大学《传感器原理与应用》试题及答案

大学《传感器原理与应用》试题及答案一、单项选择题（每题2分，共10分）1.传感器的核心组成部分是（）。A.敏感元件B.转换元件C.信号调理电路D.电源模块2.金属电阻应变片的工作原理主要基于（）。A.压阻效应B.应变效应C.热电效应D.光电效应3.压电式传感器不能测量静态信号的主要原因是（）。A.压电材料的居里点限制B.电荷容易泄漏C.输出信号微弱D.温度漂移严重4.变面积式电容传感器的输出特性为（）。A.线性B.非线性C.指数关系D.对数关系5.以下哪种传感器属于发电型传感器？（）A.电感式传感器B.热电偶C.电阻应变片D.电容式传感器二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.传感器的静态特性参数包括（）。A.灵敏度B.线性度C.动态响应时间D.重复性2.电容式传感器的常见类型有（）。A.变极距式B.变面积式C.变介电常数式D.变磁导率式3.光电效应的分类包括（）。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4.霍尔传感器的主要应用包括（）。A.位移测量B.电流检测C.转速测量D.温度测量5.以下关于压电式传感器的描述正确的是（）。A.适用于动态测量B.需要高输入阻抗前置放大器C.常用压电材料有石英和压电陶瓷D.可直接测量静态力三、填空题（每空1分，共20分）1.传感器一般由敏感元件、________和________三部分组成。2.金属电阻应变片的灵敏度系数K表示________与________的比值。3.电感式传感器的基本类型包括变气隙式、________和________。4.压电效应分为________和________两种，其中________是机械能转换为电能的过程。5.热电偶的热电势由________和________两部分组成。6.光电式传感器中，光敏电阻基于________效应工作，光电池基于________效应工作。7.霍尔元件的载流子类型为________（电子或空穴），其输出电压公式为________。8.压阻式传感器的工作原理是________，其灵敏度比金属应变片________（高/低）。四、简答题（共30分）1.（封闭型，8分）简述变气隙式电感传感器的工作原理及输出特性非线性的原因。2.（封闭型，7分）说明电阻应变片测量电桥中“半桥双臂”接法的优点及适用场景。3.（开放型，8分）比较电阻应变式传感器与压阻式传感器的异同点（从工作原理、材料、灵敏度、温度特性等方面分析）。4.（开放型，7分）列举三种常见的温度传感器，并说明其适用的温度范围及典型应用场景。五、计算题（共20分）1.（6分）某金属电阻应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R=120Ω。当被测应变ε=500με时，求应变片的电阻变化量ΔR。2.（7分）一变极距式电容传感器，初始极板间距d0=1mm，极板面积A=100mm²，极板间介质为空气（ε0=8.85×10⁻¹²F/m）。当极板间距变化Δd=0.1mm时（Δd<<d0），求电容变化量ΔC，并说明输出特性的非线性误差（用相对误差表示）。3.（7分）某霍尔传感器的灵敏度KH=20mV/(mA·T)，控制电流I=5mA，被测磁场B=0.3T。求霍尔输出电压UH；若磁场方向与霍尔元件表面法线夹角为60°，求此时的输出电压UH’。六、分析题（共25分）1.（12分）某电阻应变式称重传感器在实际测量中出现温度漂移现象，分析其可能原因，并设计两种温度补偿方法（需说明具体实现方式）。2.（13分）设计一个基于光电传感器的自动分拣系统，用于区分黑色塑料件（不透光）和白色塑料件（透光）。要求：（1）选择合适的光电传感器类型；（2）画出系统结构示意图（文字描述即可）；（3）说明信号处理逻辑及分拣执行机构的工作流程。答案及解析一、单项选择题1.A（敏感元件直接感受被测量，是核心）2.B（金属应变片基于应变效应，半导体应变片基于压阻效应）3.B（压电传感器输出为电荷，静态下电荷易泄漏，无法保持）4.A（变面积式电容传感器的C与面积成线性关系）5.B（热电偶直接将温度差转换为电势，属于发电型；其他为能量转换型）二、多项选择题1.ABD（动态响应时间属于动态特性）2.ABC（变磁导率式属于电感式传感器）3.ABCD（外光电效应如光电管，内光电效应包括光电导和光生伏特效应）4.ABC（霍尔传感器通过磁场测量位移、电流、转速；温度测量常用热电偶或热电阻）5.ABC（压电传感器不能直接测静态信号，需配合电荷放大器）三、填空题1.