(2025年)《传感器与检测技术(第2版)》全真模拟试卷二含答案

(2025年)《传感器与检测技术(第2版)》全真模拟试卷二含答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列传感器中，基于压阻效应工作的是（）。A.压电式加速度传感器B.扩散硅压力传感器C.电感式位移传感器D.电容式液位传感器2.某应变片的灵敏度系数K=2.1，初始电阻R=120Ω，当受到ε=1500με的应变时，其电阻变化量ΔR约为（）。A.0.378ΩB.0.525ΩC.0.72ΩD.1.05Ω3.电感式传感器中，若采用差动结构，主要目的是（）。A.提高线性度B.减小温度误差C.降低成本D.简化电路4.光电传感器中，能将光强变化直接转换为电流变化的是（）。A.光敏电阻B.光电池C.光电二极管D.光电三极管5.热电偶测量温度时，若冷端温度为25℃，测得热电势为36.5mV，查分度表知36.5mV对应热端温度为850℃，则实际被测温度为（）（假设分度表参考端为0℃）。A.825℃B.850℃C.875℃D.无法确定6.电容式传感器测量位移时，若采用变极距型，其输出特性为（）。A.线性B.近似线性C.非线性D.与结构无关7.以下不属于数字式传感器的是（）。A.光栅传感器B.磁栅传感器C.热电偶D.编码器8.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）。A.电荷易泄漏B.灵敏度低C.线性度差D.抗干扰能力弱9.霍尔传感器测量磁场时，输出电压与（）成正比。A.磁场强度、控制电流B.磁场强度、载流子浓度C.控制电流、载流子浓度D.磁场强度、温度10.检测系统中，信号调理电路的主要作用是（）。A.放大信号B.滤除噪声C.将传感器输出转换为适合后续处理的信号D.显示测量结果二、填空题（每题1分，共10分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、________和转换电路。2.电阻应变片的横向效应会导致其灵敏度系数________（填“增大”或“减小”）。3.电感式传感器按转换原理可分为自感式、互感式和________。4.电容式传感器的三种基本类型是变极距型、变面积型和________。5.压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和________。6.光电效应分为外光电效应、内光电效应和________。7.热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律和________。8.检测系统的静态特性指标主要有线性度、灵敏度、________和重复性。9.数字式传感器输出信号的特点是________，便于直接与计算机接口。10.霍尔元件的不等位电势是由于________引起的。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述电阻应变片的工作原理，并说明其与压阻式传感器的主要区别。2.电感式传感器采用差动结构为何能改善性能？列举两种差动电感式传感器的应用场景。3.电容式传感器存在哪些主要误差？如何减小这些误差？4.压电式传感器为何需要配置电荷放大器或电压放大器？两种放大器的特点有何不同？5.简述光电耦合器的工作原理及其在检测系统中的主要作用。四、计算题（每题10分，共30分）1.某金属应变片的电阻R=120Ω，灵敏度系数K=2.0，粘贴在弹性模量E=2×10^11Pa的钢构件表面，当构件受拉应力σ=100MPa时，求应变片的电阻变化量ΔR和相对变化量ΔR/R。（已知应变ε=σ/E）2.一变面积型电容式传感器，极板宽度b=20mm，极板间距d=0.1mm，介电常数ε=ε0εr（ε0=8.85×10^-12F/m，εr=1），初始覆盖长度l0=30mm。当动极板移动Δl=5mm时，求电容变化量ΔC（忽略边缘效应）。3.某K型热电偶（镍铬-镍硅）测量炉温，冷端温度t0=30℃，测得热电势E(t,t0)=33.28mV。查K型热电偶分度表（参考端0℃）：E(800℃,0℃)=33.28mV，E(30℃,0℃)=1.203mV，求实际炉温t。