(2025年)传感器与测试技术复习题及答案

(2025年)传感器与测试技术复习题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.以下关于传感器静态特性的描述中，错误的是（）。A.线性度是指传感器输出-输入特性曲线与拟合直线的偏离程度B.灵敏度是输出变化量与输入变化量的比值，单位为输出量单位/输入量单位C.迟滞反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出-输入特性曲线的不重合程度D.重复性是指传感器在相同工作条件下，输入量按同一方向连续多次变化时，输出特性曲线的不一致程度答案：D（重复性是输入量按同一方向连续多次变化时的一致性，不一致程度为重复性误差）2.应变式传感器中，金属应变片的灵敏度系数主要取决于（）。A.材料的几何尺寸变化B.材料的电阻率变化C.材料的泊松比D.材料的弹性模量答案：A（金属应变片的灵敏度系数K≈(1+2μ)+Δρ/(ρ·ε)，其中几何尺寸变化项(1+2μ)占主导）3.电感式传感器中，电涡流式传感器的测量原理基于（）。A.自感效应B.互感效应C.电磁感应与涡流损耗D.压磁效应答案：C（电涡流传感器利用金属导体在交变磁场中产生涡流，涡流与原磁场相互作用导致线圈阻抗变化）4.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）。A.压电材料的居里点较低B.电荷容易通过测量回路泄漏C.压电效应仅在动态力作用下产生D.前置放大器输入阻抗不足答案：B（静态力作用下，压电元件产生的电荷会通过传感器绝缘电阻和测量回路泄漏，无法稳定输出）5.光电式传感器中，码盘式编码器的分辨率由（）决定。A.码道的数量B.码盘的直径C.光敏元件的响应速度D.码盘的材料答案：A（分辨率=360°/2ⁿ，n为码道数，码道数越多，分辨率越高）6.以下哪种误差属于系统误差？（）A.温度波动引起的测量值随机变化B.仪器刻度不准导致的恒定偏差C.操作人员读数时的视差D.电源电压瞬时干扰引起的输出跳变答案：B（系统误差具有确定性，可通过校准消除；随机误差由偶然因素引起，如A、C、D）7.电容式传感器中，变面积式传感器的输出特性为（）。A.线性B.非线性C.平方关系D.对数关系答案：A（变面积式电容C=ε₀εᵣA/d，A为极板重叠面积，输出与A成线性关系）8.热电偶测温时，补偿导线的作用是（）。A.延长热电极，降低成本B.补偿冷端温度变化C.提高测量灵敏度D.消除热电动势的非线性答案：A（补偿导线与热电偶材料在低温区热电特性一致，用于将冷端延伸至温度稳定的控制室，不直接补偿温度）9.测试系统的频率响应函数H(jω)是（）。A.输出信号与输入信号的时域比值B.输出信号傅里叶变换与输入信号傅里叶变换的比值C.系统的幅频特性与相频特性的乘积D.系统对正弦输入的稳态响应与输入的比值答案：B（频率响应函数定义为输出信号傅里叶变换与输入信号傅里叶变换的比值，H(jω)=Y(jω)/X(jω)）10.以下传感器中，属于发电型传感器的是（）。A.电阻应变片B.电感式传感器C.压电式传感器D.电容式传感器答案：C（发电型传感器直接将非电能量转换为电能，如压电式（力→电荷）、热电偶（温度→电动势）；其他为能量控制型）二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器一般由______、______和______三部分组成。（敏感元件、转换元件、信号调理电路）2.应变片的温度误差主要由______和______引起。（电阻丝温度系数、试件与电阻丝材料线膨胀系数差异）3.电感式传感器按转换原理可分为______、______和______三类。（变磁阻式、差动变压器式、电涡流式）4.压电材料分为______、______和______三大类。（压电晶体、压电陶瓷、高分子压电材料）5.光电效应分为______、______和______，其中光敏电阻基于______效应。（外光电、内光电（光电导）、光生伏特；光电导）6.测试系统的静态特性指标包括______、______、______和______等。（线性度、灵敏度、迟滞、重复性）7.