2025年传感器原理与应用期末考试试题及答案

2025年传感器原理与应用期末考试试题及答案一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.传感器的核心功能是将（）转换为电信号。A.机械量B.非电物理量C.化学量D.生物量答案：B2.应变片的灵敏度系数K定义为（）。A.ΔR/R与横向应变的比值B.ΔR/R与纵向应变的比值C.应变与电阻变化的比值D.电阻变化与应变的比值答案：B3.压电传感器的工作原理基于（）。A.压阻效应B.压电效应C.热电效应D.霍尔效应答案：B4.以下哪种传感器属于能量控制型传感器？（）A.热电偶B.压电式加速度计C.电阻应变片D.光电池答案：C5.电容式传感器变极距型的灵敏度与初始极距d₀的关系是（）。A.正比于d₀B.反比于d₀C.正比于d₀²D.反比于d₀²答案：D6.霍尔传感器的输出电压与（）成正比。A.磁感应强度和控制电流B.磁感应强度和载流子浓度C.控制电流和载流子浓度D.载流子迁移率和温度答案：A7.以下哪种光电效应对应光敏电阻的工作原理？（）A.外光电效应B.内光电效应中的光电导效应C.内光电效应中的光生伏特效应D.光热效应答案：B8.测量静态压力时，优先选择的传感器是（）。A.压电式压力传感器B.电容式压力传感器C.电感式压力传感器D.电阻应变式压力传感器答案：D9.热电偶的热电势由（）组成。A.接触电势和温差电势B.接触电势和参考端电势C.温差电势和参考端电势D.接触电势和中间导体电势答案：A10.以下关于传感器动态特性的描述，错误的是（）。A.时间常数τ越小，响应速度越快B.固有频率ω₀越高，可测量的信号频率范围越宽C.阻尼比ζ=0.7时，幅频特性最平坦D.动态误差仅与传感器的固有参数有关，与输入信号无关答案：D二、多项选择题（共5题，每题2分，共10分，多选、错选不得分）1.属于传感器静态特性指标的有（）。A.线性度B.灵敏度C.固有频率D.迟滞答案：ABD2.以下传感器中，可用于位移测量的有（）。A.差动变压器B.电容式变面积传感器C.电涡流式传感器D.热电偶答案：ABC3.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.电桥电路答案：ABC4.热电阻传感器常用的材料有（）。A.铂B.铜C.镍D.半导体材料答案：ABC5.传感器的误差来源包括（）。A.环境干扰B.非线性特性C.电源波动D.信号调理电路噪声答案：ABCD三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、转换元件和（）。答案：信号调理电路2.应变片的温度补偿常用方法是（）和热敏电阻补偿法。答案：电桥补偿法3.电容式传感器的三种基本类型是变极距型、变面积型和（）。答案：变介质型4.电感式传感器中，（）通过两个反向串联的线圈消除零点残余电压。答案：差动变压器5.霍尔元件的灵敏度KH=1/(nq)，其中n为（），q为电子电荷量。答案：载流子浓度6.光敏二极管在（）偏置状态下工作，其反向电流随光照强度增加而增大。答案：反向7.热电偶的参考端温度补偿方法包括冰浴法、（）和电桥补偿法。答案：温度修正法8.电涡流式传感器基于（）原理，可用于位移、厚度、转速测量。答案：电磁感应9.传感器的分辨力是指能检测到的（）输入量变化。答案：最小10.压阻式传感器的工作原理是（），即半导体材料的电阻率随应力变化而变化。答案：压阻效应四、简答题（共5题，每题6分，共30分）1.简述电阻应变片的工作原理，并说明其与压阻式传感器的核心区别。答案：电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应，即金属丝受拉或压时，长度和截面积变化导致电阻变化（ΔR/R≈Kε，K为灵敏度系数）。压阻式传感器基于半导体的压阻效应，即电阻率随应力变化（ΔR/R≈πσ，π为压阻系数）。核心区别：应变片的电阻变化主要由几何尺寸变化引起，压阻式传感器的电阻变化主要由电阻率变化引起，后者灵敏度更高但温度稳定性较差。2.为什么压电传感器不能用于静态信号测量？如何解决其测量低频信号的问题？答案：压电传感器的工作原理是基于正压电效应（机械能→电能），产生的电荷会通过测量电路的漏电阻和传感器本身的绝缘电阻泄漏。