2025年《传感器与测试技术》形成性考核附答案

2025年《传感器与测试技术》形成性考核附答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某传感器在输入量由小到大及由大到小变化时，同一输入量对应输出量的差值的最大值与满量程输出的百分比，描述的是传感器的（）特性。A.线性度B.迟滞C.重复性D.灵敏度2.以下传感器中，基于压阻效应工作的是（）。A.金属应变片B.半导体应变片C.压电陶瓷D.电容式位移传感器3.电感式传感器中，为消除零点残余电压并提高灵敏度，通常采用（）结构。A.单线圈B.差动C.变气隙D.变面积4.压电传感器测量静态或缓慢变化的信号时，需搭配（）以避免电荷泄漏导致的信号衰减。A.电压放大器B.电荷放大器C.微分电路D.积分电路5.光电传感器中，利用光电导效应的元件是（）。A.光电二极管B.光敏电阻C.光电池D.光电三极管6.测试系统中，用于将非电信号转换为电信号的核心部件是（）。A.调理电路B.显示记录装置C.传感器D.数据采集卡7.某应变片的灵敏度系数K=2.0，被测应变ε=500με，则其电阻相对变化量ΔR/R为（）。A.0.001B.0.002C.0.01D.0.028.电容式传感器中，变极距型的灵敏度与初始极距d₀的关系为（）。A.正比于d₀B.反比于d₀C.正比于d₀²D.反比于d₀²9.热电偶测温时，为消除冷端温度变化的影响，常用的补偿方法是（）。A.增大热端面积B.采用补偿导线+冷端恒温C.提高测量电路增益D.减小热端与冷端温差10.以下不属于传感器动态特性指标的是（）。A.时间常数B.固有频率C.线性度D.阻尼比二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器的基本组成包括________元件和________元件，其中前者直接感受被测量，后者将敏感元件的输出转换为电信号。2.应变式传感器的核心元件是________，其工作原理基于________效应，即金属或半导体材料在受力变形时电阻发生变化。3.电感式传感器按转换原理可分为________式、________式和涡流式三种，其中差动结构可有效抑制________误差。4.压电材料分为________材料（如石英晶体）和________材料（如压电陶瓷），其输出信号为________（电荷/电压），因此需搭配高输入阻抗的前置放大器。5.光电传感器的基本类型包括________式、________式、________式和反射式，其中________式可用于物体计数或转速测量。6.测试系统的误差按性质可分为________误差、________误差和________误差，其中________误差可通过多次测量取平均减小。7.热电偶的热电势由________电势和________电势组成，其测温的基本定律包括________定律和中间导体定律。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述应变式传感器温度误差的产生原因及常用补偿方法。2.比较变极距型、变面积型和变介质型电容传感器的灵敏度与测量范围的关系，并说明各自适用场景。3.压电传感器为何不能用于静态测量？实际应用中如何解决这一问题？4.电感式传感器的零点残余电压是如何产生的？可采取哪些措施减小或消除？5.测试系统中，信号调理电路的主要作用有哪些？列举三种常见的调理电路并说明其功能。四、计算题（每题10分，共20分）1.某差动式电容位移传感器，初始极板面积S=20mm×20mm，初始极距d₀=0.1mm，极板间介质为空气（ε₀=8.85×10⁻¹²F/m）。当动极板向上位移Δd=0.01mm时，计算两个电容的变化量ΔC₁、ΔC₂及差动输出电容变化量ΔC（ΔC=|C₁-C₂|）。2.某压电式加速度传感器的灵敏度为5pC/g（g为重力加速度，取9.8m/s²），电荷放大器的反馈电容C_f=1000pF。当被测加速度为2g时，求电荷放大器的输出电压U_o（忽略泄漏电阻和分布电容影响）。五、综合分析题（10分）设计一个基于传感器的汽车胎压监测系统（TPMS），要求：（1）选择适合的传感器类型并说明理由；（2）画出系统组成框图（文字描述即可）；（3）分析可能的误差来源及改进措施。答案一、单项选择题1.B2.B3.B4.B5.B6.C7.A8.D9.B10.C二、填空题1.敏感；转换2.应变片；应变（或电阻应变）3.变气隙；变面积；温度（或非线性）4.单晶；多晶（或压电陶瓷）；电荷5.透射；遮挡；漫反射；遮挡（或对射）6.系统；随机；粗大；随机7.接触；温差；中间温度三、简答题1.温度误差原因：①应变片电阻随温度变化（热阻效应）；②试件与应变片线膨胀系数不同导致附加应变。补偿方法：①电桥补偿法（利用补偿片与工作片处于相同温度场，接入电桥相邻臂）；②温度自补偿应变片（通过选择特定材料使热阻效应与线膨胀效应相互抵消）。2.变极距型：灵敏度高（与d₀²成反比），但测量范围小（Δd/d₀≤0.1），适用于微位移测量（如精密仪器）；变面积型：灵敏度低（与极板边长成正比），测量范围大，适用于较大位移测量（如角位移）；变介质型：灵敏度与介质介电常数变化相关，适用于厚度、液位等测量（如油位检测）。3.压电传感器输出为电荷，静态测量时电荷会通过传感器内阻和测量电路泄漏，导致信号衰减。解决方法：①采用电荷放大器（高输入阻抗，减少电荷泄漏）；②搭配积分电路将电荷信号转换为电压信号并保持；③实际应用中多用于动态测量（如振动、冲击），若需静态测量需特殊设计（如高绝缘封装）。4.零点残余电压产生原因：①线圈绕组不对称（匝数、电感不等）；②铁芯磁化曲线非线性；③寄生电容、漏磁影响。消除措施：①设计时保证线圈对称；②采用磁路调节（如可调磁芯）；③加入补偿电路（如串联电阻、电容）；④后续信号处理（如滤波、相敏检波）。5.信号调理电路作用：放大微弱信号、转换信号形式、抑制噪声、线性化处理等。常见电路：①电桥电路（将电阻/电容/电感变化转换为电压变化）；②放大电路（如运算放大器，提高信号幅值）；③滤波电路（如低通滤波器，去除高频噪声）。四、计算题1.初始电容C₀=ε₀S/d₀=8.85e-12×(20e-3×20e-3)/0.1e-3≈3.54×10⁻¹¹F=35.4pF当动极板上移Δd=0.01mm时，C₁=ε₀S/(d₀-Δd)=35.4pF/(1-0.1)=39.33pF（ΔC₁=39.33-35.4=3.93pF）C₂=ε₀S/(d₀+Δd)=35.4pF/(1+0.1)=32.18pF（ΔC₂=32.18-35.4=-3.22pF）差动输出ΔC=|C₁-C₂|=|39.33-32.18|=7.15pF2.电荷Q=灵敏度×加速度=5pC/g×2g=10pC电荷放大器输出电压U_o=-Q/C_f=-10pC/1000pF=-0.01V（负号表示相位相反，取绝对值为0.01V）五、综合分析题（1）传感器类型：压阻式压力传感器（理由：体积小、灵敏度高、易集成，适合轮胎内狭小空间；可同时测量温度，补偿温度对胎压的影响）。（2）系统组成：胎压传感器（集成压力、温度敏感元件）→信号调理电路（放大、滤波）→微控制器（数据处理、无线发射）→无线接收模块（车内）→显示报警单元（实时显示胎压