《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于傳感器的定義，最準(zhǔn)確的是（）A.能將電信號轉(zhuǎn)換為非電信號的裝置B.能感受被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置C.僅用于工業(yè)自動化的檢測設(shè)備D.依賴單片機才能工作的信號處理單元答案：B2.下列傳感器中，基于壓電效應(yīng)工作的是（）A.應(yīng)變式力傳感器B.壓電式加速度傳感器C.熱電阻溫度傳感器D.電容式位移傳感器答案：B3.傳感器的靜態(tài)特性中，線性度是指（）A.輸出信號隨時間變化的能力B.傳感器輸出與輸入之間的實際曲線與理想直線的偏離程度C.傳感器對輸入變化的響應(yīng)速度D.傳感器在相同條件下多次測量的一致性答案：B4.熱電偶溫度傳感器的工作原理基于（）A.熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）B.光電效應(yīng)C.壓阻效應(yīng)D.霍爾效應(yīng)答案：A5.下列屬于數(shù)字式傳感器的是（）A.應(yīng)變片B.光柵位移傳感器C.熱電偶D.電容式壓力傳感器答案：B6.霍爾傳感器用于測量（）時，需利用其對磁場的敏感特性A.溫度B.位移C.加速度D.電流答案：D7.光纖傳感器按工作原理可分為功能型（傳感型）和非功能型（傳光型），其中功能型光纖傳感器的特點是（）A.光纖僅作為傳光介質(zhì)，敏感元件獨立B.光纖同時作為敏感元件和傳光介質(zhì)C.測量精度較低D.結(jié)構(gòu)復(fù)雜但成本低答案：B8.壓阻式傳感器的核心敏感元件是（）A.金屬應(yīng)變片B.半導(dǎo)體應(yīng)變片C.壓電陶瓷D.電容極板答案：B9.下列傳感器中，適合用于微小位移測量（精度要求±0.1μm）的是（）A.電感式位移傳感器（精度±1μm）B.激光干涉式位移傳感器（精度±0.01μm）C.電阻式位移傳感器（精度±0.5mm）D.超聲波位移傳感器（精度±1mm）答案：B10.氣體傳感器中，用于檢測可燃?xì)怏w（如甲烷）的常用類型是（）A.電化學(xué)氣體傳感器B.半導(dǎo)體氣體傳感器C.紅外氣體傳感器D.接觸燃燒式氣體傳感器答案：D二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器一般由______、______和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。答案：敏感元件；轉(zhuǎn)換元件2.衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有線性度、______、______、重復(fù)性和漂移等。答案：靈敏度；遲滯3.應(yīng)變式傳感器的核心元件是______，其工作原理基于______效應(yīng)。答案：應(yīng)變片；電阻應(yīng)變4.壓電式傳感器不能測量______信號，原因是其等效電路存在______效應(yīng)。答案：靜態(tài)（或直流）；電荷泄漏5.光電傳感器的基本類型包括______、______、______和顏色傳感器等。答案：透射式；反射式；漫反射式6.熱電阻溫度傳感器常用的材料有______和______，其中______的測量精度更高。答案：鉑；銅；鉑7.電容式傳感器按結(jié)構(gòu)可分為______、______和______三種類型。答案：變極距型；變面積型；變介電常數(shù)型8.霍爾傳感器的輸出電壓與______、______和______成正比。答案：激勵電流；磁感應(yīng)強度；霍爾系數(shù)三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述傳感器動態(tài)特性的定義及主要評價指標(biāo)。答案：傳感器的動態(tài)特性是指其對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)能力。