《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》考試試題(含答案)一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.以下關(guān)于傳感器的描述中，正確的是（）A.傳感器僅能將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)B.傳感器的敏感元件直接感受被測(cè)量并輸出電信號(hào)C.轉(zhuǎn)換元件的作用是將敏感元件輸出的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)D.所有傳感器均需外部電源才能工作2.金屬電阻應(yīng)變片的工作原理主要基于（）A.壓阻效應(yīng)B.應(yīng)變效應(yīng)C.熱電效應(yīng)D.光電效應(yīng)3.變極距型電容傳感器的靈敏度與極距的關(guān)系是（）A.靈敏度與極距成正比B.靈敏度與極距的平方成反比C.靈敏度與極距的平方成正比D.靈敏度與極距成反比4.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量的主要原因是（）A.壓電材料的居里點(diǎn)較低B.電荷容易通過測(cè)量電路泄漏C.壓電效應(yīng)僅在動(dòng)態(tài)應(yīng)力下產(chǎn)生D.輸出信號(hào)內(nèi)阻過高5.霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，輸出電壓與（）無關(guān)A.霍爾元件的厚度B.激勵(lì)電流C.磁場(chǎng)強(qiáng)度D.環(huán)境溫度6.以下屬于能量控制型傳感器的是（）A.熱電偶B.壓電式加速度計(jì)C.電感式位移傳感器D.光電二極管7.為了減小應(yīng)變片溫度誤差，可采用的補(bǔ)償方法是（）A.將應(yīng)變片與熱敏電阻串聯(lián)B.在同一彈性元件上粘貼溫度補(bǔ)償片C.增大應(yīng)變片的工作電流D.采用半導(dǎo)體應(yīng)變片替代金屬應(yīng)變片8.增量式光電編碼器輸出的信號(hào)不包括（）A.相位差90°的A、B脈沖B.零位脈沖ZC.絕對(duì)位置編碼D.脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比9.電渦流傳感器的工作原理基于（）A.電磁感應(yīng)中的渦流效應(yīng)B.電容的變介電常數(shù)效應(yīng)C.壓電材料的逆壓電效應(yīng)D.霍爾元件的磁電轉(zhuǎn)換10.以下關(guān)于熱電偶的描述，錯(cuò)誤的是（）A.熱電偶必須由兩種不同材料的導(dǎo)體組成B.只有當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)才會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)C.中間導(dǎo)體定律說明在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體不影響總熱電勢(shì)D.冷端溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖窍裏岫藴囟炔▌?dòng)的影響11.壓阻式傳感器的核心元件是（）A.金屬應(yīng)變片B.半導(dǎo)體應(yīng)變層C.壓電陶瓷D.電感線圈12.測(cè)量液體壓力時(shí)，應(yīng)選擇（）A.電容式壓力傳感器（非接觸式）B.應(yīng)變式壓力傳感器（接觸式）C.光電式壓力傳感器（光學(xué)測(cè)量）D.熱電式壓力傳感器（溫度敏感）13.光纖傳感器中，用于測(cè)量位移的強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的關(guān)鍵是（）A.光纖的折射率變化B.光強(qiáng)隨位移變化的調(diào)制關(guān)系C.光纖的偏振態(tài)變化D.光的干涉效應(yīng)14.以下傳感器中，適合測(cè)量微小位移（如μm級(jí)）的是（）A.電阻式電位器B.電感式差動(dòng)變壓器C.電容式變極距傳感器D.電渦流傳感器15.氣體濃度檢測(cè)中，廣泛使用的半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理是（）A.氣體分子吸附導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率變化B.氣體與傳感器材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量C.氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)光的吸收D.氣體壓力變化引起電容變化二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的基本組成包括________、________和信號(hào)調(diào)理電路三部分。2.電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)S定義為________與________的比值。3.電容傳感器的三種基本類型是________、________和變介電常數(shù)型。4.電感式傳感器可分為自感式、________和________三類，其中________傳感器的線性度和靈敏度較高。5.壓電材料分為________、________和高分子壓電材料三類，常用的壓電陶瓷是________。6.霍爾效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為________，其中KH稱為________。7.熱電偶的基本定律包括均質(zhì)導(dǎo)體定律、________和________，其中________定律是冷端溫度補(bǔ)償?shù)睦碚撘罁?jù)。8.光電傳感器按工作原理可分為________、________、________和光纖式光電傳感器。9.為了提高傳感器的性能，常用的技術(shù)措施有________、________、________和智能化設(shè)計(jì)。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.比較金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體壓阻式傳感器的工作原理、靈敏度及溫度特性差異。2.說明電容式傳感器的主要優(yōu)缺點(diǎn)，并列舉三種減小其寄生電容影響的措施。3.簡(jiǎn)述電感式差動(dòng)變壓器（LVDT）的工作原理，并說明其輸出特性曲線的特點(diǎn)。4.光電編碼器分為哪兩類？分別說明其輸出信號(hào)特點(diǎn)及在位移測(cè)量中的應(yīng)用差異。5.壓電式傳感器為何通常用于動(dòng)態(tài)測(cè)量？若需測(cè)量靜態(tài)力，可采取哪些改進(jìn)措施？四、分析設(shè)計(jì)題（每題10分，共20分）1.設(shè)計(jì)一個(gè)基于應(yīng)變片的電子秤，要求測(cè)量范圍0~50kg，精度±0.1kg。需說明：（1）彈性元件的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）應(yīng)變片的粘貼位置與橋路連接方式；（3）溫度補(bǔ)償方案；（4）信號(hào)調(diào)理與顯示模塊的設(shè)計(jì)思路。2.某生產(chǎn)線需檢測(cè)帶材（如鋼板）的跑偏量（即帶材中心線與基準(zhǔn)線的偏移距離），要求測(cè)量范圍±50mm，精度±1mm。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種基于光電傳感器的檢測(cè)方案，需詳細(xì)說明：（1）傳感器類型及布局；（2）光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理；（3）跑偏量的計(jì)算方法；（4）信號(hào)處理與報(bào)警模塊的實(shí)現(xiàn)思路。參考答案一、單項(xiàng)選擇題1.C2.B3.B4.B5.D6.C7.B8.C9.A10.D11.B12.B13.B14.C15.A二、填空題1.敏感元件；轉(zhuǎn)換元件2.電阻相對(duì)變化率（ΔR/R）；應(yīng)變（ε）3.變極距型；變面積型4.互感式（差動(dòng)變壓器式）；電渦流式；差動(dòng)變壓器式5.壓電單晶（如石英）；壓電陶瓷（如PZT）；鈦酸鋇（或PZT）6.UH=KHIB；霍爾靈敏度系數(shù)7.中間導(dǎo)體定律；中間溫度定律；中間溫度8.透射式；反射式；漫反射式9.非線性補(bǔ)償；溫度補(bǔ)償；誤差校正三、簡(jiǎn)答題1.（1）工作原理：金屬應(yīng)變片基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)（幾何尺寸變化引起電阻變化）；壓阻式傳感器基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)（電阻率變化引起電阻變化）。（2）靈敏度：壓阻式傳感器靈敏度遠(yuǎn)高于金屬應(yīng)變片（約高50~100倍）。（3）溫度特性：金屬應(yīng)變片溫度誤差主要由電阻溫度系數(shù)引起，可通過補(bǔ)償片減小；壓阻式傳感器溫度誤差由壓阻系數(shù)的溫度依賴性及電阻率溫度系數(shù)共同引起，需采用恒溫或電橋補(bǔ)償電路。