《傳感器應(yīng)用技術(shù)》期末試卷(附答案)一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于傳感器的描述中，正確的是（）A.傳感器僅能將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號B.傳感器的輸出信號只能是模擬信號C.傳感器的核心功能是實現(xiàn)信息的獲取與轉(zhuǎn)換D.所有傳感器均需外部電源才能工作2.壓阻式傳感器的敏感原理基于（）A.金屬的應(yīng)變效應(yīng)B.半導體的壓阻效應(yīng)C.壓電材料的壓電效應(yīng)D.光電材料的光電效應(yīng)3.熱電偶的熱電勢由（）組成A.接觸電勢與溫差電勢B.熱釋電效應(yīng)與壓電效應(yīng)C.霍爾效應(yīng)與磁阻效應(yīng)D.電阻應(yīng)變效應(yīng)與壓阻效應(yīng)4.測量某溫度場時，若傳感器響應(yīng)速度慢于溫度變化速度，會導致（）A.系統(tǒng)誤差B.隨機誤差C.動態(tài)誤差D.粗大誤差5.電感式傳感器的轉(zhuǎn)換原理是（）A.電磁感應(yīng)定律B.歐姆定律C.基爾霍夫定律D.楞次定律6.以下哪種傳感器常用于檢測氣體濃度？（）A.應(yīng)變片B.光電二極管C.氣敏電阻D.壓電陶瓷7.為提高電容式傳感器的靈敏度并減小非線性誤差，通常采用（）A.單極板結(jié)構(gòu)B.差動式結(jié)構(gòu)C.變介質(zhì)結(jié)構(gòu)D.變面積結(jié)構(gòu)8.霍爾傳感器的輸出與（）成正比A.輸入電流與磁感應(yīng)強度的乘積B.輸入電流與磁感應(yīng)強度的比值C.輸入電壓與磁感應(yīng)強度的乘積D.輸入電壓與磁感應(yīng)強度的比值9.以下傳感器中，屬于數(shù)字式傳感器的是（）A.熱電偶B.電感式位移傳感器C.光柵尺D.應(yīng)變片10.測量微小位移時，優(yōu)先選擇的傳感器是（）A.電阻式傳感器B.電容式傳感器C.熱電式傳感器D.磁電式傳感器二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的靜態(tài)特性指標主要包括線性度、靈敏度、______和______。2.應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的______效應(yīng)，其靈敏度系數(shù)由______和______共同決定。3.壓電傳感器的輸出信號為______，因此不能用于測量______信號（填“靜態(tài)”或“動態(tài)”）。4.光電傳感器按工作方式可分為透射式、______和______，其中______常用于檢測物體的接近或存在。5.熱電偶的冷端補償方法包括______、______和______（至少寫出三種）。6.氣敏傳感器的敏感材料通常為______半導體，其電阻值隨被測氣體濃度變化而______（填“增大”或“減小”）。7.電感式傳感器可分為自感式、______和______三類，其中______的靈敏度最高。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述傳感器動態(tài)特性的主要評價指標，并說明其物理意義。2.比較壓阻式傳感器與應(yīng)變片式傳感器的異同點（從敏感原理、靈敏度、溫度特性三方面分析）。3.說明電容式傳感器的主要干擾源及抑制措施。4.為什么壓電傳感器需要配置高輸入阻抗的前置放大器？請結(jié)合其等效電路解釋。5.設(shè)計一個基于光電傳感器的物體計數(shù)系統(tǒng)，需說明傳感器類型選擇、信號處理流程及抗干擾方法。四、分析設(shè)計題（每題10分，共20分）1.某稱重系統(tǒng)需測量0-500kg的負載，要求精度±0.5%FS。擬采用應(yīng)變片式稱重傳感器，已知應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，彈性體材料的彈性模量E=2×10^11Pa，泊松比μ=0.3。（1）說明應(yīng)變片在彈性體上的布置方式及理由；（2）計算當負載為500kg時，彈性體的應(yīng)變值（重力加速度g=9.8m/s2）；（3）若采用全橋測量電路，電源電壓U=5V，求此時電橋的輸出電壓。2.設(shè)計一個基于熱電偶的溫度測量系統(tǒng)，要求測量范圍0-800℃，精度±2℃。需完成以下任務(wù)：（1）選擇合適的熱電偶類型（需說明理由）；（2）畫出系統(tǒng)組成框圖（包含關(guān)鍵模塊）；（3）說明冷端補償?shù)木唧w實現(xiàn)方法及信號調(diào)理電路的功能。五、綜合應(yīng)用題（10分）隨著智能家居的普及，需設(shè)計一個家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，要求檢測溫度、濕度、光照強度和CO?濃度四項參數(shù)。請完成以下設(shè)計：（1）為每項參數(shù)選擇合適的傳感器（需說明型號及選擇理由）；（2）設(shè)計信號調(diào)理電路的基本結(jié)構(gòu)（需包含放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊）；（3）提出系統(tǒng)抗干擾的具體措施（至少3項）；（4）說明傳感器數(shù)據(jù)的通信方式及協(xié)議選擇（需結(jié)合實際應(yīng)用場景）。