2026年科《传感器与测试技术》期末试题及答案

2026年科《传感器与测试技术》期末试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于压阻效应的描述中，正确的是（）A.金属材料在应力作用下电阻率发生变化的现象B.半导体材料在应力作用下几何尺寸发生变化的现象C.半导体材料在应力作用下电阻率发生显著变化的现象D.金属材料在应力作用下几何尺寸与电阻率同时变化的现象2.用应变片测量某构件的应变时，若构件材料的线膨胀系数为α1，应变片敏感栅材料的线膨胀系数为α2，当环境温度变化ΔT时，产生的虚假应变为（）A.(α1-α2)ΔTB.(α2-α1)ΔTC.(α1+α2)ΔTD.(α2+α1)ΔT3.下列电感式传感器中，输出特性线性度最好的是（）A.变气隙式电感传感器B.变面积式电感传感器C.螺管式电感传感器D.差动变气隙式电感传感器4.光电效应中，能够产生光生伏特效应的器件是（）A.光电管B.光敏电阻C.光电池D.光电倍增管5.某压电式传感器的灵敏度为80pC/MPa，连接灵敏度为0.005V/pC的电荷放大器，当作用压力为2MPa时，电荷放大器的输出电压为（）A.0.8VB.1.2VC.1.6VD.2.0V6.热电偶的基本定律中，能够说明参考端温度变化不影响热电势的是（）A.均质导体定律B.中间导体定律C.中间温度定律D.参考电极定律7.电容式传感器采用运算放大器式测量电路时，输出电压与（）A.输入电容成正比B.输入电容成反比C.输入电容的变化量成正比D.输入电容的变化量成反比8.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.基于光纤耦合器的温度传感器C.基于光纤布拉格光栅的应变传感器D.基于Y型光纤束的反射式光强传感器9.测量某旋转轴的转速时，若选用磁电式转速传感器，其输出信号的频率与转速的关系为（）（设传感器测量齿轮齿数为Z）A.f=nZ/60B.f=60n/ZC.f=nZ/120D.f=120n/Z10.下列关于传感器动态特性的描述中，错误的是（）A.一阶传感器的时间常数τ越小，响应速度越快B.二阶传感器的固有频率ωn越高，可测信号的频率范围越宽C.二阶传感器的阻尼比ζ=0.7时，幅频特性最平坦D.动态误差仅与传感器的幅频特性有关二、填空题（每空1分，共20分）1.电阻应变片的灵敏度系数K定义为单位应变引起的______变化率，其物理意义是______和______共同作用的结果。2.电感式传感器的基本转换原理是将被测量的变化转换为______的变化，差动式结构可以有效提高______并减小______。3.压电式传感器的工作原理基于______效应，其等效电路可视为______与______并联的结构，因此需要搭配______或______进行信号调理。4.光纤的导光原理是______，阶跃型光纤的数值孔径NA=______（用纤芯折射率n1、包层折射率n2表示），其大小决定了光纤的______能力。5.热电阻传感器常用的材料有______和______，其电阻-温度特性近似为______关系；半导体热敏电阻按温度系数可分为______、______和临界温度型三类。6.传感器的静态特性指标中，______反映测量结果的分散程度，______反映测量值与真值的偏离程度，______是指传感器能检测到的最小输入变化量。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述电阻应变片与压阻式传感器的工作原理差异，并说明各自的优缺点。2.电感式传感器中“零点残余电压”是如何产生的？可采用哪些措施减小其影响？3.光电倍增管由哪些主要部分组成？简述其信号放大过程。4.热电偶冷端温度补偿的常用方法有哪些？分别说明其适用场景。5.电容式传感器存在哪些主要缺点？可通过哪些技术手段改进？四、分析计算题（每题10分，共20分）1.某构件表面粘贴一枚金属应变片（灵敏度系数K=2.0，初始电阻R0=120Ω），采用四臂全等桥测量（R1=R2=R3=R4=R0），电桥电源电压U=5V。