2025年《传感器与检测技术》期考试试卷及答案

2025年《传感器与检测技术》期考试试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种传感器的工作原理基于金属的应变效应？A.压阻式传感器B.应变片式传感器C.压电式传感器D.电容式传感器2.压电式传感器不能用于静态力测量的主要原因是：A.压电材料的居里温度限制B.电荷泄漏导致信号衰减C.压电效应仅在动态应力下产生D.测量电路输入阻抗不足3.光电传感器中，用于检测物体是否存在的对射式结构需要：A.发射器与接收器分离布置B.发射器与接收器同轴集成C.利用反射板反射光信号D.采用红外波段以外的光源4.霍尔传感器的输出电压与以下哪个参数无关？A.激励电流B.磁场强度C.载流子浓度D.传感器厚度5.热电偶的热电势由哪两部分组成？A.接触电势与温差电势B.应变电势与压电势C.光电势与磁电势D.电容电势与电感电势6.变气隙式电感传感器的灵敏度与气隙初始长度的关系是：A.灵敏度与初始气隙长度成正比B.灵敏度与初始气隙长度的平方成反比C.灵敏度与初始气隙长度无关D.灵敏度与初始气隙长度的立方成正比7.以下哪种传感器属于数字式传感器？A.热电阻B.光电编码器C.压电加速度计D.电容式位移传感器8.测量微小位移（<1μm）时，最适合的传感器是：A.电感式传感器B.电涡流式传感器C.电容式传感器D.电阻应变式传感器9.气敏传感器检测可燃气体时，通常利用的是：A.气体分子对光的吸收B.气体与敏感材料的电化学反应C.气体的热导率变化D.气体的介电常数变化10.智能传感器与传统传感器的主要区别在于：A.具备信号调理功能B.集成微处理器或通信模块C.采用新型敏感材料D.测量精度更高二、填空题（每题2分，共20分）1.传感器的静态特性参数包括线性度、灵敏度、迟滞和______。2.电阻应变片的灵敏系数K表示______与______的比值。3.压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和______三大类。4.电感式传感器按结构可分为变气隙式、变面积式和______。5.热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律和______。6.光电效应分为外光电效应、内光电效应和______。7.电容式传感器的三种基本类型是变极距型、变面积型和______。8.霍尔传感器的输出电压公式为______（需写出符号含义）。9.电涡流式传感器的工作原理基于______和______效应。10.湿度传感器按输出信号类型可分为______和______两类。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述电阻应变片的温度误差来源及常用补偿方法。2.比较压电式传感器与压阻式传感器的工作原理、适用场景及优缺点。3.说明光电编码器的工作原理，并对比绝对式编码器与增量式编码器的差异。4.分析电感式传感器产生零点残余电压的原因，并提出至少两种消除方法。5.简述热电偶冷端温度补偿的常用方法（至少三种），并说明其适用条件。四、分析题（10分）某应变式称重系统需测量0~500kg的重物，采用4片相同的金属应变片（灵敏系数K=2.0，初始电阻R=120Ω），设计其测量电桥电路（要求画出桥式结构），并计算当重物为300kg时（假设应变ε=1500με），电桥的输出电压（设电桥电源电压为5V，忽略非线性误差）。五、综合题（10分）设计一个基于传感器的智能家居环境监测系统，需监测温度（-10℃~50℃）、湿度（20%~90%RH）、光照强度（0~10000lux）和CO2浓度（300~5000ppm）。要求：（1）选择各参数对应的传感器类型及型号（需说明选型依据）；（2）画出系统信号处理流程图（包含传感器、信号调理、数据采集、通信模块）；（3）简述系统的主要功能（如超限报警、数据上传云平台等）。参考答案一、单项选择题1.B2.B3.A4.C5.A6.B7.B8.C9.B10.B二、填空题1.重复性2.应变片电阻相对变化率（ΔR/R）；试件表面应变（ε）3.高分子压电材料4.螺管式（或差动变压器式）5.中间温度定律6.光生伏特效应7.变介质型8.UH=KH·I·B（KH为霍尔系数，I为激励电流，B为磁感应强度）9.电磁感应；涡流效应10.模拟式；数字式三、简答题1.温度误差来源：（1）应变片电阻随温度变化（热阻效应）；（2）试件与应变片材料线膨胀系数不同导致附加应变。补偿方法：（1）电桥补偿法（如半桥或全桥接入补偿片）；（2）温度自补偿应变片（通过选择特定敏感栅材料匹配线膨胀系数）；（3）电路补偿（如在测量电路中加入温度敏感元件调节电桥平衡）。2.工作原理：压电式基于压电材料的正压电效应（应力→电荷）；压阻式基于半导体材料的压阻效应（应力→电阻率变化）。适用场景：压电式适合动态力/加速度测量（如振动监测）；压阻式适合静态/准静态压力测量（如血压计）。优缺点：压电式灵敏度高、频响宽，但无法测静态；压阻式线性好、易集成，但温度漂移大、灵敏度受温度影响。3.光电编码器通过码盘上的透光/遮光条纹，由光电元件将角位移转换为电信号。绝对式编码器每个位置对应唯一编码（如二进制码），断电后可记忆位置；增量式编码器输出脉冲信号，需通过计数确定位置，断电后需重新归零。4.零点残余电压原因：（1）传感器两线圈参数不对称（如电感、内阻不等）；（2）激励电压含有高次谐波；（3）传感器铁芯磁化不均或存在寄生电容。消除方法：（1）设计时保证线圈对称，选用高导磁率材料；（2）采用相敏检波电路抑制谐波；（3）在电路中并联电阻/电容补偿相位差。5.常用方法：（1）冷端恒温法（将冷端置于0℃恒温槽，适用于实验室精确测量）；（2）补偿导线法（用与热电偶热电特性相近的导线延长冷端至温度稳定处，适用于工业现场）；（3）电桥补偿法（利用不平衡电桥产生的电压抵消冷端温度变化的影响，适用于动态测量）；（4）软件补偿法（通过温度传感器测量冷端温度，利用热电势公式修正，适用于智能仪表）。四、分析题设计全桥电路（4片应变片分别接在电桥的4个桥臂），其中两片受拉（+ε），两片受压（-ε）。电桥输出电压公式：ΔU=(U/4)·K·ε。代入数据：ε=1500με=1.5×10⁻³，K=2.0，U=5V，得ΔU=(5/4)×2.0×1.5×10⁻³=3.75×10⁻³V=3.75mV。五、综合题（1）传感器选型：温度：DS18B20（数字式，精度±0.5℃，宽电压范围，适合-10℃~50℃）；湿度：SHT30（I2C接口，精度±2%RH，抗干扰强，适合20%~90%RH）；光照：BH1750（数字式，量程0~65535lux，精度±20%，支持I2C）；CO2：SCD30（NDIR原理，量程0~40000ppm，精度±30ppm+3%，适合室内环境）。