2026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

2026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.以下哪种效应是电阻应变片工作的物理基础？A.压电效应B.压阻效应C.应变电阻效应D.热电效应答案：C2.电感式传感器中，能够实现非接触测量的是？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.电涡流式电感传感器答案：D3.光电传感器中，基于外光电效应的器件是？A.光敏电阻B.光电池C.光电二极管D.光电倍增管答案：D4.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.灵敏度低C.频率响应差D.线性度差答案：A5.热电偶测温时，若冷端温度不为0℃，需采用的补偿方法是？A.中间导体定律B.参考电极定律C.冷端温度补偿法D.均质导体定律答案：C6.下列传感器中，属于数字式传感器的是？A.热电偶B.光栅传感器C.应变片D.电感式传感器答案：B7.电容式传感器中，可用于测量大位移的是？A.变极距式B.变面积式C.变介质式D.差动式答案：B8.测量气体压力时，优先选用的传感器是？A.压阻式压力传感器B.电容式压力传感器C.压电式压力传感器D.电感式压力传感器答案：A9.以下不属于传感器静态特性指标的是？A.线性度B.灵敏度C.重复性D.固有频率答案：D10.光纤传感器中，用于实现信号调制的关键部件是？A.光源B.光纤C.调制器D.探测器答案：C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.金属电阻应变片的工作原理是基于（应变电阻效应），而半导体应变片则基于（压阻效应）。3.电感式传感器按转换原理可分为自感式、互感式和（电涡流式）三类。4.压电材料分为压电晶体、（压电陶瓷）和（高分子压电材料）。5.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）。6.光电效应分为外光电效应、（内光电效应）和（光生伏特效应）。7.电容式传感器的测量电路主要有交流电桥、（调频电路）和（运算放大器电路）。8.传感器的动态特性通常用（时域响应）和（频域响应）两种方法来描述。9.磁电式传感器是基于（电磁感应）原理，将（机械量）转换为电信号的装置。10.数字式传感器的输出信号为（离散的数字量），常见类型有（光栅）、（编码器）等。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述应变式传感器的组成及工作流程。答：应变式传感器主要由弹性敏感元件、电阻应变片、测量电路和传输导线组成。工作流程为：被测物理量（如力、压力）作用于弹性敏感元件，使其产生机械应变；应变片随弹性元件变形，其电阻值发生变化；通过测量电路（如惠斯通电桥）将电阻变化转换为电压或电流信号；最后经信号调理（放大、滤波）后输出可测量的电信号。2.电感式传感器的主要优缺点是什么？答：优点：结构简单、工作可靠、灵敏度高、分辨率高（可达0.1μm）、线性度好（一般≤0.1%）、输出功率大（可直接驱动低阻抗电路）。缺点：存在交流零位误差（由于线圈间分布电容和磁路不对称引起）、响应频率较低（适用于静态或低频动态测量）、易受外部磁场干扰。3.光电传感器在工业检测中的典型应用有哪些？举例说明。答：典型应用包括：（1）零件计数：通过光遮挡原理，当零件通过光束时，光电接收器输出信号变化，实现计数（如流水线零件计数）；（2）尺寸测量：利用光的投影或反射，通过光电元件检测被测物边缘位置（如板材宽度在线检测）；（3）物体定位：通过漫反射或对射式光电传感器检测物体是否到达指定位置（如自动生产线工件定位）；（4）表面缺陷检测：利用散射光原理，缺陷处散射光强变化触发报警（如纸张表面瑕疵检测）。4.简述热电偶冷端温度补偿的必要性及常用方法。答：必要性：热电偶的热电势大小与热端和冷端的温差有关，只有当冷端温度恒定时，热电势才是热端温度的单值函数。实际应用中冷端易受环境温度影响，需补偿以保证测量精度。