2025年传感器应用技术试题及答案

2025年传感器应用技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.金属电阻应变片的工作原理主要基于（）。A.压阻效应B.应变效应C.热电效应D.光电效应2.热电偶测温的基本原理是（）。A.塞贝克效应B.珀尔帖效应C.汤姆逊效应D.压电效应3.光敏电阻的阻值随光照强度增加而（）。A.增大B.减小C.不变D.先增后减4.压阻式传感器的核心敏感元件通常采用（）。A.金属丝B.半导体硅片C.石英晶体D.陶瓷材料5.差动变压器式电感传感器属于（）。A.自感式B.互感式C.电涡流式D.压磁式6.气敏传感器主要用于检测（）。A.液体浓度B.气体成分C.固体密度D.电磁波强度7.光纤传感器的调制方式中，通过改变光纤折射率实现的是（）。A.强度调制B.相位调制C.波长调制D.偏振调制8.红外传感器按探测原理可分为热型和光子型，其中热型传感器的特点是（）。A.响应速度快B.灵敏度高C.无需制冷D.仅探测特定波长9.湿度传感器的关键性能指标不包括（）。A.量程B.响应时间C.线性度D.耐腐蚀性10.生物传感器的敏感元件通常由（）构成。A.金属电极B.酶或抗体C.半导体材料D.压电晶体二、多项选择题（每题3分，共15分。错选、漏选均不得分）1.下列属于传感器静态特性指标的有（）。A.线性度B.灵敏度C.频率响应D.重复性2.压电传感器适用于测量（）。A.静态力B.动态力C.加速度D.温度3.磁敏传感器包括（）。A.霍尔传感器B.磁阻传感器C.电感式传感器D.电容式传感器4.MEMS传感器的特点包括（）。A.体积小B.功耗低C.成本高D.集成度高5.无线传感器网络（WSN）的基本组成包括（）。A.传感器节点B.汇聚节点C.互联网D.用户终端三、填空题（每空2分，共20分）1.电阻应变片的灵敏度系数定义为（）与（）的比值。2.压电传感器的等效电路可表示为（）与（）的并联。3.热电阻的温度系数公式为α=（）（其中R₀为0℃电阻，Rₜ为t℃电阻）。4.霍尔元件产生霍尔电压的条件是（）和（）。5.气敏传感器工作时需加热的主要目的是（）。6.光纤传感器的基本组成包括（）和（）。四、简答题（共30分）（一）封闭型简答题（每题8分，共16分）1.简述霍尔传感器的工作原理，并写出霍尔电压的表达式（需标注各符号含义）。2.对比压阻式传感器与金属应变片式传感器的异同（从材料、工作原理、灵敏度三方面分析）。（二）开放型简答题（每题7分，共14分）1.智能农业中需监测土壤墒情（含水量）、空气温湿度及光照强度，试分析各参数对应的传感器选型要求（如精度、响应时间、抗干扰性等）。2.某工厂需设计一套设备振动监测系统，要求实时预警异常振动（频率范围10Hz~10kHz），请说明应选择的传感器类型及信号调理电路的关键设计要点。五、应用题（共25分）（一）计算题（8分）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：（1）应变片的电阻变化量ΔR；（2）若采用单臂电桥测量，电桥电源电压U=5V，求电桥输出电压U₀（电桥初始平衡，忽略非线性误差）。（二）分析题（9分）某热电偶测温系统使用K型热电偶（分度号），冷端温度t₀=30℃，测得热电势E(t,t₀)=36.0mV。查K型热电偶分度表（部分数据如下）：|温度t（℃）|0|100|200|300|400|500|600|700||||||||||||E(t,0)mV|0|4.096|8.137|12.207|16.321|20.483|24.706|28.995||温度t（℃）|800|900|1000|1100|1200|1300|1400|1500||E(t,0)mV|33.344|37.754|42.217|46.733|51.299|55.912|60.575|65.288|（1）计算实际被测温度t（需写出计算依据）；（2）若冷端温度未补偿，直接按t₀=0℃查表，会导致测量误差多少？（三）综合题（8分）设计一套基于传感器的智能家居环境监测系统，要求监测参数包括室内温湿度、CO₂浓度、光照强度及人体存在状态。请完成以下设计：（1）列出各参数对应的传感器类型；（2）说明传感器信号调理的基本流程（如放大、滤波、线性化等）；（3）提出系统抗干扰的3项关键措施。