2025年《传感器原理及应用》的期末考试试题及答案

2025年《传感器原理及应用》的期末考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于传感器定义的描述中，正确的是（）。A.传感器是将电信号转换为非电信号的装置B.传感器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C.传感器仅能测量物理量D.传感器输出信号只能是数字信号2.某位移传感器的测量范围为010mm，满量程输出电压为5V。当输入位移为3mm时，输出电压为1.4V，则该传感器的非线性误差（以满量程输出的百分比表示）约为（）。A.2%B.3%C.4%D.5%3.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.压电效应4.变极距型电容传感器的灵敏度与极板间初始距离d₀的关系为（）。A.灵敏度与d₀成正比B.灵敏度与d₀成反比C.灵敏度与d₀的平方成正比D.灵敏度与d₀的平方成反比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.数字信号D.频率信号6.以下光电效应中，属于外光电效应的是（）。A.光电导效应B.光生伏特效应C.光电发射效应D.光伏效应7.热电偶的热电势由（）组成。A.接触电势和温差电势B.应变电势和接触电势C.温差电势和压电势D.霍尔电势和接触电势8.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）。A.压电材料的压电系数太小B.静态信号无法产生电荷C.电荷会通过测量电路泄漏D.传感器固有频率太低9.以下不属于磁敏传感器的是（）。A.霍尔传感器B.磁阻传感器C.光电传感器D.巨磁阻传感器10.某温度传感器的量程为0100℃，精度等级为0.5级，则其最大绝对误差为（）。A.0.5℃B.0.25℃C.0.1℃D.1℃二、多项选择题（每题3分，共15分。少选得1分，错选不得分）1.传感器的静态特性指标包括（）。A.灵敏度B.线性度C.固有频率D.重复性2.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3.以下属于热电式传感器的有（）。A.热电偶B.热电阻C.热敏电阻D.光电二极管4.霍尔传感器的工作条件包括（）。A.半导体材料B.垂直于电流方向的磁场C.恒定电流输入D.高温环境5.传感器信号调理电路通常包括（）。A.放大电路B.滤波电路C.A/D转换电路D.稳压电路三、填空题（每空1分，共15分）1.传感器一般由敏感元件、（）和（）三部分组成。2.电阻应变片的灵敏系数K表示（）与（）的比值。3.电感式传感器可分为自感式、（）和（）三种类型。4.光电耦合器由（）和（）组成，可实现电光电的转换。5.热电偶的基本定律包括（）、（）和中间温度定律。6.压电材料可分为（）、（）和高分子压电材料三类。7.气敏传感器通常用于检测（），湿敏传感器的敏感量是（）。四、简答题（共30分）1.（6分）简述电感式传感器的工作原理，并说明差动结构对性能的改善作用。2.（6分）比较变极距型和变面积型电容传感器的优缺点，各举一例应用场景。3.（6分）什么是压阻效应？与金属应变片相比，半导体应变片的主要特点是什么？4.（6分）说明光电传感器的组成及各部分功能，列举三种常见的光电传感器类型。5.（6分）分析温度对传感器性能的影响（至少列出三种影响），并说明两种常用的温度补偿方法。五、计算题（共20分）1.（8分）某金属电阻应变片的灵敏系数K=2.0，初始电阻R₀=120Ω。将其粘贴在弹性试件上，当试件受拉产生应变ε=1500με时，求应变片的电阻变化量ΔR及相对变化率ΔR/R。若采用单臂电桥测量（电桥电源电压U=3V），求电桥输出电压U₀（电桥为等臂电桥，忽略非线性误差）。2.（12分）K型热电偶（镍铬镍硅）的参考端温度T₀=25℃，测得热电势E(T,T₀)=36.0mV。查K型热电偶分度表（部分数据如下），计算被测温度T。|温度（℃）|0|25|50|75|100|800|850|900|950|1000||||||||||||||热电势（mV）|0|1.00|2.03|3.08|4.095|33.275|35.313|37.326|39.314|41.276|六、综合应用题（共20分）设计一个基于传感器的智能温室环境监测系统，要求：（1）明确需要监测的环境参数（至少4项）；（2）为每项参数选择合适的传感器（需说明型号或类型）；（3）设计信号调理与处理流程（包括放大、滤波、A/D转换等）；（4）描述系统的主要功能（如超限报警、数据存储、远程传输等）。答案及解析一、单项选择题1.B（传感器的核心是将被测量转换为可用输出信号，A方向错误，C、D范围过窄）2.C（满量程输出5V，理想输出3/10×5=1.5V，误差Δ=1.51.4=0.1V，非线性误差=0.1/5×100%=2%？修正：题目中“非线性误差”通常指最大偏差与满量程的百分比。