2025年传感器技术与应用期末试卷加答案

2025年传感器技术与应用期末试卷加答案一、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.以下关于传感器的定义，正确的是（）A.将非电信号转换为电信号的装置B.将电信号转换为非电信号的装置C.仅能测量物理量的装置D.仅能输出数字信号的装置2.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.灵敏度C.迟滞D.重复性3.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.压电效应D.热电效应4.压电传感器不能用于静态测量的主要原因是（）A.输出信号太弱B.电荷易泄漏C.温度漂移严重D.频率响应范围窄5.霍尔传感器的输出电压与以下哪个参数无关（）A.激励电流B.磁感应强度C.载流子浓度D.传感器尺寸6.电容式传感器中，变面积式传感器的输出特性为（）A.非线性B.线性C.平方关系D.对数关系7.以下哪种传感器属于有源型传感器（）A.热电偶B.电阻应变片C.光敏电阻D.电感式传感器8.用于测量气体成分（如CO₂浓度）的常用传感器是（）A.磁敏传感器B.气敏传感器C.湿度传感器D.压阻式传感器9.光电传感器中，能够检测物体是否存在的对射式结构需要（）A.发射器与接收器分离B.发射器与接收器一体C.仅需发射器D.仅需接收器10.以下哪项不是传感器动态特性的评价指标（）A.时间常数B.固有频率C.线性度D.超调量二、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）11.传感器的静态特性参数包括（）A.灵敏度B.频率响应C.迟滞D.重复性12.电阻应变片的温度误差补偿方法有（）A.桥路补偿法B.应变片自补偿法C.软件补偿法D.增加散热片13.电容式传感器的常见类型包括（）A.变极距式B.变面积式C.变介电常数式D.变磁阻式14.以下属于磁敏传感器的有（）A.霍尔传感器B.磁阻传感器（MR）C.压电传感器D.电感式传感器15.传感器信号调理电路通常包括（）A.放大电路B.滤波电路C.模数转换电路D.稳压电路三、填空题（本大题共10空，每空2分，共20分。请将答案填写在横线处）16.传感器通常由__________、转换元件和信号调理电路三部分组成。17.应变片的灵敏度系数K定义为__________与应变ε的比值。18.压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和__________三大类。19.霍尔电压的计算公式为UH=__________（其中KH为霍尔系数，I为激励电流，B为磁感应强度）。20.热电偶的工作原理基于__________效应。21.电感式传感器按结构可分为变磁阻式、涡流式和__________三种类型。22.光敏二极管在工作时通常加__________偏置电压。23.气敏传感器的核心是__________材料，其电导率随气体浓度变化而变化。24.衡量传感器能检测到的最小输入量变化的指标是__________。25.无线传感器网络（WSN）中常用的短距离通信协议有ZigBee和__________。四、简答题（本大题共4小题，每小题8分，共32分）26.（封闭型）简述电感式传感器中电涡流效应的产生条件及应用场景。27.（封闭型）比较压电传感器与压阻传感器的工作原理及适用场景差异。28.（开放型）设计一个基于传感器的智能家居光照自动调节系统，需说明：（1）选择的传感器类型；（2）信号调理的主要步骤；（3）执行机构与控制逻辑。29.（开放型）分析电阻应变片在桥梁应力监测中的应用难点及解决方案。五、应用题（本大题共3小题，共33分）30.（计算类，10分）某金属电阻应变片的初始电阻R₀=120Ω，灵敏度系数K=2.0，用于测量某构件的应变ε=1500με（1με=1×10⁻⁶）。（1）计算应变引起的电阻变化量ΔR；（2）若采用单臂电桥（电源电压U=5V），求电桥输出电压U₀（假设电桥为等臂电桥，其他桥臂电阻不变）。