传感器原理及应用学习期末考试题库及答案

传感器原理及应用学习期末考试题库及答案一、选择题（每题2分，共30分）1.（单选题）下列哪种物理效应不属于传感器通常利用的效应？A.压阻效应B.压电效应C.霍尔效应D.多普勒效应2.（单选题）传感器的静态特性指标中，能够衡量传感器输出与输入之间线性关系偏离程度的是？A.灵敏度B.线性度C.重复性D.迟滞3.（单选题）电阻应变片的灵敏度系数K主要取决于？A.应变片材料电阻率的变化B.应变片几何尺寸的变化C.应变片材料和几何尺寸变化的综合效应D.粘贴剂的性质4.（单选题）差动变压器式传感器（LVDT）属于？A.电阻式传感器B.电容式传感器C.电感式传感器D.压电式传感器5.（单选题）为提高电桥的灵敏度并减小非线性误差，应变片测量电桥通常采用？A.单臂工作电桥B.双臂工作电桥（半桥）C.全桥工作方式D.恒流源供电电桥6.（单选题）电容式传感器中，极距变化型传感器的灵敏度与初始极距的关系是？A.灵敏度与成正比B.灵敏度与成反比C.灵敏度与成正比D.灵敏度与成反比7.（单选题）压电式传感器最适合测量？A.静态力B.动态力C.位移D.温度8.（单选题）霍尔元件产生的霍尔电势与下列哪个参数成反比？A.控制电流IB.磁感应强度BC.霍尔元件的厚度dD.霍尔系数9.（单选题）热电偶测温的基本定律中，用于连接补偿导线的依据是？A.均质导体定律B.中间导体定律C.中间温度定律D.标准电极定律10.（单选题）光栅传感器利用莫尔条纹进行位移测量，以下描述错误的是？A.莫尔条纹具有放大作用B.莫尔条纹移动方向与光栅尺移动方向垂直C.莫尔条纹的光强变化近似正弦规律D.通过辨向电路可以判断位移方向11.（多选题）下列传感器中，属于能量控制型（无源型）传感器的有？A.热电偶B.电阻应变片C.自感式电感传感器D.电容式传感器E.压电加速度计12.（多选题）光纤传感器按传感原理可分为？A.强度调制型B.相位调制型C.频率调制型D.偏振调制型E.波长调制型13.（多选题）影响热电偶测温精度的主要因素包括？A.冷端温度变化B.热电偶材料不均匀C.测量线路电阻变化D.绝缘电阻变化E.存在干扰信号14.（多选题）超声波传感器可用于测量？A.厚度B.流量C.液位D.探伤E.温度15.（多选题）智能传感器的主要特征通常包括？A.自补偿与自校准B.信息存储与记忆C.数字量输出D.双向通信功能E.自适应与自诊断二、填空题（每空1分，共20分）1.传感器通常由______、______和______三部分组成。2.传感器静态特性的主要指标包括灵敏度、______、______、迟滞、重复性、漂移等。3.金属电阻应变片的应变效应是指金属丝的______随其机械变形而变化的现象，其表达式为=Kε，其中4.差动变压器式传感器（LVDT）输出电压的大小与铁芯的______成正比，相位则反映铁芯的______。5.变极距型电容传感器存在______非线性特性，为了减小非线性误差，通常采用______测量电路或限制测量范围。6.压电材料的主要参数包括______和______。7.霍尔效应是指当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体时，在垂直于______和______的方向上产生电势差的现象。8.热电偶的冷端温度补偿方法主要有冰点槽法、______、______和补偿电桥法等。9.光电效应可分为外光电效应、______和______三类，光敏电阻基于______效应工作。10.在红外测温中，根据测量方式可分为______和______两大类。三、简答题（每题5分，共30分）1.简述传感器的定义，并说明传感器在测控系统中的作用与地位。2.什么是传感器的动态特性？分析传感器动态特性的主要方法有哪些？3.说明电阻应变片进行温度补偿的常用方法（至少两种），并简述其原理。4.简述差动式传感器的优点。5.说明压电式传感器测量电路（电压放大器或电荷放大器）的作用，并比较两种放大器的特点。6.简述热电偶与热电阻测温原理的主要区别。四、计算与分析题（每题10分，共20分）1.（计算题）采用四片相同的金属电阻应变片（K=2.0），将其粘贴在一悬臂梁的上下表面组成全桥测量电路，用于测量梁的应变。已知梁受力后，上表面产生+500με（1）画出应变片在悬臂梁上的粘贴位置及全桥电路连接图。（2）计算该全桥电路的输出电压。（3）若仅使用一片应变片组成单臂工作电桥，在相同应变下，计算其输出电压，并说明全桥电路相对于单臂电桥的优点。2.（分析综合题）现需设计一个用于自动生产线上检测金属零件有无的装置。要求：非接触测量，响应速度快（毫秒级），环境有少量油污粉尘，检测距离约10-30mm。（1）请从所学传感器中，推荐两种适合此应用的传感器类型，并分别说明其工作原理。（2）对比分析你所推荐的两种传感器在此应用场景下的优缺点（如成本、稳定性、安装要求等）。（3）针对“有少量油污粉尘”的环境条件，在选择和安装传感器时应注意哪些问题？