2025年测试与传感器技术试题及答案

2025年测试与传感器技术试题及答案一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是最符合题目要求的）1.衡量传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，输出输入特性曲线不一致程度的指标是（）A.线性度B.重复性C.迟滞D.灵敏度2.应变片的敏感栅采用康铜材料的主要原因是（）A.电阻率高，温度系数小B.电阻率低，温度系数大C.机械强度高，易加工D.价格低廉，耐腐蚀性强3.压电式传感器不能用于静态测量的根本原因是（）A.压电材料的居里点低B.电荷易通过测量电路泄漏C.输出信号微弱D.动态响应特性差4.变极距型电容传感器的灵敏度与极板初始间距的关系是（）A.正比于初始间距B.反比于初始间距的平方C.正比于初始间距的平方D.反比于初始间距5.以下属于外光电效应的器件是（）A.光敏电阻B.光电二极管C.光电倍增管D.光电池6.电感式传感器中，差动式结构相比单线圈结构的主要优势是（）A.提高灵敏度，减小非线性误差B.降低功耗，简化电路C.扩大测量范围，提高分辨率D.增强抗干扰能力，降低成本7.霍尔传感器输出电压与（）成正比A.输入电流与磁感应强度的乘积B.输入电流与磁感应强度的比值C.输入电流的平方与磁感应强度的乘积D.输入电流与磁感应强度的平方的乘积8.热电偶的热电势由（）组成A.接触电势和温差电势B.温差电势和表面电势C.接触电势和表面电势D.表面电势和体电势9.测量系统的动态特性指标中，反映系统响应速度的是（）A.时间常数B.超调量C.稳态误差D.线性度10.以下传感器中，基于压阻效应工作的是（）A.金属应变片B.半导体应变片C.压电陶瓷D.电容式压力传感器二、多项选择题（本大题共5小题，每小题3分，共15分。在每小题给出的四个选项中，至少有两项是符合题目要求的，错选、漏选均不得分）1.传感器的静态特性参数包括（）A.灵敏度B.频率响应C.重复性D.分辨力2.电容式传感器的常见类型有（）A.变极距型B.变面积型C.变介电常数型D.变磁导率型3.光电传感器的典型应用场景包括（）A.物体尺寸测量B.转速测量C.气体成分分析D.温度超限报警4.减小应变片温度误差的方法有（）A.电桥补偿法B.应变片自补偿法C.增加应变片数量D.采用温度系数小的基底材料5.压电传感器的信号调理电路通常包括（）A.电荷放大器B.电压放大器C.低通滤波器D.积分电路三、填空题（本大题共10小题，每空1分，共10分）1.传感器的灵敏度定义为输出量的增量与______的增量之比，数学表达式为K=______。2.压电效应分为______和______，前者是机械能转换为电能的过程。3.电感式传感器的基本原理是______，通过测量______的变化实现非电量检测。4.热电偶的工作条件是______和______，其热电势大小仅与两接点温度和______有关。5.变面积型电容传感器的输出特性呈______（线性/非线性），其灵敏度为______（表达式）。四、简答题（本大题共4小题，共25分）1.（6分）简述霍尔效应的工作原理，并写出霍尔电压的表达式。2.（7分）比较金属应变片与半导体应变片的工作原理及优缺点。3.（6分）说明电涡流传感器的工作原理及主要应用场景。4.（6分）什么是传感器的动态特性？列举三种描述动态特性的指标并解释其含义。五、计算题（本大题共2小题，共15分）1.（7分）某金属应变片的电阻值R=120Ω，灵敏系数K=2.0，当承受ε=1000με的应变时，求：（1）应变片的电阻变化量ΔR；（2）若将该应变片接入单臂电桥（桥压U=3V，其他桥臂为固定电阻），求电桥输出电压Uo。2.（8分）一变极距型电容传感器，初始极板间距d0=0.1mm，极板面积A=20mm²，ε=ε0=8.85×10⁻¹²F/m。当极板间距变化Δd=+5μm时（Δd<<d0），求：（1）初始电容C0；（2）电容变化量ΔC；（3）传感器的灵敏度S（ΔC/Δd）。六、分析题（本大题共1小题，10分）某压电式加速度传感器的输出电荷灵敏度为10pC/g（g为重力加速度，1g=9.8m/s²），配套使用电荷放大器，其反馈电容Cf=1000pF。当测量频率为100Hz、加速度为2g的振动信号时：（1）画出压电传感器的等效电路图；（2）计算电荷放大器的输出电压幅值；（3）说明电荷放大器相比电压放大器的优势。七、综合应用题（本大题共1小题，15分）设计一个基于热电偶的工业炉温度测量系统（测量范围0~1000℃），要求：（1）选择合适的热电偶类型（需说明理由）；（2）设计信号调理电路（包括冷端补偿、放大、滤波环节）；（3）分析可能的误差来源及补偿方法；（4）画出系统原理框图。