2026年《传感器与自动检测技术》期末试卷及答案

2026年《传感器与自动检测技术》期末试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某压阻式压力传感器采用恒压源供电，其零位温漂主要由下列哪一项引起？A.压阻系数随温度变化B.桥臂电阻温度系数不一致C.封装应力释放D.导线电阻随温度变化2.在电感式接近开关中，若目标材料由铁转为铜，则同一检测距离下的振荡电压幅值将A.增大B.减小C.基本不变D.先增大后减小3.对一只量程0~100kPa、输出0~10V的压变送器进行标定，测得输入50kPa时输出5.02V，则其线性度误差为A.0.02%FSB.0.04%FSC.0.2%FSD.0.4%FS4.采用AD620构成仪表放大器，若Rg=100Ω，其理论增益约为A.495B.495.5C.499D.5015.在热电偶测温系统中，若参考端温度升高而其他条件不变，则测量端电势A.增大B.减小C.不变D.与测量端温度高低有关6.激光三角法位移传感器中，若激光入射角增大，则相同物面位移引起的成像光斑位移A.增大B.减小C.不变D.先增大后减小7.下列关于MEMS电容式加速度计的说法，错误的是A.采用差动电容结构可提高线性度B.通过静电力反馈可实现闭环检测C.灵敏度与质量块质量成反比D.真空封装可降低热机械噪声8.在光电编码器输出A、B两相正交脉冲中，若A相上升沿时刻B相为高电平，则转子A.顺时针旋转B.逆时针旋转C.静止D.无法判断9.对一只4~20mA电流环传感器，若采样电阻Rs=250Ω，ADC参考电压2.5V，则允许的最大采样电阻温漂为±50ppm/℃，对应温度变化50℃时，引入的误差为A.±0.125%FSB.±0.25%FSC.±0.5%FSD.±1%FS10.在基于STM32的FFT测频方案中，若采样频率10kHz，FFT点数1024，则频率分辨率为A.9.77HzB.10.24HzC.19.53HzD.20.48Hz二、填空题（每空2分，共20分）11.金属热电阻Pt100在0℃时的阻值为________Ω，其温度系数α=________/℃。12.某霍尔开关芯片的磁滞窗口为2mT，动作点Bop=5mT，则释放点Brp=________mT。13.在应变片全桥电路中，若四个桥臂应变片灵敏系数均为2.0，应变ε=1000με，则桥路输出电压与激励电压比值为________。14.采用激光多普勒测速时，若激光波长λ=632.8nm，频移Δf=1MHz，则物体速度v=________m/s。15.某电容式液位计，空罐电容C0=100pF，满罐电容Cf=250pF，则其灵敏度为________pF/mm（量程1000mm）。16.在I²C总线中，若传感器地址为0x5A，则其写地址为________，读地址为________。17.对一只量程0~10g的MEMS加速度计，其零偏稳定性为0.1mg，则对应角度随机游走为________°/√h（g取9.8m/s²）。18.某红外测温仪发射率设定为0.95，若被测表面真实温度为200℃，而实际发射率为0.8，则指示温度误差约为________℃（忽略环境反射）。19.在超声波流量计中，若声道长度L=100mm，声速c=1480m/s，顺逆流时间差Δt=40ns，则流速v=________m/s。20.采用4线制测量Pt100可消除________误差，其原理是将激励与________回路分离。三、简答题（每题8分，共24分）21.简述压阻式压力传感器在恒流源与恒压源供电下的温漂差异，并给出工程抑制措施。22.说明电涡流传感器检测非导电涂层厚度时的灵敏度下降机理，并给出提高灵敏度的两种方法。23.某光电编码器输出Z相每转一圈出现一次窄脉冲，简述如何利用Z相实现伺服系统绝对零位校准，并说明抗干扰策略。四、计算与综合题（共36分）24.（10分）某应变片悬臂梁力传感器结构如图1所示，梁宽b=20mm，厚h=2mm，弹性模量E=200GPa，应变片灵敏系数K=2.0，贴片位置距固定端L=100mm。采用全桥接法，激励电压Ui=5V。当施加末端力F=10N时：(1)求梁最大应变εmax；(2)求桥路输出电压Uo；(3)若ADC为12位、参考电压2.5V，求系统最小可分辨力ΔF。25.（10分）某热电偶测温系统如图2所示，采用K型热电偶，其塞贝克系数近似为α=40μV/℃。测量端温度T1，参考端温度T2=25℃，信号经OP07放大100倍后送入STM32ADC。ADC12位，参考电压3.3V。(1)推导ADC码值N与T1的关系式；(2)若测得N=2000，求T1；(3)若参考端温度波动±1℃，求对应的温度测量误差。26.（8分）某电容式MEMS加速度计采用差动结构，质量块面积A=1mm²，初始间隙d0=2μm，弹簧刚度k=20N/m，质量m=2mg。忽略边缘效应与寄生电容，真空介电常数ε0=8.85×10⁻¹²F/m。(1)求静态灵敏度S=ΔC/Δa（单位pF/g）；(2)若接口电路最小可分辨电容变化为0.1fF，求最小可分辨加速度。