2026年《传感器应用技术》期末试卷附答案

2026年《传感器应用技术》期末试卷附答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.以下关于电阻应变片的描述中，错误的是（）A.金属应变片的灵敏度系数主要由几何尺寸变化引起B.半导体应变片的灵敏度系数主要由压阻效应引起C.温度补偿可通过电桥相邻桥臂接入补偿片实现D.应变片的栅长越长，对被测应变的响应越敏感答案：D2.某热电偶测量系统中，参考端温度为30℃，测得热电势为36.5mV，查分度表知30℃对应的热电势为1.2mV，1000℃对应的热电势为41.3mV，1050℃对应43.1mV，则被测温度约为（）A.1020℃B.1030℃C.1040℃D.1050℃答案：B（计算过程：实际热电势=36.5+1.2=37.7mV；(37.7-41.3)/(43.1-41.3)=(T-1000)/(1050-1000)，解得T≈1030℃）3.下列光电传感器中，基于外光电效应的是（）A.光敏电阻B.光电二极管C.光电倍增管D.光电池答案：C4.关于压电式传感器的描述，正确的是（）A.可用于静态力测量B.需配置高输入阻抗的电荷放大器C.输出信号与被测力的积分成正比D.常用压电材料为石英和氧化铝答案：B5.某电感式传感器采用差动结构，其主要目的是（）A.提高灵敏度B.减小线性范围C.降低成本D.简化电路设计答案：A6.以下不属于传感器静态特性指标的是（）A.重复性B.迟滞C.固有频率D.线性度答案：C7.气敏传感器检测甲烷时，通常需要在敏感材料中添加（）以提高选择性A.铂催化剂B.二氧化硅C.石墨烯D.聚酰亚胺答案：A8.光纤传感器中，利用光纤本身作为敏感元件的是（）A.传光型光纤传感器B.功能型光纤传感器C.强度调制型光纤传感器D.相位调制型光纤传感器答案：B9.关于MEMS加速度计的描述，错误的是（）A.基于微机械加工技术制造B.可测量静态重力加速度C.输出信号为模拟电压或数字信号D.工作原理与压电式传感器完全相同答案：D10.湿度传感器的主要参数不包括（）A.响应时间B.湿度量程C.温度系数D.居里温度答案：D11.红外传感器用于人体检测时，通常采用（）A.热释电型红外传感器B.光子型红外传感器C.量子阱红外探测器D.雪崩光电二极管答案：A12.以下传感器中，可实现非接触式测量的是（）A.电阻应变片B.电涡流传感器C.压阻式压力传感器D.热电偶答案：B13.传感器信号调理电路中，用于抑制共模干扰的是（）A.低通滤波器B.差分放大器C.电压跟随器D.桥式整流电路答案：B14.关于生物传感器的描述，正确的是（）A.仅以酶作为生物敏感元件B.输出信号直接反映被测物质浓度C.需保持生物活性环境D.无法用于医疗检测答案：C15.物联网节点中，传感器选择的关键因素不包括（）A.功耗B.体积C.测量精度D.品牌知名度答案：D二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器一般由敏感元件、（转换元件）和（信号调理电路）三部分组成。2.金属热电阻的温度系数为（正），常见材料有（铂）和（铜）。3.电容式传感器的三种工作方式为（变极距式）、（变面积式）和（变介质式）。4.霍尔传感器的输出电压与（磁感应强度）、（控制电流）和（霍尔系数）成正比。5.压阻式传感器的核心是利用半导体的（压阻效应），其灵敏度比金属应变片（高）。6.光纤的两个关键参数是（折射率分布）和（数值孔径），后者决定了光纤的（集光能力）。7.气体传感器的敏感机理主要包括（表面吸附反应）和（体相扩散反应），常见工作温度需控制在（200-500℃）以激活反应。8.惯性导航系统中，常用（加速度计）测量线加速度，（陀螺仪）测量角速率。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述应变式传感器与压阻式传感器的异同点。答：相同点：均通过电阻变化检测应变或压力；均需电桥电路转换信号。不同点：应变式基于金属材料的几何形变（ΔR/R≈(1+2μ)ε），灵敏度较低（约2）；压阻式基于半导体的压阻效应（ΔR/R≈πσ），灵敏度高（约100-200）；应变式线性度好，压阻式温度漂移大；应变式适用于大应变测量，压阻式适用于微小压力检测。2.说明电感式传感器产生零点残余电压的原因及解决方法。答：原因：线圈间分布电容、传感器机械不对称（如铁芯位置偏移）、激励电压谐波分量、导磁材料非线性。解决方法：设计时保证线圈对称；采用相敏检波电路区分信号相位；在电路中加入补偿电阻或电容；使用高精度激励源（如正弦波发生器）。3.如何优化气敏传感器的工作条件以提高检测性能？