2025年傳感與檢測試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于傳感器基本組成的描述中，正確的是（）。A.僅包含敏感元件B.由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成C.敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號調(diào)理電路缺一不可D.轉(zhuǎn)換元件負責直接感受被測量答案：B解析：傳感器通常由敏感元件（直接感受被測量）和轉(zhuǎn)換元件（將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為電信號）組成，信號調(diào)理電路為可選部分。2.某位移傳感器的輸出電壓與輸入位移呈非線性關(guān)系，其靜態(tài)特性指標中用于描述輸出-輸入實際曲線與擬合直線偏離程度的是（）。A.靈敏度B.遲滯C.重復性D.線性度答案：D解析：線性度是指傳感器輸出-輸入實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差與滿量程輸出的百分比，反映非線性誤差。3.基于外光電效應的傳感器是（）。A.光敏電阻B.光電二極管C.光電倍增管D.光電池答案：C解析：外光電效應指光照射使電子逸出物體表面（如光電管、光電倍增管）；內(nèi)光電效應指物體內(nèi)部載流子濃度變化（如光敏電阻、光電二極管、光電池）。4.應變片測量電橋采用半橋接法時，若兩個應變片分別受拉和受壓，其主要目的是（）。A.提高靈敏度B.減小溫度誤差C.增大線性范圍D.簡化電路答案：A解析：半橋接法中，相鄰橋臂應變片受拉和受壓時，輸出電壓為兩片應變引起的電壓變化之和，靈敏度為單臂接法的2倍。5.以下溫度傳感器中，適用于測量-200℃~500℃范圍且輸出為電阻信號的是（）。A.熱電偶B.銅熱電阻C.鉑熱電阻D.半導體熱敏電阻答案：C解析：鉑熱電阻測量范圍寬（-200℃~850℃），穩(wěn)定性好；銅熱電阻上限約150℃；半導體熱敏電阻非線性嚴重；熱電偶輸出為熱電勢。6.電容式傳感器中，變面積式傳感器的輸出特性為（）。A.線性B.平方關(guān)系C.對數(shù)關(guān)系D.指數(shù)關(guān)系答案：A解析：變面積式電容傳感器的電容C=εA/d，當面積A變化時，C與A呈線性關(guān)系。7.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量的主要原因是（）。A.壓電材料的居里點低B.電荷容易泄漏C.輸出信號微弱D.高頻響應差答案：B解析：壓電式傳感器通過壓電效應產(chǎn)生電荷信號，靜態(tài)測量時電荷會通過測量電路泄漏，導致無法穩(wěn)定輸出。8.電渦流傳感器可用于測量（）。A.氣體成分B.液體壓力C.金屬材料的厚度D.光照強度答案：C解析：電渦流傳感器基于電磁感應原理，可測量金屬材料的位移、厚度、轉(zhuǎn)速等，無法檢測非導電介質(zhì)。9.光纖傳感器中，利用光纖本身作為敏感元件的是（）。A.傳光型光纖傳感器B.功能型光纖傳感器C.強度調(diào)制型光纖傳感器D.相位調(diào)制型光纖傳感器答案：B解析：功能型（全光纖型）傳感器利用光纖本身的特性（如折射率、長度）隨被測量變化，傳光型僅用光纖傳光，敏感元件在光纖外部。10.某檢測系統(tǒng)的信噪比（SNR）為30dB，對應的信號功率與噪聲功率比為（）。A.10:1B.100:1C.1000:1D.10000:1答案：C解析：SNR（dB）=10lg(P信號/P噪聲)，30dB=10lg(P信號/P噪聲)→P信號/P噪聲=103=1000:1。二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的靜態(tài)特性指標除線性度外，還包括______、______和______。答案：靈敏度、遲滯、重復性2.