参考答案及评分标准一、选择题1.D（多普勒效应主要用于雷达、超声测速等，虽与传感相关，但非绝大多数基础传感器直接利用的物理效应核心）2.B3.C（K=4.C5.C6.D（灵敏度S=≈−7.B（压电效应产生的电荷会通过回路泄漏，不适合静态测量）8.C（=IB，故与厚度9.C10.B（莫尔条纹移动方向与光栅尺移动方向大致相同或相反，并非垂直）11.B,C,D（能量控制型需外部提供激励源，其输出能量由被测量控制）12.A,B,D,E（频率调制型不常见，通常归入其他调制类型或特定传感机制）13.A,B,D,E（测量线路电阻变化主要影响显示仪表，对热电偶本身产生的热电势无直接影响）14.A,B,C,D（超声波测温是特殊应用，非常规选项）15.A,B,C,D,E二、填空题1.敏感元件，转换元件，测量电路（信号调理电路）2.线性度，精度（或分辨力、阈值）3.电阻值，灵敏度系数4.位移量，移动方向5.非线性（或抛物线型），差动6.压电常数，介电常数（或弹性常数、机电耦合系数等，答出两个主要参数即可）7.电流方向，磁场方向8.计算修正法（公式法），仪表机械调零法（或补偿导线法，但补偿导线是延伸冷端，非直接补偿方法，此处答前两种更准确）9.内光电效应，光生伏特效应，内光电效应（或光电导效应）10.辐射测温法，亮度测温法（或比色测温法，答出两个合理类别即可）三、简答题1.定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号（通常为电信号）的器件或装置。（2分）作用与地位：传感器处于测控系统的最前端，是获取信息的窗口，是实现自动检测和自动控制的首要环节。其性能直接影响整个系统的性能，被誉为现代信息技术的“感官”。（3分）2.动态特性：指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。（1分）主要分析方法：时域分析法：通过阶跃响应（如时间常数、上升时间、超调量等）来分析。（2分）频域分析法：通过频率响应（如幅频特性、相频特性、截止频率等）来分析。（2分）3.方法一：应变片自补偿法。选用特殊合金制成的应变片，使其温度引起的电阻变化与试件材料的热膨胀导致的附加应变引起的电阻变化相互抵消。（2.5分）方法二：桥路补偿法（电桥补偿法）。在电桥的相邻桥臂上接入一个与工作应变片特性相同的补偿应变片。工作片粘贴在试件上，补偿片粘贴在与试件材料相同、处于同一温度环境的补偿块上。温度变化时，两片电阻变化相同，由于处于相邻桥臂，电桥输出不会产生由温度引起的虚假信号。（2.5分）（也可答热敏电阻补偿法等，原理正确即可）4.*提高灵敏度：差动结构使输出信号增大一倍。（1分）减小非线性误差：差动结构使偶次非线性项相互抵消，线性度得到改善。（2分）补偿温度误差：两个敏感元件处于同一温度环境，温度引起的参数变化相互抵消。（1分）抑制共模干扰。（1分）5.作用：将压电传感器产生的高阻抗、微弱的电荷或电压信号进行放大和阻抗变换，转换为低阻抗的电压信号输出。（1分）电压放大器：输出电压与输入电压（传感器开路电压）成正比。电路简单，但电缆分布电容对测量影响大，传感器与放大器之间电缆长度变化会改变系统灵敏度，适用于固定电缆长度的场合。（2分）电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比。反馈电容决定增益，电缆分布电容影响极小，允许使用长电缆，灵敏度基本不受电缆长度影响。电路较复杂，成本较高。（2分）6.*工作原理：热电偶基于热电效应（塞贝克效应），将温度差直接转换为热电势，是一种有源传感器。（2.5分）热电阻基于导体或半导体的电阻值随温度变化的特性，将温度变化转换为电阻变化，需外加激励电源才能产生电信号，是一种无源传感器。（2.5分）四、计算与分析题1.（1）粘贴图：两片应变片,纵向粘贴于悬臂梁上表面（受拉区），两片应变片,纵向粘贴于悬臂梁下表面（受压区），位置对称。（1分）全桥连接图：,接入电桥的相对两臂（如在左上，在右下），,接入电桥的另外相对两臂（如在右上，在左下）。（1分）（2）对于全桥电路，输出电压公式为：=K已知：==+500代入：=×=1.25（3）单臂电桥输出电压：‘=优点：全桥电路灵敏度是单臂电桥的4倍（5mVvs1.25mV）；（1分）具有温度补偿功能，非线性误差小。（1分）2.（1）推荐传感器及原理：电感式接近开关：利用导电物体接近时产生涡流效应，导致振荡器振幅或频率变化，从而触发输出信号。（2分）光电式传感器（漫反射型）：传感器发射光束，当被测物体进入光束范围时，部分光线被反射回接收器，通过检测接收到的光强变化来判断物体有无。（2分）（2）优缺点对比：电感式：优点：只对金属敏感，抗油污、粉尘等非金属环境干扰能力强；响应快；稳定性好。（1分）缺点：检测距离相对较短（通常<30mm）；只能检测金属物体；成本可能略高于普通光电式。（1分）光电式（漫反射型）：优点：可检测几乎所有物体（