(2025年)测试技术与传感器课后题全(附答案)

(2025年)测试技术与传感器课后题全(附答案)一、选择题（每题2分，共20分）1.某压力传感器的量程为0-100kPa，输出电压范围为0-5V。当输入压力为30kPa时，输出电压为1.6V，则该传感器的灵敏度为（）。A.0.05V/kPaB.0.06V/kPaC.0.04V/kPaD.0.03V/kPa2.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3.为减小应变片温度误差，可采用的补偿方法是（）。A.单臂电桥测量B.双臂电桥对称布置C.增加应变片栅长D.提高供桥电压4.光电传感器中，能够检测物体是否存在的是（）。A.透射式光电传感器B.反射式光电传感器C.槽型光电传感器D.以上均是5.一阶测试系统的时间常数τ越小，其（）。A.响应速度越慢B.通频带越窄C.对阶跃输入的响应上升时间越短D.幅频特性越平缓6.电感式传感器中，差动式结构相比单线圈结构的主要优点是（）。A.提高灵敏度，减小非线性误差B.降低成本C.简化电路D.增加测量范围7.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）。A.压电材料的居里温度低B.电荷容易泄漏C.输出信号微弱D.频响范围窄8.某温度传感器的动态特性可用二阶微分方程描述，其固有频率为100Hz，阻尼比为0.7。当测量频率为50Hz的正弦温度信号时，其幅值误差约为（）。（提示：二阶系统幅频特性公式A(ω)=1/√[(1-(ω/ω₀)²)²+(2ξω/ω₀)²]）A.2%B.5%C.8%D.10%9.电容式传感器中，变面积式结构的灵敏度（）。A.与极板初始面积成正比B.与极板间距成正比C.与极板间介电常数成反比D.与极板位移成非线性关系10.测试系统的信噪比（SNR）定义为（）。A.信号功率与噪声功率的比值B.信号电压与噪声电压的比值C.信号幅值与噪声幅值的比值D.信号频率与噪声频率的比值二、填空题（每空1分，共15分）1.传感器的静态特性指标主要包括______、______、______和重复性等。2.应变片的敏感栅材料常用______或______，其工作原理基于______效应。3.电感式传感器可分为______、______和涡流式三种类型。4.压电式传感器的输出信号需要通过______或______进行阻抗变换。5.光电传感器的核心元件是______，其基本类型包括______、______和光敏晶体管。6.测试系统的动态特性可通过______、______和频率响应函数来描述。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述传感器的定义及其组成。2.说明差动变压器式电感传感器的工作原理，并分析其输出特性。3.比较压电式传感器与压阻式传感器的异同点。4.简述光电编码器的分类及各自特点。5.测试系统中为何需要信号调理？常见的信号调理电路有哪些？四、计算题（每题8分，共24分）1.某应变片的灵敏度系数K=2.1，初始电阻R=120Ω。当被测构件产生ε=1500με的应变时，求应变片的电阻变化量ΔR。若将该应变片接入单臂电桥（供桥电压U=5V，其他桥臂电阻均为120Ω），求电桥输出电压U₀（忽略非线性误差）。2.某二阶测试系统的固有频率ω₀=2000rad/s，阻尼比ξ=0.6。当输入信号为x(t)=0.5sin(1000t)V时，求系统的稳态输出y(t)（幅值和相位角保留两位小数）。3.某电容式位移传感器的极板面积A=20mm²，初始间距d₀=0.5mm，介电常数ε=8.85×10⁻¹²F/m。当极板发生Δd=0.1mm的位移（间距增大）时，求电容变化量ΔC，并计算其灵敏度S（灵敏度定义为ΔC/Δd）。五、综合应用题（11分）设计一个基于应变式传感器的桥梁应力监测系统，要求：（1）画出系统组成框图；（2）说明各部分的功能；（3）分析可能的误差来源及补偿方法。