31.（分析类，11分）某工厂需检测流水线中金属零件的厚度（范围0.55mm），要求精度±0.02mm。现有以下传感器可选：①电涡流式传感器（量程010mm，精度±0.01mm）；②电容式传感器（变极距式，量程03mm，精度±0.03mm）；③激光位移传感器（量程020mm，精度±0.005mm）。（1）分析各传感器的适用性；（2）推荐最优方案并说明理由。32.（综合类，12分）设计一个智能农业土壤环境监测系统，要求监测参数包括温度、湿度、pH值、电导率（EC值）。需完成：（1）列出各参数对应的传感器类型；（2）设计传感器节点的硬件架构（包含信号调理、通信模块）；（3）说明数据采集与传输流程（从传感器到上位机）。答案及解析一、单项选择题1.A（传感器的核心功能是将非电信号转换为电信号）2.C（迟滞描述正反行程输出曲线的不一致性）3.B（金属应变片基于应变效应，半导体应变片基于压阻效应）4.B（压电传感器依赖电荷积累，静态信号会导致电荷泄漏）5.D（霍尔电压UH=KHIB，与传感器尺寸无直接关系）6.B（变面积式电容传感器的电容变化与面积变化成线性关系）7.A（热电偶通过热电效应直接产生电动势，属于有源型）8.B（气敏传感器专门用于气体成分检测）9.A（对射式需发射器与接收器分离，中间无遮挡时接收信号）10.C（线性度是静态特性指标）二、多项选择题11.ACD（频率响应属于动态特性）12.ABC（散热片主要用于温度控制，非补偿误差）13.ABC（变磁阻式属于电感式传感器）14.AB（压电传感器基于压电效应，电感式基于电磁感应）15.ABCD（信号调理需放大、滤波、模数转换，稳压电路提供稳定电源）三、填空题16.敏感元件17.ΔR/R（电阻相对变化量）18.高分子压电材料19.KHIB20.塞贝克21.差动变压器式22.反向23.气敏24.分辨力25.LoRa（或蓝牙、WiFi等，合理即可）四、简答题26.电涡流效应条件：当金属导体置于变化的磁场中或在磁场中运动时，导体内部会产生闭合的感应电流（涡流）。应用场景：金属材料的无损检测（如裂纹检测）、位移测量（电涡流位移传感器）、厚度测量、转速测量等。27.工作原理：压电传感器基于压电效应（机械应力→电荷）；压阻传感器基于压阻效应（机械应力→电阻率变化→电阻变化）。适用场景：压电传感器适用于动态测量（如振动、冲击），无法测静态；压阻传感器可测静态和动态应力（如压力传感器、加速度计）。28.设计方案：（1）传感器选择：光敏电阻（成本低）或光电二极管（响应快）；（2）信号调理步骤：①滤波（去除环境噪声）→②放大（将微弱光电流转换为电压信号）→③A/D转换（输入微控制器）；（3）执行机构与控制逻辑：执行机构为LED调光模块；逻辑：设定目标光照强度，传感器实时采集当前光照，微控制器比较差值后调节PWM信号控制LED亮度。29.应用难点：①桥梁应力分布复杂，需多点长期监测；②环境干扰（温度、湿度、振动）影响测量精度；③应变片粘贴工艺要求高（易脱落）。解决方案：①采用分布式光纤应变传感器（抗干扰、可多点监测）；②集成温度传感器进行补偿；③使用高强度胶黏剂（如环氧树脂）并定期维护。五、应用题30.（1）ΔR=K·R₀·ε=2.0×120Ω×1500×10⁻⁶=0.36Ω；（2）单臂电桥输出电压U₀=(U/4)·(ΔR/R₀)=(5V/4)×(0.36/120)=0.00375V=3.75mV。31.（1）适用性分析：①电涡流式：量程覆盖（0.55mm在010mm内），精度满足（±0.01mm≤±0.02mm），适用于金属检测；②电容式：量程不足（03mm＜5mm），精度略低（±0.03mm＞±0.02mm）；③激光位移传感器：精度高（±0.005mm），但成本高（非必要）。（2）最优方案：电涡流式传感器（量程、精度均满足，成本适中，适合金属检测）。32.（1）传感器类型：温度：PT100热电阻或DS18B20数字传感器；湿度：电容式湿度传感器（如SHT30）；pH值：玻璃电极pH传感器；EC值：四电极电导率传感器。（2）硬件架构：传