《传感器技术与应用》期中考试题(含答案)

《传感器技术与应用》期中考试题(含答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于传感器的定义，最准确的是（）A.能感受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B.仅能将非电信号转换为电信号的装置C.用于检测温度、压力的专用仪器D.具有放大功能的电子元件2.应变片的核心工作原理是（）A.压电效应B.应变效应C.压阻效应D.霍尔效应3.热电偶测温时，若冷端温度不为0℃，需采用的补偿方法是（）A.电桥补偿法B.冷端恒温法C.斜率补偿法D.软件线性化法4.下列传感器中，属于电容式传感器的是（）A.涡流式位移传感器B.变极距式压力传感器C.霍尔式转速传感器D.热电阻温度传感器5.衡量传感器在输入量变化一个较小增量时输出变化能力的指标是（）A.线性度B.灵敏度C.重复性D.迟滞6.以下不属于光电式传感器的是（）A.光敏电阻B.红外对射传感器C.光纤位移传感器D.压阻式加速度计7.热电阻测温时，采用三线制接法的主要目的是（）A.提高灵敏度B.减小导线电阻的影响C.增强抗干扰能力D.简化电路设计8.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）A.输出信号微弱B.电荷易泄漏C.灵敏度随温度变化D.线性度差9.霍尔传感器的输出与（）成正比A.输入电流与磁感应强度的乘积B.输入电压与磁感应强度的乘积C.输入电流与磁场梯度的乘积D.输入电压与磁场梯度的乘积10.以下关于传感器动态特性的描述，错误的是（）A.阶跃响应法通过分析传感器对阶跃输入的输出特性评价动态性能B.频率响应法通过分析传感器对正弦输入的稳态输出评价动态性能C.时间常数τ越小，传感器的响应速度越慢D.固有频率越高，传感器可测量的信号频率范围越宽二、多项选择题（每题3分，共15分，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.灵敏度C.固有频率D.重复性2.以下属于电感式传感器的有（）A.变气隙式自感传感器B.差动变压器式互感传感器C.电涡流式传感器D.变面积式电容传感器3.温度传感器的常见类型包括（）A.热电偶B.热电阻C.半导体PN结传感器D.应变片4.传感器信号调理电路的主要功能有（）A.放大微弱信号B.滤波去除噪声C.线性化校正D.模数转换5.智能传感器的典型特征包括（）A.内置微处理器B.自校准与自诊断功能C.单一测量参数D.数字通信接口三、填空题（每空1分，共15分）1.传感器一般由________、________和转换电路三部分组成。2.应变片的灵敏度系数K定义为________与________的比值。3.热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律和________定律。4.电容式传感器的三种基本类型是变极距式、变面积式和________。5.霍尔元件的材料通常选用________（填“半导体”或“金属”），因为其________（填“载流子迁移率”或“电阻率”）较高。6.压电式传感器的输出信号类型为________（填“电荷”或“电压”），因此需配合________（填“电荷放大器”或“电压放大器”）使用。7.电涡流式传感器可用于________测量（列举1种应用），其工作原理基于________效应。8.传感器的分辨力是指其能检测到的________输入量变化。四、简答题（共30分）1.（封闭型，6分）简述传感器静态特性中“迟滞”的定义，并说明其产生原因。2.（封闭型，6分）比较热电偶与热电阻的测温原理及适用场景差异。3.（开放型，6分）某应变片测量系统在高温环境下出现输出漂移，可能的原因有哪些？提出2种改进措施。4.（开放型，6分）说明电感式传感器中“零点残余电压”的定义、危害及减小方法。5.（开放型，6分）结合实际应用，举例说明如何通过传感器技术实现“智能农业”中的环境监测（需具体说明传感器类型、测量参数及信号处理流程）。五、应用题（共20分）1.（计算类，8分）某金属应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R0=120Ω。当被测应变ε=1000με（1με=1×10⁻⁶）时，求：（1）应变片的电阻变化量ΔR；（2）若采用单臂电桥（电源电压U=5V），电桥输出电压Uo（设电桥为等臂电桥，忽略非线性误差）。2.（分析类，6分）某压电式加速度传感器的电荷灵敏度Sq=10pC/g（g为重力加速度，取9.8m/s²），配套电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF。