《傳感器與檢測(cè)技項(xiàng)目教程》習(xí)題含答案一、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.壓電式傳感器C.電阻應(yīng)變片D.光電池答案：C解析：能量控制型傳感器需要外部電源提供能量，自身僅作為能量轉(zhuǎn)換元件調(diào)節(jié)輸入能量，如電阻應(yīng)變片需外接電源；而能量轉(zhuǎn)換型傳感器（如熱電偶、壓電式、光電池）直接將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電能。2.某線性傳感器的輸入范圍為0~100mV，輸出范圍為4~20mA，其靈敏度為（）A.0.16mA/mVB.0.2mA/mVC.0.12mA/mVD.0.18mA/mV答案：A解析：靈敏度=輸出變化量/輸入變化量=（20-4）mA/（100-0）mV=16mA/100mV=0.16mA/mV。3.電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其（）A.靈敏度系數(shù)增大B.靈敏度系數(shù)減小C.線性度提高D.溫度誤差減小答案：B解析：橫向效應(yīng)指應(yīng)變片橫向柵絲對(duì)軸向應(yīng)變的“無(wú)效”響應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的應(yīng)變小于真實(shí)應(yīng)變，因此靈敏度系數(shù)（K=ΔR/(Rε)）會(huì)減小。4.電感式傳感器中，變氣隙式傳感器的非線性誤差主要由（）引起？A.氣隙變化導(dǎo)致電感與氣隙厚度成反比B.線圈匝數(shù)不足C.鐵芯材料磁導(dǎo)率不穩(wěn)定D.激勵(lì)電源頻率波動(dòng)答案：A解析：變氣隙式電感傳感器的電感L≈μ?N2A/(2δ)（δ為氣隙厚度），L與δ成反比，當(dāng)δ變化時(shí)，輸出與輸入呈非線性關(guān)系，導(dǎo)致非線性誤差。5.電容式傳感器中，采用差分式結(jié)構(gòu)可有效減小（）A.溫度漂移B.邊緣效應(yīng)C.寄生電容D.非線性誤差答案：D解析：差分式電容傳感器的輸出ΔC≈(2C?Δd)/d?2（d?為初始極板間距），相比單極式的ΔC≈(C?Δd)/d?2，非線性項(xiàng)被抵消，線性度顯著提高。6.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量的原因是（）A.壓電材料內(nèi)阻小B.電荷容易泄漏C.輸出信號(hào)微弱D.頻率響應(yīng)范圍窄答案：B解析：壓電式傳感器通過(guò)壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷信號(hào)，靜態(tài)測(cè)量時(shí)電荷無(wú)法持續(xù)積累（因絕緣電阻有限），會(huì)逐漸泄漏，導(dǎo)致輸出信號(hào)衰減。7.光電式傳感器中，光敏二極管正常工作時(shí)需施加（）A.正向偏置電壓B.反向偏置電壓C.零偏置D.交流電壓答案：B解析：光敏二極管利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，反向偏置時(shí)耗盡層加寬，光生載流子更容易被收集，提高靈敏度。8.熱電阻傳感器常用三線制接法的主要目的是（）A.提高測(cè)量精度B.簡(jiǎn)化電路C.降低成本D.增強(qiáng)抗干擾能力答案：A解析：三線制接法通過(guò)將兩根引線分別接入電橋相鄰橋臂，抵消引線電阻隨溫度變化帶來(lái)的誤差，提高測(cè)量精度。9.以下哪種傳感器可用于非接觸式測(cè)量轉(zhuǎn)速？（）A.霍爾傳感器B.電阻應(yīng)變片C.電感式位移傳感器D.熱電偶答案：A解析：霍爾傳感器可通過(guò)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體上磁鋼的周期性磁場(chǎng)變化，輸出脈沖信號(hào)，從而非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速。10.檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是（）A.放大微弱信號(hào)B.濾除噪聲C.轉(zhuǎn)換信號(hào)形式D.以上都是答案：D解析：信號(hào)調(diào)理電路需完成信號(hào)放大、濾波、線性化補(bǔ)償、阻抗匹配等功能，確保后續(xù)處理電路接收有效信號(hào)。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)性等。答案：線性度、靈敏度、遲滯2.電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)有______、______和______。答案：標(biāo)稱電阻值、靈敏度系數(shù)、柵長(zhǎng)（或基長(zhǎng)）3.