《傳感器與檢測技術(shù)》試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（每小題2分，共20分）1.下列關(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.傳感器的輸出信號必須是標(biāo)準(zhǔn)信號（如4-20mA）C.傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，可能包含信號調(diào)理電路D.傳感器的精度僅取決于敏感元件的材料特性2.衡量傳感器靜態(tài)特性的指標(biāo)中，描述輸出量與輸入量之間實(shí)際曲線與擬合直線偏離程度的是（）。A.靈敏度B.線性度C.遲滯D.重復(fù)性3.金屬電阻應(yīng)變片的工作原理主要基于（）。A.壓阻效應(yīng)B.熱電效應(yīng)C.應(yīng)變效應(yīng)D.霍爾效應(yīng)4.變氣隙式電感傳感器中，當(dāng)氣隙δ減小一半時(shí)，電感L的變化為（）。（假設(shè)初始電感為L?）A.L≈2L?B.L≈L?/2C.L≈L?D.L≈4L?5.電容式傳感器中，可用于測量大位移（如10mm以上）的類型是（）。A.變極距式B.變面積式C.變介電常數(shù)式D.以上均不行6.下列光電效應(yīng)中，屬于外光電效應(yīng)的是（）。A.光電導(dǎo)效應(yīng)B.光生伏特效應(yīng)C.光電發(fā)射效應(yīng)D.光伏效應(yīng)7.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量的主要原因是（）。A.壓電材料的居里點(diǎn)低B.電荷容易泄漏C.輸出信號微弱D.頻率響應(yīng)范圍窄8.熱電偶的熱電勢由兩部分組成，分別是（）。A.接觸電勢和溫差電勢B.應(yīng)變電勢和接觸電勢C.溫差電勢和霍爾電勢D.壓阻電勢和溫差電勢9.下列傳感器中，屬于數(shù)字式傳感器的是（）。A.電感式位移傳感器B.光柵位移傳感器C.熱電偶D.應(yīng)變片10.在檢測系統(tǒng)中，信號調(diào)理電路的主要作用不包括（）。A.放大微弱信號B.濾除干擾噪聲C.將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號D.線性化處理二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的基本組成包括______、______和信號調(diào)理電路（或轉(zhuǎn)換電路）。2.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、______、______、重復(fù)性和漂移等。3.金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K表示______，其物理意義為______。4.電感式傳感器按轉(zhuǎn)換原理可分為______、______和電渦流式三種類型。5.電容式傳感器的寄生電容會導(dǎo)致______和______，通常采用______或______方法抑制。6.光電傳感器的核心元件是______，其工作模式可分為______和______兩種。7.壓電式傳感器的輸出信號為______，因此需要配合______或______使用。8.熱電偶的基本定律包括______、______和中間溫度定律。9.檢測系統(tǒng)的誤差按性質(zhì)可分為______、______和隨機(jī)誤差三類。三、簡答題（每小題6分，共30分）1.簡述電阻應(yīng)變片的工作原理，并說明其測量電路（如電橋）的主要作用。2.電感式傳感器可分為哪幾類？各有什么特點(diǎn)？3.電容式傳感器存在哪些主要缺點(diǎn)？如何改進(jìn)？4.光電傳感器由哪幾部分組成？列舉三種典型應(yīng)用場景。5.壓電式傳感器為何更適合動態(tài)測量？其信號調(diào)理電路的作用是什么？四、分析題（每小題10分，共20分）1.某溫度檢測系統(tǒng)需要測量0~1000℃的爐溫，現(xiàn)有K型熱電偶（測量范圍-200~1372℃）和Pt100熱電阻（測量范圍-200~850℃）兩種傳感器可選。試從測量原理、輸出特性、適用場景等方面分析應(yīng)如何選擇，并說明理由。2.某位移檢測任務(wù)需要測量0~5mm的微小位移，要求精度優(yōu)于0.01mm?，F(xiàn)有變極距式電容傳感器（初始極距0.1mm，靈敏度約100pF/mm）和差動變壓器式電感傳感器（線性范圍±2mm，靈敏度約5mV/μm）兩種方案。試分析兩種傳感器的適用性，并推薦最優(yōu)方案。五、綜合應(yīng)用題（10分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于應(yīng)變片的橋梁應(yīng)力檢測系統(tǒng)，要求：（1）明確傳感器選型（類型、參數(shù)）；（2）畫出信號調(diào)理電路的簡化框圖（需包含電橋、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換模塊）；（3）提出至少兩項(xiàng)抗干擾措施。答案一、單項(xiàng)選擇題1.C2.B3.C4.A5.B6.C7.B8.A9.B10.C二、填空題1.敏感元件；轉(zhuǎn)換元件2.靈敏度；遲滯3.