(2025年)国家开放大学《传感器与测试技术》本章测试参考答案

(2025年)国家开放大学《传感器与测试技术》本章测试参考答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列参数中，属于传感器静态特性指标的是（）。A.固有频率B.阻尼比C.线性度D.上升时间答案：C解析：静态特性描述传感器在被测量处于稳定状态时的输入-输出关系，主要指标包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性等；固有频率、阻尼比、上升时间属于动态特性指标。2.应变片的工作原理基于（）。A.压电效应B.压阻效应C.应变效应D.热电效应答案：C解析：应变片利用金属导体的应变效应，即导体受机械应变时，其电阻值随应变量的变化而变化；压阻效应是半导体材料的特性，压电效应是某些晶体受外力时产生电荷的现象，热电效应与温度-电压转换相关。3.电感式传感器中，差动式结构的主要作用是（）。A.提高灵敏度B.减小非线性误差C.增强抗干扰能力D.以上均是答案：D解析：差动式电感传感器通过两个对称线圈的反向变化，不仅能将灵敏度提高约1倍，还能有效抵消温度变化、电源波动等共模干扰，同时非线性误差可降低至单线圈的1/10左右。4.压电传感器适用于测量（）。A.静态力B.动态力C.恒定压力D.温度答案：B解析：压电传感器的工作原理基于压电效应，其输出电荷会通过测量电路的漏电阻逐渐泄漏，因此难以测量静态或缓慢变化的信号，更适合动态力、振动等高频信号的测量。5.光电传感器中，能够实现非接触测量的是（）。A.透射式B.反射式C.漫反射式D.以上均是答案：D解析：透射式、反射式（包括镜面反射和漫反射）光电传感器均通过光的发射与接收实现测量，无需与被测物体直接接触，适用于位移、厚度、转速等非接触场景。6.测试系统的动态特性中，一阶系统的时间常数τ越小，其（）。A.响应速度越慢B.响应速度越快C.通频带越窄D.稳定性越差答案：B解析：一阶系统的阶跃响应时间主要由时间常数τ决定，τ越小，系统达到稳态值63.2%的时间越短，响应速度越快，同时通频带（截止频率1/τ）越宽。7.电容式传感器中，变面积式的输出特性为（）。A.线性B.非线性C.抛物线D.指数答案：A解析：变面积式电容传感器的电容值C=εA/d（ε为介电常数，A为极板面积，d为极板间距），当d固定时，C与A成线性关系，因此输出特性为线性；变间隙式则为非线性。8.热电偶的工作原理基于（）。A.塞贝克效应B.珀尔帖效应C.汤姆逊效应D.光电效应答案：A解析：塞贝克效应指两种不同材料的导体组成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中会产生热电势；珀尔帖效应是电流通过两种材料接点时的吸热/放热现象，汤姆逊效应是单一导体两端温差引起的电势，均非热电偶的核心原理。9.为提高传感器的抗干扰能力，通常采用的措施不包括（）。A.屏蔽接地B.差分放大C.增加量程D.滤波电路答案：C解析：屏蔽接地可抑制电磁干扰，差分放大可抑制共模干扰，滤波电路可滤除高频噪声；增加量程主要影响测量范围，与抗干扰无直接关联。10.以下传感器中，属于数字式传感器的是（）。A.应变片B.光栅传感器C.热电偶D.压电传感器答案：B解析：光栅传感器通过莫尔条纹的计数实现位移的数字量输出；应变片、热电偶、压电传感器输出均为模拟信号，需经A/D转换后才能得到数字量。二、填空题（每空1分，共15分）1.传感器一般由（敏感元件）、（转换元件）和（信号调理电路）三部分组成。2.应变片的灵敏度系数K表示（单位应变引起的电阻相对变化），其物理意义是（应变片对机械应变的敏感程度）。3.电感式传感器按转换原理可分为（自感式）和（互感式）两大类，其中互感式的典型代表是（差动变压器式传感器）。4.压电材料分为（压电晶体）和（压电陶瓷）两类，常用的压电陶瓷材料是（钛酸钡）或（锆钛酸铅）。5.测试系统的静态特性指标包括（线性度）、（灵敏度）、（迟滞）和（重复性）等。6.光电效应分为（外光电效应）、（内光电效应）和（光生伏特效应），其中光敏电阻基于（内光电效应）。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述应变式传感器与压阻式传感器的异同点。答：相同点：两者均通过电阻变化实现被测量的转换，核心均为电阻变化与被测量（如力、压力）的关系。