27.（8分）某激光三角法位移传感器光路如图3所示，激光入射角θ1=30°，成像透镜光轴与物面法线夹角θ2=30°，透镜焦距f=25mm，像面位移传感器为PSD，有效长度6mm，对应物面量程±2mm。(1)证明像面位移y与物面位移x近似成线性关系，并求灵敏度k=y/x；(2)若PSD输出经12位ADC采样，求系统理论分辨率（nm）。五、设计题（共20分）28.某无人仓AGV需在货架通道内实现±2mm停车精度，通道长50m，地面铺设磁条导航，速度最大2m/s。请设计一套基于磁传感器阵列的横向位移检测系统，要求：(1)给出传感器选型与阵列布局方案；(2)说明信号调理与标定方法；(3)推导横向位移解算公式；(4)分析环境温度、地面起伏、电磁干扰对系统精度的影响并提出补偿策略；(5)估算系统成本与功耗（给出关键器件型号与参数）。【答案与解析】1.B。桥臂电阻温度系数不一致导致零位漂移，恒压源下灵敏度温漂由压阻系数决定，但零位温漂主要源于桥臂失配。2.B。铜为非铁磁材料，电涡流效应弱，振荡阻尼减小，幅值下降。3.B。线性度误差=|5.02−5|V/10V×100%=0.2%FS，但题目问的是“误差”而非“相对误差”，按定义取0.04%FS。4.B。G=49.4kΩ/Rg+1≈495.5。5.B。参考端电势升高，根据中间温度定律，测量端电势减小。6.A。入射角增大，像面位移放大，灵敏度提高。7.C。灵敏度与质量成正比，与弹簧刚度成反比。8.A。A上升沿时B为高，正交编码规则判为顺时针。9.B。ΔR/R=±50ppm/℃×50℃=±0.25%，对应电压误差±0.25%FS。10.A。Δf=fs/N=10000/1024≈9.77Hz。11.100；0.00385。12.3。13.2×10⁻³。全桥输出ΔU/U=Kε=2×1000×10⁻⁶=2×10⁻³。14.0.316。v=λΔf/2=632.8×10⁻⁹×1×10⁶/2≈0.316m/s。15.0.15。灵敏度=(250−100)/1000=0.15pF/mm。16.0xB4；0xB5。17.0.58。角度随机游走=零偏稳定性×3600/(π/180)√(2ln2/g)≈0.58°/√h。18.−12。指示温度误差ΔT≈(ε1−ε2)T/ε1ε2×(1/4)(T/100)³≈−12℃。19.0.296。v=LΔt/(2t₁t₂)≈LΔt·c²/(2L²)=c²Δt/(2L)=1480²×40×10⁻⁹/(2×0.1)≈0.296m/s。20.导线电阻；电压检测。21.恒压源下，零位温漂由桥臂失配引起，灵敏度温漂由压阻系数负温度系数引起；恒流源下，灵敏度温漂可抵消，但零位温漂仍存在。工程上采用：①恒流源供电；②桥臂串联温补电阻；③软件查表补偿；④激光修调桥臂电阻。22.非导电涂层阻碍涡流形成，有效磁场减弱，灵敏度下降。提高方法：①提高激励频率以减小集肤深度；②采用双频激励分离涂层与基底信号；③优化线圈尺寸与Q值；④采用磁通聚焦器。23.系统上电后低速寻零，检测到Z相脉冲即记录为机械零位；为抗干扰，采用：①Z相脉冲宽度验证；②连续两圈Z相位置一致性判断；③光电编码器差分接收；④屏蔽电缆与RC滤波；⑤软件滑动平均。24.(1)悬臂梁应力σ=6FL/(bh²)=6×10×0.1/(0.02×0.002²)=75MPa，应变ε=σ/E=75×10⁶/(200×10⁹)=375με。(2)全桥输出Uo=UiKε=5×2×375×10⁻⁶=3.75mV。(3)ADC1LSB=2.5V/4096≈0.61mV，可分辨电压0.61mV，对应应变0.61×10⁻³/(5×2)=61με，力ΔF=εEbh²/(6L)=61×10⁻⁶×200×10⁹×0.02×0.002²/(6×0.1)≈1.6N。25.(1)热电偶电势E=α(T1−T2)，放大后U=100α(T1−T2)，ADC码值N=U×4096/3.3=100×40×10⁻⁶×(T1−25)×4096/3.3≈4.97(T1−25)。(2)T1=2000/4.97+25≈427℃。(3)误差=±1℃。26.(1)加速度a引起位移Δx=ma/k，差动电容变化ΔC=2ε0AΔx/d0²，灵敏度S=ΔC/a=2ε0Am/(kd0²)=2×8.85×10⁻¹²×1×10⁻⁶×2×10⁻⁶/(20×4×10⁻¹²)=0.443pF/g。(2)最小可分辨加速度=0.1×10⁻³/0.443≈0.226mg。27.(1)几何光学推导得y≈x·f·sin(θ1+θ2)/(sinθ1·cosθ2)，代入θ1=θ2=30°得k=2f=50mm。(2)PSD1LSB=6mm/4096≈1.46μm，对应物面分辨率=1.46μm/50≈29nm。28.设计要点：(1)选用三轴霍尔传感器TLE493D，阵列5只，间距20mm，安装于车头底部距磁条高度20mm；(2)信号调理：霍尔输出经低噪放大、50Hz陷波、Σ-ΔADC；标定：AGV沿磁条横向步进1mm，记录各传感器输出，建立最小二乘拟合曲线；(3)横向