主要評價指標(biāo)包括：（1）時間常數(shù)τ：反映傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值63.2%所需的時間；（2）上升時間tr：輸出從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時間；（3）超調(diào)量σ：輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值的百分比；（4）穩(wěn)定時間ts：輸出進入穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）范圍內(nèi)不再變化所需的時間；（5）頻率響應(yīng)特性：包括幅頻特性（輸出幅值隨輸入頻率的變化）和相頻特性（輸出相位隨輸入頻率的變化）。2.比較電感式傳感器和電容式傳感器在位移測量中的優(yōu)缺點。答案：電感式傳感器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性范圍較大、抗干擾能力較強；缺點：存在渦流損耗和磁滯損耗，高頻響應(yīng)較差，易受外界磁場干擾。電容式傳感器優(yōu)點：分辨率高（可達0.01μm）、動態(tài)響應(yīng)好（可測高頻位移）、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低；缺點：寄生電容影響大（需屏蔽）、非線性誤差較大（變極距型）、對環(huán)境濕度敏感。3.說明熱電偶溫度測量中“冷端補償”的必要性及常用補償方法。答案：必要性：熱電偶的熱電勢大小取決于熱端（測量端）和冷端（參考端）的溫差。若冷端溫度不為0℃，則實際熱電勢會偏離分度表的參考值（分度表以冷端0℃為基準(zhǔn)），因此需對冷端溫度進行補償以保證測量精度。常用方法：（1）冷端恒溫法：將冷端置于0℃恒溫槽（如冰水混合物）；（2）冷端溫度修正法：測量冷端溫度t0，利用分度表查得t0對應(yīng)的熱電勢E(t0,0)，總熱電勢E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)；（3）補償電橋法：在熱電偶回路中接入不平衡電橋，電橋輸出電壓隨冷端溫度變化，抵消冷端溫度波動的影響；（4）集成溫度傳感器補償法：利用AD590等溫度傳感器測量冷端溫度，通過單片機計算并修正。4.簡述光纖傳感器的工作原理，并舉例說明其在工程中的應(yīng)用。答案：工作原理：光纖傳感器利用光在光纖中的傳播特性（如光強、波長、相位、偏振態(tài)）隨外界被測參數(shù)（如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場）變化的特性，將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為光信號的變化，再通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號輸出。工程應(yīng)用舉例：（1）橋梁健康監(jiān)測：利用光纖布拉格光柵（FBG）傳感器監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度，實現(xiàn)長期、分布式的結(jié)構(gòu)安全預(yù)警；（2）石油管道泄漏檢測：通過分布式光纖溫度傳感器（DTS）實時監(jiān)測管道周圍溫度場變化，定位泄漏點；（3）電力設(shè)備監(jiān)測：利用光纖電流傳感器（基于法拉第磁光效應(yīng)）測量高壓線路電流，避免傳統(tǒng)電磁式傳感器的絕緣問題。5.分析半導(dǎo)體氣體傳感器的工作機制及在智能家居中的典型應(yīng)用。答案：工作機制：半導(dǎo)體氣體傳感器通常采用金屬氧化物（如SnO2、ZnO）作為敏感材料。當(dāng)氣體（如CO、CH4）吸附在敏感材料表面時，會與表面的氧離子發(fā)生反應(yīng)，改變材料的電導(dǎo)率。例如，還原性氣體（如CO）會奪取表面吸附的氧離子，釋放電子，使n型半導(dǎo)體（如SnO2）的電導(dǎo)率增加；氧化性氣體（如O3）會吸附更多氧離子，捕獲電子，使電導(dǎo)率降低。