2025年传感器技术与应用考核试卷附答案

2025年传感器技术与应用考核试卷附答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于传感器静态特性的描述中，错误的是（）。A.线性度是指传感器输出输入特性曲线与拟合直线的偏离程度B.迟滞反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入特性曲线的不重合程度C.重复性是指传感器在相同工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，输出特性的不一致程度D.分辨率是指传感器能检测到的最小输入变化量，通常与灵敏度成反比答案：D（分辨率与灵敏度成正比，灵敏度越高，能检测的最小变化量越小）2.基于金属应变效应的电阻应变片，其电阻变化率ΔR/R主要由（）决定。A.金属丝几何尺寸变化引起的电阻变化B.金属丝电阻率变化引起的电阻变化C.金属丝温度变化引起的电阻变化D.金属丝受力变形引起的晶格结构变化答案：A（金属应变效应中，ΔR/R≈(1+2μ)ε，主要由几何尺寸变化主导，半导体应变片则主要由电阻率变化主导）3.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）。A.压电材料的压电效应仅在动态力作用下产生B.电荷放大器的输入阻抗过高，静态电荷易泄漏C.压电传感器的输出信号为电荷，静态时无法形成稳定电流D.压电材料的居里温度限制了静态测量的精度答案：C（压电传感器输出为电荷信号，静态力作用下电荷无法持续积累，易通过测量回路泄漏，导致信号衰减）4.下列光电传感器中，基于外光电效应工作的是（）。A.光敏电阻B.光电二极管C.光电倍增管D.光电池答案：C（外光电效应指光子激发电子逸出材料表面，如光电管、光电倍增管；内光电效应包括光电导效应（光敏电阻）和光生伏特效应（光电池、光电二极管））5.热电偶的热电势由（）组成。A.单一导体的温差电势B.两种导体的接触电势C.接触电势和温差电势之和D.接触电势和温差电势之差答案：C（热电偶热电势EAB(T,T0)=EAB(T)EAB(T0)，其中EAB(T)为两导体在温度T时的接触电势与各自温差电势的综合）6.以下不属于MEMS传感器特点的是（）。A.微型化（特征尺寸1μm~1mm）B.集成化（可与信号处理电路单片集成）C.高成本（制造工艺复杂）D.多学科交叉（涉及微机械、微电子、材料等）答案：C（MEMS传感器通过批量制造降低成本，属于低成本、高可靠性器件）7.测量液体压力时，压力传感器的取压口应位于管道（）。A.顶部，避免气体聚集B.侧面，避免颗粒沉积C.底部，避免液体泄漏D.任意位置，无特殊要求答案：B（液体压力测量时，取压口应在管道侧面，防止管道底部颗粒沉积或顶部气体进入影响测量）8.光纤传感器中，利用光纤本身作为敏感元件的是（）。A.传光型光纤传感器B.传感型光纤传感器C.强度调制型光纤传感器D.相位调制型光纤传感器答案：B（传感型光纤传感器（功能型）中，光纤既是传光介质又是敏感元件；传光型（非功能型）光纤仅用于传光，敏感元件独立）9.气敏传感器检测甲烷浓度时，通常采用（）原理。A.半导体表面吸附气体引起电导率变化B.催化燃烧反应产生热量变化C.红外吸收光谱分析D.以上均可答案：D（半导体式、催化燃烧式、红外式气敏传感器均可检测甲烷，具体选型取决于精度和场景需求）10.传感器标定的核心目的是（）。A.确定传感器的量程B.建立输出输入的定量关系C.提高传感器的灵敏度D.验证传感器的抗干扰能力答案：B（标定通过标准输入量与传感器输出的对比，建立精确的数学模型或曲线，是传感器使用前的必要步骤）二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.以下属于传感器动态特性指标的是（）。A.时间常数B.固有频率C.线性度D.超调量答案：ABD（动态特性指标包括时间常数、固有频率、上升时间、超调量等；线性度属于静态特性）2.压电材料的主要类型有（）。A.石英晶体（SiO₂）B.压电陶瓷（如PZT）C.高分子压电材料（如PVDF）D.金属应变片答案：ABC（金属应变片基于应变效应，非压电材料）3.温度传感器的选型需考虑的因素包括（）。A.测量范围（如200℃~1800℃）B.精度要求（如±0.1℃或±1℃）C.环境条件（如腐蚀性、振动）D.响应时间（如毫秒级或秒级）答案：ABCD（温度传感器选型需综合考虑量程、精度、环境适应性、响应速度等）4.霍尔传感器可用于测量（）。A.电流（通过磁场间接测量）B.位移（通过磁场梯度变化）C.转速（通过周期性磁场变化）D.温度（通过霍尔系数的温度敏感性）答案：ABC（霍尔传感器基于霍尔效应，主要测量磁场相关量，如电流、位移、转速；温度测量需结合温敏元件）5.以下关于传感器信号调理的描述正确的是（）。A.放大电路用于提高弱信号的幅值（如应变片输出mV级信号）B.滤波电路用于去除噪声（如50Hz工频干扰）C.线性化电路用于修正传感器的非线性输出（如热电偶的非线性热电势）D.模数转换（ADC）用于将模拟信号转换为数字信号，便于计算机处理答案：ABCD（信号调理包括放大、滤波、线性化、模数转换等步骤，是传感器系统的关键环节）三、填空题（每空2分，共20分）1.传感器一般由敏感元件、转换元件和（）三部分组成。答案：信号调理电路（或测量电路）2.应变片的灵敏度系数K定义为（）与（）的比值。答案：电阻相对变化率（ΔR/R）、轴向应变（ε）3.