答：（1）温度控制：通过加热电极将敏感层升至最佳反应温度（如SnO₂基传感器约300℃），促进气体吸附-脱附平衡；（2）湿度补偿：集成湿度传感器，通过算法修正湿度对敏感层电导率的影响；（3）掺杂改性：添加贵金属（如Pt、Pd）作为催化剂，增强目标气体的选择性；（4）脉冲加热：周期性改变温度，利用不同气体的脱附特性差异提高分辨率。4.比较热电偶与热电阻的适用场景。答：热电偶：适用于高温测量（-200℃~2000℃），可测局部点温，需参考端补偿，输出热电势信号（mV级），线性度较差；热电阻：适用于中低温测量（-200℃~850℃），测量精度高（0.1℃级），输出电阻信号（需恒流源激励），体积较大，不适用于微小空间。5.简述光纤传感器的抗电磁干扰原理。答：光纤由二氧化硅等电介质材料制成，不导电、不导磁；光信号在光纤中以光强、相位等形式传输，不受外部电磁场影响；光纤本身为绝缘体，无金属导线的电磁感应效应；信号调制（如相位调制）在光域完成，避免了电信号的干扰耦合。四、分析题（每题10分，共20分）1.某汽车胎压监测系统（TPMS）需实时检测轮胎内压力（0-1000kPa）和温度（-40℃~120℃），请选择合适的压力传感器和温度传感器，并设计信号传输方案。答：（1）压力传感器：选择MEMS压阻式传感器（如飞思卡尔MPXY8020），理由：体积小（<5mm³）、功耗低（μA级）、量程覆盖0-1500kPa，适合集成在轮胎气门嘴内；采用惠斯通电桥结构，输出差分电压信号（0-3.3V）。（2）温度传感器：选择数字式温度传感器（如DS18B20），理由：单总线接口，抗干扰能力强，精度±0.5℃，工作温度-55℃~125℃，满足需求。（3）信号传输：传感器模块通过低功耗MCU（如TICC2640）采集压力（经ADC转换）和温度（数字信号），经FSK调制后通过433MHz无线射频模块发送至车载接收端；接收端解调后通过CAN总线传输至ECU，实现胎压报警（阈值：<200kPa或>800kPa）和温度报警（>100℃）。2.某工业流水线需检测金属工件的厚度（1-5mm）和表面缺陷（如划痕、凹坑），请设计传感器方案并说明检测原理。答：（1）厚度检测：采用电涡流传感器（如KAMANKD2306），理由：非接触式测量，对金属敏感，量程1-6mm，精度±1μm。原理：传感器线圈通高频交流电（1-10MHz），在工件表面产生涡流，涡流反作用于线圈，导致电感变化；通过测量电感变化（或阻抗变化），经信号调理电路（如相敏检波器）转换为电压信号，电压与厚度成线性关系。（2）表面缺陷检测：采用线阵CCD视觉传感器（如BasleracA1920-40gc），配合LED线光源（波长525nm，避免环境光干扰）。原理：线光源垂直照射工件表面，CCD以5kHz频率扫描，采集表面反射光强；若存在划痕（深度>0.1mm）或凹坑（直径>0.5mm），反射光强会突变（划痕处反射光发散，光强降低；凹坑处产生阴影，光强骤降）；通过图像算法（如边缘检测、灰度阈值分割）识别缺陷位置和尺寸，输出报警信号。五、综合应用题（20分）设计一个基于物联网的农业大棚环境监测系统，要求监测参数包括温度（-10℃~50℃）、湿度（20%~90%RH）、光照强度（0~100klx）、CO₂浓度（300~2000ppm），并实现数据远程传输和超限报警。要求：（1）选择各参数对应的传感器类型及型号；（2）设计信号调理与采集电路；（3）说明通信协议及数据传输方式；（4）给出超限报警策略。答案要点：（1）传感器选型：温度：数字式传感器DS18B20（精度±0.5℃，单总线接口）；湿度：电容式传感器SHT30（精度±2%RH，I²C接口）；光照：硅光电池+跨阻放大器（或BH1750FVI数字传感器，精度±20%，I²C接口）；CO₂：NDIR（非分散红外）传感器S8（量程0-5000ppm，精度±30ppm+3%，UART接口）。（2）信号调理与采集：模拟信号（如硅光电池输出电流）：通过跨阻放大器（如OPA2333）转换为电压（0-3.3V），经MCU（如STM32F103）的12位ADC采样；数字信号（DS18B20、SHT30、BH1750）：通过MCU的GPIO模拟单总线、I²C协议读取数据；CO₂传感器：通过MCU的UART接口接收ASCII码数据（如“CO2=1200ppm”）。（3）通信协议与传输：本地汇聚：MCU通过I²C/SPI总线收集多传感器数据，打包为JSON格式（如{"temp":25.6,"hum":65.2,"light":32000,"co2":850}）；远程传输：采用LoRaWAN协议（低功耗广域网，覆盖2-10km），通过LoRa模块（如RFM95W）将数据发送至基站；基站通过以太网/4G上传至云平