《傳感器應(yīng)用技術(shù)》考核試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種傳感器屬于能量控制型傳感器？A.熱電偶B.壓電式加速度傳感器C.電阻應(yīng)變片D.光電池2.金屬電阻應(yīng)變片的工作原理基于：A.壓阻效應(yīng)B.應(yīng)變效應(yīng)C.熱電效應(yīng)D.霍爾效應(yīng)3.測(cè)量0-100℃范圍內(nèi)的溫度，要求精度±0.5℃，最適合的傳感器是：A.PT100熱電阻B.K型熱電偶C.熱敏電阻（B值3500K）D.集成溫度傳感器LM354.電感式傳感器中，能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量的是：A.變氣隙式電感傳感器B.變面積式電感傳感器C.電渦流式電感傳感器D.差動(dòng)變壓器式電感傳感器5.光電傳感器中，用于檢測(cè)透明物體厚度的是：A.透射式光電傳感器B.反射式光電傳感器C.漫反射式光電傳感器D.槽式光電傳感器6.霍爾傳感器測(cè)量電流時(shí)，通常采用的方式是：A.直接串聯(lián)在電路中B.利用磁路將電流轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)C.通過(guò)熱效應(yīng)間接測(cè)量D.基于壓阻效應(yīng)轉(zhuǎn)換7.氣敏傳感器檢測(cè)甲烷氣體時(shí)，通常需要：A.高溫環(huán)境激活敏感材料B.保持絕對(duì)干燥環(huán)境C.避免光照干擾D.施加交變電場(chǎng)8.電容式傳感器測(cè)量液位時(shí)，若液體為非導(dǎo)電介質(zhì)，應(yīng)選擇：A.變極距型電容傳感器B.變面積型電容傳感器C.變介電常數(shù)型電容傳感器D.差動(dòng)式電容傳感器9.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量的原因是：A.輸出阻抗過(guò)高B.電荷容易泄漏C.靈敏度隨頻率降低而下降D.機(jī)械強(qiáng)度不足10.以下哪種傳感器可同時(shí)測(cè)量加速度、角速度和磁場(chǎng)？A.紅外傳感器B.MEMS慣性測(cè)量單元（IMU）C.激光位移傳感器D.超聲波傳感器二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要包括______、______、______和重復(fù)性。2.電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K表示______與______的比值。3.熱電偶的基本定律包括______、______和中間導(dǎo)體定律。4.光電效應(yīng)分為_(kāi)_____（如光電管）、______（如光敏電阻）和光生伏特效應(yīng)（如光電池）。5.電感式傳感器中，差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線呈______形狀，零點(diǎn)附近存在______現(xiàn)象。6.壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體材料的______效應(yīng)，其靈敏度比金屬應(yīng)變片高_(dá)_____倍以上。7.超聲波傳感器測(cè)距的基本公式為_(kāi)_____，其中t為超聲波往返時(shí)間，v為_(kāi)_____。8.氣敏傳感器的敏感材料主要有______（如SnO?）和固體電解質(zhì)（如ZrO?）兩大類(lèi)。9.電容式傳感器的寄生電容會(huì)導(dǎo)致______下降和______不穩(wěn)定，通常采用驅(qū)動(dòng)電纜法或______法抑制。10.MEMS傳感器的核心工藝是______技術(shù)，其特點(diǎn)是______、低功耗和集成化。三、判斷題（每題1分，共10分。正確打√，錯(cuò)誤打×）1.傳感器的線性度是指輸出-輸入特性曲線與理想直線的最大偏差與滿量程輸出的百分比。（）2.熱電阻的測(cè)量電路中，三線制接法可以完全消除導(dǎo)線電阻的影響。（）3.光電耦合器既能傳遞電信號(hào)，又能實(shí)現(xiàn)電氣隔離。（）4.壓電式傳感器配用電壓放大器時(shí)，輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)。（）5.電渦流式傳感器可以測(cè)量金屬材料的厚度、硬度和裂紋。（）6.半導(dǎo)體氣敏傳感器在清潔空氣中的電阻值比在被測(cè)氣體中的電阻值小。（）7.電容式接近傳感器可以檢測(cè)金屬和非金屬物體。（）8.熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩端溫度有關(guān)，與熱電極的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)。