2026年传感器与检测技术期末考试试卷及答案

2026年传感器与检测技术期末考试试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.金属应变片的温度误差主要来源于（）A.应变片电阻随温度的线性变化B.被测材料与应变片材料线膨胀系数不一致C.环境湿度变化引起的绝缘电阻下降D.应变片敏感栅的几何尺寸随温度变化答案：B2.霍尔传感器测量磁场时，若载流子为电子，当磁场方向垂直于电流方向时，霍尔电场的方向由（）决定A.电流方向与磁场方向的叉乘B.电流方向与磁场方向的点乘C.载流子浓度D.材料迁移率答案：A3.下列光纤传感器中，属于功能型（传感型）光纤传感器的是（）A.基于光纤微弯效应的位移传感器B.基于光纤端面反射的液位传感器C.基于光纤受拉后折射率变化的应变传感器D.基于光纤传光的激光多普勒测速传感器答案：C4.热电偶冷端补偿中，若采用补偿导线将冷端延长至温度恒定的控制室，补偿导线的热电特性应（）A.与热电偶丝完全相同B.与热电偶丝在0~100℃范围内相同C.与热电偶丝在任意温度范围内相同D.与热电偶丝的电导率相同答案：B5.变气隙式电感传感器的非线性误差随气隙初始长度的减小而（）A.增大B.减小C.不变D.先增大后减小答案：A6.半导体气敏传感器检测甲烷时，通常需要加热至200~300℃，其主要目的是（）A.提高半导体材料的电导率B.促进甲烷与敏感层的吸附-脱附反应C.消除环境湿度的干扰D.降低传感器的功耗答案：B7.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.输出阻抗过高难以匹配D.机械刚度不足答案：B8.绝对式光电编码器的码盘采用循环码（格雷码）的主要目的是（）A.提高分辨率B.减少编码位数C.降低相邻码道同时变化的误码率D.简化信号处理电路答案：C9.变面积式电容传感器的输出特性为（）A.线性B.二次非线性C.指数非线性D.对数非线性答案：A10.电阻式湿度传感器的敏感机理是（）A.水分子吸附引起电阻值变化B.水分子极化引起介电常数变化C.水合反应引起体积膨胀D.水解离产生离子导电答案：A二、填空题（每空1分，共15分）1.金属应变片的灵敏度系数K表示（ΔR/R与应变ε的比值），其物理意义为单位应变引起的（电阻相对变化率）。2.霍尔元件的输出电压公式为（UH=KHIB），其中KH称为（霍尔灵敏度），与材料的（载流子浓度）和（厚度）有关。3.光纤的数值孔径NA定义为（√(n1²-n2²)），其物理意义是表示光纤（集光能力）的参数。4.热电偶的基本定律包括（均质导体定律）、（中间导体定律）和（中间温度定律）。5.电感式传感器的转换原理是利用（电磁感应）将被测非电量转换为（电感量）的变化。6.气敏传感器的灵敏度通常定义为（元件在被测气体中的电阻与清洁空气中的电阻之比），其值越大表示（对目标气体越敏感）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述应变片式传感器与压阻式传感器的主要区别。答：应变片式传感器利用金属或半导体的应变效应（几何尺寸变化引起电阻变化），灵敏度较低（金属约2，半导体约100），线性度较好；压阻式传感器利用半导体的压阻效应（应力引起电阻率变化），灵敏度高（约100~200），但温度系数大，线性度较差。两者的敏感机理不同，前者依赖几何形变，后者依赖材料电阻率变化。2.说明霍尔传感器测量电机转速的基本原理。答：在电机转轴上安装永磁体，霍尔传感器固定在转轴旁。当转轴旋转时，永磁体周期性接近/远离霍尔传感器，导致传感器所在位置的磁场强度周期性变化。霍尔传感器输出与磁场强度成正比的电压信号，通过测量该信号的频率（f），结合转轴上永磁体的对数（n），转速n=60f/n（转/分钟）。3.光纤传感器相比传统传感器有哪些独特优点？答：①抗电磁干扰：光纤为电绝缘材料，不受电磁噪声影响；②本质安全：无电火花，适用于易燃易爆环境；③灵敏度高：可检测微小的折射率、光强等变化；④传输距离远：光纤损耗低，信号可长距离传输；⑤结构灵活：可制成分布式、微型化传感器。4.为什么热电偶需要进行冷端补偿？常用的补偿方法有哪些？答：热电偶的热电势仅与热端和冷端的温差有关，若冷端温度不为0℃且波动，会导致测量误差。常用补偿方法：①冷端恒温法（将冷端置于0℃恒温槽）；②补偿导线法（用与热电偶热电特性匹配的导线延长冷端至温度稳定处）；③电桥补偿法（利用不平衡电桥产生电压抵消冷端温度变化的影响）；④软件补偿法（通过温度传感器测量冷端温度，结合分度表修正热电势）。