《传感器与检测技术》+试题及答案

《传感器与检测技术》+试题及答案一、单项选择题（每题2分，共10分）1.下列指标中，不属于传感器静态特性的是（）。A.线性度B.灵敏度C.固有频率D.迟滞答案：C2.金属电阻应变片的敏感栅材料通常选用（）。A.铜B.康铜C.石英D.半导体硅答案：B3.变气隙式电感传感器测量位移时，若增大初始气隙δ₀，其灵敏度将（）。A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：B4.霍尔元件常用的材料是（），因其载流子迁移率高，适合制作高灵敏度元件。A.锗B.硅C.砷化镓D.氧化铜答案：C5.采用补偿导线将热电偶冷端延伸至温度稳定的控制室时，补偿导线的热电特性应与热电偶（）。A.完全相同B.冷端相同C.热端相同D.任意匹配答案：B二、填空题（每空1分，共15分）1.传感器的灵敏度是指稳态下输出量变化量与______变化量的比值，单位为______（以位移传感器为例）。答案：输入量；mV/μm2.变面积式电容传感器的输出特性为______（线性/非线性），其灵敏度与极板的______成正比。答案：线性；宽度3.压电材料分为压电晶体、______和______三类，其中______具有较高的压电常数和机电耦合系数，应用广泛。答案：压电陶瓷；高分子压电材料；压电陶瓷4.光电效应分为外光电效应、______和______，其中______是光电导传感器的工作基础。答案：内光电效应；光生伏特效应；内光电效应5.电涡流传感器可用于测量位移、______和______，其工作原理基于______效应。答案：厚度；转速；电涡流三、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及应用场景。答案：电阻应变片利用金属材料的应变-电阻效应（ΔR/R≈Kε，K为应变灵敏系数，主要由几何形变引起），适用于静态或低频动态应变测量，如桥梁应力监测；压阻式传感器基于半导体材料的压阻效应（ΔR/R≈πσ，π为压阻系数，主要由电阻率变化引起），灵敏度高但温度稳定性差，多用于小量程、高精度测量，如压力传感器。2.电感式传感器的零点残余电压是如何产生的？可采取哪些措施减小？答案：产生原因：①传感器两线圈的电气参数（电感、内阻）和几何尺寸不完全对称；②激励信号中存在高次谐波；③磁性材料磁化曲线的非线性。减小措施：①设计时保证线圈对称，采用磁路调节装置；②采用相敏检波电路分离基波和谐波；③引入补偿电路（如并联电阻、电容）平衡阻抗。3.电容式传感器存在哪些主要缺点？可通过哪些方法改进？答案：缺点：①输出阻抗高，易受干扰；②寄生电容影响大（如引线电容）；③非线性误差（变极距式）。改进方法：①采用驱动电缆技术（将传感器与前置放大器屏蔽层等电位）降低寄生电容；②设计差动结构（如差动式电容传感器）抵消非线性并提高灵敏度；③选用高频激励源（减小容抗，降低输出阻抗）。4.说明霍尔传感器的工作原理，并列举3种典型应用。答案：工作原理：当载流半导体薄片（霍尔元件）置于磁场中，载流子受洛伦兹力偏转，在垂直于电流和磁场的方向产生霍尔电势UH=KHIB（KH为霍尔系数，I为工作电流，B为磁感应强度）。应用：无刷直流电机位置检测、电流传感器（基于磁平衡原理）、汽车转速表（测量齿轮触发的磁场变化）。5.压电传感器为何不宜用于静态或低频信号测量？需如何解决？答案：压电传感器的等效电路为电荷源Q与电容C并联，输出电压U=Q/C。静态测量时，电荷会通过传感器绝缘电阻和测量电路输入电阻泄漏（时间常数τ=RC），导致信号衰减；低频时，τ不足使U无法稳定。解决方法：①采用电荷放大器（输入阻抗极高，τ大）；②限制使用频率下限（通常＞1Hz）；③选用高绝缘性压电材料（如石英）并优化封装。四、分析计算题（共45分）1.（10分）某金属电阻应变片的灵敏系数K=2.0，初始电阻R₀=120Ω，粘贴于受轴向应力的钢构件表面（弹性模量E=2×10¹¹Pa）。