2026年《传感器技术与应用》期末试题及答案

2026年《传感器技术与应用》期末试题及答案一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.下列指标中，不属于传感器静态特性指标的是（）A.线性度B.灵敏度C.响应时间D.迟滞2.智能穿戴设备中用于动态脉搏波检测的柔性压电传感器，目前商业化应用最广泛的压电材料是（）A.天然石英B.PZT压电陶瓷C.聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜D.氧化锌单晶3.热电偶回路冷端温度补偿方法中，不具备补偿效果的方法是（）A.0℃恒温法B.补偿导线法C.冷端电桥补偿法D.热电效应信号放大法4.关于变极距型电容式传感器的灵敏度与非线性特性，下列说法正确的是（）A.初始极距越大，灵敏度越高，非线性误差越严重B.初始极距越小，灵敏度越高，非线性误差越严重C.初始极距越小，灵敏度越低，非线性误差越小D.初始极距越大，灵敏度越低，非线性误差越小5.采用应变式传感器测量转轴的动态扭矩，正确的应变片布片与组桥方式是（）A.沿转轴轴向粘贴1片应变片，组成单臂半桥B.沿转轴正负45°方向各粘贴2片应变片，组成全桥测量电路C.沿转轴周向粘贴2片应变片，组成半桥测量电路D.沿转轴90°方向各粘贴1片应变片，组成对臂半桥6.智能传感器相较于传统结构型传感器的核心优势是（）A.体积更小重量更轻B.整体功耗更低C.具备数据处理、自校准与自诊断能力D.测量精度更高7.采用霍尔传感器测量电机转轴转速的核心原理是（）A.霍尔电势大小与穿过元件的磁场强度成正比B.霍尔电势大小与输入激励电流成反比C.霍尔电阻随磁场频率线性变化D.霍尔电压随温度变化呈现规律变化8.目前工业机器人六维力末端执行器最常用的力传感器类型是（）A.应变式六维力传感器B.压电式三维力传感器C.电容式触觉传感器D.MEMS压阻式力传感器9.下列传感器类型中，属于有源（能量转换型）传感器的是（）A.电阻应变式力传感器B.光敏电阻照度传感器C.热电偶温度传感器D.电容式液位传感器10.消费级无人机飞控系统中集成的惯性测量单元(IMU)，核心包含哪两类基础惯性传感器（）A.加速度计与磁力计B.加速度计与陀螺仪C.陀螺仪与气压传感器D.气压传感器与磁力计二、多项选择题（本大题共5小题，每小题4分，共20分，多选、少选、错选均不得分）1.下列参数中，属于衡量传感器动态特性的性能指标是（）A.系统固有频率B.灵敏度C.阻尼比D.超调量E.重复性2.应变式电阻传感器产生温度误差的核心原因包括（）A.应变片自身电阻存在温度系数B.被测试件与应变片敏感栅材料的线膨胀系数不匹配C.应变片的灵敏系数随温度变化发生漂移D.传感器供电电源电压随温度波动E.应变片的绝缘电阻随温度变化下降3.目前商用可穿戴生理监测设备中，集成的传感器可实现无创检测的生理参数包括（）A.心电(ECG)B.肌电(EMG)C.局部脉搏波D.连续血糖E.体表温度4.压电式传感器由于电荷泄漏特性，无法准确测量下列哪些物理量（）A.恒定静态力B.高频冲击振动C.恒定静态加速度D.低频交变振动E.静态压力5.工业级激光测距传感器常用的测量原理包括（）A.飞行时间法(TOF)B.三角测距法C.光学干涉法D.多普勒测速测距法E.电容耦合测距法三、简答题（本大题共4小题，每小题8分，共32分）1.分别说明传感器灵敏度与灵敏度界限（分辨率）的定义，简述两者的核心区别。2.简述热电偶中间导体定律的内容，说明该定律在热电偶实际测温工程中的具体应用。3.对比应变式传感器与电容式传感器，分别说明两者的优缺点与典型适用场景。4.简述智能传感器的自校准与自诊断功能，说明两类功能在工业物联网分布式传感中的工程价值。