電感式傳感器按工作原理可分為_(kāi)_____、______和______三類。答案：變磁阻式、變壓器式、渦流式4.電容式傳感器的三種基本類型是______、______和______。答案：變極距型、變面積型、變介質(zhì)型5.壓電式傳感器的輸出信號(hào)形式為_(kāi)_____或______，因此需配接______或______放大器。答案：電荷、電壓；電荷、電壓6.熱電偶的基本定律包括______、______和______。答案：均質(zhì)導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律7.光電效應(yīng)可分為_(kāi)_____、______和______三類，其中光敏電阻基于______效應(yīng)。答案：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）、光生伏特效應(yīng)；光電導(dǎo)三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述傳感器的定義及組成，并說(shuō)明各部分的作用。答案：傳感器是能感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成。敏感元件直接感受被測(cè)量并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他量（如位移、應(yīng)變）；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（如電阻、電容變化）；轉(zhuǎn)換電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、線性化等處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如4~20mA、0~5V）。2.比較金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理及特點(diǎn)。答案：金屬電阻應(yīng)變片基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)（ΔR/R≈Kε，K為靈敏度系數(shù)，約2），通過(guò)幾何尺寸變化引起電阻變化；半導(dǎo)體應(yīng)變片基于壓阻效應(yīng)（ΔR/R≈πEε，π為壓阻系數(shù)，E為彈性模量），通過(guò)載流子遷移率變化引起電阻變化。金屬應(yīng)變片線性度好、溫度穩(wěn)定性高，但靈敏度低；半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度高（K≈100~200）、體積小，但溫度誤差大、線性度差。3.說(shuō)明電感式傳感器中渦流效應(yīng)的產(chǎn)生條件及應(yīng)用。答案：渦流效應(yīng)產(chǎn)生條件：導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中（或?qū)w與磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)），導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出閉合的渦流。應(yīng)用：渦流式傳感器可用于位移測(cè)量（如金屬材料的非接觸測(cè)厚）、轉(zhuǎn)速測(cè)量（通過(guò)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)金屬體上的凹槽或凸齒引起的渦流變化）、材質(zhì)鑒別（不同電導(dǎo)率材料產(chǎn)生的渦流損耗不同）等。4.壓電式傳感器為何需要配置前置放大器？常用的前置放大器有哪兩種類型？各自特點(diǎn)是什么？答案：壓電式傳感器輸出阻抗極高（可達(dá)1012Ω），信號(hào)微弱，易受噪聲干擾，需通過(guò)前置放大器降低輸出阻抗并放大信號(hào)。常用前置放大器類型：（1）電壓放大器（阻抗變換器）：將高阻抗輸入轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出，輸出電壓與壓電元件的電壓成正比，但靈敏度受連接電纜長(zhǎng)度影響（電纜電容會(huì)改變系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)）；（2）電荷放大器：輸出電壓與壓電元件的電荷量成正比，靈敏度幾乎不受電纜長(zhǎng)度影響，適用于長(zhǎng)距離傳輸。5.說(shuō)明熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)谋匾约俺Ｓ醚a(bǔ)償方法。答案：熱電偶的熱電勢(shì)僅與熱端（測(cè)量端）和冷端（參考端）的溫差有關(guān)，若冷端溫度不為0℃或不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，因此需補(bǔ)償。