2026年(完整版)《传感器技术与应用》期中考试题(含答案)

2026年(完整版)《传感器技术与应用》期中考试题(含答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下关于传感器的定义，最准确的是（）A.能感受被测量并转换为电信号的装置B.仅能将非电信号转换为电信号的元件C.包含敏感元件和显示元件的系统D.用于数据传输的电子部件答案：A2.某传感器的敏感元件负责将温度变化转换为电阻变化，转换元件的作用是（）A.将电阻变化转换为电压信号B.放大原始电信号C.直接输出数字信号D.过滤干扰噪声答案：A3.按工作原理分类，以下传感器中属于电参量式的是（）A.热电偶B.压电式加速度计C.光电二极管D.电容式位移传感器答案：D4.衡量传感器在输入量稳定时输出量波动程度的指标是（）A.线性度B.重复性C.灵敏度D.迟滞答案：B5.压阻效应主要发生在（）A.金属应变片B.半导体材料C.压电陶瓷D.光纤芯层答案：B6.以下光电效应中，属于外光电效应的是（）A.光电导效应B.光生伏特效应C.光电发射效应D.光伏特效应答案：C7.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）A.电荷容易泄漏B.灵敏度随时间下降C.材料居里温度低D.输出信号太弱答案：A8.用于测量气体成分的传感器中，基于气体吸附引起电阻变化的是（）A.红外气体传感器B.电化学气体传感器C.半导体气敏传感器D.热导式气体传感器答案：C9.MEMS传感器的核心优势是（）A.高精度B.低成本、微型化C.抗干扰能力强D.宽测量范围答案：B10.以下传感器中，属于有源传感器的是（）A.应变式力传感器B.电感式位移传感器C.热电偶温度传感器D.电容式压力传感器答案：C二、填空题（每空1分，共15分）1.传感器的基本组成包括敏感元件、（）和（）。答案：转换元件；信号调理电路2.静态特性指标中，（）描述输出与输入的实际曲线与拟合直线的偏离程度；（）是输出变化量与输入变化量的比值。答案：线性度；灵敏度3.应变式传感器的工作原理基于（）效应，其电桥电路中采用（）接法可提高灵敏度并补偿温度误差。答案：金属电阻应变；全桥4.压电材料分为（）（如石英）和（）（如PZT陶瓷）两大类。答案：压电晶体；压电陶瓷5.电容式传感器的三种基本变化类型是（）变化型、（）变化型和（）变化型。答案：极距；面积；介质介电常数6.光电传感器中，（）器件可将光信号转换为电流信号，而（）器件则通过光生电动势直接输出电压。答案：光电二极管；光电池7.温度传感器中，Pt100属于（）传感器，其命名中的“100”表示（）。答案：热电阻；0℃时的电阻值为100Ω三、简答题（每题6分，共30分）1.简述应变式传感器的工作原理，并说明其电桥电路中温度补偿的两种常用方法。答案：应变式传感器基于金属的电阻应变效应，当被测力作用于弹性元件时，应变片随弹性元件变形产生应变，导致其电阻值变化（ΔR/R=Kε，K为灵敏系数，ε为应变）。温度补偿方法：（1）桥路补偿法：在电桥相邻臂接入相同应变片，一片受应变（工作片），另一片不受应变（补偿片），温度引起的电阻变化相互抵消；（2）应变片自补偿法：选用特定敏感栅材料，使其温度引起的电阻变化与热应变引起的电阻变化相互抵消。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。答案：工作原理：压电式基于压电材料的压电效应（机械应力→电荷）；压阻式基于半导体的压阻效应（机械应力→电阻率变化）。适用场景：压电式适用于动态力、加速度测量（因电荷易泄漏，不适合静态）；压阻式可测静态和动态压力、力。优缺点：压电式灵敏度高、频响宽，但需高输入阻抗前置放大器，不能测静态；压阻式结构简单、线性好、可测静态，但温度敏感性强，需温度补偿。3.说明电容式传感器的三种变化类型及其各自适用的测量场景。答案：（1）极距变化型：通过改变极板间距d测量微小位移（如微振动、薄膜压力），灵敏度高但非线性严重，适用于小位移（d变化≤d0/5）；（2）面积变化型：通过改变极板覆盖面积A测量较大线位移或角位移（如角位移传感器），线性好但灵敏度较低；（3）介质变化型：通过改变极板间介质介电常数ε测量液体/气体的液位、浓度（如油位传感器）或材料厚度（如纸张厚度检测）。4.分析光电传感器中光电倍增管的结构组成及工作原理。答案：结构：由光阴极、电子倍增极（打拿极）、阳极组成，封装于真空玻璃管内。工作原理：入射光照射光阴极，发生外光电效应释放光电子；光电子经聚焦电极加速后轰击第一打拿极，激发更多二次电子（倍增）；电子依次轰击后续打拿极（通常9-13级），电子数量呈指数增长；最终大量电子被阳极收集，输出放大的电信号（增益可达10^6-10^8）。5.简述MEMS传感器的特点及其在物联网（IoT）中的应用优势。答案：特点：微型化（尺寸≤mm级）、低功耗、集成化（可与信号处理电路单片集成）、批量制造（成本低）。