四、分析计算题（本大题共1小题，共10分）某工业测量场景采用应变式压力传感器测量管道油压，传感器量程为0~10MPa，标称灵敏度为2mV/MPa，传感器的非线性误差为满量程输出的0.1%。某次测量得到传感器输出电压为14mV，已知该传感器因长期工作产生了0.8mV的零点漂移，忽略其他误差因素，计算：(1)修正零点漂移后被测油压的实际值；(2)该次测量结果的绝对误差与相对误差。五、综合应用题（本大题共1小题，共18分）某山区风力发电场需要设计一套分布式塔筒振动在线监测系统，要求在塔筒的底部、中部、顶部三个位置布置测点，每个测点需要同时测量三个方向的振动加速度与环境温度，系统要求低功耗、无线传输、能够实现5年以上无人值守稳定工作，结合传感器技术知识回答下列问题：(1)选择适合该场景的振动加速度传感器类型，说明选择理由；(6分)(2)简述所选传感器的工作原理，画出基本测量系统的结构框图；(6分)(3)说明如何利用智能传感器的相关特性降低测量误差，提升系统长期稳定性。(6分)一、单项选择题答案及解析1.答案：C解析：传感器的静态特性描述的是输入量为恒定值或缓慢变化值时的输出输入关系，核心指标包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率等；响应时间描述的是传感器输出对输入变化的响应速度，反映传感器动态性能，因此不属于静态特性指标。2.答案：C解析：天然石英与PZT压电陶瓷硬度高、脆性大，不适合制作柔性传感器；氧化锌单晶多用于MEMS刚性压电传感器，无法实现大变形弯曲；聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜具备良好的柔性、压电效应稳定，成本低，是目前柔性穿戴压电传感器最常用的商业化材料。3.答案：D解析：热电偶测温的误差来源主要是冷端温度不为0℃，常用补偿方法包括0℃恒温法、补偿导线法、电桥补偿法、计算修正法等；对热电信号进行放大只能改变信号幅值，无法补偿冷端温度变化带来的热电势误差，因此不具备冷端补偿效果。4.答案：B解析：变极距型电容传感器的灵敏度公式为S=εS/δ0²，可见初始极距δ0越小，灵敏度S越高；同时非线性误差近似为Δδ/δ0，初始极距越小，相同变化量下非线性误差越大，因此初始极距越小灵敏度越高，非线性越严重。5.答案：B解析：转轴受扭矩作用时，最大正应力出现在与轴线成45°的方向，因此需要沿正负45°方向粘贴应变片；同时采用四个应变片组成全桥电路，既可以提高测量灵敏度，又可以实现温度误差补偿，消除轴向力和弯曲力带来的干扰，因此该方式是测量扭矩的标准方案。6.答案：C解析：部分传统微型传感器体积也可以做到很小，部分高精度传统传感器测量精度也高于低端智能传感器，功耗低也不是智能传感器的核心特征；智能传感器的核心是将敏感单元与信号处理电路、微处理器集成，具备数据处理、自校准、自诊断、自补偿能力，这是传统传感器不具备的核心优势。7.答案：A解析：霍尔转速测量的原理是在转轴上安装带齿的转盘，转盘转动时，齿和齿隙交替经过霍尔元件，导致穿过霍尔元件的磁场强度周期性变化，霍尔电势随磁场强度成正比变化，因此输出周期性脉冲信号，通过计数脉冲频率即可得到转速，核心原理是霍尔电势与磁场强度成正比。8.答案：A解析：工业机器人末端需要测量三个方向的力和三个方向的力矩，因此需要六维力传感器，目前商业化成熟方案都是应变式六维力传感器，精度高，稳定性好，测量范围大，适合工业重载场景；压电式只能测动态力，无法测静态力，电容式和MEMS方案量程较小，不适合工业机器人末端应用。9.