5.分析变气隙式电感传感器非线性误差的主要来源及改善措施。答：非线性误差主要来源：电感L与气隙δ成反比（L=μ0A/(2δ)），当δ变化时，L的相对变化与δ的相对变化呈非线性关系。改善措施：①减小气隙变化范围（δ的变化量远小于初始气隙δ0）；②采用差动结构（两个电感对称变化，非线性误差相互抵消）；③使用恒流源供电，通过测量电压变化替代电感变化，降低非线性影响。四、分析计算题（每题8分，共40分）1.某金属应变片的初始电阻R0=120Ω，灵敏系数K=2.0，粘贴于弹性模量E=2×10¹¹Pa的钢件表面。当钢件受拉应力σ=100MPa时，求应变片的电阻变化量ΔR及相对变化率ΔR/R。（应变ε=σ/E）解：应变ε=σ/E=100×10⁶Pa/2×10¹¹Pa=5×10⁻⁴ΔR/R=K·ε=2.0×5×10⁻⁴=1×10⁻³ΔR=R0·ΔR/R=120Ω×0.001=0.12Ω答案：ΔR=0.12Ω，ΔR/R=0.1%2.霍尔元件的尺寸为l×b×d=4mm×2mm×0.1mm，载流子浓度n=10²⁰cm⁻³，迁移率μ=0.1m²/(V·s)，通过电流I=20mA，垂直磁场B=0.5T。求霍尔电压UH及霍尔灵敏度KH。（电子电荷量e=1.6×10⁻¹⁹C）解：KH=1/(ned)=1/(10²⁰×10⁶m⁻³×1.6×10⁻¹⁹C×0.1×10⁻³m)=1/(1.6×10⁴)=6.25×10⁻⁵V/(A·T)UH=KHIB=6.25×10⁻⁵×20×10⁻³A×0.5T=6.25×10⁻⁷V=0.625μV答案：UH=0.625μV，KH=6.25×10⁻⁵V/(A·T)3.阶跃型光纤的纤芯折射率n1=1.46，包层折射率n2=1.45，求光纤的数值孔径NA及最大入射角θmax（sinθmax≈NA）。解：NA=√(n1²-n2²)=√(1.46²-1.45²)=√[(1.46-1.45)(1.46+1.45)]=√(0.01×2.91)=√0.0291≈0.1706θmax≈arcsin(NA)=arcsin(0.1706)≈9.8°答案：NA≈0.171，θmax≈9.8°4.镍铬-镍硅热电偶的热端温度t=300℃，冷端温度t0=25℃。已知t=300℃时热电势E(300,0)=12.209mV，t0=25℃时E(25,0)=1.000mV，求实际输出热电势E(t,t0)。解：根据中间温度定律，E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=12.209mV-1.000mV=11.209mV答案：11.209mV5.变气隙式电感传感器的初始气隙δ0=1mm，铁芯截面积A=100mm²，磁导率μ0=4π×10⁻⁷H/m，线圈匝数N=1000匝。当气隙减小Δδ=0.1mm时，求电感变化量ΔL（忽略漏磁和铁芯磁阻）。解：初始电感L0=μ0N²A/(2δ0)=4π×10⁻⁷×1000²×100×10⁻⁶/(2×1×10⁻³)=4π×10⁻⁷×10⁶×10⁻⁴/(2×10⁻³)=4π×10⁻⁵/(2×10⁻³)=2π×10⁻²≈0.0628H变化后气隙δ=δ0-Δδ=0.9mm，电感L=μ0N²A/(2δ)=0.0628H×(1/0.9)≈0.0698HΔL=L-L0≈0.0698-0.0628=0.007H=7mH答案：ΔL≈7mH五、综合设计题（15分）设计一个基于传感器的汽车胎压监测系统（TPMS），要求：（1）选择合适的压力传感器类型并说明理由；（2）设计信号调理电路的主要环节；（3）提出抗干扰措施。答：（1）传感器选型：选用压阻式硅压力传感器。理由：体积小、灵敏度高（压阻效应灵敏度是金属应变片的50~100倍）、易于集成温度补偿电路，适合汽车轮胎内空间受限、需高精度测量（胎压范围200~400kPa）的场景。（2）信号调理电路：①电桥电路：压阻传感器通常制成惠斯通电桥结构，输出微弱差分电压（mV级）；②仪表放大器：放大差分信号，抑制共模噪声（如轮胎振动引起的干扰）；③低通滤波器：截止频率设为100Hz（轮胎旋转频率约10~20Hz，过滤高频噪声）；④A/D转换：16位高精度ADC，将模拟信号转换为数字信号供微控制器处理；⑤温度补偿：集成温度传感器实时测量胎内温度，通过查表法修正压力值（压阻传感器温度系数约0.1%/℃）。（3）抗干扰措施：①电磁