常用方法：（1）冷端恒温法（将冷端置于0℃恒温槽）；（2）冷端温度修正法（测量冷端温度，用公式E(t,t0)=E(t,tref)+E(tref,t0)修正）；（3）补偿电桥法（在电桥中接入热敏电阻，利用电桥输出补偿冷端温度变化）；（4）软件补偿法（通过微处理器实时测量冷端温度，查表修正热电势值）。5.比较压阻式传感器与压电式传感器的适用场景。答：压阻式传感器基于半导体压阻效应，输出信号大（无需放大）、频率响应宽（可达10kHz）、易于集成（可制成MEMS器件），适用于静态或低频动态压力测量（如血压计、胎压监测）。压电式传感器基于压电效应，输出阻抗高（需电荷放大器）、频率响应好（高频特性优）、不能测静态（电荷易泄漏），适用于动态力或高频压力测量（如发动机爆震检测、冲击载荷测试）。四、分析题（每题10分，共20分）1.设计一个基于热电阻的温度测试系统，要求测量范围-50℃~300℃，精度±0.5℃。需说明：（1）传感器选型；（2）信号调理电路设计；（3）数据采集与处理方法。答：（1）传感器选型：选用Pt100铂热电阻（测量范围-200℃~850℃，精度A级允许误差±(0.15+0.002|t|)，满足±0.5℃要求），其线性度好（0℃~100℃时电阻温度系数约0.385Ω/℃），稳定性高。（2）信号调理电路：采用恒流源供电（如1mA恒流源），将电阻变化转换为电压信号（V=I×R）；设计差分放大电路（如AD620仪表放大器）放大微弱电压（Pt100在-50℃时约80.31Ω，对应电压80.31mV；300℃时约212.05Ω，对应电压212.05mV，放大后范围0~5V）；加入低通滤波器（如RC滤波，截止频率10Hz）抑制工频干扰。（3）数据采集与处理：使用16位ADC（如ADS1115）进行模数转换，分辨率达5V/65536≈76μV，对应温度分辨率约76μV/(1mA×0.385Ω/℃)=0.197℃（满足精度要求）；通过软件查表法修正非线性（Pt100的电阻-温度特性表存储于单片机），采用滑动平均滤波（取5次采样平均值）降低随机误差，最终输出温度值。2.某工厂需监测旋转机械的振动（频率范围10Hz~5kHz），要求非接触测量。分析应选择的传感器类型、工作原理及抗干扰措施。答：（1）传感器选型：选择电涡流式振动传感器（非接触式，频率响应宽）。（2）工作原理：传感器线圈通高频交变电流（1~2MHz），产生交变磁场；当被测金属体（如转轴）靠近线圈时，金属表面感应电涡流，反作用于原磁场，导致线圈阻抗变化；通过测量电路（如调幅式或调频式）将阻抗变化转换为电压信号，电压幅值与间隙成正比，从而获得振动位移信号。（3）抗干扰措施：①屏蔽设计：传感器电缆采用双屏蔽（内层铜网屏蔽电场，外层铝箔屏蔽磁场），屏蔽层单端接地；②频率选择：激励频率远高于被测振动频率（避免谐波干扰）；③软件滤波：对采集信号进行带通滤波（10Hz~5kHz），去除直流漂移和高频噪声；④环境补偿：在传感器附近安装温度传感器，实时补偿温度变化引起的线圈阻抗漂移（电涡流传感器灵敏度受温度影响约0.05%/℃）。五、综合应用题（20分）设计一个汽车胎压监测系统（TPMS）的传感器模块，要求：（1）说明传感器类型及选型依据；（2）设计信号传输方案；（3）绘制系统原理框图（可用文字描述关键模块）。答：（1）传感器类型及选型依据：选用MEMS压阻式压力传感器（如InfineonSP37），原因：①集成度高（可同时测量压力、温度、加速度）；②精度高（压力测量误差≤1%FS，满足胎压监测±0.1bar精度要求）；③低功耗（适合电池供电，工作电流<10μA）；④抗冲击能力强（汽车行驶中振动冲击可达1000g）。（2）信号传输方案：采用2.4GHz无线传输（IEEE802.15.4协议），原因：①低功耗（休眠电流<1μA，唤醒时间短）；②抗干扰强（跳频技术避免与蓝牙、Wi-Fi频段重叠）；③传输距离适中（车内短距离传输，10m内可靠通信）。传感器模块每60秒唤醒一次（静态时），检测到加速度>0.5g（车辆启动）时切换为1秒/次高频采样，通过ASK调制将压力（0.1~1.0bar）、温度（-40℃~125℃）、电池电量信号打包发送至中央接收器。（3）系统原理框图描述：传感器模块包括：MEMS压力/温度/加速度复合传感器→信号调理电路（放大、滤波）→微控制器（MCU，如NXPKinetis）→无线发射模块（2.4GHzRF发射器）→天线。中央接收模块包括：天线→无线接收模块（2.4