五、综合分析题（20分）设计一个基于传感器的智能农业大棚环境监测系统，要求监测温度、湿度、光照强度和土壤湿度四个参数。需完成以下任务：（1）为每个参数选择合适的传感器类型，并说明选择依据；（2）画出系统的简化框图（文字描述即可）；（3）简述信号调理电路的主要功能（针对其中一种传感器，如温度传感器）；（4）说明系统如何实现数据的实时显示与超限报警。答案一、单项选择题1.B2.A3.A4.B5.B6.C7.C8.A9.A10.C二、填空题1.转换元件2.减小3.电涡流式4.变介质型5.高分子压电材料6.光生伏特效应7.中间温度定律8.迟滞9.离散的数字量10.电极安装不对称三、简答题1.工作原理：电阻应变片基于金属的应变效应，即金属导体受机械应变时，其电阻值随几何尺寸和电阻率变化而改变。与压阻式传感器的区别：应变片利用金属的应变效应，压阻式传感器利用半导体的压阻效应（电阻率变化为主）；应变片灵敏度较低但线性好，压阻式灵敏度高但温度影响大。2.差动结构通过两个对称敏感元件的反向变化输出，可抵消非线性误差（如自感式传感器的平方项相互抵消），提高灵敏度（约2倍单线圈），减小温度等共模干扰。应用场景：位移测量（如机床导轨间隙检测）、压力测量（如差压变送器）。3.主要误差：边缘效应（极板边缘电场畸变导致电容计算误差）、寄生电容（传感器与周围导体间的杂散电容影响）、温度误差（温度变化引起极板尺寸或介电常数变化）。减小方法：增加极板面积或采用保护环抑制边缘效应；采用驱动电缆法或整体屏蔽减小寄生电容；选用温度系数小的材料或温度补偿电路抑制温度误差。4.压电式传感器输出电荷/电压信号微弱且内阻极高（可达10^10Ω以上），需通过电荷放大器或电压放大器将高内阻信号转换为低内阻、易处理的信号。电荷放大器输出电压与电荷量成正比，受连接电缆电容影响小；电压放大器输出与压电元件电压成正比，易受电缆电容变化干扰，适合短距离传输。5.工作原理：光电耦合器由发光二极管（输入）和光电三极管（输出）封装在同一壳体内，输入电信号使LED发光，光信号被光电三极管接收后转换为输出电信号，实现电-光-电隔离。作用：隔离输入输出电路的电气干扰（如地电位差、电磁干扰），提高系统抗干扰能力；实现信号的单向传输，避免反馈干扰。四、计算题1.应变ε=σ/E=100×10^6Pa/(2×10^11Pa)=5×10^-4=500μεΔR/R=Kε=2.0×5×10^-4=0.001ΔR=R×ΔR/R=120Ω×0.001=0.12Ω2.初始电容C0=ε0bl0/d=8.85×10^-12×0.02×0.03/0.0001=5.31×10^-11F移动后覆盖长度l=l0-Δl=25mm（假设向减小方向移动）C=ε0bl/d=8.85×10^-12×0.02×0.025/0.0001=4.425×10^-11FΔC=C-C0=-8.85×10^-12F（负号表示电容减小）3.根据中间温度定律，E(t,0℃)=E(t,t0)+E(t0,0℃)=33.28mV+1.203mV=34.483mV查分度表，E(820℃,0℃)=34.47mV（近似），E(821℃,0℃)=34.51mV（插值法），故实际炉温约为820℃。五、综合分析题（1）传感器选择：温度：铂电阻（Pt100），精度高（±0.1℃）、稳定性好，适合农业环境宽温度范围（-40℃~120℃）。湿度：电容式湿度传感器（如HS1101），响应快（<5s）、线性好，适合0%~100%RH测量。光照强度：硅光电池，光谱响应接近自然光，输出电流与光强成正比，适合0~10万lux范围。土壤湿度：频域反射法（FDR）传感器，通过测量土壤介电常数间接测湿度，抗干扰强、寿命长。（2）系统框图：传感器→信号调理电路（放大、滤波、线性化）→A/D转换→微控制器（STM32）→显示模块（LCD）→报警模块（蜂鸣器+LED）→无线传输模块（ZigBee）→上位机（手机/PC）。（3）温度传感器信号调理：Pt100采用恒流源激励（如1mA），通过电桥电路将电阻变化转换为电压信号（ΔV=I×ΔR），经仪表放大器（如AD620）放大（增益100倍），低通滤波器（截止频率10Hz）滤除高频噪声，最后通过运放