当构件受拉应力σ=100MPa时，求：（1）应变ε；（2）电阻变化量ΔR；（3）若采用单臂电桥（桥压U=3V），输出电压Uo。解：（1）由胡克定律σ=Eε，得ε=σ/E=100×10⁶Pa/2×10¹¹Pa=5×10⁻⁴（500με）。（2）ΔR=R₀Kε=120Ω×2.0×5×10⁻⁴=0.12Ω。（3）单臂电桥输出Uo=U×ΔR/(4R₀)=3V×0.12Ω/(4×120Ω)=0.00075V=0.75mV。2.（12分）某光电二极管的光照特性曲线近似为I=S×E（S=0.5μA/lx为灵敏度，E为光照度），反向偏置电压为10V，负载电阻RL=10kΩ。当光照度从100lx突变到500lx时，求：（1）光电流变化量ΔI；（2）负载电压变化量ΔU；（3）若考虑结电容Cj=10pF，计算电路的时间常数τ及可测最高频率f（f=1/(2πτ)）。解：（1）ΔI=S×(E2-E1)=0.5μA/lx×(500-100)lx=200μA。（2）ΔU=ΔI×RL=200×10⁻⁶A×10×10³Ω=2V。（3）时间常数τ=RL×Cj=10×10³Ω×10×10⁻¹²F=1×10⁻⁷s=0.1μs；最高频率f=1/(2πτ)=1/(2×3.14×0.1×10⁻⁶)≈1.59MHz。3.（13分）用K型热电偶（镍铬-镍硅）测量某炉温，已知冷端温度t₀=30℃，测得热电势E(t,t₀)=33.29mV。（K型热电偶分度表：E(800℃,0℃)=33.27mV，E(805℃,0℃)=33.68mV，E(30℃,0℃)=1.20mV）求：（1）实际炉温t；（2）若采用补偿电桥法（桥路在t₀=20℃时平衡，桥臂电阻温度系数α=0.004/℃），当t₀升至40℃时，桥路输出电压UB为多少？解：（1）根据中间温度定律，E(t,0℃)=E(t,t₀)+E(t₀,0℃)=33.29mV+1.20mV=34.49mV。分度表中，E(800℃,0℃)=33.27mV，E(810℃,0℃)=33.27+(33.68-33.27)/(805-800)×10=33.27+0.41/5×10=33.27+0.82=34.09mV（注：实际分度表中810℃对应约33.68+（34.10-33.68）=34.10mV，此处简化计算）。34.49mV介于810℃（34.10mV）和820℃（假设E(820℃,0℃)=34.10+0.41=34.51mV）之间，线性插值得t=810℃+(34.49-34.10)/(34.51-34.10)×10≈810+9.5≈819.5℃（实际精确值需查分度表，此处为示例）。（2）补偿电桥在t₀=20℃时平衡，当t₀=40℃，桥路输出UB=α×R×ΔT×U/4（假设桥压U=4V，R为桥臂电阻）。ΔT=40-20=20℃，UB=0.004/℃×R×20℃×4V/(4R)=0.004×20×1=0.08V（注：具体公式需结合电桥结构，此处简化为UB=α×ΔT×U/4）。4.（10分）某变极距式电容传感器初始极板间距δ₀=0.1mm，极板面积A=100mm²，介电常数ε=ε₀εᵣ（ε₀=8.85×10⁻¹²F/m，εᵣ=1）。当测量位移Δδ=+5μm时，求：（1）初始电容C₀；（2）位移后的电容C；（3）非线性误差δ（以Δδ/δ₀的百分比表示）。解：（1）C₀=εA/δ₀=8.85×10⁻¹²F/m×100×10⁻⁶m²/0.1×10⁻³m=8.85×10⁻¹²×10⁻⁴/10⁻⁴=8.85×10⁻¹²F=8.85pF。（2）位移后δ=δ₀+Δδ=0.1mm+0.005mm=0.105mm，C=εA/δ=8.85×10⁻¹²×100×10⁻⁶/0.105×10⁻³≈8.43pF（注：Δδ为正表示极板间距增大，电容减小；若Δδ为负则电容增大）。（3）理想线性电容变化ΔC_ideal=C₀×(Δδ/δ₀)（假设线性