若输入3mm时输出1.4V，理想值应为1.5V，偏差0.1V；假设其他点无更大偏差，则非线性误差=0.1/5×100%=2%，但可能题目数据设置为0.2V偏差，正确选项应为C？需重新计算：若实际输出1.4V，理想值3/10×5=1.5V，绝对误差0.1V，非线性误差=（0.1/5）×100%=2%，但原题可能数据不同，正确选项应为A？修正：根据常规计算，正确答案为A。但原题可能存在笔误，此处以正确公式为准：非线性误差=（最大绝对误差/满量程输出）×100%。若输入3mm时误差0.1V，满量程5V，则2%，选A。）（注：原题可能存在数据误差，正确计算应为2%，但可能题目设定为其他值，此处以标准答案为准。）3.B（金属应变片基于应变效应，半导体应变片基于压阻效应）4.D（变极距型灵敏度公式K=εA/(d₀²)，与d₀平方成反比）5.B（差动变压器输出为交流电压，需解调为直流）6.C（外光电效应指电子逸出，如光电管；内光电效应包括光电导、光生伏特）7.A（热电偶热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成）8.C（压电传感器输出电荷会通过测量电路泄漏，无法测量静态信号）9.C（光电传感器基于光信号，不属于磁敏）10.A（精度等级=（最大绝对误差/量程）×100%，0.5%=Δ/100，Δ=0.5℃）二、多项选择题1.ABD（固有频率是动态特性指标）2.ABC（变磁导率型属于电感式）3.ABC（光电二极管基于光电效应，非热电）4.ABC（霍尔传感器需半导体材料、垂直磁场、恒定电流，对温度敏感）5.ABCD（信号调理包括放大、滤波、转换、稳压等）三、填空题1.转换元件；信号调理电路2.电阻相对变化率（ΔR/R）；应变（ε）3.互感式（差动变压器式）；涡流式4.发光二极管；光敏三极管（或光敏元件）5.均质导体定律；中间导体定律6.压电晶体（如石英）；压电陶瓷（如PZT）7.气体浓度（或特定气体）；相对湿度四、简答题1.电感式传感器工作原理：利用被测物理量（如位移）变化引起电感量（自感或互感）变化，通过测量电感变化实现信号转换。差动结构改善作用：①抵消温度等共模干扰；②提高灵敏度（约2倍）；③减小非线性误差（因电感变化呈对称特性）。2.变极距型优点：灵敏度高；缺点：测量范围小（非线性严重），适用于微小位移测量（如微位移传感器）。变面积型优点：线性好，量程大；缺点：灵敏度较低，适用于较大位移测量（如角位移传感器）。3.压阻效应：半导体材料受应力作用时，电阻率发生变化的现象。与金属应变片相比，半导体应变片特点：灵敏度高（K=50200，金属K≈2），体积小；但温度稳定性差，非线性严重。4.光电传感器组成：光源、光学通路、光电器件、信号处理电路。功能：光源提供光信号；光学通路传输或调制光；光电器件将光信号转换为电信号；信号处理电路放大、滤波等。类型：光电开关、光电编码器、光纤传感器。5.温度影响：①改变传感器材料参数（如电阻温度系数）；②引起零点漂移（如放大器温漂）；③影响敏感元件特性（如压电材料居里温度）。补偿方法：①电桥补偿法（如应变片测量桥中接入补偿片）；②温度传感器实时监测+软件修正；③选用温度系数小的材料。五、计算题1.解：ΔR/R=K·ε=2.0×1500×10⁻⁶=0.003ΔR=R₀×0.003=120×0.003=0.36Ω单臂电桥输出电压U₀=(U/4)·(ΔR/R)=(3/4)×0.003=0.00225V=2.25mV2.解：根据中间温度定律，E(T,0)=E(T,T₀)+E(T₀,0)已知T₀=25℃，E(T₀,0)=1.00mV（查表），则E(T,0)=36.0+1.00=37.0mV查分度表，37.0mV介于35.313mV（850℃）和37.326mV（900℃）之间。设温度为T=850+ΔT，对应热电势增量37.035.313=1.687mV900850=50℃，对应热电势增量37.32635.313=2.013mVΔT=50×(1.687/2.013)≈41.9℃被测温度T≈850+41.9=891.9℃（约892℃）六、综合应用题设计方案：（1）监测参数：温度（050℃）、湿度（20%90%RH）、光照强度（0100klx）、CO₂浓度（3002000ppm）、土壤湿度（0100%）。（2）传感器选型：温度：DS18B20（数字式温度传感器，精度±0.5℃）；湿度：SHT20（电容式数字温湿度传感器，精度±2%RH）；光照：BH1750（I²C接口数字光照传感器，量程065535lx）；CO₂：MHZ19B（红外吸收式，量程05000ppm，精度±(50ppm+5%读数值)）；土壤湿度：FDS100（频域反射式，测量土壤体积含水率）。（3）信号调理与处理流程：数字传感器（如DS18B20、SHT20、BH1750）：直接通过I²C或单总线输出数字信号，经微控制器（如STM32）读取；模拟传感器（如MHZ19B、FDS100）：输出05V模拟电压，经运算放大器（如OP07）放大（若信号较弱）→低通滤波器（如RC滤波，截止频率10Hz）去除高频噪声→12位A/D转换器（如