2025年新国家开放大学电大《传感器与测试技术(本)》形考任务作业试题附答案

2025年新国家开放大学电大《传感器与测试技术(本)》形考任务作业试题附答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于传感器静态特性的描述中，错误的是（）。A.线性度是指传感器输出-输入校准曲线与理论直线的偏离程度B.灵敏度是输出变化量与输入变化量的比值C.重复性反映传感器在相同条件下多次测量时输出的一致性D.迟滞特性仅由传感器的机械结构决定2.某应变片的电阻变化率ΔR/R=0.0012，应变ε=1500με（1με=10⁻⁶），则其灵敏度系数K为（）。A.0.8B.1.2C.1.5D.2.03.压电式传感器不能测量静态信号的主要原因是（）。A.压电材料的居里点较低B.电荷会通过测量电路泄漏C.压电效应仅在动态应力下产生D.传感器固有频率过高4.电容式传感器采用差动结构后，其灵敏度（）。A.不变B.提高1倍C.提高2倍D.降低1倍5.电感式传感器中，涡流效应会导致线圈（）。A.电感增大，阻抗减小B.电感减小，阻抗增大C.电感和阻抗均增大D.电感和阻抗均减小6.热电偶测量温度时，若冷端温度为25℃，显示仪表未补偿冷端，测得热电势为E（t,0）=30mV，而实际E（25,0）=2mV，则被测温度t对应的热电势应为（）。A.28mVB.30mVC.32mVD.无法确定7.下列传感器中，属于发电型传感器的是（）。A.电阻应变式传感器B.电感式传感器C.压电式传感器D.电容式传感器8.光电传感器中，光敏电阻的工作原理基于（）。A.外光电效应B.内光电效应C.光生伏特效应D.光电导效应9.为提高变极距型电容传感器的线性度，可采用（）。A.增大初始极距B.减小初始极距C.采用差动结构D.增加极板面积10.超声波传感器测距时，若声速为340m/s，测得往返时间为2ms，则被测距离为（）。A.0.34mB.0.68mC.1.36mD.3.4m二、填空题（每空2分，共20分）1.传感器通常由______、______和信号调理电路三部分组成。2.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______。3.压电式传感器的等效电路有______和______两种形式。4.电感式传感器可分为______、______和涡流式三类。5.热电偶的基本定律包括______、______和中间导体定律。三、简答题（每题8分，共32分）1.简述传感器动态特性的主要评价指标及其含义。2.比较应变式传感器与压阻式传感器的异同点。3.说明电容式传感器的主要优缺点，并列举三种改善其性能的方法。4.分析电感式传感器测量电路中相敏检波电路的作用。四、计算题（每题10分，共20分）1.某变面积型电容传感器的极板宽度b=20mm，初始重叠长度l₀=50mm，初始极距d=0.1mm，介电常数ε=8.85×10⁻¹²F/m。当动极板移动Δl=10mm时，求电容变化量ΔC（忽略边缘效应）。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），配套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。五、综合分析题（8分）设计一个基于传感器的温度-湿度联合监测系统，要求：（1）选择温度传感器和湿度传感器的类型并说明理由；（2）画出系统组成框图；（3）简述信号调理与传输的关键步骤。答案一、单项选择题1.D2.A3.B4.C5.B6.C7.C8.D9.C10.A二、填空题1.敏感元件；转换元件2.金属电阻应变效应；半导体压阻效应3.电荷源；电压源4.变气隙式；变面积式5.均质导体定律；中间温度定律三、简答题1.动态特性评价指标包括：（1）时间常数τ：一阶传感器输出达到稳态值63.2%所需时间，反映响应速度；（2）上升时间t_r：输出从稳态值10%上升到90%的时间；（3）超调量σ：输出超过稳态值的最大百分比；（4）固有频率ω_n：二阶传感器的无阻尼振荡频率，决定系统动态响应的快速性；（5）频带宽度：幅频特性曲线中幅值下降不超过3dB的频率范围，反映传感器适用的动态信号频率范围。2.相同点：均通过电阻变化实现信号转换，用于测量力、压力等物理量。不同点：（1）工作原理：应变式基于金属电阻应变效应（几何尺寸变化引起电阻变化）；压阻式基于半导体压阻效应（电阻率随应力变化）。（2）灵敏度：压阻式灵敏度远高于应变式（约高50-100倍）。（3）温度特性：压阻式温度系数大，需严格温度补偿；应变式温度影响较小。（4）线性度：应变式线性较好；压阻式存在非线性，需线性化处理。3.优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好、适应性强、可非接触测量。缺点：输出阻抗高（需高输入阻抗测量电路）、寄生电容影响大、非线性误差（变极距型显著）。改善方法：（1）采用差动结构（提高灵敏度，减小非线性）；（2）使用驱动电缆技术（降低寄生电容影响）；（3）引入温度补偿电路（减小温度漂移）；（4）优化极板形状（如采用锯齿形极板改善线性度）。4.相敏检波电路的作用：（1）判别电感式传感器输出信号的相位（区分衔铁移动方向）；（2）消除零点残余电压的影响（零点残余电压会导致输出信号在零点附近出现非线性误差，相敏检波可抑制其直流分量）；（3）将交流调制信号解调为与位移大小和方向对应的直流信号，便于后续处理。四、计算题1.变面积型电容公式：C=εb(l₀±Δl)/d初始电容C₀=εbl₀/d=8.85×10⁻¹²×0.02×0.05/0.0001=8.85×10⁻¹¹F=88.5pF移动后电容C=εb(l₀-Δl)/d=8.85×10⁻¹²×0.02×(0.05-0.01)/0.0001=70.8pF电容变化量ΔC=C₀-C=88.5pF-70.8pF=17.7pF（或ΔC=εbΔl/d=8.85×10⁻¹²×0.02×0.01/0.0001=17.7pF）2.压电传感器输出电荷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，通常取绝对值，故输出电压为0.01V）五、综合分析题（1）传感器选型：温度传感器：选择Pt100铂电阻（理由：精度高、稳定性好，适合0-600℃常见环境监测；线性度好，便于信号处理）。湿度传感器：选择电容式湿度传感器（理由：响应速度快、体积小、可集成，适合与温度传感器共模块设计；测量范围宽，典型0-100%RH）。（2）系统组成框图：环境→温度传感器（Pt100）→电桥电路→信号放大→A/D转换→微控制器环境→湿度传感器（电容式）→振荡电路→频率测量→A/D转换→微控制器微控制器→显示模块→用户；微控制器→无线传输模块（如WiFi/蓝牙）→上位机（3）信号调理与传输关键步骤：温度信号：Pt100接入恒流源驱动的电桥电路，输出微弱电压信号经仪表放大器（如AD620）放大，消除共模干扰；放大后信号通过低通滤波器（截止频率10Hz）抑制高频噪声，再经12位ADC转换为数字量。湿度信号：电容式湿度