ΔR/R與ε的比值；單位應(yīng)變引起的電阻相對變化量4.變氣隙式；變面積式5.靈敏度降低；非線性誤差；驅(qū)動電纜法；整體屏蔽法6.光電轉(zhuǎn)換元件；透射式；反射式（或?qū)ι涫健⒙瓷涫剑?.電荷（或電壓）；電荷放大器；電壓放大器（前置放大器）8.均質(zhì)導(dǎo)體定律；中間導(dǎo)體定律9.系統(tǒng)誤差；粗大誤差三、簡答題1.工作原理：金屬電阻應(yīng)變片基于應(yīng)變效應(yīng)，當(dāng)被測對象產(chǎn)生應(yīng)變ε時(shí)，應(yīng)變片的電阻值因幾何尺寸變化（ΔL/L）和電阻率變化（Δρ/ρ）而變化，關(guān)系式為ΔR/R≈Kε（K為靈敏度系數(shù)）。測量電路作用：①將微小電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號（電橋的主要功能）；②通過差動電橋?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償（抵消環(huán)境溫度引起的虛假應(yīng)變）；③放大微弱信號，提高檢測靈敏度。2.分類及特點(diǎn)：（1）變氣隙式：靈敏度高（與δ2成反比），但線性范圍?。▋H適用于微小位移），非線性誤差大；（2）變面積式：線性度好（輸出與位移成線性關(guān)系），測量范圍較大（可達(dá)幾十毫米），但靈敏度較低；（3）電渦流式：非接觸測量，抗干擾能力強(qiáng)，可測位移、厚度、振動等，受被測體材料影響大（需導(dǎo)磁或?qū)щ姡?.主要缺點(diǎn)：①輸出阻抗高（容抗大），易受干擾；②寄生電容影響大（導(dǎo)致靈敏度下降、非線性誤差）；③測量范圍?。ㄗ儤O距式僅適用于微米級位移）。改進(jìn)措施：①采用差動結(jié)構(gòu)（提高靈敏度，減小非線性誤差）；②使用驅(qū)動電纜法或整體屏蔽法抑制寄生電容；③配合高輸入阻抗的運(yùn)算放大器（如電荷放大器）降低輸出阻抗；④選擇變面積式或變介電常數(shù)式擴(kuò)展測量范圍。4.組成：光源（如LED、激光）、光學(xué)元件（透鏡、光闌）、光電轉(zhuǎn)換元件（如光電二極管、光敏電阻）、信號調(diào)理電路（放大器、濾波器）。典型應(yīng)用：①工業(yè)檢測（零件計(jì)數(shù)、尺寸測量）；②自動控制（光電開關(guān)、條形碼掃描）；③智能設(shè)備（手機(jī)光線傳感器、紅外避障）。5.原因：壓電式傳感器的工作原理基于壓電效應(yīng)（機(jī)械應(yīng)力→電荷），而電荷會通過測量電路的漏電阻緩慢泄漏，靜態(tài)或低頻信號會導(dǎo)致電荷衰減，無法穩(wěn)定輸出；動態(tài)信號（如振動、沖擊）的電荷持續(xù)產(chǎn)生，可抵消泄漏影響，因此更適合動態(tài)測量。信號調(diào)理電路作用：①電荷放大器將高內(nèi)阻的電荷信號轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓信號（減少信號衰減）；②電壓放大器放大微弱電壓信號；③濾波器濾除高頻噪聲（如電磁干擾）。四、分析題1.選擇分析：（1）測量原理：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，溫差產(chǎn)生熱電勢）；熱電阻基于金屬電阻的溫度效應(yīng)（電阻隨溫度升高而增大）。（2）輸出特性：熱電偶輸出熱電勢（mV級），與溫度成非線性關(guān)系（需查表或線性化處理）；熱電阻輸出電阻值（Ω級），與溫度成近似線性關(guān)系（Pt100的R-T曲線在0~850℃范圍內(nèi)線性度較好）。（3）適用場景：爐溫1000℃超出Pt100的上限（850℃），而K型熱電偶的上限為1372℃，可覆蓋1000℃需求；此外，熱電偶適合高溫環(huán)境（無自熱效應(yīng)），熱電阻在高溫下易氧化（需保護(hù)套管）。因此應(yīng)選擇K型熱電偶。2.適用性分析：（1）變極距式電容傳感器：初始極距0.1mm，測量0~5mm位移時(shí)，極距變化量遠(yuǎn)大于初始值（Δδ=5mm>0.1mm），會導(dǎo)致嚴(yán)重的非線性誤差（電容與極距成反比），且靈敏度雖高（100pF/mm），但大位移下線性度無法滿足0.01mm精度要求。（2）差動變壓器式電感傳感器：線性范圍±2mm（總4mm），略小于5mm需求，但可通過調(diào)整初始位置覆蓋0~5mm（如初始位置2mm，測量范圍0~4mm，剩余1mm需擴(kuò)展）；靈敏度5mV/μm（即5V/mm），對應(yīng)0.01mm位移的輸出變化為0.05mV，若信號調(diào)理電路精度足夠（如16位A/D），可滿足0.01mm精度要求。推薦方案：差動變壓器式電感傳感器（可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)擴(kuò)展線性范圍至5mm，或選擇線性范圍更大的型號）。五、綜合應(yīng)用題（1）傳感器選型：選用箔式電阻應(yīng)變片（基底為膠膜，適用于橋梁鋼表面粘貼），參數(shù)要求：基長3~5mm（兼顧靈敏度與應(yīng)力集中影響），靈敏度系數(shù)K=2.0±0.05，電阻值120Ω（標(biāo)準(zhǔn)電橋匹配）。（2）信號調(diào)理電路框圖：被測應(yīng)力→應(yīng)變片→惠斯通電橋（半橋或全橋）→運(yùn)算放大器（差動放大，增益1000倍）→低通濾