2025年传感器应用试题及答案

2025年传感器应用试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列选项中，属于传感器“转换元件”核心功能的是（）。A.直接感受被测量并输出与被测量成一定关系的物理量B.将敏感元件输出的非电物理量转换为电信号C.对电信号进行放大、滤波等处理D.实现传感器与外部电路的电气连接2.压电式传感器无法测量静态信号的根本原因是（）。A.压电材料的居里温度限制B.电荷泄漏导致无法积累稳定电荷C.压电效应仅在动态应力下产生D.后续信号调理电路无法处理直流信号3.某应变片的灵敏度系数为2.0，当承受0.001的应变时，其电阻相对变化量为（）。A.0.001B.0.002C.0.003D.0.0044.用于测量人体体温的红外传感器通常采用（）。A.光子探测器（量子型）B.热释电探测器（热型）C.光电二极管D.光敏电阻5.下列传感器中，基于电磁感应原理工作的是（）。A.涡流式位移传感器B.电容式压力传感器C.半导体气敏传感器D.光纤光栅传感器6.工业机器人中用于检测关节角度的常用传感器是（）。A.激光测距仪B.旋转编码器C.压阻式压力传感器D.磁电式速度传感器7.热电偶测量温度时，若冷端温度为25℃，测得热电势为36.0mV（对应分度表中400℃时热电势为33.275mV，450℃时为38.333mV），则实际被测温度约为（）。A.420℃B.430℃C.440℃D.450℃8.MEMS加速度计的核心敏感结构通常是（）。A.悬臂梁质量块系统B.压电陶瓷片C.光纤光栅D.气室膜片9.气体传感器检测甲烷浓度时，若环境湿度显著升高，可能导致（）。A.测量值偏高B.测量值偏低C.无影响D.传感器失效10.下列传感器中，适合用于微小位移（<1μm）非接触测量的是（）。A.电感式位移传感器（变气隙型）B.电容式位移传感器（变极距型）C.激光三角位移传感器D.电阻应变式位移传感器二、多项选择题（每题3分，共15分，错选、漏选均不得分）1.以下属于传感器静态特性指标的有（）。A.线性度B.灵敏度C.响应时间D.重复性2.温度传感器中，需要参考端补偿的有（）。A.热电偶B.热电阻（PT100）C.集成温度传感器（AD590）D.红外测温仪3.光电传感器按检测方式分类，包括（）。A.对射式B.反射式C.漫反射式D.涡流式4.传感器信号调理电路通常包含（）。A.放大电路B.滤波电路C.模数转换电路D.电源管理电路5.物联网（IoT）中常用的低功耗无线传感器包括（）。A.蓝牙低功耗（BLE）温湿度传感器B.ZigBee土壤湿度传感器C.4GLTEM压力传感器D.光纤光栅应变传感器三、填空题（每空2分，共20分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、________和信号调理电路。2.压阻效应是指半导体材料在受到应力作用时，其________发生显著变化的现象。3.热电偶的热电势由________和温差电势两部分组成。4.气敏传感器检测气体时，通常需要加热至一定温度，目的是________。5.光纤传感器按调制方式可分为强度调制型、________、偏振调制型和相位调制型。6.MEMS传感器的核心制造技术包括体硅加工、________和LIGA技术。7.霍尔传感器的输出电压与________、磁感应强度和载流子浓度相关。8.红外传感器的探测波段中，________（波长范围）最适合人体测温。9.电容式传感器的三种基本类型是变极距型、变面积型和________。10.加速度计的测量原理基于________定律，通过检测质量块的惯性力计算加速度。四、简答题（共30分）1.（5分，封闭型）简述应变片测量应变时，温度误差的主要来源及补偿方法。2.（5分，封闭型）比较压电式传感器与压阻式传感器在应用场景上的差异。3.（5分，开放型）智能农业中需监测土壤湿度、光照强度和CO₂浓度，分别说明应选择的传感器类型及选择依据。4.（5分，封闭型）解释光纤光栅传感器（FBG）的工作原理，并列举其在桥梁健康监测中的两个优势。5.（10分，综合分析型）某工业流水线需检测金属工件的厚度（范围0.52mm，精度±0.01mm），请设计传感器选型方案，包括传感器类型、测量原理及信号处理关键步骤。五、应用题（共25分）1.（8分，计算类）某压阻式压力传感器的灵敏度为2mV/MPa，桥路供电电压为5V，当被测压力为3.5MPa时，输出电压为多少？若后续电路需要将输出信号放大至05V（对应010MPa压力），求放大器的增益。2.（9分，分析类）某冷链物流运输车的温湿度监控系统出现“温度正常但湿度测量值异常偏高”的故障，可能的原因有哪些？