2.優(yōu)點(diǎn)：非接觸測(cè)量、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：寄生電容影響大、輸出非線性（變極距型）、負(fù)載能力差。改進(jìn)措施：①采用驅(qū)動(dòng)電纜法（將傳感器與前置放大器的輸入電纜屏蔽層接至放大器輸出端，形成等電位屏蔽）；②整體屏蔽（將傳感器與調(diào)理電路置于同一屏蔽殼內(nèi)）；③采用運(yùn)算放大器法（利用運(yùn)放高輸入阻抗減小漏電流）。3.工作原理：LVDT由初級(jí)線圈、兩個(gè)對(duì)稱次級(jí)線圈和可動(dòng)鐵芯組成。初級(jí)線圈通交變電流后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，鐵芯移動(dòng)時(shí)改變兩個(gè)次級(jí)線圈的互感，次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差與鐵芯位移成線性關(guān)系。輸出特性：當(dāng)鐵芯在中心位置時(shí)，兩次級(jí)電動(dòng)勢(shì)大小相等、相位相反，輸出電壓為零（零點(diǎn)殘余電壓）；鐵芯偏離中心時(shí)，輸出電壓與位移成正比，相位反映位移方向。4.分類：絕對(duì)式光電編碼器和增量式光電編碼器。輸出特點(diǎn)：絕對(duì)式編碼器輸出與位置對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制（或格雷碼）編碼，直接表示絕對(duì)位置；增量式編碼器輸出A、B兩相正交脈沖（頻率反映轉(zhuǎn)速）和Z相零位脈沖（標(biāo)記參考點(diǎn)）。應(yīng)用差異：絕對(duì)式適合需要實(shí)時(shí)絕對(duì)位置的場(chǎng)景（如數(shù)控機(jī)床定位）；增量式需通過計(jì)數(shù)獲得相對(duì)位置，適合轉(zhuǎn)速測(cè)量或短距離位移測(cè)量（需配合參考點(diǎn)校準(zhǔn)）。5.原因：壓電傳感器輸出為電荷信號(hào)，測(cè)量電路輸入阻抗極高，靜態(tài)力作用下電荷會(huì)通過絕緣電阻緩慢泄漏，導(dǎo)致輸出信號(hào)衰減。改進(jìn)措施：①采用電荷放大器（高輸入阻抗，減少電荷泄漏）；②結(jié)合力平衡原理（如壓電式力平衡傳感器，通過反饋抵消靜態(tài)力引起的電荷變化）；③使用高絕緣材料（如聚四氟乙烯）降低泄漏電流。四、分析設(shè)計(jì)題1.（1）彈性元件選擇：懸臂梁結(jié)構(gòu)（矩形截面，材料為40Cr鋼，長(zhǎng)度L=100mm，寬度b=20mm，厚度h=5mm），其應(yīng)變分布均勻，易于粘貼應(yīng)變片。（2）應(yīng)變片粘貼：在懸臂梁上表面受拉區(qū)和下表面受壓區(qū)各粘貼兩片應(yīng)變片（共4片），組成全橋電路（R1、R2上表面，R3、R4下表面），全橋可提高靈敏度并抑制共模干擾。（3）溫度補(bǔ)償：將補(bǔ)償片粘貼在與彈性元件同材料、同環(huán)境的補(bǔ)償塊上，接入電橋的相鄰臂（如R1與補(bǔ)償片R1’），利用溫度引起的電阻變化相互抵消。（4）信號(hào)調(diào)理：電橋輸出經(jīng)儀表放大器（如AD620，增益1000）放大，通過低通濾波器（截止頻率10Hz）濾除噪聲，再經(jīng)16位A/D轉(zhuǎn)換器（如ADS1115）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)（STM32）計(jì)算重量（重量=應(yīng)變×彈性模量×截面積/（重力加速度×梁長(zhǎng)）），最后通過LCD顯示。2.（1）傳感器類型及布局：采用對(duì)射式光電傳感器陣列，發(fā)射端為線性排列的LED（波長(zhǎng)850nm，間距2mm，共50個(gè)），接收端為對(duì)應(yīng)的光電二極管陣列（與發(fā)射端一一對(duì)應(yīng)）。發(fā)射端與接收端分別安裝在帶材兩側(cè)，基準(zhǔn)線對(duì)齊陣列中心。（2）信號(hào)轉(zhuǎn)換：帶材跑偏時(shí)遮擋部分LED光線，接收端對(duì)應(yīng)位置的光電二極管輸出電流減小。通過掃描電路依次讀取各光電二極管的輸出電壓（經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換），得到被遮擋的位置。（3）跑偏量計(jì)算：設(shè)未跑偏時(shí)中心位置為第25號(hào)光電二極管（對(duì)應(yīng)0mm），若跑偏后被遮擋的最左位置為i