答案：C解析：有源传感器也叫能量转换型传感器，传感器本身可以将输入能量转换为电信号输出，不需要外接电源供电；热电偶利用热电效应直接输出热电势，不需要外接电源，属于有源传感器；电阻应变片、光敏电阻、电容传感器都需要外接电源才能输出信号，属于无源传感器。10.答案：B解析：惯性测量单元的核心功能是测量运动物体的加速度和角速度，以此推算姿态，因此核心包含加速度计和陀螺仪两类惯性传感器；磁力计用于辅助校准航向，气压传感器用于测量高度，不属于核心惯性传感器。二、多项选择题答案及解析1.答案：ACD解析：动态特性描述传感器对随时间变化的输入量的响应特性，核心指标包括固有频率、阻尼比、上升时间、调节时间、超调量等；灵敏度和重复性属于静态特性指标，因此选ACD。2.答案：ABC解析：应变式传感器温度误差产生的核心原因有三个：一是应变片敏感栅电阻本身存在温度系数，温度变化会导致电阻发生变化；二是试件与敏感栅线膨胀系数不同，温度变化时会产生附加形变，带来附加电阻变化；三是应变片的灵敏系数随温度变化发生漂移，带来测量误差；供电电压波动和绝缘电阻下降不属于温度误差的核心来源，因此选ABC。3.答案：ABCDE解析：目前商用可穿戴设备已经实现了心电、肌电、脉搏波、体表温度的常规检测，无创连续血糖监测设备也已经实现商业化普及，可通过植入或体表贴片方式实现连续无创血糖检测，因此五个选项都正确。4.答案：ACE解析：压电式传感器的输出是电荷信号，测量静态力时，电荷会通过放大器的输入阻抗和传感器本身的泄漏电阻逐渐泄漏，无法保持稳定输出，因此无法测量恒定静态力、恒定静态加速度、静态压力等不随时间变化的物理量，只能测量动态变化的物理量，因此选ACE。5.答案：ABCD解析：飞行时间法、三角测距法、干涉法、多普勒法都是激光测距常用的原理，电容耦合不属于激光测距的原理，因此选ABCD。三、简答题参考答案1.答：灵敏度是指传感器在稳态工作条件下，输出变化量Δy与输入变化量Δx的比值，定义式为S=Δy/Δx；对于线性传感器，灵敏度是校准曲线的固定斜率，对于非线性传感器，灵敏度随输入量的变化而变化，量纲为输出量纲除以输入量纲。灵敏度界限也叫分辨率，是指传感器能够检测出的被测输入量的最小变化量，也就是当输入量缓慢变化时，传感器输出能够产生可观测变化的最小输入增量，通常用满量程输入的百分比表示，也可以用绝对输入量表示，量纲与输入量相同。两者核心区别：灵敏度描述传感器对输入变化的放大能力，反映输出对输入变化的响应程度；灵敏度界限描述传感器分辨微小输入变化的能力，反映传感器能够感知的最小输入变化；灵敏度高不代表灵敏度界限小，两者是相互独立的不同性能指标。2.答：中间导体定律的内容为：在热电偶回路中插入任意中间导体，只要插入的中间导体两端温度相同，那么中间导体的引入不会改变热电偶回路的总热电势，总热电势仍然只与两个电极材料和两端温度有关。该定律在实际测温中的应用主要有三点：第一，实际测温需要在回路中接入连接导线和测量仪表，相当于引入了第三、第四种中间导体，只要保证所有接入点的温度一致，根据中间导体定律，接入导线和仪表不会改变总热电势，因此才可以实现热电势的准确测量，为热电偶的实际工程应用提供了理论基础。第二，简化了热电偶的安装与测量方式，比如测量金属工件表面温度时，可以将热电偶的两个电极直接焊接在工件表面，工件本身作为中间导体，只要两个焊点温度一致，就不会影响测量结果，不需要额外的绝缘结构，降低了安装难度。第三，为热电偶冷端补偿提供了理论基础，在冷端延伸、电桥补偿等补偿方法中，都需要引入中间导体，只要保证温度一致就不会引入额外误差，因此各类补偿方法才可以顺利实现。3.答：应变式传感器基于导体或半导体的应变效应工作，电阻随形变产生规律性变化。优点：测量精度高，技术成熟，温度补偿方案完善，输出稳定性好，测量范围大，适合从牛到数百吨的力值测量，成本较低。