（）9.霍爾傳感器的靈敏度與霍爾系數(shù)成反比，與載流子濃度成正比。（）10.光纖傳感器按工作原理分為功能型（傳感型）和非功能型（傳光型），其中功能型光纖既傳光又傳感。（）四、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述應(yīng)變式傳感器的組成及工作流程。2.比較熱電阻與熱電偶的測(cè)溫原理及應(yīng)用場(chǎng)景差異。3.說(shuō)明光電傳感器中“暗電流”和“光電流”的定義，并解釋如何提高光電傳感器的信噪比。4.分析電感式傳感器中差動(dòng)結(jié)構(gòu)的作用，并舉例說(shuō)明其在位移測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)。5.列舉三種常見(jiàn)的氣體傳感器類(lèi)型，分別說(shuō)明其敏感機(jī)理及典型應(yīng)用。五、綜合分析題（每題10分，共20分）1.某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)測(cè)管道內(nèi)高壓蒸汽的壓力（范圍0-16MPa，溫度200-300℃），請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)傳感器選型方案：（1）推薦壓力傳感器類(lèi)型并說(shuō)明理由；（2）分析溫度對(duì)測(cè)量的影響及補(bǔ)償方法；（3）設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的基本結(jié)構(gòu)（畫(huà)出框圖并標(biāo)注關(guān)鍵元件）。2.智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要同時(shí)檢測(cè)光照強(qiáng)度、溫度、濕度和CO?濃度。請(qǐng)為每個(gè)參數(shù)選擇合適的傳感器類(lèi)型，說(shuō)明選型依據(jù)，并設(shè)計(jì)多傳感器數(shù)據(jù)融合的基本流程（要求包含數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、融合算法選擇和輸出決策四個(gè)環(huán)節(jié)）。參考答案一、單項(xiàng)選擇題1.C2.B3.D4.C5.A6.B7.A8.C9.B10.B二、填空題1.靈敏度、線性度、遲滯2.電阻相對(duì)變化率（ΔR/R）、應(yīng)變（ε）3.均質(zhì)導(dǎo)體定律、中間溫度定律4.外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)5.近似線性、零點(diǎn)殘余電壓6.壓阻、幾十至幾百7.距離L=v·t/2、超聲波在介質(zhì)中的傳播速度8.金屬氧化物半導(dǎo)體9.靈敏度、測(cè)量、屏蔽10.微機(jī)電加工（MEMS）、體積小三、判斷題1.√2.×（注：三線制可減小導(dǎo)線電阻影響，但不能完全消除）3.√4.×（注：電壓放大器輸出與電纜電容有關(guān)）5.√6.×（注：半導(dǎo)體氣敏傳感器在清潔空氣中電阻大，被測(cè)氣體中電阻小）7.√8.√9.×（注：霍爾靈敏度與霍爾系數(shù)成正比，與載流子濃度成反比）10.√四、簡(jiǎn)答題1.應(yīng)變式傳感器組成：彈性敏感元件（將被測(cè)力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變）、電阻應(yīng)變片（將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化）、測(cè)量電路（將電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）。工作流程：被測(cè)物理量（如力、壓力）作用于彈性元件→彈性元件產(chǎn)生機(jī)械形變→粘貼在其上的應(yīng)變片隨彈性元件形變產(chǎn)生電阻變化→通過(guò)電橋電路（如惠斯通電橋）將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)→經(jīng)放大、濾波后輸出可測(cè)量的電信號(hào)。2.測(cè)溫原理差異：熱電阻基于金屬或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性（ρ=f(T)）；熱電偶基于塞貝克效應(yīng)，兩種不同材料的導(dǎo)體組成閉合回路，兩端溫度不同時(shí)產(chǎn)生熱電勢(shì)（E=f(T1,T2)）。應(yīng)用場(chǎng)景差異：熱電阻適用于中低溫測(cè)量（-200℃~850℃），精度高（如PT100用于實(shí)驗(yàn)室）；熱電偶適用于高溫測(cè)量（0℃~1800℃），需參考端補(bǔ)償，常用于工業(yè)爐溫監(jiān)測(cè)。