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(cè)量冷端溫度t?，利用分度表查得E(t?,0)，實(shí)際熱電勢(shì)E(t,t?)=E(t,0)-E(t?,0)；（3）補(bǔ)償電橋法：在測(cè)量電路中接入不平衡電橋，電橋輸出隨冷端溫度變化，抵消熱電勢(shì)的溫度誤差；（4）軟件補(bǔ)償法：通過(guò)溫度傳感器測(cè)量冷端溫度，利用微處理器按公式修正熱電勢(shì)值。四、計(jì)算題（每題8分，共24分）1.某壓力傳感器的量程為0~10MPa，滿量程輸出為5V。當(dāng)輸入壓力為3MPa時(shí)，實(shí)際輸出電壓為1.48V，求該傳感器的非線性誤差（以滿量程輸出的百分比表示）。解：理想輸出電壓U理想=(3/10)×5=1.5V絕對(duì)誤差ΔU=|1.5-1.48|=0.02V非線性誤差δL=(ΔU/滿量程輸出)×100%=(0.02/5)×100%=0.4%2.一電阻應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻R=120Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0，粘貼于彈性模量E=2×1011Pa的鋼質(zhì)構(gòu)件表面。當(dāng)構(gòu)件受拉應(yīng)力σ=1×10?Pa時(shí)，求應(yīng)變片的電阻變化量ΔR。解：應(yīng)變?chǔ)?σ/E=1×10?Pa/2×1011Pa=5×10??由K=ΔR/(Rε)得：ΔR=K×R×ε=2.0×120Ω×5×10??=0.12Ω3.電容式位移傳感器的初始極板間距d?=0.1mm，極板面積A=50mm2，ε?=1（空氣介質(zhì)），ε?=8.85×10?12F/m。當(dāng)極板間距變化Δd=+10μm時(shí)，求單極式和差分式傳感器的電容變化量ΔC?和ΔC?（差分式另一極板間距變化為-10μm）。解：初始電容C?=ε?ε?A/d?=8.85×10?12×1×50×10??m2/0.1×10?3m≈4.425×10?12F=4.425pF單極式電容變化量ΔC?=C?-C?/(1+Δd/d?)=C?[1-1/(1+0.1)]≈4.425pF×(1-0.909)=0.402pF（負(fù)號(hào)表示電容減小）差分式電容變化量ΔC?=C?/(1-Δd/d?)-C?/(1+Δd/d?)=4.425pF×[1/(0.9)-1/1.1]≈4.425pF×(1.111-0.909)=0.894pF五、綜合應(yīng)用題（16分）某工廠需設(shè)計(jì)一套溫度檢測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度（范圍0~300℃），要求測(cè)量精度±1℃，輸出信號(hào)為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，完成以下設(shè)計(jì)：（1）選擇合適的溫度傳感器，并說(shuō)明理由；（2）設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的組成及各部分功能；（3）分析可能的干擾源及抗干擾措施。答案：（1）傳感器選擇：鉑熱電阻（Pt100）。理由：測(cè)量范圍0~300℃符合要求；精度高（A級(jí)Pt100在0℃時(shí)精度±0.15℃，滿足±1℃要求）；穩(wěn)定性好，適合工業(yè)環(huán)境；線性度優(yōu)于熱電偶（尤其在中低溫段）。（2）信號(hào)調(diào)理電路組成及功能：①橋路轉(zhuǎn)換電路：采用恒流源或恒壓源驅(qū)動(dòng)的惠斯通電橋，將熱電阻的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（ΔR→ΔU）；②放大電路：使用儀用放大器（如AD620）放大微弱電壓信號(hào)，提高信噪比；③線性化補(bǔ)償電路：因熱電阻的電阻-溫度特性近似為R=R?(1+At+Bt2)（非線性），需通過(guò)硬件（如二極管補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)）或軟件（查表法、多項(xiàng)式擬合）進(jìn)行線性化處理；④V/I轉(zhuǎn)換電路：將0~5V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA電流信號(hào)（如使用XTR115芯片），便于長(zhǎng)距離傳輸（電流信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)）。（3）干擾源及抗干擾措施：①電磁干擾：反應(yīng)釜附近可能存在電機(jī)、變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。措施：采用屏蔽電纜（金