2026年《传感器与测试技术》形成性考核附答案

2026年《传感器与测试技术》形成性考核附答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某传感器在输入量变化0.5mV时，输出电压变化2V，则其灵敏度为（）。A.0.25mV/VB.4V/mVC.4000mV/VD.0.00025V/mV答案：B（灵敏度=输出变化量/输入变化量=2V/0.5mV=4V/mV）2.压电式传感器不能用于静态测量的主要原因是（）。A.压电材料的居里点低B.电荷易泄漏C.灵敏度随温度变化D.输出阻抗高答案：B（压电传感器依赖电荷积累，静态测量时电荷无法持续积累，易泄漏导致信号衰减）3.金属应变片的灵敏度系数主要取决于（）。A.金属丝的电阻率变化B.几何尺寸变化C.压阻效应D.弹性模量变化答案：B（金属应变片的灵敏度系数K≈1+2μ，主要由几何尺寸变化（μ为泊松比）决定，半导体应变片则主要依赖压阻效应）4.电涡流式传感器属于（）。A.电容式传感器B.电感式传感器C.压电式传感器D.热电式传感器答案：B（电涡流传感器利用金属导体在交变磁场中的涡流效应，属于电感式传感器的一种）5.热电偶测温时，若冷端温度不为0℃，需进行补偿，常用方法不包括（）。A.冷端恒温法B.计算修正法C.电桥补偿法D.短路补偿法答案：D（热电偶冷端补偿方法包括恒温法、修正法、电桥补偿法等，无短路补偿法）6.以下哪种传感器属于能量控制型传感器？（）A.热电偶B.压电式加速度计C.电阻应变片D.光电池答案：C（能量控制型传感器需外部电源，如电阻应变片；能量转换型传感器直接转换被测能量，如热电偶、压电传感器、光电池）7.电容式传感器中，变面积式传感器的输出特性为（）。A.线性B.非线性C.分段线性D.指数型答案：A（变面积式电容传感器的电容变化与面积变化成正比，输出特性线性）8.霍尔传感器的基本工作原理是（）。A.压电效应B.热电效应C.霍尔效应D.光电效应答案：C（霍尔传感器利用半导体薄片在磁场中产生霍尔电压的霍尔效应）9.为减小电感式传感器的非线性误差，通常采用（）。A.单线圈结构B.差动结构C.增加激励频率D.减小气隙厚度答案：B（差动电感式传感器通过两个线圈反向连接，可抵消非线性项，提高线性度）10.以下关于光电传感器的描述，错误的是（）。A.光敏电阻的响应速度较慢B.光电二极管在反向偏置下工作C.光电池可直接将光能转换为电能D.光电三极管的灵敏度低于光电二极管答案：D（光电三极管内部有放大作用，灵敏度高于光电二极管）二、填空题（每空1分，共15分）1.传感器的静态特性指标主要包括______、______、______和重复性等。（答案：线性度、灵敏度、迟滞）2.应变片的温度误差可通过______和______两种方法补偿。（答案：桥路补偿法、应变片自补偿法）3.压电材料分为______、______和高分子压电材料三类。（答案：压电晶体、压电陶瓷）4.电感式传感器按转换原理可分为______、______和电涡流式三种。（答案：变气隙式、变面积式）5.热电偶的基本定律包括______、______和中间导体定律。（答案：均质导体定律、中间温度定律）6.电容式传感器的三种基本类型是______、______和变介电常数式。（答案：变极距式、变面积式）7.霍尔元件的灵敏度与______和______有关。（答案：载流子浓度、材料厚度）三、简答题（每题6分，共30分）1.简述金属应变片与半导体应变片的工作原理差异及优缺点。答：金属应变片基于几何尺寸变化（ΔR/R≈(1+2μ)ε），半导体应变片基于压阻效应（ΔR/R≈πEε，π为压阻系数）。金属应变片线性度好、温度稳定性高，但灵敏度低（K≈2）；半导体应变片灵敏度高（K≈100~200），但温度误差大、线性度差。2.说明压电式传感器为何需要电荷放大器？电荷放大器与电压放大器相比有何优势？答：压电传感器输出电荷信号，内阻极高（10^10~10^13Ω），直接连接电压放大器会因电缆电容影响导致灵敏度下降。电荷放大器输入级为高增益运算放大器，反馈电容Cf将电荷Q转换为电压Uo=-Q/Cf，输出电压与Q成正比，与电缆电容无关，可避免长电缆带来的灵敏度误差，适用于远距离测量。3.分析变极距式电容传感器的非线性误差产生原因及减小措施。答：变极距式电容传感器的电容C=εA/d，当d变化Δd时，ΔC/C≈-Δd/d(1+Δd/d)，二次项导致非线性。