3.暗電流：無(wú)光照時(shí)，光電傳感器中由于熱激發(fā)等產(chǎn)生的微小電流；光電流：有光照時(shí)，由光子激發(fā)載流子產(chǎn)生的電流。提高信噪比方法：①選擇暗電流小的器件（如硅光電二極管優(yōu)于光敏電阻）；②采用調(diào)制光源（如紅外LED+鎖相放大）抑制背景光干擾；③降低傳感器工作溫度（減少熱激發(fā)載流子）；④優(yōu)化信號(hào)調(diào)理電路（如低噪聲前置放大器、帶通濾波器）。4.差動(dòng)結(jié)構(gòu)作用：①抵消非線性誤差（單線圈電感傳感器輸出呈非線性，差動(dòng)結(jié)構(gòu)可近似線性）；②提高靈敏度（輸出為兩個(gè)線圈變化量的差值，靈敏度加倍）；③抑制共模干擾（如溫度變化引起的零點(diǎn)漂移）。位移測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)舉例：差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量位移時(shí)，鐵芯移動(dòng)使兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓差動(dòng)變化，輸出電壓與位移成近似線性關(guān)系，相比單線圈結(jié)構(gòu)，線性范圍更大、抗干擾能力更強(qiáng)。5.（1）金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器（如TGS813）：敏感機(jī)理為表面吸附氣體后，半導(dǎo)體表面載流子濃度變化導(dǎo)致電阻變化；應(yīng)用：家庭燃?xì)庑孤z測(cè)（甲烷、丙烷）。（2）電化學(xué)氣體傳感器（如MQ-2測(cè)CO）：被測(cè)氣體在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電流；應(yīng)用：工業(yè)環(huán)境有毒氣體監(jiān)測(cè)（CO、H?S）。（3）紅外氣體傳感器（如NDIR測(cè)CO?）：利用氣體對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的吸收特性（比爾-朗伯定律），通過(guò)檢測(cè)透射光強(qiáng)反推濃度；應(yīng)用：室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)（CO?濃度）。五、綜合分析題1.（1）傳感器選型：推薦擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器。理由：測(cè)量范圍0-16MPa符合要求；硅材料耐高溫（可達(dá)300℃）；集成度高，適合工業(yè)環(huán)境；精度可達(dá)0.1%FS，滿足工業(yè)監(jiān)測(cè)需求。（2）溫度影響及補(bǔ)償：溫度升高會(huì)導(dǎo)致壓阻元件的零點(diǎn)漂移（溫度引起的初始電阻變化）和靈敏度漂移（壓阻系數(shù)隨溫度變化）。補(bǔ)償方法：①在傳感器內(nèi)部集成溫度傳感器（如PT1000），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度；②通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件補(bǔ)償（建立溫度-漂移模型，修正測(cè)量值）；③采用恒流源供電，減小溫度對(duì)電橋的影響。（3）信號(hào)調(diào)理電路框圖：壓力傳感器→前置放大器（低噪聲運(yùn)算放大器，如AD620）→濾波器（二階低通濾波器，截止頻率100Hz，濾除管道振動(dòng)噪聲）→A/D轉(zhuǎn)換器（16位，如ADS1115）→單片機(jī)（STM32，進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化處理）→4-20mA電流輸出（通過(guò)XTR115轉(zhuǎn)換）。2.（1）傳感器選型：光照強(qiáng)度：硅光電池或光敏二極管（響應(yīng)速度快，線性好，適合0-100klx范圍）；溫度：數(shù)字式傳感器DS18B20（單總線接口，精度±0.5℃，適合室內(nèi)）；濕度：電容式濕度傳感器SHT30（集成溫濕度測(cè)量，精度±2%RH）；CO?濃度：NDIR紅外氣體傳感器（如S8-MT）（抗干擾強(qiáng)，精度±30ppm+5%讀數(shù)）。（2）選型依據(jù)：各傳感器需滿足智能家居低功耗、小體積、數(shù)字輸出（便于集成）的要求，且精度符合環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（如溫度±1℃，濕度±5%RH）。（3）數(shù)據(jù)融合流程：①數(shù)據(jù)采集：通過(guò)I2C/SPI接口定時(shí)讀取各傳感器數(shù)