答案一、选择题1.A（灵敏度=输出变化量/输入变化量=5V/100kPa=0.05V/kPa）2.B（扩散硅压力传感器利用半导体材料的压阻效应）3.B（双臂电桥对称布置可通过温度引起的电阻变化相互抵消实现补偿）4.D（三种类型均可通过光信号的遮挡或反射检测物体存在）5.C（时间常数τ越小，系统响应越快，上升时间约为3τ）6.A（差动结构通过两个线圈反向工作，提高灵敏度并减小非线性误差）7.B（压电传感器输出为电荷，静态下电荷易通过绝缘电阻泄漏，导致信号衰减）8.A（代入公式：ω/ω₀=50/100=0.5，A(ω)=1/√[(1-0.25)²+(2×0.7×0.5)²]=1/√[0.5625+0.49]=1/√1.0525≈0.975，幅值误差≈(1-0.975)/1×100%≈2.5%，接近2%）9.A（变面积式电容C=εA/d，灵敏度dC/dx=εb/d，与初始面积A=bl成正比）10.A（信噪比定义为信号功率与噪声功率的比值，常用分贝表示）二、填空题1.灵敏度；线性度；迟滞2.康铜；镍铬合金；应变电阻3.变气隙式；变面积式4.电荷放大器；电压放大器（前置放大器）5.光电器件；光敏电阻；光敏二极管6.阶跃响应；脉冲响应三、简答题1.传感器是能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。组成包括：敏感元件（直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量）、转换元件（将敏感元件输出量转换为电信号）、信号调理电路（对电信号进行放大、滤波等处理）。2.差动变压器式电感传感器基于互感原理，由初级线圈、两个反向串联的次级线圈和可动铁芯组成。当铁芯移动时，两个次级线圈的互感量发生差动变化，输出电压为两线圈感应电压之差。输出特性：空载时输出电压与铁芯位移成近似线性关系，灵敏度高，非线性误差小。3.相同点：均能将力、压力等机械量转换为电信号；常用于动态测量。不同点：压电式基于压电效应（非导电材料的电荷输出），需高输入阻抗放大器，不能测静态；压阻式基于半导体压阻效应（电阻变化），输出为电阻信号，可测静态，灵敏度高但温度影响大。4.光电编码器分为增量式和绝对式。增量式：输出脉冲信号，通过计数确定位移，断电后需重新定位；绝对式：每个位置对应唯一编码，断电后位置信息保留，精度高但结构复杂。5.信号调理用于将传感器输出的微弱、非标准电信号转换为适合后续处理的信号（如放大、滤波、线性化等）。常见电路：电桥电路（信号转换）、放大器（如仪用放大器）、滤波器（低通/高通）、调制解调电路（抑制干扰）。四、计算题1.电阻变化量ΔR=K·R·ε=2.1×120×1500×10⁻⁶=0.378Ω。单臂电桥输出电压U₀≈(U/4)·(ΔR/R)=(5/4)×(0.378/120)=0.0039375V≈3.94mV。2.输入角频率ω=1000rad/s，ω/ω₀=1000/2000=0.5。幅频特性A(ω)=1/√[(1-0.5²)²+(2×0.6×0.5)²]=1/√[(0.75)²+(0.6)²]=1/√(0.5625+0.36)=1/√0.9225≈1.039。相频特性φ(ω)=-arctan[2ξ(ω/ω₀)/(1-(ω/ω₀)²)]=-arctan[(2×0.6×0.5)/(1-0.25)]=-arctan(0.6/0.75)=-arctan(0.8)≈-38.66°。稳态输出y(t)=0.5×1.039·sin(1000t-38.66°)≈0.52sin(1000t-38.66°)V。3.初始电容C₀=εA/d₀=8.85×10⁻¹²×20×10⁻⁶/0.5×10⁻³=3.54×10⁻¹³F=0.354pF。位移后间距d=d₀+Δd=0.6mm，电容C=εA/d=8.85×10⁻¹²×20×10⁻⁶/0.6×10⁻³≈2.95×10⁻¹³F=0.295pF。电容变化量ΔC=C-C₀=0.295pF-0.354pF=-0.059pF（负号表示电容减小）。灵敏度S=ΔC/Δd=-0.059pF/0.1mm=-0.59pF/mm（绝对值为0.59pF/mm）。五、综合应用题（1）系统组成框图：应变片→信号调理电路→数据采集卡→计算机（数据处理与显示）。（2）各部分功能：应变片：粘贴于桥梁关键部位（如梁底、桥墩），将应力转换为电阻变化。信号调理电路：包括电桥（将电阻变化转换为电压信号）、仪用放大器（放大微弱信号）、滤波器（去除环境噪声）。数据采集卡：将模拟电压信号转换为数字信号，传输至计算机。计算机：实时显示应力数据，进行阈值报警、趋势分析及存储。（3）误差来源及补偿：温度误差：环境温度变化导致应变片电阻漂移