《传感器与检测技术》期末考试试卷及答案2025年

《传感器与检测技术》期末考试试卷及答案2025年一、单项选择题（每题2分，共20分）1.金属电阻应变片的敏感栅材料通常选用（）A.硅单晶B.康铜C.压电陶瓷D.光纤2.以下电感式传感器中，属于非接触式测量的是（）A.变气隙式自感传感器B.差动变压器式互感传感器C.涡流式电感传感器D.螺管式自感传感器3.热电偶测量温度时，允许在回路中接入测量仪表而不影响热电势的定律是（）A.均质导体定律B.中间温度定律C.中间导体定律D.参考电极定律4.压阻式传感器的核心工作原理是（）A.金属应变效应B.半导体压阻效应C.压电效应D.霍尔效应5.光敏二极管正常工作时应施加（）A.正向偏置电压B.反向偏置电压C.零偏置D.交流电压6.霍尔传感器的输出电压与（）成正比A.控制电流与磁感应强度的乘积B.控制电流与磁感应强度的比值C.控制电流的平方D.磁感应强度的平方7.变极距式电容传感器的主要缺点是（）A.灵敏度低B.非线性误差大C.测量范围大D.受温度影响小8.超声波传感器无法直接检测的参数是（）A.物体厚度B.液体流速C.气体温度D.固体内部缺陷9.MEMS传感器的典型特征不包括（）A.微型化尺寸B.批量集成制造C.高功耗设计D.多参数复合测量10.半导体气敏传感器检测甲烷浓度时，其敏感机理主要基于（）A.气体分子吸附引起的电阻率变化B.气体燃烧产生的热量变化C.气体分子与电极的电化学反应D.气体折射率变化引起的光强变化二、填空题（每空1分，共15分）1.金属电阻应变片的工作原理是______，半导体应变片的工作原理是______。2.电感式传感器按转换原理可分为变磁阻式、______和______三类。3.热电偶的热电势由______和______两部分组成。4.光电效应可分为外光电效应、______和______三类，其中光敏电阻基于______。5.霍尔传感器的输出电压公式为______，其中KH称为______。6.电容式传感器采用差动结构可以有效改善______误差并提高______。7.光纤传光的物理基础是______，要求纤芯折射率______包层折射率。三、简答题（每题6分，共30分）1.比较金属应变片与半导体应变片在工作原理和性能上的主要差异。2.说明电容式传感器三种基本类型的特点及适用场景。3.解释热电偶中间温度定律的内容及其在工程测量中的实际应用。4.分析电感式传感器采用差动结构对测量性能的优化作用。5.简述光纤传感器的两种主要分类方式及其典型应用场景。四、分析计算题（每题10分，共30分）1.某金属应变片的灵敏度系数K=2.1，初始电阻R0=120Ω。当被测构件产生轴向应变为2000με时，求：（1）电阻相对变化率ΔR/R；（2）电阻绝对变化量ΔR。2.某差动变压器式电感传感器的初级线圈激励电压为5V（有效值），频率1kHz。当被测位移为+0.5mm时，两个次级线圈的感应电压分别为U1=3.2V、U2=2.8V；当位移为-0.5mm时，U1=2.8V、U2=3.2V。（1）计算两种位移下的输出电压有效值；（2）说明输出电压符号与位移方向的对应关系。3.用S型热电偶（铂铑10-铂）测量高温炉温度，已知参考端温度T0=30℃，测得热电势E(T,T0)=9.56mV。查S型热电偶分度表（30℃对应0.173mV，1000℃对应9.587mV，990℃对应9.455mV），计算被测温度T的近似值（保留一位小数）。五、综合设计题（15分）设计一套用于智能养殖舍的温湿度-氨气浓度复合检测系统。要求：（1）选择各参数对应的传感器类型并说明选择依据；（2）绘制系统结构框图（包含传感器、信号调理、数据处理、通信模块）；（3）简述信号调理与数据处理的主要流程。答案一、单项选择题1.B2.C3.C4.B5.B6.A7.B8.C9.C10.A二、填空题1.金属应变效应；压阻效应2.涡流式；差动变压器式3.接触电势；温差电势4.内光电效应；光生伏特效应；内光电效应5.UH=KHIB；霍尔灵敏度系数6.非线性；灵敏度7.光的全反射；大于三、简答题1.差异：（1）工作原理：金属应变片基于金属材料的应变效应（几何尺寸变化引起电阻变化）；半导体应变片基于半导体材料的压阻效应（电阻率变化为主）。