冷端补偿方法包括冰浴法、______和______（列举两种）。四、简答题（共31分）1.（封闭型，8分）简述惠斯通电桥（半桥接法）测量应变的实验步骤。2.（封闭型，7分）说明差动电容式传感器的输出电压公式（假设初始电容为C₀，极板间距变化为Δd），并推导其线性化近似条件。3.（开放型，8分）某同学在进行光电转速测量实验时，发现输出信号幅值不稳定，可能的原因有哪些？提出3种改进措施。4.（开放型，8分）比较热电偶与热电阻在温度测量中的优缺点（从测量范围、灵敏度、线性度、结构复杂度四方面分析）。五、应用题（共30分）1.（计算题，8分）某电阻应变片的灵敏系数K=2.0，初始电阻R=120Ω。将其接入单臂电桥（电源电压U=5V），当被测应变ε=1000με（1με=1×10⁻⁶）时：（1）计算应变片的电阻变化量ΔR；（2）若电桥为等臂电桥（R₁=R₂=R₃=R₄=120Ω），求电桥输出电压U₀（忽略非线性误差）。2.（分析题，10分）某实验中测得差动变压器式电感传感器的输出电压与位移关系数据如下表：|位移x（mm）|2|1|0|1|2|||||||||输出电压U（mV）|150|75|5|78|155|（1）判断该传感器是否存在零点残余电压，说明依据；（2）计算传感器在x=±2mm范围内的灵敏度（取绝对值平均）；（3）分析非线性误差（以满量程输出的百分比表示，满量程为±2mm）。3.（综合设计题，12分）设计一个基于传感器的“液体管道流量监测系统”，要求：（1）选择合适的传感器类型（需说明原理）；（2）设计信号调理电路（含关键元件）；（3）描述数据采集与处理流程；（4）列举3个常见故障及排查方法。2025年传感器实验试题答案一、单项选择题1.A（灵敏系数定义为ΔR/R与ε的比值）2.A（差动变压器输出为对称线性曲线，正负位移对应正负电压）3.A（差动结构通过两个电容反向变化提高灵敏度，抵消非线性项）4.B（反射式可通过检测旋转物体上的标记点频率测量转速）5.A（热电势=接触电势（不同材料）+温差电势（同一材料两端温差））二、多项选择题1.ABC（被测材料泊松比影响横向效应，但已通过应变片结构设计补偿，非主要影响因素）2.AC（电感式常用相敏检波或差动整流电路，电桥用于电阻/电容传感器，电荷放大器用于压电式）3.ABCD（三线制补偿引线电阻，响应时间影响动态测量，电磁干扰需屏蔽，非线性需查表或软件校正）三、填空题1.金属电阻应变；ΔR/(R·ε)2.零点残余电压；相敏检波（或差动整流）3.介质；变极距4.光电器件（如光敏电阻）；光电效应（外光电/内光电/光生伏特）5.补偿电桥法；冷端温度传感器实时补偿四、简答题1.惠斯通电桥半桥接法测量应变的实验步骤：①准备器材：应变片、电桥模块、直流电源、静态应变仪、待测弹性体（如悬臂梁）。②粘贴应变片：清洁弹性体表面，用专用胶粘贴应变片，固化后焊接引线。③连接电桥：将应变片作为电桥一臂（R₁），另一臂接温度补偿片（R₂），R₃、R₄为固定电阻。④调零：接通电源（5V），调节电桥平衡电位器使应变仪显示为0。⑤加载测量：在弹性体末端逐级加载砝码（如0.5kg/级），记录对应应变值（ε）与电桥输出电压（U₀）。⑥卸载并重复：卸载砝码至零，重复测量3次取平均，绘制U₀ε曲线，计算灵敏度。2.差动电容式传感器输出电压公式及线性化条件：设初始电容C₀=εA/d₀（ε为介电常数，A为极板面积，d₀为初始间距），当动极板位移Δd时，两电容分别为C₁=εA/(d₀+Δd)，C₂=εA/(d₀Δd)。若接入差动电桥（电源电压U），输出电压U₀=U·(C₂C₁)/(C₁+C₂)。代入C₁、C₂表达式化简得：U₀=U·(2Δd/d₀)/(1(Δd/d₀)²)。当Δd<<d₀时，(Δd/d₀)²≈0，近似为U₀≈U·(2Δd/d₀)，即线性关系。3.光电转速测量信号幅值不稳定的可能原因及改进措施：原因：①被测物体表面反光率不均匀（如标记点褪色）；②光源强度波动（如LED电源电压不稳）；③光电接收器与被测物距离变化（安装不固定）；④环境光干扰（如实验室灯光直射）。改进措施：①更换高对比度标记（如黑白条纹）；②采用恒流源驱动光源；③固定传感器支架（增加机械夹具）；④加装遮光罩或使用滤光片（匹配光源波长）。4.热电偶与热电阻的优缺点比较：|指标|热电偶|热电阻||||||测量范围|宽（200℃~2000℃）|较窄（200℃~850℃，铂电阻）||灵敏度|低（约40μV/℃）|高（铂电阻约0.385Ω/℃）||线性度|非线性（需查表或软件校正）|近似线性（铂电阻线性度>0.999）||结构复杂度|简单（仅两根热电极）|复杂（需引线补偿、保护套管）|五、应用题1.（1）ΔR=K·R·ε=2.0×120Ω×1000×10⁻⁶=0.24Ω（2）单臂电桥输出电压公式：U₀=U·(ΔR)/(4R)=5V×(0.24Ω)/(4×120Ω)=0.0025V=2.5mV2.（1）存在零点残余电压：当x=0时，输出电压为5mV（理想应为0）。（2）灵敏度计算：x=2mm时U=155mV，x=2mm时U=150mV（取绝对值），平均灵敏度S=(155+150)/(2×2)=76.25mV/mm（或取x=1mm时U=78mV，x=1mm时U=75mV，S=(78+75)/(2×1)=76.5mV/mm，两种方法均正确，取平均约76.4mV/mm）。（3）非线性误差：满量程输出理论值（线性时）x=2mm对应U=150mV（假设x=2时150mV，x=2时应为150mV，实际为155mV），最大偏差ΔU=155150=5mV，满量程输出FSO=150mV（绝对值），非线性误差γ=ΔU/FSO×100%≈3.33%。3.液体管道流量监测系统设计：（1）传感器选择：涡街流量计（原理：流体流经漩涡发生体时产生卡门涡街，频率f与流速v成正比，f=St·v/d，St为斯特劳哈尔数，d为发生体宽度）。（2）信号调理电路：①压电式传感器检测漩涡频率（输出电荷信号）；②电荷放大器（将电荷转换为电压，反馈电容C_f=100pF）；③带通滤波器（中心频率50Hz，带宽10~100Hz，滤除低频噪声和高频干扰）；④施密特触发器（将正弦波转换为方波，便于测频）。（3）数据采集与处理流程：①方波信号输入单片机（如STM32）的定时器，通过