物联网优势：（1）微型化便于嵌入各类终端设备（如智能手表、传感器节点）；（2）低功耗延长设备续航（适合电池供电的IoT节点）；（3）集成化降低系统复杂度，提高可靠性；（4）低成本支持大规模部署（如环境监测网络）；（5）多参数集成（如MEMS惯性测量单元IMU可同时测加速度、角速度）。四、分析题（每题10分，共20分）1.某汽车厂商计划开发新一代胎压监测系统（TPMS），要求实时监测轮胎压力（范围0-1000kPa）、温度（-40℃-120℃），并具备低功耗、长寿命（≥10年）和抗轮胎内电磁干扰能力。请设计传感器方案，包括：（1）压力传感器类型及选择依据；（2）温度传感器类型及选择依据；（3）信号调理与传输的关键措施。答案：（1）压力传感器：选用MEMS压阻式压力传感器。依据：MEMS器件体积小（可嵌入气门嘴或轮胎内壁），压阻式可测静态压力（胎压为静态/准静态），集成化设计便于与温度传感器、信号处理电路单片集成，降低功耗和成本。（2）温度传感器：选用集成式数字温度传感器（如DS18B20）或MEMS热电堆传感器。依据：数字传感器输出直接为数字信号，抗干扰能力强；MEMS器件体积小，可与压力传感器共封装，降低系统复杂度；工作温度范围覆盖-40℃-120℃，满足需求。（3）信号调理与传输：①信号调理：压力传感器输出微弱模拟信号（mV级），需低噪声放大器（如仪表放大器）放大，结合ADC转换为数字信号；温度传感器若为模拟输出（如热电偶），需冷端补偿和放大电路。②抗干扰：采用差分信号传输，屏蔽电缆或金属封装减少电磁干扰；数字信号传输（如FSK调制）提高抗噪声能力。③低功耗：采用休眠模式（仅在轮胎旋转时唤醒），选择低功耗MCU（如ARMCortex-M0+），使用纽扣电池（如锂亚电池）供电，优化采样频率（如每10秒采样一次）。2.某智能农业大棚中，温湿度传感器（型号SHT30）频繁出现数据跳变（如湿度从60%突然升至95%后恢复），导致控制系统误动作。请分析可能的故障原因，并提出3项改进措施。答案：可能原因：（1）传感器探头污染：大棚内粉尘、水雾附着在传感器表面，影响湿度敏感层（如聚合物薄膜）的吸湿性，导致测量偏差；（2）电磁干扰：大棚内电机、照明设备的电磁辐射干扰传感器信号调理电路，引起数字输出跳变；（3）电源不稳定：传感器供电电压波动（如电池电量不足、线路接触不良）导致内部ADC转换误差；（4）安装位置不当：传感器靠近喷灌设备，喷灌时水滴直接溅到探头上，造成瞬时高湿度误测；（5）传感器老化：长期高湿环境导致敏感元件性能退化（如薄膜老化），响应特性漂移。改进措施：（1）防护设计：为传感器加装防水透气膜（如PTFE膜），防止水滴和粉尘直接接触探头，同时保证气体扩散；（2）抗干扰优化：传感器电源端并联去耦电容（如100nF），信号线路采用屏蔽双绞线，远离强电磁设备（如电机）；（3）安装位置调整：将传感器安装于喷灌范围外（如高于喷灌头50cm），或增加遮挡罩；（4）校准与维护：定期用标准温湿度源（如干湿球温度计）校准传感器，清洁探头表面；（5）软件滤波：在控制系统中加入中值滤波或滑动平均滤波算法，剔除异常跳变数据（如连续3次采样取平均）。五、综合应用题（15分）设计一个智能家居环境监测系统，要求监测参数包括温度（-20℃-50℃）、湿度（20%-90%RH）、光照强度（0-100000lux）、CO2浓度（300-5000ppm）。需完成以下内容：（1）选择各参数对应的传感器类型，并说明选择依据；（2）画出系统原理框图（文字描述即可）；（3）设计信号调理电路的关键部分（以其中一种传感器为例）；（4）提出2项抗干扰措施。答案：（1）传感器选型及依据：温度：数字式温度传感器（如DS18B20）。依据：单总线接口，布线简单；测量范围-55℃-125℃，覆盖需求；数字输出抗干扰强。湿度：电容式湿度传感器（如SHT31）。依据：基于聚合物电容敏感层，精度高（±2%RH）；集成温度补偿，与温度传感器可共封装。光照强度：光电二极管（如BPW34）+跨阻放大器。依据：响应光谱接近可见光（400-1100nm）；线性度好，可测宽范围（0-10^5lux）；成本低。CO2浓度：NDIR（非分散红外）气体传感器（如S8）。依据：基于气体对特定波长红外光的吸收（CO2吸收4.26μm），精度高（±30ppm+3%读数）；抗其他气体干扰能力强，适合长期监测。（2）系统原理框图：传感器模块（温度、湿度、光照、CO2传感器）→信号调理电路（放大、滤波、ADC转换）→MCU（数据采集、处理、存储）→无线传输模块（Wi-Fi/蓝牙）→智能家居网关→手机/平板显示。（3）信号调理电路设计（以光照传感器为例）：光电二极管BPW34工作于光伏模式（零偏置），输出光电流I=K×E（K为灵敏度，E为光照强度）。信号调理电路包括：①跨阻放大器（运放AD8605），将光电流转换为电压（Vout=-I×Rf，Rf为反馈电阻，取1MΩ时，1μA电流对应1V输出）；②低通滤波器（R=1kΩ，C=1μF，截止频率≈159Hz），滤除高频噪声（如日光灯频闪）；③ADC（MCU内置12