传感器原理与应用期末考试试题及答案

传感器原理与应用期末考试试题及答案传感器原理与应用期末考试试题一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于电阻应变片的描述中，错误的是（）A.金属应变片的工作原理基于金属的应变效应B.半导体应变片的灵敏度系数远高于金属应变片C.应变片的横向效应会导致测量误差，可通过箔式应变片减小D.应变片的灵敏度系数K=ΔR/(R·ε)中，ε为应变片的横向应变2.电感式传感器中，能够实现非接触测量的是（）A.变气隙式自感传感器B.变面积式自感传感器C.螺管式自感传感器D.差动变压器式互感传感器3.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）A.压电材料的居里温度较低B.电荷会通过测量电路泄漏C.压电效应仅在动态力作用下产生D.传感器输出阻抗过高4.下列光电元件中，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5.热电偶的热电势由两部分组成，分别是（）A.接触电势和温差电势B.塞贝克电势和珀尔帖电势C.汤姆逊电势和珀尔帖电势D.接触电势和汤姆逊电势6.霍尔传感器测量磁场时，若载流子为电子，则霍尔电压的方向由（）决定A.左手定则B.右手定则C.楞次定律D.安培定则7.光纤传感器中，仅利用光纤作为传输介质，敏感元件在光纤外部的是（）A.功能型光纤传感器B.非功能型光纤传感器C.分布式光纤传感器D.强度调制型光纤传感器8.电容式传感器中，可用于测量微小位移（如几微米）的是（）A.变极距型B.变面积型C.变介电常数型D.差动式变极距型9.下列传感器中，属于能量控制型的是（）A.热电偶B.压电式加速度计C.电阻应变片D.光电池10.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.迟滞C.重复性D.灵敏度二、多项选择题（每题3分，共15分。每题至少有2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.传感器的静态特性指标包括（）A.线性度B.频率响应范围C.重复性D.分辨力2.下列材料中，属于压电材料的有（）A.石英晶体B.钛酸钡陶瓷C.压电聚合物（如PVDF）D.单晶硅3.光电效应的类型包括（）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.电感式传感器的常用测量电路有（）A.电桥电路B.谐振式电路C.相敏检波电路D.脉冲调宽电路5.热电偶参考端温度补偿的常用方法有（）A.冰浴法（0℃恒温法）B.电桥补偿法（冷端补偿器法）C.计算修正法（温度修正公式）D.半导体致冷法三、填空题（每空1分，共15分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、__________和信号调理电路。2.电阻应变片的灵敏度系数K定义为__________与__________的比值。3.电感式传感器中，差动变压器的输出电压与活动衔铁的位移成__________关系（填“线性”或“非线性”）。4.电容式传感器的变极距型灵敏度公式为__________（用C、d表示）。5.压电传感器的前置放大器有两种形式：__________和__________，其中__________可减小电缆分布电容的影响。6.霍尔效应的数学表达式为__________，其中KH为霍尔灵敏度。7.光纤的两个基本传输特性是__________和__________。8.热电偶的中间导体定律指出，在热电偶回路中接入第三导体，只要__________，则不影响回路的总热电势。9.磁电式传感器基于__________原理工作，可直接测量__________（填“位移”“速度”或“加速度”）。四、简答题（共30分）1.（6分，封闭型）简述传感器动态特性的定义及主要评价指标。2.（6分，封闭型）为什么电感式传感器常采用差动结构？列举差动式电感传感器的两个优点。3.（6分，开放型）某工业场景需监测管道内液体流量，要求非接触测量、抗电磁干扰能力强。请推荐一种合适的传感器，并说明其工作原理及选型依据。