通過測量電導(dǎo)率變化可檢測氣體濃度。智能家居應(yīng)用：（1）廚房燃?xì)庑孤┍O(jiān)測：集成半導(dǎo)體氣體傳感器的智能燃?xì)鈭缶鳎?dāng)檢測到甲烷濃度超過閾值時，觸發(fā)聲光報警并自動關(guān)閉燃?xì)忾y門；（2）室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測：檢測甲醛、VOC（揮發(fā)性有機物）等有害氣體濃度，聯(lián)動新風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣；（3）智能空調(diào)聯(lián)動：通過檢測人體呼吸產(chǎn)生的CO2濃度，自動調(diào)節(jié)空調(diào)的換氣頻率，提升舒適度。四、分析題（每題10分，共20分）1.某工廠的壓力測量系統(tǒng)采用應(yīng)變式壓力傳感器，近期發(fā)現(xiàn)測量值出現(xiàn)周期性波動（波動頻率與車間電機運行頻率一致），請分析可能的故障原因及解決措施。答案：可能原因：（1）電磁干擾：車間電機運行時產(chǎn)生的電磁場耦合到傳感器信號線上，導(dǎo)致輸出信號疊加干擾噪聲；（2）機械振動傳遞：電機振動通過安裝支架傳遞到傳感器，引起應(yīng)變片機械應(yīng)變的額外變化；（3）信號調(diào)理電路抗干擾能力不足：放大電路或濾波電路設(shè)計不合理，未有效抑制工頻（50Hz）或電機諧波頻率的干擾。解決措施：（1）電磁屏蔽：為傳感器信號線添加金屬屏蔽層，并單點接地，減少電磁耦合；（2）機械隔離：在傳感器與安裝支架之間增加橡膠減震墊，阻斷振動傳遞路徑；（3）優(yōu)化信號調(diào)理電路：在放大電路前級增加低通濾波器（截止頻率低于電機運行頻率），或采用鎖相放大器提取有用信號；（4）接地處理：確保傳感器、信號調(diào)理電路和采集設(shè)備共地，避免地電位差引起的干擾。2.設(shè)計一個基于傳感器的智能農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，需實現(xiàn)溫度、濕度、光照強度和土壤濕度的實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動控制通風(fēng)、灌溉和補光。請說明：（1）所需傳感器類型及選型依據(jù)；（2）信號傳輸與處理流程；（3）控制邏輯設(shè)計。答案：（1）傳感器類型及選型依據(jù)：-溫度傳感器：選擇數(shù)字式單總線傳感器DS18B20（精度±0.5℃，防水封裝，適合大棚高濕環(huán)境）；-濕度傳感器：采用電容式溫濕度一體傳感器SHT30（精度±2%RH，響應(yīng)時間快，抗冷凝）；-光照強度傳感器：選擇硅光電池型傳感器（如BH1750FVI，測量范圍0-65535lux，I2C接口，適合弱光到強光場景）；-土壤濕度傳感器：采用頻域反射（FDR）式傳感器（如SM100，測量土壤體積含水量，抗鹽害能力強，避免電極極化）。（2）信號傳輸與處理流程：-傳感器輸出：DS18B20（數(shù)字信號）、SHT30（I2C數(shù)字信號）、BH1750（I2C數(shù)字信號）、SM100（4-20mA模擬信號）；-信號采集：通過STM32單片機的GPIO口讀取DS18B20數(shù)據(jù)，I2C接口讀取SHT30和BH1750數(shù)據(jù)，AD轉(zhuǎn)換模塊采集SM100的4-20mA信號；-數(shù)據(jù)處理：單片機對原始數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)（如溫度補償濕度值）、濾波（滑動平均濾波消除噪聲），并轉(zhuǎn)換為工程單位（如℃、%RH、lux、%Vol）；-數(shù)據(jù)傳輸：通過LoRa無線模塊將處理后的數(shù)據(jù)上傳至云平臺（如阿里云IoT），同時本地LCD顯示實時數(shù)據(jù)；-存儲與顯示：云平臺存儲歷史數(shù)據(jù)并生成趨勢圖，用戶通過手機APP或PC端查看。