传感器技术试题及答案

传感器技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.传感器的基本组成中，直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的部分是（）。A.转换元件B.敏感元件C.信号调理电路D.辅助电源2.下列参数中，不属于传感器静态特性指标的是（）。A.线性度B.响应时间C.重复性D.迟滞3.应变式传感器中，金属电阻应变片的工作原理主要基于（）。A.压阻效应B.压电效应C.应变效应D.热电效应4.变极距型电容式传感器的输出特性为（）。A.线性关系B.近似线性关系C.非线性关系D.指数关系5.电感式传感器中，差动变压器式传感器的输出信号是（）。A.直流电压B.交流电压C.直流电流D.交流电流6.热电偶测温时，若冷端温度不为0℃，需进行冷端温度补偿，常用的补偿方法是（）。A.电桥补偿法B.热敏电阻补偿法C.查表修正法D.以上均是7.光电效应中，光电子逸出金属表面的现象属于（）。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8.气敏传感器检测气体浓度时，其敏感材料通常为（）。A.金属导体B.半导体C.绝缘体D.高分子聚合物9.以下传感器中，可用于非接触式测量温度的是（）。A.热电偶B.热电阻C.红外辐射温度计D.热敏电阻10.传感器的分辨率是指（）。A.传感器能检测到的最小输入变化量B.传感器输出与输入的线性程度C.传感器在全量程内的最大输出变化量D.传感器对干扰信号的抑制能力二、多项选择题（每题3分，共15分。至少有2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.传感器的动态特性指标包括（）。A.上升时间B.超调量C.线性度D.频率响应特性2.应变式传感器常用的测量电路有（）。A.单臂电桥B.双臂电桥C.全桥电路D.差分放大器3.电容式传感器的类型包括（）。A.变极距型B.变面积型C.变介电常数型D.变磁导率型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.中间温度定律D.压电效应定律5.光电式传感器的应用场景包括（）。A.转速测量B.位移测量C.气体成分分析D.温度测量三、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的定义是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由______和______组成。2.传感器的静态特性指标主要有线性度、______、______、灵敏度和分辨率等。3.金属电阻应变片的灵敏度系数表达式为S=______，其中ε为______。4.变极距型电容式传感器的电容公式为C=______，其中ε0为______，εr为______，A为极板面积，d为极板间距。5.电感式传感器分为自感式、______和______三类，其中差动变压器式属于______。6.热电偶的热电势由______和______两部分组成。7.光敏电阻基于______效应工作，其电阻值随光照强度增加而______（填“增大”或“减小”）。8.气敏传感器检测可燃气体时，通常利用半导体材料的______随气体浓度变化的特性；湿敏传感器则通过测量______或______的变化来检测湿度。四、简答题（共30分）（一）封闭型简答题（每题5分，共20分）1.简述传感器静态特性和动态特性的区别，并各举2个指标。2.说明应变式传感器中温度误差的产生原因及常用补偿方法。3.比较变极距型、变面积型电容式传感器的优缺点（从灵敏度、线性度、测量范围三方面）。4.解释热电偶的“中间导体定律”，并说明其工程应用意义。（二）开放型简答题（每题10分，共10分）5.某工厂需监测机械振动的加速度（范围±5g），请设计一种基于传感器的监测方案，要求：（1）选择合适的传感器类型；（2）说明传感器的工作原理；（3）列出信号调理的关键步骤（如放大、滤波等）；（4）简述数据采集与分析的基本流程。五、应用题（共25分）（一）计算题（每题5分，共10分）1.某金属电阻应变片的灵敏度系数S=2.0，初始电阻R0=120Ω。当被测应变ε=1000με（1με=1×10⁻⁶）时，求应变片的电阻变化量ΔR。2.用K型热电偶（镍铬镍硅）测量某炉温，已知冷端温度t0=25℃，测得热电势E(t,t0)=33.29mV。查K型热电偶分度表（部分数据如下），求炉温t（℃）。