请从传感器选型、安装和环境因素三方面分析。3.（8分，综合类）设计一个基于多传感器融合的智能家居安防系统，要求包含至少3种传感器，说明各传感器的功能、数据融合逻辑及系统触发报警的条件。答案及解析一、单项选择题1.B（转换元件负责将敏感元件输出的非电信号转换为电信号）2.B（压电传感器依赖电荷积累，静态信号会因电荷泄漏导致信号衰减）3.B（电阻相对变化量ΔR/R=Kε=2.0×0.001=0.002）4.B（热释电探测器对人体辐射的红外波长（约10μm）敏感，且无需制冷）5.A（涡流式传感器利用金属导体在交变磁场中的涡流效应）6.B（旋转编码器直接测量角位移，精度高，适合机器人关节）7.C（插值计算：(36.033.275)/(38.33333.275)=2.725/5.058≈0.54，故温度≈400+50×0.54=427℃，近似430℃为选项B？实际更精确计算：33.275mV对应400℃，38.333mV对应450℃，每mV对应(450400)/(38.33333.275)=50/5.058≈9.88℃/mV。36.033.275=2.725mV，故温度=400+2.725×9.88≈400+26.9≈426.9℃，最接近430℃为选项B？但原题选项可能设计为440℃？需核对分度表。实际K型热电偶400℃为16.395mV（可能题目假设分度表为自定义），按题目数据，正确选项应为430℃（B））8.A（MEMS加速度计通常采用悬臂梁质量块结构，通过电容或压阻检测位移）9.A（湿度升高可能导致气敏材料表面吸附水分子，影响气体吸附，部分传感器（如半导体式）会出现正偏差）10.C（激光三角位移传感器精度可达亚微米级，适合微小位移非接触测量）二、多项选择题1.ABD（响应时间属于动态特性）2.AB（热电偶需冷端补偿；热电阻测量需考虑导线电阻补偿，本质也是参考端问题）3.ABC（涡流式属于电磁感应，非光电检测）4.ABCD（信号调理通常包括放大、滤波、AD转换及电源管理）5.ABC（光纤光栅需有线传输，非低功耗无线）三、填空题1.转换元件2.电阻率3.接触电势4.激活气敏材料表面反应（或提高气体吸附/脱附速率）5.波长（或频率）调制型6.表面微加工7.激励电流（或控制电流）8.814μm（远红外波段）9.变介质型10.牛顿第二（或F=ma）四、简答题1.温度误差来源：①应变片电阻随温度变化（热阻效应）；②试件与应变片热膨胀系数不同导致的附加应变。补偿方法：电桥补偿法（利用补偿片与工作片处于同一温度场，接入电桥相邻臂）；温度自补偿应变片（通过选择特定敏感栅材料，使热阻效应与热膨胀效应相互抵消）。2.压电式传感器适用于动态测量（如振动、冲击），因无法测静态；输出阻抗高，需配电荷放大器。压阻式传感器可测静态和动态信号（如压力、加速度），输出信号强（电压型），但温度漂移大，需温度补偿；适合低频率、小量程场景。3.土壤湿度：选择电容式或频域反射（FDR）传感器，因可原位测量、响应快，适合土壤复杂介质。光照强度：光电二极管（硅光电池）或光敏电阻，光谱响应接近太阳光谱，线性度好。CO₂浓度：非色散红外（NDIR）传感器，选择性好、精度高，适合农业环境长期监测。4.工作原理：光纤光栅通过紫外光写入周期性折射率调制，当外界温度或应变变化时，光栅周期或折射率改变，导致反射光中心波长（布拉格波长）漂移，通过检测波长变化量实现测量。优势：抗电磁干扰（适合桥梁强电磁环境）；分布式测量（可串联多个FBG监测不同位置）；长期稳定性好（无电子元件，耐老化）。5.选型方案：①传感器类型：电容式位移传感器（变极距型），因精度高（可达0.1μm级），适合微小厚度测量。②原理：工件作为动极板，固定极板与工件形成平行板电容，厚度变化导致极距d变化，电容C=εA/d，通过检测C变化量反推d。③信号处理：电容电压转换（如运放积分电路）→滤波（去除高频噪声）→线性化校正（补偿电容非线性）→AD转换→显示/报警（设置0.52mm阈值）。五、应用题1.输出电压：2mV/MPa×3.5MPa=7mV。放大器增益：目标满量程输出5V对应10MPa，传感器满量程输出为2mV/MPa×10MPa=20mV，故增益=5V/20mV=250倍。2.可能原因：①传感器选型：选用非防水型湿度传感器（冷链环境易结露）；或传感器量程不匹配（如量程过低，超出实际湿度范围）。②安装问题：传感器安装位置靠近蒸发器（局部冷凝导致湿度虚高）；未做防水处理（冷凝水直接接触敏感元件）。③环境因素：货物包装带水（如冰鲜产品渗水），导致局部湿度异常；通风不良（湿度无法扩散，传感器持续测量高湿区域）。3.系统设计：①传感器1：红外热释电传感器（检测人