答案及解析一、单项选择题1.B（重复性反映输入量同一方向多次变化时输出的一致程度）2.A（康铜电阻率高、温度系数小，适合制作应变敏感栅）3.B（压电传感器依赖电荷积累，静态下电荷易泄漏导致信号衰减）4.B（变极距型灵敏度S=εA/d₀²，与初始间距平方成反比）5.C（光电倍增管基于外光电效应，其他为内光电效应）6.A（差动结构通过反向输出抵消非线性项，提高灵敏度并减小误差）7.A（霍尔电压UH=KHIB，KH为霍尔系数，与电流I、磁感应强度B乘积成正比）8.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）9.A（时间常数τ越小，系统响应越快）10.B（半导体应变片基于压阻效应，金属应变片基于应变电阻效应）二、多项选择题1.ACD（频率响应属于动态特性参数）2.ABC（变磁导率型属于电感式传感器）3.AB（气体成分分析多用红外吸收，温度报警常用热敏电阻）4.ABD（增加应变片数量不直接补偿温度误差）5.ABC（压电传感器输出电荷信号，需电荷放大器转换，通常需滤波）三、填空题1.输入量；Δy/Δx2.正压电效应；逆压电效应3.电磁感应；电感量（或互感量）4.两热电极材料不同；两接点温度不同；材料性质5.线性；S=εb（b为极板宽度，假设极板为矩形，长度变化Δx时，ΔC=εbΔx/d₀，故S=εb/d₀）四、简答题1.霍尔效应：当载流导体（或半导体）置于与电流方向垂直的磁场中时，载流子受洛伦兹力作用发生偏转，在垂直于电流和磁场的方向上产生横向电势差。霍尔电压表达式：UH=KHIB，其中KH为霍尔系数，I为工作电流，B为磁感应强度。2.工作原理：金属应变片基于应变电阻效应（几何尺寸变化引起电阻变化）；半导体应变片基于压阻效应（半导体材料电阻率随应力变化）。优点：金属应变片线性好、温度稳定性高、工艺成熟；半导体应变片灵敏度高（约为金属的50~100倍）。缺点：金属应变片灵敏度低；半导体应变片温度系数大、线性差。3.工作原理：电涡流传感器利用金属导体在交变磁场中产生电涡流的现象，当传感器线圈靠近被测金属时，电涡流反作用使线圈阻抗变化，通过测量阻抗变化实现位移、厚度等参数检测。应用场景：金属材料的位移测量、厚度检测、振动监测、转速测量（通过测量齿轮齿顶间隙变化）。4.动态特性：传感器对随时间变化的输入量的响应能力。指标示例：①时间常数τ：一阶系统输出上升到稳态值63.2%所需时间，反映响应速度；②超调量σ%：二阶系统输出超过稳态值的最大百分比，反映振荡程度；③频带宽度：幅频特性下降3dB时的频率范围，反映系统适用的频率范围。五、计算题1.（1）ΔR=K·R·ε=2.0×120Ω×1000×10⁻⁶=0.24Ω（2）单臂电桥输出Uo=U·ΔR/(4R)=3V×0.24Ω/(4×120Ω)=0.0015V=1.5mV2.（1）C₀=εA/d₀=8.85×10⁻¹²F/m×20×10⁻⁶m²/(0.1×10⁻³m)=1.77×10⁻¹¹F=17.7pF（2）ΔC≈C₀·Δd/d₀=17.7pF×5×10⁻⁶m/(0.1×10⁻³m)=0.885pF（负号表示电容减小）（3）灵敏度S=ΔC/Δd≈C₀/d₀=17.7×10⁻¹²F/(0.1×10⁻³m)=1.77×10⁻⁷F/m（负号表示间距增大时电容减小）六、分析题（1）等效电路：压电元件等效为电荷源Q与电容Cp并联，导线分布电容Cc并联，总电容CΣ=Cp+Cc。（2）输出电荷Q=10pC/g×2g=20pC；电荷放大器输出电压Uo=Q/Cf=20pC/1000pF=0.02V=20mV。（3）优势：电荷放大器输出电压仅与反馈电容Cf和输入电荷Q有关，不受电缆分布电容Cc影响，避免了长电缆导致的灵敏度下降；输入阻抗极高，减少电荷泄漏；输出阻抗低，信号传输稳定。七、综合应用题（1）热电偶选择：K型（镍铬镍硅）热电偶，测量范围0~1300℃（满足0~1000℃需求），线性好、成本低、抗氧化性强，适合工业炉环境。（2）信号调理电路设计：①冷端补偿：采用电桥补偿法（在热电偶冷端串联补偿电桥，桥臂电阻含热敏电阻，温度变化时桥路输出电压补偿热电偶冷端电势变化）；②放大环节：使用低漂移差分放大器（如AD620），放大倍数根据后续ADC量程（如0~5V）设计，假设热电偶灵敏度40μV/℃，1000℃时电势40mV，需放大125倍（5V/40mV）；③滤波环节：添加二阶低通滤波器（截止频率10Hz），抑制工业干扰（如50Hz工频）。（3）误差来源及补