（3）控制邏輯設(shè)計：-通風(fēng)控制：當(dāng)溫度＞30℃或濕度＞85%RH時，啟動排風(fēng)扇；溫度≤25℃且濕度≤75%RH時，關(guān)閉排風(fēng)扇；-灌溉控制：土壤濕度＜30%Vol時，開啟電磁閥灌溉；土壤濕度≥50%Vol時，關(guān)閉電磁閥（設(shè)置延時避免頻繁啟停）；-補光控制：光照強度＜2000lux且處于作物生長關(guān)鍵期（如開花期）時，開啟LED植物補光燈；光照強度≥5000lux時，關(guān)閉補光燈（需結(jié)合時間控制，避免夜間誤觸發(fā)）。五、綜合應(yīng)用題（20分）某汽車制造商計劃開發(fā)一款新型智能座椅，需通過傳感器實現(xiàn)以下功能：（1）座椅壓力分布監(jiān)測（用于坐姿識別）；（2）駕駛員心率監(jiān)測；（3）座椅溫度調(diào)節(jié)（加熱/冷卻）。請設(shè)計傳感器系統(tǒng)方案，要求：（1）明確各功能對應(yīng)的傳感器類型及工作原理；（2）說明傳感器與座椅結(jié)構(gòu)的集成方式；（3）提出信號處理與控制策略。答案：1.各功能對應(yīng)的傳感器類型及工作原理：（1）座椅壓力分布監(jiān)測：-傳感器類型：柔性壓阻式傳感器陣列（如PVDF壓電薄膜或碳納米管復(fù)合薄膜傳感器）。-工作原理：壓阻式傳感器的電阻值隨施加壓力變化而變化。將多個傳感器按矩陣（如8×8或16×16）排列在座椅表面，通過掃描電路依次讀取每個傳感器的電阻值，轉(zhuǎn)換為壓力值后，通過算法（如支持向量機）識別坐姿（如前傾、后仰、側(cè)偏）。（2）駕駛員心率監(jiān)測：-傳感器類型：光電容積脈搏波（PPG）傳感器。-工作原理：PPG傳感器由LED（紅光或綠光）和光電探測器組成。LED發(fā)射的光穿透皮膚組織后，被血液中的血紅蛋白吸收，未被吸收的光由探測器接收。心臟收縮時，血液流量增加，光吸收量增大，探測器輸出信號減弱；心臟舒張時相反。通過分析信號的周期性波動可提取心率（60-100次/分鐘）。（3）座椅溫度調(diào)節(jié)：-傳感器類型：熱電堆溫度傳感器（非接觸式）或NTC熱敏電阻（接觸式）。-工作原理：熱電堆傳感器通過檢測人體紅外輻射（波長約10μm）的強度，換算為表面溫度（精度±0.5℃）；NTC熱敏電阻通過電阻隨溫度的負(fù)指數(shù)變化特性（B值常數(shù)）測量座椅表面溫度（精度±0.1℃）。2.傳感器與座椅結(jié)構(gòu)的集成方式：（1）壓力分布傳感器：將柔性傳感器陣列嵌入座椅面套與海綿之間，采用薄型封裝（厚度＜1mm）以避免影響乘坐舒適性。傳感器陣列的引出線通過座椅骨架內(nèi)部的線槽連接至控制模塊。（2）心率監(jiān)測傳感器：將PPG模塊集成于座椅扶手內(nèi)側(cè)（駕駛員手腕自然放置位置）或頭枕下方（接觸頸部皮膚）。LED和探測器需與皮膚保持0-2mm距離，表面覆蓋透光硅膠保護罩。（3）溫度傳感器：熱電堆傳感器安裝于座椅面套下方（朝向人體），視角覆蓋人體主要接觸區(qū)域；NTC熱敏電阻均勻分布在座椅加熱/冷卻層（如PTC加熱片或半導(dǎo)體制冷片）附近，用于實時監(jiān)測座椅表面溫度。3.信號處理與控制策略：（1）壓力分布信號處理：-前端采集：通過多路模擬開關(guān)依次選通傳感器陣列中的每個單元，經(jīng)儀表放大器（增益100-1000倍）放大后，由12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；-特征提?。河嬎銐毫Ψ植嫉闹匦淖鴺?biāo)、各區(qū)域壓力值的標(biāo)準(zhǔn)差（反映坐姿對稱性）；-坐姿識別：將特征值輸入預(yù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（如CNN），輸出坐姿類別（正常、前傾、左偏等），若識別為不良坐姿（如持續(xù)前傾30分鐘），通過座椅振動或語音提示糾正。（2）心率信號處理：-噪聲抑制：PPG信號易受運動干擾（如駕駛員手臂移動），采用自適應(yīng)濾波算法（LMS）結(jié)合加速度傳感器（監(jiān)測運動狀態(tài)）去除噪聲；-心率提?。簩V波后的信號進行快速傅里葉變換（FFT），提取主頻率分量（對應(yīng)心率）；-