參考答案一、單項選擇題1.C2.B3.A4.C5.A6.C7.B8.A9.C10.B二、填空題1.遲滯；重復(fù)性2.應(yīng)變；幾何尺寸變化；電阻率變化3.電荷（或電壓）；靜態(tài)4.反射式；遮擋式；反射式5.冰浴法；電橋補償法；軟件補償法（或其他合理答案）6.金屬氧化物；變化（或“增大/減小”，具體取決于氣體類型）7.互感式；渦流式；差動變壓器式（互感式）三、簡答題1.動態(tài)特性評價指標包括：-時間常數(shù)τ：反映傳感器對階躍輸入的響應(yīng)速度，τ越小，響應(yīng)越快；-上升時間tr：輸入階躍信號后，輸出從10%上升到90%穩(wěn)態(tài)值的時間；-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，反映系統(tǒng)的振蕩特性；-頻率響應(yīng)特性（幅頻特性、相頻特性）：描述傳感器對不同頻率輸入信號的響應(yīng)能力，截止頻率越高，動態(tài)測量范圍越寬。2.異同點：-敏感原理：壓阻式基于半導體的壓阻效應(yīng)（電阻率變化）；應(yīng)變片式基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)（幾何尺寸變化）。-靈敏度：壓阻式靈敏度高（約50-200），應(yīng)變片式靈敏度低（約2）。-溫度特性：壓阻式對溫度敏感，需嚴格溫度補償；應(yīng)變片式溫度誤差較小，易補償。3.主要干擾源及抑制措施：-寄生電容干擾：傳感器與周圍導體間的雜散電容，可通過屏蔽線、驅(qū)動電纜法抑制；-電磁干擾：外部電磁場耦合，需采用金屬屏蔽外殼并接地；-溫度干擾：電容極板熱膨脹或介質(zhì)介電常數(shù)變化，可選用溫度系數(shù)小的材料（如石英）或設(shè)計差動結(jié)構(gòu)補償。4.壓電傳感器的等效電路為電荷源（Q）與電容（Cp）、漏電阻（Rp）并聯(lián)。其輸出電壓U=Q/(Cp+Cc+Ci)（Cc為電纜電容，Ci為放大器輸入電容）。若前置放大器輸入阻抗低，漏電流會導致電荷快速泄漏，信號衰減。因此需高輸入阻抗（>10^12Ω）放大器，減少電荷損失，確保信號不失真。5.設(shè)計方案：-傳感器類型：反射式光電傳感器（如紅外對管），被測物體通過時遮擋光線，輸出脈沖信號。-信號處理流程：光電轉(zhuǎn)換→放大（運放電路）→整形（施密特觸發(fā)器）→計數(shù)（單片機或計數(shù)器）。-抗干擾方法：采用紅外光源（避開可見光干擾）、設(shè)置閾值濾波（排除雜散光）、屏蔽電纜減少電磁干擾。四、分析設(shè)計題1.（1）布置方式：在彈性體（如懸臂梁）的上下表面對稱粘貼4片應(yīng)變片，組成全橋電路。理由：全橋可提高靈敏度（4倍半橋），且上下表面應(yīng)變符號相反，電橋輸出疊加；同時對稱布置可補償溫度引起的應(yīng)變誤差。（2）負載F=500kg×9.8=4900N，假設(shè)彈性體為矩形截面，截面積A=bh（b為寬度，h為厚度），應(yīng)力σ=F/A，應(yīng)變?yōu)棣?σ/E=F/(AE)。但題目未給截面尺寸，需假設(shè)應(yīng)變片粘貼于受拉/壓區(qū)，實際應(yīng)變與力成正比。若簡化為ε=F/(E·A)，但因缺少A，可通過稱重傳感器常用公式：ε=6FL/(Ebh2)（懸臂梁），但題目未給L、b、h，可能需默認已知或簡化。實際考試中可能給定參數(shù)，此處假設(shè)A=1×10^-4m2，則ε=4900/(2×10^11×1×10^-4)=2.45×10^-4（245με）。（3）全橋輸出電壓Uo=K·ε·U=2.0×2.45×10^-4×5=2.45×10^-3V=2.45mV。2.（1）熱電偶類型：K型（鎳鉻-鎳硅），測量范圍0-1300℃（滿足0-800℃），線性度好，成本低，適用于氧化性環(huán)境。（2）系統(tǒng)框圖：熱電偶→冷端補償模塊→信號放大（儀表放大器）→濾波（低通濾波器）→A/D轉(zhuǎn)換→微控制器→顯示/通信。（3）冷端補償：采用集成溫度傳感器（如AD590）測量冷端溫度，通過軟件查表（分度表）計算實際溫度；信號調(diào)理電路功能：放大微弱熱電勢（約40μV/℃，800℃時約32mV），抑制共模干擾（儀表放大器），濾除高頻噪聲（RC低通）。五、綜合應(yīng)用題（1）傳感器選擇：-溫度：DS18B20（數(shù)字式，單總線通信，精度±0.5℃，適合家庭環(huán)境）；-濕度：SHT30（I2C接口，精度±2%RH，低功耗）；-光照：BH1750（數(shù)字式，測量范圍1-65535lx，適合室內(nèi)光照檢測）；-CO?：MH-Z19B（紅外原理，量程0-5000ppm，UART輸出，適合家庭環(huán)境）。（2）信號調(diào)理電路：模擬傳感器（如無數(shù)字輸出時）需經(jīng)運放放大（如SHT30為數(shù)字，無需），RC低通濾波（截止頻率10Hz，濾除工頻干擾），通過ADC（如STM32內(nèi)部12位ADC