《傳感器與檢測技術(shù)》期末考試試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于傳感器的描述中，正確的是（）。A.傳感器僅能將非電物理量轉(zhuǎn)換為電信號B.傳感器的核心是敏感元件，轉(zhuǎn)換元件可有可無C.傳感器的輸出信號可以是電壓、電流或頻率等形式D.所有傳感器的測量范圍越大，精度越高2.傳感器的靜態(tài)特性中，“線性度”是指（）。A.輸入量隨時間變化時輸出量的跟蹤能力B.多次測量同一輸入時輸出的一致性C.實際輸出-輸入特性曲線與理想直線的偏離程度D.輸出量變化與引起該變化的輸入量變化的比值3.金屬應(yīng)變片的工作原理主要基于（）。A.壓電效應(yīng)B.壓阻效應(yīng)C.應(yīng)變電阻效應(yīng)D.熱電效應(yīng)4.變氣隙式電感傳感器的輸出特性呈非線性，為改善這一問題，通常采用（）。A.增加線圈匝數(shù)B.采用差動結(jié)構(gòu)C.減小氣隙初始長度D.增大激勵電流5.電容式傳感器中，變極距式傳感器的靈敏度與初始極距的關(guān)系是（）。A.靈敏度與初始極距成正比B.靈敏度與初始極距的平方成反比C.靈敏度與初始極距無關(guān)D.靈敏度與初始極距的平方根成反比6.下列光電效應(yīng)中，屬于內(nèi)光電效應(yīng)的是（）。A.光電管的光電發(fā)射效應(yīng)B.光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)C.光電池的光生伏特效應(yīng)D.B和C7.壓電傳感器適用于測量（）。A.靜態(tài)力B.緩慢變化的力C.動態(tài)力或振動D.所有類型的力8.熱電偶測量溫度時，若冷端溫度不為0℃，需進(jìn)行補(bǔ)償，常用方法是（）。A.增大熱端面積B.采用補(bǔ)償導(dǎo)線并配合冷端溫度補(bǔ)償電路C.減少熱端與冷端的距離D.提高熱電偶材料的純度9.霍爾傳感器的物理基礎(chǔ)是（）。A.熱電效應(yīng)B.磁阻效應(yīng)C.霍爾效應(yīng)D.壓電效應(yīng)10.以下關(guān)于濕度傳感器的描述中，錯誤的是（）。A.電容式濕度傳感器通過介電常數(shù)變化測量濕度B.電阻式濕度傳感器的電阻值隨濕度增加而減小（對濕敏材料而言）C.濕度傳感器的響應(yīng)時間越短，性能越優(yōu)D.所有濕度傳感器均需在高溫環(huán)境下工作二、填空題（每題2分，共20分）1.傳感器一般由敏感元件、（）和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。2.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)包括線性度、靈敏度、（）和重復(fù)性等。3.金屬應(yīng)變片的溫度誤差可通過（）法或溫度自補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償。4.電感式傳感器按轉(zhuǎn)換原理可分為自感式、（）和電渦流式三類。5.電容式傳感器的三種基本類型是變面積式、變極距式和（）。6.光敏二極管工作時通常施加（）偏置電壓，其反向電流隨光照增強(qiáng)而增大。7.壓電材料可分為壓電晶體、（）和高分子壓電材料三類。8.熱電偶的熱電勢由（）電勢和接觸電勢兩部分組成。9.霍爾元件的輸出電壓與（）、磁感應(yīng)強(qiáng)度及載流子濃度成反比。10.氣敏傳感器的核心是（）材料，其電學(xué)性質(zhì)隨接觸氣體的成分或濃度變化而改變。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述傳感器靜態(tài)特性與動態(tài)特性的區(qū)別，并列出各自的主要指標(biāo)。2.應(yīng)變片測量電路中，為何通常采用差動電橋？請從靈敏度、非線性誤差和溫度補(bǔ)償三個方面說明。3.電感式傳感器為何通常設(shè)計為差動結(jié)構(gòu)？對比單線圈結(jié)構(gòu)，差動結(jié)構(gòu)有哪些優(yōu)勢？4.光電傳感器由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？請舉例說明其在工業(yè)檢測中的應(yīng)用。5.壓電傳感器為何不能用于靜態(tài)測量？若需測量靜態(tài)力，可采取哪些改進(jìn)措施？四、分析計算題（每題10分，共20分）1.某金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R=120Ω。將其接入單臂電橋（電橋電源電壓U=5V，其余橋臂為相同固定電阻），當(dāng)被測應(yīng)變ε=1000με時，求電橋的輸出電壓ΔU。（注：1με=1×10??）2.某變極距式電容傳感器的初始極板面積A=20mm2，初始極距d?