静态信号（频率为0）会导致电荷持续泄漏，无法在测量电路中形成稳定的电压输出。解决低频测量问题的方法：使用高输入阻抗的电荷放大器（输入阻抗>10¹²Ω），减少电荷泄漏；或采用积分电路延长电荷存储时间。3.比较变极距型、变面积型电容式传感器的优缺点，并说明各自适用的测量场景。答案：变极距型电容式传感器的优点是灵敏度高（灵敏度与d₀²成反比），缺点是非线性严重（ΔC/C₀≈Δd/d₀(1+Δd/d₀)），量程小（Δd/d₀<10%），适用于微小位移测量（如0.01~1mm）。变面积型电容式传感器的优点是线性度好（ΔC≈εbΔa/d₀，Δa为面积变化量），量程大（可达几毫米到几十毫米），缺点是灵敏度较低（灵敏度与d₀成反比），适用于较大位移或角位移测量（如1~100mm位移、角度测量）。4.简述热电偶的中间导体定律及其工程意义。答案：中间导体定律指出，在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度相同，回路的总热电势不变。工程意义：允许在热电偶回路中接入测量仪表（如电压表、记录仪）或连接导线，而不影响热电势的测量结果，为热电偶的实际应用（如温度采集系统设计）提供了理论依据。5.设计一个基于传感器的电机转速监测系统，需说明传感器选型、信号调理步骤及转速计算方法。答案：（1）传感器选型：选择电涡流式转速传感器（非接触式，抗油污能力强）或霍尔转速传感器（结构简单，成本低）。以霍尔转速传感器为例，在电机轴上安装带齿的金属圆盘（或永磁体），传感器输出脉冲信号。（2）信号调理：霍尔传感器输出的脉冲信号经放大电路（如运算放大器）整形为方波，通过施密特触发器消除噪声，得到标准TTL电平的脉冲序列。（3）转速计算：通过单片机或计数器测量单位时间内的脉冲数N，电机转速n=60N/(Z)（r/min），其中Z为圆盘齿数（或永磁体数量）。五、应用题（共3题，共20分）1.（6分）某应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R₀=120Ω，用于测量试件的应变ε=1500με。（1）计算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=5V），忽略非线性误差，求电桥输出电压U₀。答案：（1）ΔR/R₀=Kε→ΔR=KεR₀=2.0×1500×10⁻⁶×120=0.36Ω（2）单臂电桥输出电压U₀=UΔR/(4R₀)=5×0.36/(4×120)=0.00375V=3.75mV2.（7分）某电容式位移传感器为变极距型，初始极距d₀=0.2mm，极板面积A=50mm²，介电常数ε=ε₀εᵣ=8.85×10⁻¹²×1=8.85×10⁻¹²F/m（空气介质）。（1）计算初始电容C₀；（2）当极板间距减小Δd=0.01mm时，求电容变化量ΔC；（3）分析变极距型传感器的非线性误差（用相对误差表示）。答案：（1）C₀=εA/d₀=8.85×10⁻¹²×50×10⁻⁶/(0.2×10⁻³)=2.2125×10⁻¹²F=2.21pF（2）ΔC=C₁C₀=εA/(d₀Δd)εA/d₀=εAΔd/[d₀(d₀Δd)]=8.85×10⁻¹²×50×10⁻⁶×0.01×10⁻³/[0.2×10⁻³×(0.2×10⁻³0.01×10⁻³)]≈0.116pF（3）非线性误差δ=|(ΔC实际ΔC线性)/ΔC实际|×100%。线性近似ΔC线性≈εAΔd/d₀²=8.85×10⁻¹²×50×10⁻⁶×0.01×10⁻³/(0.2×10⁻³)²≈0.1106pF。实际ΔC≈0.116pF，δ=|0.11060.116|/0.116×100%≈4.66%。3.（7分）某工业场景需监测高温炉内（800~1200℃）的温度，要求精度±1℃，响应时间<0.5s。请设计温度检测系统：（1）选择合适的温度传感器并说明理由；（2）设计信号调理电路（画出简化框图）；（3）提出抗干扰措施。答案：（1）传感器选型：选择S型（铂铑10铂）热电偶。理由：S型热电偶测量范围宽（0~1600℃），800~1200℃时精度高（I级精度允差±1℃），高温下稳定性好，符合响应时间要求（<0.5s）。（2）信号调理电路框图：热电偶→冷端补偿器（如AD594）→