答案及解析一、单项选择题1.B（应变效应是金属电阻应变片的核心原理，压阻效应是半导体应变片的原理）2.A（塞贝克效应是热电偶测温的基础，其他为热电效应的不同形式）3.B（光敏电阻基于内光电效应，光照增强时载流子增多，阻值减小）4.B（压阻式传感器利用半导体的压阻效应，核心为硅片）5.B（差动变压器通过互感变化测量位移，属于互感式电感传感器）6.B（气敏传感器专门用于气体成分检测，如甲烷、CO等）7.B（相位调制通过改变光纤折射率或长度实现相位变化）8.C（热型红外传感器无需制冷，响应速度慢；光子型需制冷，响应快）9.D（耐腐蚀性是部分特殊环境传感器的指标，非湿度传感器关键参数）10.B（生物传感器通过酶、抗体等生物活性物质识别目标analyte）二、多项选择题1.ABD（频率响应属于动态特性指标）2.BC（压电传感器适用于动态测量，静态力会因电荷泄漏无法测量）3.AB（电感式、电容式属于传统传感器，非磁敏类）4.ABD（MEMS传感器因批量制造，成本较低）5.ABCD（WSN由节点、汇聚节点、传输网络及用户终端组成）三、填空题1.电阻相对变化量（ΔR/R）；应变（ε）2.电容（C）；电荷源（Q）3.(RₜR₀)/(R₀·t)4.通以电流；施加垂直磁场5.激活表面反应，提高灵敏度和选择性6.光源；光探测器四、简答题（一）封闭型简答题1.工作原理：当载流导体（霍尔元件）置于与电流方向垂直的磁场中时，载流子受洛伦兹力偏转，在元件两侧积累电荷，形成与电流和磁场强度相关的横向电场（霍尔电场），最终电场力与洛伦兹力平衡时，两侧电压稳定为霍尔电压。霍尔电压表达式：U_H=(R_H·I·B)/d=K_H·I·B式中：R_H为霍尔系数，I为激励电流，B为磁感应强度，d为元件厚度，K_H为霍尔灵敏度（K_H=R_H/d）。2.异同对比：材料：压阻式为半导体（如单晶硅），应变片式为金属（如康铜）；原理：压阻式基于半导体压阻效应（电阻率变化为主），应变片式基于金属应变效应（几何尺寸变化为主）；灵敏度：压阻式灵敏度高（K≈100~200），应变片式灵敏度低（K≈2）。（二）开放型简答题1.选型要求：土壤墒情：需使用电容式或时域反射（TDR）型传感器，要求精度±2%（体积含水量），响应时间<30s，抗土壤盐分干扰（避免电极极化）；空气温湿度：温敏电阻（精度±0.5℃）或热电偶（宽量程），湿度采用聚合物电容式（精度±3%RH），响应时间<10s，抗冷凝；光照强度：硅光电池或光敏二极管（量程0~200klx），线性度>0.99，抗环境光波动干扰（需滤波）。2.传感器选型：选择压电式加速度传感器（频率范围覆盖10Hz~10kHz）或压阻式加速度计（低频特性好）。信号调理要点：前置放大：采用电荷放大器（压电式）或电压放大器（压阻式），增益可调；滤波：低通滤波（截止频率10kHz）抑制高频噪声，高通滤波（截止频率10Hz）去除直流漂移；线性化：对传感器非线性输出进行多项式拟合补偿；抗混叠：采样频率>20kHz（满足奈奎斯特准则）。五、应用题（一）计算题（1）ΔR=K·R₀·ε=2.0×120Ω×500×10⁻⁶=0.12Ω（2）单臂电桥输出电压U₀=(U/4)·(ΔR/R₀)=(5V/4)×(0.12Ω/120Ω)=0.00125V=1.25mV（二）分析题（1）根据中间温度定律，E(t,t₀)=E(t,0)E(t₀,0)，故E(t,0)=E(t,t₀)+E(t₀,0)。查分度表：t₀=30℃时，E(30,0)≈1.203mV（插值计算：10℃对应0.397mV，20℃对应0.798mV，30℃≈1.203mV）。因此E(t,0)=36.0mV+1.203mV=37.203mV。查分度表：900℃对应37.754mV，800℃对应33.344mV，37.203mV介于800℃~900℃之间。插值计算：(37.20333.344)/(37.75433.344)=3.859/4.41≈0.875，故t≈800+0.875×100=887.5℃（实际更精确需查表中更细数据，此处近似为885℃~890℃）。（2）若冷端未补偿，直接查E(t,0)=36.0mV对应的温度：查表：900℃对应37.754mV，800℃对应33.344mV，36.0mV33.344mV=2.656mV，占4.41mV（900800℃差值）的2.656/4.41≈0.602，故t≈800+60.2=860.2℃。实际温度约887.5℃，误差≈887.5860.2=27.3℃（具体数值因分度表精度略有差异）。（三）综合题（1）传感器类型：温湿度：数字式传感器（如SHT30，温精度±0.3℃，湿度±2%RH）；CO₂浓度：非分散红外（NDIR）传感器（量程0~5000ppm，精度±50ppm）；光照强度：硅光电池（量程0~100klx，线性输出）；人体存在：被动红外（PIR）传感器（检测运动）+毫米波雷达（检测静止人体）。（2）信号调理流程：模拟信号（如光照、CO₂）：先经运算放大器（如OP07）放大（增益10~100倍），再通过RC低通滤波器（截止频率10Hz）滤除高频噪声，最后