=0.1mm，極板間介質(zhì)為空氣（介電常數(shù)ε?=8.85×10?12F/m）。當(dāng)極板因被測位移Δd=0.01mm（Δd<<d?）而靠近時，求：（1）初始電容C?；（2）電容變化量ΔC；（3）傳感器的靈敏度S（ΔC/Δd）。一、單項選擇題答案1.C（傳感器可轉(zhuǎn)換非電或電物理量，輸出形式多樣；測量范圍與精度無必然正相關(guān)）2.C（線性度是實際特性與理想直線的偏離程度）3.C（金屬應(yīng)變片基于應(yīng)變引起的電阻變化，即應(yīng)變電阻效應(yīng)；壓阻效應(yīng)為半導(dǎo)體特性）4.B（差動結(jié)構(gòu)可抵消非線性誤差，提高靈敏度）5.B（變極距式靈敏度S=εA/d?2，與初始極距平方成反比）6.D（內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)和光生伏特效應(yīng)；外光電效應(yīng)為光電發(fā)射）7.C（壓電傳感器依賴電荷積累，靜態(tài)力會導(dǎo)致電荷泄漏，僅適用于動態(tài)測量）8.B（冷端補(bǔ)償需修正冷端溫度，常用補(bǔ)償導(dǎo)線+溫度補(bǔ)償電路）9.C（霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng)，即載流子在磁場中偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生電勢差）10.D（濕度傳感器需在適宜溫度下工作，高溫可能損壞敏感材料）二、填空題答案1.轉(zhuǎn)換元件2.遲滯3.電橋補(bǔ)償（或補(bǔ)償片）4.互感式（或差動變壓器式）5.變介電常數(shù)式6.反向7.壓電陶瓷8.溫差（或湯姆遜）9.激勵電流（或工作電流）10.氣敏三、簡答題答案1.區(qū)別：靜態(tài)特性描述傳感器在輸入量不隨時間變化（或變化緩慢）時的輸出-輸入關(guān)系；動態(tài)特性描述輸入量隨時間變化時，輸出量的跟蹤能力。靜態(tài)指標(biāo)：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、精度等；動態(tài)指標(biāo)：時間常數(shù)、上升時間、超調(diào)量、頻率響應(yīng)（截止頻率）等。2.原因：-靈敏度提升：差動電橋中兩應(yīng)變片受拉和受壓，輸出電壓為單臂電橋的2倍；-非線性誤差減?。簡伪垭姌蜉敵雠c應(yīng)變成近似線性關(guān)系（ΔR/R較小時），差動電橋因ΔR1/R1=-ΔR2/R2，非線性項相互抵消，誤差顯著降低；-溫度補(bǔ)償：兩應(yīng)變片處于同一環(huán)境，溫度引起的ΔRt相互抵消，消除溫度誤差。3.原因：單線圈電感傳感器的輸出特性呈非線性（如變氣隙式L∝1/d），且靈敏度較低；差動結(jié)構(gòu)通過兩個對稱線圈反向連接，輸出為兩線圈電感變化的差值。優(yōu)勢：-非線性誤差大幅減?。ㄌ匦郧€對稱性使二次項抵消）；-靈敏度提高1倍（ΔL=ΔL1-ΔL2，總變化量增大）；-抑制共模干擾（如溫度引起的電感漂移相互抵消）。4.組成及作用：-光源：提供光信號（如LED、激光二極管）；-光學(xué)元件：傳輸或調(diào)制光（如透鏡、光導(dǎo)纖維、遮光板）；-光電器件：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（如光敏電阻、光電二極管）；-測量電路：處理電信號（如放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換）。應(yīng)用示例：光電式計數(shù)器，通過物體遮擋光源使光電器件輸出信號變化，實現(xiàn)計數(shù)。5.原因：壓電傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)（機(jī)械應(yīng)力→電荷），其等效電路為電荷源與電容并聯(lián)。靜態(tài)測量時，電荷會通過傳感器絕緣電阻和后續(xù)電路的輸入電阻緩慢泄漏，導(dǎo)致輸出信號衰減至零，無法穩(wěn)定測量。改進(jìn)措施：-采用高輸入阻抗前置放大器（如電荷放大器），減少電荷泄漏；-結(jié)合其他傳感器（如壓阻式傳感器）進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)；-對壓電材料表面進(jìn)行絕緣處理，提高絕緣電阻。四、分析計算題答案1.解：應(yīng)變片電阻變化量ΔR=K·R·ε=2.0×120Ω×1000×10??=0.24Ω。單臂電橋輸出電壓ΔU=U·(ΔR)/(4R)=5V×0.24Ω/(4×120Ω)=5×0.24/(480)=0.0025V=2.5mV。2.解：（1）初始電容C?=ε?A/d?=8.85×10?12F/m×20×10??m2/(0.1×10?3