热电偶的基本定律包括______、______和______。（均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律）三、简答题（每题6分，共48分）1.简述应变式传感器的工作原理及温度补偿方法。答：工作原理：利用金属电阻丝的应变效应（ΔR/R=Kε），将被测力或压力转换为应变片电阻变化，通过电桥转换为电压信号。温度补偿方法：①桥路补偿法（在电桥相邻臂接入相同应变片，一片受应变，一片不受应变但感受温度）；②应变片自补偿法（选用温度系数与试件匹配的应变片或双金属敏感栅）。2.比较变极距式、变面积式和变介质式电容传感器的优缺点。答：变极距式：灵敏度高（C∝1/d），但非线性严重（ΔC/C≈-Δd/d+(Δd/d)²-…），测量范围小；变面积式：线性好（C∝A），灵敏度较低，适用于大位移测量；变介质式：灵敏度取决于介质介电常数变化，可测液位、厚度等，线性较好。3.说明压电式传感器为何需要配置前置放大器？常用的前置放大器有哪两种类型？各有何特点？答：压电式传感器输出电荷小、内阻高（≈10¹²Ω），需前置放大器实现阻抗变换并放大信号。常用类型：①电压放大器（阻抗变换器）：输出电压与电荷量成正比，受连接电缆电容影响大；②电荷放大器：输出电压与电荷量成正比，电缆电容不影响输出，抗干扰能力强。4.简述电涡流式传感器的工作原理及主要应用场景。答：原理：当线圈通高频交流电时，被测金属导体表面产生电涡流，涡流磁场与原磁场相互作用，导致线圈阻抗Z=R+jX变化。阻抗变化与导体的电导率、磁导率、距离（提离度）等有关。应用：位移测量（如轴振动）、厚度测量（如金属板材）、电导率检测（如材料分选）、无损探伤（如裂纹检测）。5.什么是测试系统的不失真测试条件？时域和频域分别如何表述？答：不失真测试条件：输出信号与输入信号仅幅值成比例、时间延迟相同。时域：y(t)=A₀x(t-t₀)（A₀为常数，t₀为延迟时间）；频域：幅频特性|H(jω)|=A₀（常数），相频特性φ(ω)=-ωt₀（线性）。6.简述热电偶冷端温度补偿的常用方法。答：①冷端恒温法（将冷端置于0℃恒温槽）；②计算修正法（测量冷端温度t₀，实际热电动势E(t,t₀)=E(t,0)-E(t₀,0)）；③电桥补偿法（利用不平衡电桥产生的电压补偿冷端温度变化引起的电动势变化）；④集成温度传感器补偿法（通过电路自动调整冷端温度）。7.说明霍尔传感器的工作原理及主要应用。答：原理：半导体薄片置于磁场中，通电流I时，载流子受洛伦兹力偏转，在垂直于电流和磁场的方向产生霍尔电动势U_H=K_HIB（K_H为霍尔系数，B为磁感应强度）。应用：磁场测量、电流测量（通过测量载流导体产生的磁场）、位移测量（利用磁场梯度）、转速测量（检测齿轮转动时的磁场变化）。8.分析测试误差的主要来源，并举例说明如何减小随机误差。答：误差来源：①仪器误差（如仪表精度不足）；②环境误差（温度、湿度变化）；③方法误差（测量原理近似）；④人员误差（读数错误）。减小随机误差的方法：多次重复测量取平均值（根据统计学原理，随机误差服从正态分布，平均值可降低误差）；例如测量某电压值，重复10次后计算算术平均值，可减小由噪声引起的随机误差。四、综合题（共12分）设计一个基于应变式传感器的汽车称重系统，要求：（1）画出系统组成框图；（2）说明各部分的功能；（3）分析可能的误差来源及改进措施。答：（1）系统组成框图：被测车辆→称重平台→应变式力传感器→信号调理电路（电桥、放大、滤波）→A/D转换器→微处理器（数据处理）→显示/输出（2）各部分功能：①称重平台：承载车辆重量，将力传递至传感器；②应变式力传感器：将重量转换为应变片电阻变化（利用弹性体将力转换为应变，应变片粘贴于弹性体表面）；③信号调理电路：电桥将电阻变化转换为电压信号，放大器提高信号幅值，滤波器去除噪声；④A/D转换器：将模拟电压转换为数字信号，供微处理器处理；⑤微处理器：计算重量（根据标定的电压-重量关系），存储数据；⑥显示/输出：显示重量值，或上传至监控系统。（3）误差来源及改进措施：①温度误差：环境温度变化导致应变片电阻和弹性体尺寸变化。改进：采用温度自补偿应变片，或在电桥中加入补偿片；②非线性误差：应变