转换元件；信号调理/转换电路2.电阻相对变化率（ΔR/R）；应变（ε）3.变面积式；螺管式4.正压电效应；逆压电效应；正压电效应5.接触电势；温差电势6.光电导；光生伏特7.电子（多数载流子）；UH=KHIB（或UH=IB/(nqd)）8.半导体的压阻效应；高四、简答题1.变气隙式电感传感器工作原理及非线性原因工作原理：传感器由线圈、铁芯和衔铁组成，被测位移引起衔铁移动，改变气隙厚度δ，导致磁路磁阻变化，从而改变线圈电感L（L=W²μ0A/(2δ)，W为匝数，μ0为真空磁导率，A为气隙截面积）。非线性原因：电感L与气隙厚度δ成反比，当δ变化时，ΔL/L与Δδ/δ呈非线性关系（ΔL≈W²μ0AΔδ/(2δ0²)，ΔL/L≈Δδ/δ0），因此输出特性为非线性。2.半桥双臂接法的优点及适用场景优点：（1）温度补偿：两个应变片处于同一温度场，温度引起的电阻变化相互抵消；（2）灵敏度提高：电桥输出电压Uo=(ΔR1/RΔR2/R)U/4，若ΔR1=ΔR2（如一个受拉、一个受压），则Uo=(2ΔR/R)U/4=(ΔR/R)U/2，比单臂接法灵敏度翻倍。适用场景：适用于测量双向应变（如梁的弯曲应力）或需要温度补偿的场景。3.电阻应变式与压阻式传感器的异同相同点：均通过电阻变化测量应变或力。不同点：工作原理：应变式基于金属的应变效应（几何尺寸变化）；压阻式基于半导体的压阻效应（电阻率变化）。材料：应变式用金属（如康铜）；压阻式用半导体（如硅）。灵敏度：压阻式灵敏度（K≈100200）远高于应变式（K≈2）。温度特性：压阻式温度漂移大（电阻率受温度影响显著），需严格温度补偿；应变式温度漂移较小。线性度：应变式线性度好；压阻式非线性较明显（电阻率变化与应力非线性相关）。4.三种温度传感器及应用（1）热电偶：适用温度范围200℃~2000℃（取决于材料，如K型镍铬镍硅适用于0~1300℃），典型应用：工业炉温测量、发动机排气温度监测。（2）热电阻（如Pt100）：适用200℃~850℃，典型应用：实验室精密温度控制、空调系统温度检测。（3）集成温度传感器（如AD590）：适用55℃~150℃，典型应用：电子设备内部温度监测、医疗仪器温度控制。五、计算题1.电阻变化量计算ΔR=K·R·ε=2.0×120Ω×500×10⁻⁶=0.12Ω2.电容变化量及非线性误差初始电容C0=ε0A/d0=8.85×10⁻¹²×100×10⁻⁶/(1×10⁻³)=8.85×10⁻¹³F=0.885pF当Δd<<d0时，ΔC≈C0Δd/d0=0.885pF×0.1/1=0.0885pF（负号表示间距增大，电容减小）非线性误差γ=(ΔC实际ΔC线性)/ΔC线性×100%实际ΔC=ε0A/(d0+Δd)ε0A/d0=ε0Ad0/(d0(d0+Δd))ε0A(d0+Δd)/(d0(d0+Δd))=ε0AΔd/(d0(d0+Δd))ΔC线性≈ε0AΔd/d0²（泰勒展开一阶近似）γ=[ε0AΔd/(d0(d0+Δd))+ε0AΔd/d0²]/(ε0AΔd/d0²)×100%=[1/(d0+Δd)1/d0]/(1/d0²)×100%=[Δd/(d0(d0+Δd))]/(1/d0²)×100%=Δd/(d0+Δd)×100%≈Δd/d0×100%=10%（因Δd<<d0，近似为Δd/d0）3.霍尔电压计算UH=KH·I·B=20mV/(mA·T)×5mA×0.3T=30mV当夹角θ=60°时，有效磁场B’=B·cosθ=0.3×0.5=0.15T，故UH’=KH·I·B’=20×5×0.15=15mV六、分析题1.温度漂移原因及补偿方法原因：（1）应变片电阻随温度变化（电阻温度系数α）；（2）被测件与应变片材料热膨胀系数不同，引起附加应变（热输出）。补偿方法：（1）电桥补偿法（双片补偿）：在同一弹性体上粘贴两个应变片，一个为测量片（受应变和温度影响），另一个为补偿片（仅受温度影响，不承受机械应变），接入电桥相邻桥臂。温度变化时，两应变片电阻变化ΔRt相同，电桥输出Uo=(ΔR测ΔR补)U/4=ΔR机械U/4，抵消温度影响。（2）热敏电阻补偿法：在电桥电源回路串联热敏电阻Rt（负温度系数），温度升高时Rt减小，电源电压U降低，补偿应变片因温度升高引起的ΔRt增大，保持电桥输出稳定。2.光电分拣系统设计（1）传感器类型：选择对射式光电传感器（发射器和接收器分离，被测物通过时遮挡光路）。（2）系统结构：传送带：输送塑料件；对射式光电传感器：发射器（红外LED）和接收器（光敏三极管）分别安装在传送带两侧；信号处理模块：将接收器输出的光电流转换为电压信号，通过比较器设定阈值（白色件透光，接收器输出高电平；黑色件不透光，输出低电平）；