当构件受拉产生应变ε=1500με时，忽略非线性误差，求：（1）应变片电阻变化量ΔR；（2）电桥输出电压Uo；（3）若仅将R1作为工作片，R2为温度补偿片，R3、R4为固定电阻，此时电桥输出电压为多少？2.某差动螺管式电感传感器的结构参数为：单个线圈电感L0=25mH，线圈匝数N=1000匝，铁芯截面积A=10mm²，磁导率μ=5×10^-4H/m。当铁芯位移Δx=0.5mm时，单个线圈电感变化量ΔL=2mH，求：（1）传感器的灵敏度S（定义为ΔL/Δx）；（2）若采用交流电桥测量（桥臂为两个差动线圈），桥路电源电压有效值Ui=3V，求电桥输出电压有效值Uo（假设电桥为单臂工作，忽略其他损耗）。五、综合应用题（10分）设计一个基于传感器的桥梁健康监测系统，要求：（1）选择3种以上关键参数对应的传感器类型；（2）说明各传感器的测量原理及安装位置；（3）简述信号调理电路的设计要点（至少包括放大、滤波、线性化处理）；（4）提出数据处理与状态评估的基本方法。答案一、单项选择题1.C2.A3.D4.C5.A6.C7.C8.C9.A10.D二、填空题1.电阻；几何尺寸变化；电阻率变化2.电感量；灵敏度；非线性误差3.压电；电荷源；电容；电荷放大器；电压放大器（前置放大器）4.全反射；√(n1²-n2²)；集光5.铂；铜；线性；正温度系数（PTC）；负温度系数（NTC）6.重复性；准确度（精度）；分辨力（分辨率）三、简答题1.差异：电阻应变片基于金属的应变效应（几何尺寸变化引起电阻变化）；压阻式传感器基于半导体的压阻效应（应力引起电阻率显著变化）。优点：应变片温度稳定性好、线性度高；压阻式灵敏度高、体积小。缺点：应变片灵敏度低；压阻式温度漂移大、非线性严重。2.产生原因：传感器两线圈的电气参数（电感、内阻）不完全对称；磁性材料非线性；寄生电容耦合。减小措施：设计时保证线圈参数对称；采用相敏检波电路分离有用信号；在桥路中接入可调电阻或电容进行补偿。3.组成：光阴极、电子倍增极（打拿极）、阳极。放大过程：光子入射光阴极产生光电子；光电子经倍增极多次碰撞（每次碰撞产生多个二次电子），电子数量指数级增长；最终由阳极收集形成输出电流。4.方法及场景：（1）冰浴法（0℃恒温法）：实验室精确测量；（2）补偿导线法：将冷端延伸至温度稳定的控制室；（3）电桥补偿法（冷端温度自动补偿器）：工业现场动态补偿；（4）软件补偿法：通过采集冷端温度，利用热电势公式修正。5.缺点：输出阻抗高、负载能力差；寄生电容影响大；非线性严重。改进措施：采用差动结构减小非线性；引入驱动电缆技术降低寄生电容；使用运算放大器式测量电路提高负载能力；采用数字式电容检测芯片（如AD7746）实现高精度测量。四、分析计算题1.（1）ΔR=K·R0·ε=2.0×120×1500×10^-6=0.36Ω（2）四臂全等桥输出Uo=(U/4)·(ΔR/R0)=(5/4)×(0.36/120)=0.00375V=3.75mV（3）半桥双臂工作时，Uo=(U/2)·(ΔR/R0)=(5/2)×(0.36/120)=0.0075V=7.5mV2.（1）灵敏度S=ΔL/Δx=2mH/0.5mm=4mH/mm（2）差动电感传感器的电桥输出Uo=Ui·(ΔL/(2L0))=3×(2/(2×25))=0.12V五、综合应用题（1）关键参数及传感器：应变：电阻应变片（或光纤布拉格光栅传感器）位移：差动变压器式位移传感器（LVDT）温度：铂电阻（Pt100）或光纤温度传感器振动：压电式加速度传感器（2）测量原理及安装：应变片：粘贴于桥梁主粱受拉/压关键截面（如跨中、支座附近），利用应变效应将应变转换为电阻变化；LVDT：安装于桥墩与梁体连接处，通过铁芯位移引起线圈电感变化测量相对位移；压电加速度传感器：固定于梁体表面，利用压电效应将振动加速度转换为电荷信号；Pt100：埋入混凝土内部或粘贴于钢构件表面，通过电阻变化测量温度。（3）信号调理电路：放大：应变片信号经惠斯通电桥后接仪用放大器（如AD620），增益设置为100-1000倍；压电信号接电荷放大器（转换电荷为电压）。滤波：低通滤波器（截止频率50Hz）消除高频噪声；带通滤波器（1-20Hz）提取振动特征频率。线性化：对LVDT的非线性输出采用多项式拟合（如二次曲线）进