4.（6分，封闭型）比较金属应变片与半导体应变片的异同点（至少3点）。5.（6分，开放型）设计一个基于光电传感器的自动计数系统，要求说明传感器类型选择、信号处理流程及抗干扰措施。五、应用题（共20分）1.（6分，计算类）某金属电阻应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R0=120Ω。当被测构件产生ε=500με的应变时，求应变片的电阻变化量ΔR及相对变化率ΔR/R。（1με=1×10⁻⁶）2.（7分，分析类）如图1所示为变气隙式自感传感器结构示意图（图略），已知初始气隙δ0=1mm，初始电感L0=20mH，铁芯截面积A=100mm²，磁导率μ0=4π×10⁻⁷H/m。若气隙减小Δδ=0.1mm（δ=δ0Δδ），忽略铁芯磁阻，求此时的电感L。（提示：电感公式L=μ0N²A/(2δ)）3.（7分，综合类）某热电偶测量系统中，已知工作端温度t=300℃，参考端温度t0=25℃。该热电偶的分度表（参考端0℃）显示：t=300℃时热电势E(300,0)=12.209mV；t=25℃时E(25,0)=1.000mV。（1）求实际测量的热电势E(t,t0)；（2）若未对参考端温度补偿，直接按E(t,t0)查分度表，会得到错误的温度t’，求t’的值（保留1位小数）。参考答案一、单项选择题1.D（ε为轴向应变）2.C（螺管式可非接触）3.B（电荷泄漏）4.C（光电倍增管）5.A（接触电势和温差电势）6.A（左手定则）7.B（非功能型）8.D（差动式提高灵敏度）9.C（电阻应变片需外部电源）10.B（迟滞）二、多项选择题1.ACD（频率响应属动态特性）2.ABC（单晶硅无压电性）3.ABCD（光电导效应属内光电）4.ABC（脉冲调宽用于电容式）5.ABC（半导体致冷非法）三、填空题1.转换元件2.电阻相对变化率（ΔR/R）；应变（ε）3.线性4.K=C0/d0（或K=εrε0A/d0²）5.电压放大器；电荷放大器；电荷放大器6.UH=KHIB7.数值孔径；损耗8.第三导体两端温度相同9.电磁感应；速度四、简答题1.动态特性：传感器对随时间变化的输入量的响应特性。评价指标：时间常数τ（一阶系统）、固有频率ωn和阻尼比ξ（二阶系统）、上升时间tr、响应时间ts、超调量σ%、频率响应范围（通频带）等。2.采用差动结构原因：抵消温度等干扰，提高灵敏度，减小非线性误差。优点：①灵敏度提高约1倍；②非线性误差显著降低；③抑制共模干扰（如温度引起的零点漂移）。3.推荐电磁流量计。工作原理：基于法拉第电磁感应定律，导电液体切割磁感线产生感应电势E=KBdv（K为系数，B为磁感应强度，d为管道内径，v为流速）。选型依据：①非接触（电极与液体接触但无阻碍，无压力损失）；②抗电磁干扰（采用低频方波励磁，减少极化干扰）；③适用于导电液体（电导率>5μS/cm），符合工业管道液体监测需求。4.相同点：均通过电阻变化测量应变；需配合电桥电路使用。不同点：①敏感机理：金属基于应变效应（几何尺寸变化为主），半导体基于压阻效应（电阻率变化为主）；②灵敏度：半导体K≈100~200，金属K≈2；③温度稳定性：金属更好（半导体对温度敏感）；④线性度：金属更优（半导体非线性显著）。5.系统设计：①传感器类型：对射式光电传感器（发射端、接收端分置，物体遮挡时接收端信号变化）；②信号处理流程：光电信号→放大（运放电路）→整形（施密特触发器）→计数（单片机或计数器芯片）；③抗干扰措施：采用红外光源（避可见光干扰）、增加遮光罩、信号滤波（RC低通滤除高频噪声）、设置触发阈值（防止误触发）。五、应用题1.解：ΔR/R=K·ε=2.0×500×10⁻⁶=1×10⁻³ΔR=R0·(ΔR/R)=120Ω×1×10⁻³=0.12Ω答：ΔR=0.12Ω，ΔR/R=0.1%。2.解：初始电感L0=μ0N²A/(2δ0)，可得N²=2δ0L0/(μ0A)变化后气隙δ=δ0Δδ=1mm0.1mm=0.9mm=0.9×10⁻³m变化后电感L=μ0N²A/(2δ)=μ0A/(2δ)×(2δ0L0)/(μ0A)=δ0L0/δ代入数据：L=(1×10⁻³m×20mH)/(0.9×10⁻³m)≈22.22mH答：此时电感约为22.22mH。3.