当被测加速度a=5g时，求电荷放大器的输出电压Uo（电荷放大器输出电压公式：Uo=q/Cf）。3.（综合类，6分）设计一个基于传感器的家庭智能防火系统，要求：（1）列出所需的核心传感器类型及测量参数；（2）画出系统结构框图（文字描述即可）；（3）说明各模块的功能及信号传递流程。答案及解析一、单项选择题1.A（传感器的标准定义是能感受被测量并转换为可用输出信号的器件）2.B（应变片利用金属电阻的应变效应，即ΔR/R=Kε）3.B（热电偶冷端补偿常用方法包括冷端恒温法、补偿导线法、电桥补偿法等，题目中冷端温度不为0℃时需恒温或补偿）4.B（变极距式属于电容式传感器的结构类型）5.B（灵敏度定义为输出变化量与输入变化量的比值）6.D（压阻式加速度计基于压阻效应，属于力学传感器）7.B（三线制通过平衡导线电阻对电桥的影响，减小测量误差）8.B（压电材料的电荷会通过测量电路泄漏，无法保持静态电荷）9.A（霍尔电压Uh=KHIB，其中KH为霍尔系数，I为输入电流，B为磁感应强度）10.C（时间常数τ越小，响应速度越快）二、多项选择题1.ABD（固有频率属于动态特性指标）2.ABC（变面积式电容传感器属于电容式，非电感式）3.ABC（应变片用于力/应变测量，非温度）4.ABC（模数转换属于后续处理，非调理电路核心功能）5.ABD（智能传感器需具备多参数测量或融合能力）三、填空题1.敏感元件；转换元件2.电阻相对变化量（ΔR/R）；应变（ε）3.中间温度4.变介质介电常数式5.半导体；载流子迁移率6.电荷；电荷放大器7.位移（或厚度、转速等）；电磁感应（或涡流）8.最小四、简答题1.答：迟滞定义：传感器在输入量增大（正行程）和减小（反行程）时，输出输入特性曲线不重合的现象，常用正反行程输出最大差值与满量程输出的百分比表示。产生原因：传感器敏感元件材料的弹性滞后、机械部件的摩擦、间隙，以及磁性材料的磁滞等。2.答：测温原理：热电偶基于塞贝克效应（两种不同材料导体组成闭合回路，温差产生热电势）；热电阻基于金属或半导体的电阻随温度变化的特性（如Pt100的电阻随温度升高而增大）。适用场景：热电偶适用于高温测量（如工业炉温，可达1600℃以上），需冷端补偿；热电阻适用于中低温测量（如200~850℃），精度较高（如0.1℃级），但需恒流源供电。3.答：可能原因：①应变片的热输出（温度变化引起的虚假应变）；②黏合剂在高温下失效，导致应变传递误差；③导线电阻随温度变化，引入附加误差；④测量电路（如电桥）元件温漂。改进措施：①选用温度自补偿应变片（如特定材料匹配的敏感栅）；②采用差动电桥接法（半桥或全桥），利用相邻桥臂应变片的温度误差相互抵消；③对导线进行温度补偿（如三线制或四线制）；④使用温漂小的精密电阻制作电桥。4.答：定义：电感式传感器在输入量为零时（如差动变压器铁芯处于中间位置），输出电压不为零的现象。危害：零点残余电压会导致测量误差，降低传感器灵敏度，甚至使放大器饱和。减小方法：①设计时保证传感器磁路对称、线圈参数一致（如匝数、电感量）；②采用整流滤波电路消除残余电压中的交流成分；③在电路中加入补偿环节（如串联电阻、电容）抵消残余电压；④选用高磁导率、低损耗的铁芯材料。5.答：示例：传感器类型及测量参数：温湿度传感器（如SHT30，测量空气温度、湿度）；土壤湿度传感器（如FDR频域反射式，测量土壤含水量）；光照传感器（如BH1750，测量光照强度）；CO₂传感器（如MHZ19，测量环境CO₂浓度）。信号处理流程：传感器输出信号（如温湿度的I²C数字信号、土壤湿度的模拟电压信号）→汇聚至微控制器（如Arduino）→模拟信号经ADC转换为数字信号→数据经滤波（如滑动平均）、校准（如温度补偿）后→通过LoRa或WiFi传输至云端→云端平台分析数据（如对比作物生长适宜区间）→触发控制指令（如开启灌溉、补光设备）→反馈至执行机构。五、应用题1.解：（1）由灵敏度公式K=ΔR/(R0ε)，得ΔR=K·R0·ε=2.0×120Ω×1000×10⁻⁶=0.24Ω。（2）单臂电桥输出电压Uo=(U/4)·(ΔR/R0)（等臂电桥，忽略非线性），代入数据得Uo=(5V/4)×(0.24Ω/120Ω)=5/4×0.002=0.0025V=2.5mV。2.解：电荷q=Sq·a=10pC/g×5g=50pC；输出电压Uo=q/Cf=50pC/1000pF=0.05V（负号表示相位相反，通常取绝对值）。3.设计方案：（1）核心传感器：温度传感器（如DS18B20，测量环境温度）；烟雾传感器（如MQ2，检测烟雾浓度）；气体传感器（如MQ9，检测CO等可燃气体）；火焰传感器（如IR火焰传感器，检测红外火焰信号）。（2）系统结构框图：传感器模块→信号调理电路→微控制器（MCU）→无线传输模块→云端/手机APP→执行模块（蜂鸣器、电磁阀、喷淋装置）。（3）功能及信号流程：①传感器模块：实时采集温度