不同点：①工作原理：应变式基于金属的应变效应（几何尺寸变化引起电阻变化）；压阻式基于半导体的压阻效应（电阻率变化引起电阻变化）。②灵敏度：压阻式灵敏度远高于应变式（约50-100倍）。③温度特性：压阻式对温度更敏感，需更复杂的温度补偿；应变式温度误差相对较小。④应用场景：应变式适用于中高精度静态/动态测量（如电子秤）；压阻式适用于小位移、高灵敏度场景（如微型压力传感器）。2.说明电感式传感器的工作原理及主要应用。答：电感式传感器基于电磁感应原理，通过被测物理量（如位移、振动）引起电感量或互感量的变化，将非电量转换为电量。工作原理：当被测物体产生位移时，磁路磁阻变化，导致线圈电感L=μN²A/δ（μ为磁导率，N为匝数，A为截面积，δ为气隙长度）变化，通过测量电路（如电桥）将L的变化转换为电压或电流输出。主要应用：位移测量（如机械零件尺寸检测）、振动测量（如发动机振动监测）、厚度测量（如板材厚度在线检测）、转速测量（通过齿轮齿顶与齿槽引起的电感变化）等。3.分析光电传感器的分类及各自特点。答：光电传感器按工作方式分为四类：①透射式：发射器与接收器相对放置，被测物遮挡光线时输出信号变化，特点是结构简单，适用于带材跑偏、物体计数等。②反射式：发射器与接收器同侧，被测物反射光线时触发信号，特点是安装灵活，适用于距离检测（如自动门）。③漫反射式：利用被测物表面的漫反射光，无需反射板，特点是检测距离较短，适用于粗糙表面物体检测。④槽型（对射式）：发射器与接收器置于槽两侧，被测物通过槽口时遮断光路，特点是响应速度快，适用于微小物体检测（如计数）。4.阐述测试系统动态特性的主要指标及其意义。答：动态特性指标用于描述测试系统对随时间变化的输入信号的响应能力，主要指标包括：①时间常数τ（一阶系统）：τ越小，系统响应速度越快，适用于高频信号测量。②固有频率ωn（二阶系统）：ωn越高，系统可测量的信号频率范围越宽。③阻尼比ξ（二阶系统）：ξ=0.7时，系统动态误差最小，过渡过程无超调或超调量很小，称为最佳阻尼。④上升时间tr：信号从10%稳态值上升到90%稳态值的时间，tr越小，响应越快。⑤超调量σ%：输出超过稳态值的最大偏差与稳态值的百分比，σ%越小，系统稳定性越好。这些指标共同决定了测试系统能否准确跟踪输入信号的变化，是选择测试系统的重要依据。5.说明电桥在传感器信号调理中的作用，并推导单臂电桥的输出电压公式。答：电桥的作用：①将传感器的电阻/电感/电容变化转换为电压或电流变化，实现信号的放大；②通过差动结构（如半桥、全桥）抑制共模干扰（如温度变化引起的电阻漂移），提高灵敏度和线性度。单臂电桥（惠斯通电桥）由四个桥臂R1、R2、R3、R4组成，其中R1为工作应变片，其余为固定电阻（R2=R3=R4=R）。当R1变化ΔR时，电桥输出电压Uo为：Uo=E[(R1+ΔR)R3R2R4]/[(R1+ΔR+R2)(R3+R4)]假设初始平衡时R1=R2=R3=R4=R，则ΔR<<R时，化简得Uo≈EΔR/(4R)。四、计算题（共25分）1.某应变式称重传感器的弹性体为圆柱结构，直径D=20mm，弹性模量E=2×10^11Pa，应变片灵敏度系数K=2.0，初始电阻R=120Ω。当称重10kN时，求：（1）弹性体的轴向应变ε；（2）应变片的电阻变化量ΔR；（3）若采用单臂电桥（桥压E=5V），输出电压Uo。（10分）解：（1）轴向应力σ=F/A，A=πD²/4=π×(0.02)²/4=3.14×10^-4m²σ=10×10³N/3.14×10^-4m²≈3.18×10^7Pa轴向应变ε=σ/E=3.18×10^7/2×10^11=1.59×10^-4（即159με）（2）电阻变化量ΔR=K×R×ε=2.0×120Ω×1.59×10^-4≈0.0382Ω（3）单臂电桥输出电压Uo≈EΔR/(4R)=5V×0.0382Ω/(4×120Ω)≈5×0.0382/(480)≈0.000398V≈0.398mV2.某一阶测试系统的时间常数τ=0.01s，输入信号为x(t)=5sin(100t)V，求系统的稳态输出y(t)，并分析幅值误差。（15分）解：一阶系统的频率响应函数为H(jω)=1/(1+jωτ)，幅频特性A(ω)=1/√(1+(ωτ)²)，相频特性φ(ω)=-arctan(ωτ)。输入信号角频率ω=100rad/s，τ=0.01s，因此ωτ=100×0.01=1。（1）幅值增益A=1/√(1+1²)=1/√2≈0.707