|温度t（℃）|0|25|50|75|100|800|825|850|875|900||||||||||||||E(t,0)mV|0|1.00|2.03|3.08|4.09|33.27|34.10|34.94|35.78|36.62|（二）分析题（每题7.5分，共15分）3.某电容式位移传感器为变极距型，初始极板间距d0=0.1mm，极板面积A=20mm²，介电常数ε=ε0（ε0=8.85×10⁻¹²F/m）。（1）计算初始电容C0；（2）若极板间距减小Δd=0.01mm，求此时电容C1；（3）分析该传感器输出特性的非线性误差（提示：非线性误差δ=|(C1C0)/C0Δd/d0|×100%）。4.某光电传感器用于检测流水线工件计数，采用对射式结构（发射器与接收器相对放置）。实际应用中发现计数错误率高，可能的故障原因有哪些？请提出至少3种排查方法。参考答案一、单项选择题1.B2.B3.C4.C5.B6.D7.A8.B9.C10.A二、多项选择题1.ABD2.ABC3.ABC4.ABC5.AB三、填空题1.敏感元件；转换元件2.迟滞；重复性3.(ΔR/R)/ε；应变4.ε0εrA/d；真空介电常数；相对介电常数5.互感式；电涡流式；互感式6.接触电势；温差电势7.内光电（光电导）；减小8.电导率；电阻值；电容值四、简答题1.静态特性与动态特性的区别及指标静态特性：传感器在被测量处于稳定状态时的输入输出关系，反映稳态下的精度和线性度。指标如线性度、灵敏度。动态特性：传感器对随时间变化的输入量的响应能力，反映传感器的动态跟踪能力。指标如上升时间、频率响应。2.应变式传感器温度误差及补偿方法原因：①应变片电阻随温度变化（温度系数）；②试件与应变片材料线膨胀系数不同，导致附加应变。补偿方法：①电桥补偿法（如半桥/全桥接入温度补偿片）；②热敏电阻补偿法（在测量电路中接入温度敏感元件）；③选择线膨胀系数与试件匹配的应变片。3.变极距型与变面积型电容式传感器比较灵敏度：变极距型灵敏度高（与d²成反比），变面积型灵敏度较低（与d成正比）。线性度：变极距型输出非线性（ΔC/C0≈Δd/d0+(Δd/d0)²…），变面积型近似线性（ΔC/C0≈ΔA/A0）。测量范围：变极距型测量范围小（Δd/d0通常<10%），变面积型测量范围大（可达极板长度的50%）。4.中间导体定律及工程应用定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，回路总热电势不变。意义：允许在热电偶回路中接入测量仪表（如电压表、放大器）或连接导线，不影响热电势测量，简化了温度测量系统的设计。5.机械振动加速度监测方案（1）传感器类型：压电式加速度传感器（基于压电效应，适用于动态测量）。（2）工作原理：质量块在振动加速度作用下产生惯性力，作用于压电元件（如石英晶体），使其产生与加速度成正比的电荷信号。（3）信号调理：①电荷放大器将电荷信号转换为电压信号；②低通滤波器滤除高频噪声（截止频率高于振动最高频率）；③放大器调整信号幅度至数据采集卡量程。（4）数据流程：传感器输出→电荷放大器→滤波放大→数据采集卡（A/D转换）→计算机（FFT分析获取振动频率、幅值，与阈值比较判断异常）。五、应用题1.应变片电阻变化量计算ΔR=R0×S×ε=120Ω×2.0×1000×10⁻⁶=0.24Ω。2.热电偶炉温计算根据中间温度定律，E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)。已知E(t,t0)=33.29mV，E(t0,0)=E(25℃,0)=1.00mV（查表），故E(t,0)=33.29+1.00=34.29mV。查表，34.29mV介于825℃（34.10mV）和850℃（34.94mV）之间。插值计算：34.2934.10=0.19mV，间隔25℃对应0.84mV（34.9434.10=0.84），故温度t=825+(0.19/0.84)×25≈830.6℃。3.电容式位移传感器分析（1）C0=ε0A/d0=8.85×10⁻¹²×(20×10⁻⁶)/(0.1×10⁻³)=1.77×10⁻¹¹F=17.7pF。（2）d1=d0Δd=0.09mm，C1=ε0A/d1=8.85×10⁻¹²×(20×10⁻⁶)/(0.09×10⁻³)≈1.97×10⁻¹¹F=19.7pF。（3）非线性误差δ=|(C1C0)/C0Δd/d0|×100%=|(19.717.7)/17.70.01/0.1|×100%≈|0.1130.1|×100%=1.3%。4.光电传感器计数错误排查可能原因：