缺点：输出灵敏度较低，大形变下非线性误差较大，长期稳定性受粘接工艺影响，存在一定的滞后，不适合非接触测量。适用场景：工业测力、测压、扭矩测量、结构应力监测等，比如汽车衡、称重传感器、工业机器人末端力传感器都广泛采用应变式方案。电容式传感器基于电容参数变化工作，分为变极距、变面积、变介质三类。优点：灵敏度高，适合微小位移测量，功耗低，结构简单，耐高温耐腐蚀，可实现非接触测量，容易实现微型化和柔性化。缺点：输出存在非线性，寄生电容对测量精度影响大，信号处理电路复杂，易受环境温湿度干扰。适用场景：微位移测量、液位测量、非接触振动测量、柔性触觉传感器、可穿戴生理传感器等，比如智能手机触摸按键、工业液位计、柔性电子皮肤都采用电容式方案。对比来看，应变式传感器更适合中大量程的力值与应力测量，在高可靠性工业场景优势明显；电容式传感器更适合微小量测量和非接触、柔性应用场景，在新兴电子领域应用更广。4.答：自校准功能是指智能传感器内置校准程序和标准参考源，能够在工作过程中自动完成零点、灵敏度的校准，修正长期漂移和环境带来的误差，不需要人工拆卸送校，也不需要人工操作。自诊断功能是指智能传感器能够实时监测自身的工作状态，自动识别敏感单元故障、电路故障、连接故障，定位故障位置并输出故障提示。在工业物联网分布式传感场景下，通常有数十到数千个传感节点分散部署在复杂环境中，自校准与自诊断的工程价值主要体现在：第一，大幅降低运维校准成本，人工校准数千个节点的成本极高，自校准可以自动完成校准修正，延长校准周期，降低人力成本。第二，提高测量可靠性，长期工作中传感器容易受环境影响产生漂移，甚至发生故障，自校准可以实时修正漂移误差，自诊断可以及时发现故障，避免错误数据导致的决策失误或生产事故，提升系统整体可靠性。第三，适合无人值守应用，复杂环境下的测点往往无法频繁人工维护，自校准和自诊断可以保证传感器长期稳定工作，不需要人工干预，满足分布式无人监测的需求。四、分析计算题参考答案解：(1)传感器输出电压满足U=S×P+ΔU0，其中S为灵敏度，P为被测压力，ΔU0为零点漂移。已知U=14mV，ΔU0=0.8mV，S=2mV/MPa，因此修正零点漂移后的被测压力为P=(U-ΔU0)/S=(14-0.8)/2=6.6MPa。(2)传感器满量程输出UFS=S×PFS=2mV/MPa×10MPa=20mV，非线性误差为满量程输出的0.1%，因此最大绝对输出误差ΔU=0.1%×UFS=0.02mV，转换为压力的绝对误差Δ=ΔU/S=0.02mV/2mV/MPa=0.01MPa。相对误差γ=Δ/P×100%=0.01/6.6×100%≈0.152%。五、综合应用题参考答案(1)答：选择集成温度补偿的MEMS压阻式智能三轴加速度传感器，选择理由如下：①MEMS加速度传感器体积小、重量轻，粘贴在塔筒内壁不会改变塔筒本身的振动特性，适合多点分布式部署，安装方便，不需要复杂的固定结构；②MEMS加速度传感器功耗极低，待机电流可低至微安级，配合低功耗无线通信和能量收集模块，可实现电池供电5年以上工作，满足低功耗无人值守要求；③MEMS加速度传感器适合测量0~1kHz的低频振动，塔筒振动属于低频振动，压电式加速度传感器低频特性差，无法测量低频静态倾斜，而MEMS传感器低频特性好，可同时测量静态倾斜和低频振动，更适合该场景；④智能MEMS传感器集成了片上ADC、温度补偿和数据处理功能，输出数字信号，抗干扰能力强，适合山区户外复杂电磁环境，成本低廉，适合多测点部署。(2)答：MEMS压阻式加速度传感器的工作原理：核心结构为半导体加工的悬臂梁-质量块结构，四个压敏电阻扩散制作在悬臂梁根部，组成全桥测量电路。当传感器受到加速度作用时，质量块产生惯性力，使悬臂梁发生弯曲形变，形变导致压敏电阻阻值发生变化，根据牛顿