压电式传感器的前置放大器有两种形式：电压放大器和（），后者更适合远距离传输。答案：电荷放大器4.光敏电阻的工作原理是（）效应，其电阻值随光照强度增加而（）。答案：内光电（光电导）、减小5.热电阻传感器常用材料有（）（测量中低温）和（）（测量高温）。答案：铂（Pt100）、铜（Cu50）（注：铜一般用于50℃~150℃，铂用于200℃~850℃）6.MEMS加速度计的核心结构是（），通过检测其位移或应力变化测量加速度。答案：质量块弹簧系统（或微机械悬臂梁）四、简答题（共30分）1.（6分，封闭型）简述电感式传感器的工作原理及主要类型。答案：电感式传感器基于电磁感应原理，通过被测物理量（如位移、压力）改变磁路磁阻，引起线圈电感量变化，进而转换为电信号。主要类型包括变磁阻式（如自感式）、互感式（如差动变压器式）和电涡流式（利用金属导体在交变磁场中的涡流效应）。2.（8分，开放型）工业现场测量管道内流体流量时，可选择涡街流量计、电磁流量计和超声波流量计。请从测量介质、精度、安装要求三方面比较三者的适用性。答案：涡街流量计：适用于清洁气体、液体和蒸汽，精度约±0.5%~±1.5%，需前后直管段（前10D后5D），不能测量脏污介质（易堵塞漩涡发生体）。电磁流量计：适用于导电液体（电导率>5μS/cm），如污水、泥浆，精度高（±0.2%~±0.5%），需满管安装，不能测量气体或绝缘液体（如油类）。超声波流量计：适用于清洁或轻微杂质的液体/气体，非接触式安装（外夹式），精度约±1%~±2%，对管道内壁结垢敏感，需管道材质均匀（如金属、塑料）。3.（8分，封闭型）什么是传感器的漂移？说明温度漂移和时间漂移的区别。答案：漂移是指传感器在输入量不变时，输出量随时间或环境条件变化而偏离初始值的现象。温度漂移（温漂）是由环境温度变化引起的输出变化，常用单位温度变化的输出变化量（如mV/℃）表示；时间漂移（时漂或零点漂移）是由于传感器内部元件老化、疲劳等因素引起的输出随时间缓慢变化的现象，常用单位时间的输出变化量（如mV/h）表示。4.（8分，开放型）设计一个基于传感器的智能家居环境监测系统，需监测温度、湿度、光照强度和CO₂浓度。请列出所选传感器类型，并说明信号处理流程。答案：传感器选型：温度（铂电阻或数字式DS18B20）、湿度（电容式或电阻式湿度传感器，如SHT30）、光照（光敏电阻或光电二极管）、CO₂（NDIR红外式传感器，如SCD41）。信号处理流程：传感器输出信号（如铂电阻的电阻值、SHT30的I²C数字信号）→调理电路（如电桥电路将电阻转换为电压，或直接读取数字信号）→放大滤波（去除噪声）→模数转换（ADC，将模拟信号转为数字）→微控制器（如STM32）处理（校准、线性化）→无线传输（WiFi/Bluetooth）→上位机/手机APP显示并触发阈值报警（如CO₂>1000ppm时通风）。五、应用题（共25分）1.（8分，计算类）某应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R0=120Ω。将其粘贴在受轴向拉伸的钢质构件表面，测得电阻变化ΔR=0.048Ω。已知钢的弹性模量E=2×10¹¹Pa，求构件的轴向应力σ。（提示：应力σ=E·ε）答案：步骤1：计算应变ε=ΔR/(R0·K)=0.048/(120×2.0)=0.0002（即200με）步骤2：应力σ=E·ε=2×10¹¹Pa×0.0002=4×10⁷Pa=40MPa2.（9分，分析类）某热电偶的分度表显示：当测量端温度T=300℃、参考端温度T0=0℃时，热电势E(300,0)=12.209mV；若实际参考端温度T0’=25℃，且E(25,0)=1.000mV，求此时测得的热电势E(T,25)应为多少？若未进行参考端补偿，直接按E(T,25)=12.209mV查表，会导致测量误差多少？答案：根据中间温度定律，E(T,T0’)=E(T,0)E(T0’,0)=12.209mV1.000mV=11.209mV。若未补偿，直接用E(T,25)=12.209mV查表，查分度表得对应的温度T’满足E(T’,0)=12.209mV，即T’=300℃，而实际温度T=300℃，但参考端温度为25℃，正确温度应为：E(T,25)=11.209mV，查分度表E(T,0)=11.209mV+E(25,0)=12.209mV，即T=300℃（此处需注意：若分度表基于T0=0℃，则未补偿时误将E(T,25)当作E(T,0)，实际T=300℃，但查表得到的温度应为E(T’,0)=11.209mV对应的温度。需重新查分度表：假设E(280,0)=11.209mV（实际分度表中，K型热电偶E(280,0)=11.324mV，E(275,0)=11.182mV，近似取275℃），则误差为300℃275℃=25℃。（注：实际K型热电偶分度表中，E(300,0)=12.209mV，E(25,0)=1.000mV，E(275,0)=11.182mV，E(276,0)=11.227mV。因此E(T,25)=11.209mV对应的实际温度约为275.5℃，未补偿时误判为300℃，误差约24.5℃）3.（8分，综合类）设计一个桥梁健康监测系统，需监测桥梁的应变、振动和裂缝扩展。请选择对应的传感器类型，说明安装位置及信号传输方案。答案：应变监测：选择电阻应变片（或光纤布拉格光栅FBG传感器），安装在桥梁关键受力部位（如主梁跨中、桥墩与梁体连接处），用于测量静态和动态应变，评估结构应力是否超限。振动监测：选择压电式加速度传感器（或ME