减小措施：采用差动结构（ΔC=C1-C2≈2εAΔd/d²，抵消一次项后的非线性项）；限制Δd/d的变化范围（如Δd/d≤1/5~1/10）；采用线性化电路（如运算放大器法，将C接入反馈回路，输出电压与Δd成线性关系）。4.热电偶测温时，为何需要冷端补偿？列举两种常用补偿方法并说明原理。答：热电偶的热电势与两端温差相关，分度表基于冷端0℃标定。若冷端温度T0≠0℃，实测热电势E(T,T0)=E(T,0)-E(T0,0)，需补偿E(T0,0)以得到真实温度。常用方法：（1）冷端恒温法：将冷端置于0℃恒温槽（如冰水混合物），直接查表；（2）电桥补偿法：在冷端串联补偿电桥，电桥输出电压随T0变化，抵消E(T0,0)的影响，使总输出反映E(T,0)。5.比较电感式传感器与电容式传感器的适用场景，各举两例说明。答：电感式传感器适用于测量位移、振动、厚度等，如变气隙式用于微小位移测量（精度μm级），电涡流式用于非接触测量金属件厚度或转速（如汽车轮速传感器）。电容式传感器适用于测量位移、压力、物位等，如变极距式用于微位移测量（精度nm级），变介电常数式用于液位检测（如油位传感器，通过介质（油/空气）介电常数差异测液位）。四、分析计算题（每题10分，共30分）1.某电阻应变片的灵敏度系数K=2.0，初始电阻R=120Ω，粘贴于弹性模量E=2×10^11Pa的钢构件表面，当构件受拉应力σ=100MPa时，求应变片的电阻变化量ΔR及输出应变ε。若采用单臂电桥（桥压U=3V），求电桥输出电压Uo（电桥为等臂电桥，忽略非线性误差）。解：（1）应变ε=σ/E=100×10^6Pa/(2×10^11Pa)=5×10^-4（500με）（2）ΔR=K×R×ε=2.0×120Ω×5×10^-4=0.12Ω（3）单臂电桥输出Uo=U×ΔR/(4R)=3V×0.12Ω/(4×120Ω)=0.00075V=0.75mV2.某压电式加速度计的灵敏度为20pC/g（g=9.8m/s²），与电荷放大器连接，电荷放大器反馈电容Cf=1000pF。当被测加速度为5g时，求电荷放大器的输出电压Uo（忽略电缆电容影响）。解：（1）输出电荷Q=灵敏度×加速度=20pC/g×5g=100pC（2）电荷放大器输出电压Uo=-Q/Cf=-100pC/1000pF=-0.1V（负号表示相位反转，取绝对值为0.1V）3.设计一个基于热电阻的温度测量系统，已知Pt100热电阻（0℃时R0=100Ω，温度系数α=0.00385Ω/Ω·℃），采用三线制接法接入电桥。若环境温度为20℃，被测温度为150℃，求热电阻的阻值Rt，并说明三线制接法如何减小引线电阻的影响。解：（1）Rt=R0(1+αt)=100Ω×(1+0.00385×150)=100×1.5775=157.75Ω（2）三线制接法中，热电阻的两根引线分别接入电桥的相邻桥臂，第三根引线作为激励线。当引线电阻r存在时，电桥两臂的引线电阻r相互抵消（一臂增加r，另一臂也增加r，电桥平衡时r的影响被消除），从而减小引线电阻随环境温度变化引起的测量误差。五、综合应用题（15分）设计一个用于工业反应釜的温度-压力复合监测系统，要求：（1）选择合适的温度传感器和压力传感器；（2）设计信号调理电路（含放大、滤波）；（3）提出数据采集与处理方案；（4）分析可能的干扰因素及抑制方法。答：（1）传感器选择：温度测量：反应釜温度范围通常0~300℃，选择Pt100热电阻（精度高，稳定性好，适合中低温）；若温度更高（如>500℃），可选K型热电偶（测量范围宽）。压力测量：反应釜压力通常0~10MPa，选择扩散硅压力传感器（精度0.1%FS，输出4~20mA电流信号，抗干扰能力强）。（2）信号调理电路：温度信号（Pt100）：采用三线制接法接入恒流源（如1mA），将电阻信号转换为电压信号（V=I×Rt）；通过仪表放大器（如AD620）放大（增益G=100），输出0~1.5V（对应0~300℃）；低通滤波器（截止频率10Hz）滤除50Hz工频干扰及高频噪声。压力信号（4~20mA）：通过250Ω采样电阻转换为1~5V电压信号；经运算放大器（如OP07）缓冲隔离，防止后级电路影响；带通滤波器（0.1~10Hz）滤除低频漂移和高频噪声。（3）数据采集与处理：采用16位ADC（如ADS1115）将调理后的电压信号转换为数字量，采样频率100Hz（满足奈奎斯特准则）；微控制器（如STM32）读取数据后，进行线性化校正（热电阻的R-t非线性用查表法或多项式拟合，压力传感器的4~20mA信号直接线性转换）；实时显示温度、压力值，超过阈值（如温度>280℃，压力>9MPa）时触发声光报警，并通过RS485总线上传至上位机。（4）干扰因素及抑制：电磁干