（2）性能：半导体应变片灵敏度高（约50-200，金属约2），但温度稳定性差、非线性严重；金属应变片线性好、温度漂移小，适合高精度测量。2.类型及特点：（1）变极距式：灵敏度高（与极距平方成反比），但测量范围小（<1mm）、非线性误差大，需采用差动结构；（2）变面积式：线性好、测量范围大（可达数百mm），但灵敏度较低；（3）变介电常数式：适用于检测物位（液体/固体）、湿度（介电常数随含水量变化），结构多样（如平行板、圆柱式）。3.中间温度定律：热电偶在温度T和T0之间的热电势等于其在T和Tn、Tn和T0之间热电势的代数和，即E(T,T0)=E(T,Tn)+E(Tn,T0)。工程应用：当参考端温度无法保持0℃时，可通过测量参考端实际温度Tn，利用分度表分别查取E(T,Tn)和E(Tn,0)，计算得到E(T,0)以确定被测温度T；也可用于补偿导线的使用（补偿导线与热电偶在低温区热电特性一致）。4.优化作用：（1）提高灵敏度：差动结构输出为单线圈的两倍（ΔL/L≈2Δδ/δ0）；（2）减小非线性：单线圈输出与位移成非线性关系（ΔL≈-L0Δδ/δ0²），差动结构二次项相互抵消，线性度显著改善；（3）抑制干扰：温度变化引起的线圈电阻变化、电源波动等共模干扰在差动输出中相互抵消，提高抗干扰能力。5.分类及应用：（1）按功能分：①功能型（传感型）：光纤既传光又感知信号（如光纤陀螺测角速度、光纤光栅测应变）；②非功能型（传光型）：光纤仅作传光介质，敏感元件为其他材料（如光纤位移传感器，用光敏元件检测光强变化）。（2）按调制方式分：强度调制（如反射式位移传感器）、相位调制（如马赫-泽德干涉仪测振动）、波长调制（如光纤布拉格光栅测温）。典型应用包括桥梁健康监测（应变测量）、电力设备测温（抗电磁干扰）、生物医学检测（微创传感）等。四、分析计算题1.（1）ΔR/R=Kε=2.1×2000×10⁻⁶=0.42%（2）ΔR=R0×ΔR/R=120Ω×0.42%=0.504Ω2.（1）正向位移（+0.5mm）：输出电压U0=U1-U2=3.2V-2.8V=0.4V反向位移（-0.5mm）：输出电压U0=U1-U2=2.8V-3.2V=-0.4V（有效值0.4V）（2）输出电压符号反映位移方向：正电压对应正向位移，负电压对应反向位移。3.根据中间温度定律，E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)=9.56mV+0.173mV=9.733mV查分度表：1000℃对应9.587mV，990℃对应9.455mV9.733mV-9.587mV=0.146mV（超过1000℃部分）10℃温差对应热电势增量=9.587mV-9.455mV=0.132mV温度修正值=10℃×(0.146/0.132)≈11.1℃被测温度T≈1000℃+11.1℃=1011.1℃五、综合设计题（1）传感器选择：①温度：铂电阻（Pt100），精度高（±0.1℃）、稳定性好，适合养殖舍0-50℃环境；②湿度：电容式高分子湿度传感器（如HS1101），响应快（<5s）、线性度好（±2%RH），适合高湿环境；③氨气：半导体气敏传感器（如TGS826），对NH3灵敏度高（检测范围1-500ppm）、成本低，适合养殖舍氨气监测（安全阈值<20ppm）。（2）系统结构框图：传感器探头（温湿度一体模块+氨气传感器）→信号调理（电桥电路/Pt100恒流源、C/V转换、气敏元件加热电路）→信号处理（仪表放大器、低通滤波器、A/D转换器）→微控制器（STM32）→数据存储/显示（LCD）→通信模块（LoRa/RS485）→上位机（云平台）（3）信号调理与处理流程：①温度信号：Pt100通过恒流源（1mA）激励，经三线制电桥转换为电压信号（ΔV=I×ΔR），由仪表放大器（AD620）放大（增益100倍），低通滤波（截止频率10Hz）去除工频干扰，12位A/D转换为数字量；②湿度信号：电容式传感器电容变化（16-200pF）经C/V转换电路（555定时器构成多谐振荡器，频率与电容成反比）转换为频率信号，由微控制器捕获频率值，查表（预先标定的频率-RH曲线）计算湿度值；③氨气信号：TGS826加热至200℃激活，敏感电阻随NH3浓度升高而降低，通过分压电路转