壓電材料分為______（如石英晶體）和______（如PZT）兩大類。答案：壓電單晶、壓電陶瓷3.電感式傳感器可分為______、______和電渦流傳感器三種類型。答案：變磁阻式（自感式）、互感式（差動變壓器式）4.熱電阻的測量電路通常采用______接法以減小引線電阻的影響。答案：三線制或四線制5.光電傳感器的核心是______，其工作原理基于______效應。答案：光電器件、光電6.超聲波傳感器的工作頻率越高，______越好，但______能力越弱。答案：分辨率、穿透7.檢測系統(tǒng)的誤差按性質(zhì)可分為______、______和______。答案：系統(tǒng)誤差、隨機誤差、粗大誤差8.磁敏傳感器中，______利用載流導體在磁場中產(chǎn)生橫向電勢的原理，______則基于半導體材料的磁阻效應。答案：霍爾傳感器、磁阻傳感器9.光纖的兩個關(guān)鍵參數(shù)是______和______，決定了光信號的傳輸特性。答案：數(shù)值孔徑、模場直徑10.為提高傳感器的抗干擾能力，常用的屏蔽技術(shù)包括______屏蔽、______屏蔽和電磁屏蔽。答案：靜電、磁三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述應變片式傳感器與壓阻式傳感器的工作原理及主要區(qū)別。答案：應變片式傳感器利用金屬應變片的電阻應變效應（ΔR/R=Kε，K為靈敏系數(shù)，ε為應變），通過粘貼在彈性元件上感受應變并轉(zhuǎn)換為電阻變化；壓阻式傳感器利用半導體材料的壓阻效應（ΔR/R=πσ，π為壓阻系數(shù)，σ為應力），通過擴散或離子注入在半導體基片上形成敏感電阻。主要區(qū)別：①材料：應變片為金屬，壓阻式為半導體；②靈敏系數(shù)：壓阻式K（約100~200）遠大于應變片（約2）；③溫度特性：壓阻式溫度漂移大，需補償；④結(jié)構(gòu)：壓阻式可集成化，應變片需粘貼。2.光電傳感器通常由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？答案：光電傳感器由光源、光學通路、光電器件、信號調(diào)理電路組成。①光源：提供被測對象調(diào)制的光信號（如LED、激光）；②光學通路：包括透鏡、反射鏡、光闌等，用于傳輸、聚焦或調(diào)制光信號；③光電器件：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（如光電二極管、光敏電阻）；④信號調(diào)理電路：對電信號進行放大、濾波、線性化處理，輸出可用的電壓/電流信號。3.電容式傳感器存在哪些主要缺點？可采取哪些措施改進？答案：缺點：①輸出阻抗高，負載能力差（易受干擾）；②寄生電容影響大（引線電容、傳感器與電路間電容）；③非線性（變極距式尤為明顯）。改進措施：①采用驅(qū)動電纜技術(shù)（減小引線電容影響）；②設計差動結(jié)構(gòu)（抵消部分非線性，提高靈敏度）；③使用運算放大器作阻抗變換（降低輸出阻抗）；④采用數(shù)字式測量電路（如C/V轉(zhuǎn)換、頻率調(diào)制）提高抗干擾能力。4.磁電式傳感器的工作原理是什么？舉例說明其典型應用。答案：磁電式傳感器基于電磁感應定律（E=-dΦ/dt），通過運動部件（如線圈或永磁體）與磁場相對運動，使穿過線圈的磁通量變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應電動勢。典型應用：①轉(zhuǎn)速測量（如汽車輪速傳感器，通過齒輪切割磁力線產(chǎn)生脈沖信號）；②振動測量（如地震檢波器，線圈隨振動體運動，磁通量變化輸出與振動速度成正比的電壓）；③扭矩測量（通過測量旋轉(zhuǎn)軸上的磁通量變化間接得到扭矩）。5.簡述檢測系統(tǒng)中噪聲的主要來源及抑制方法。答案：噪聲來源：①內(nèi)部噪聲：器件熱噪聲（電阻、半導體器件）、散粒噪聲（PN結(jié)載流子隨機運動）、1/f噪聲（低頻器件）；②外部噪聲：電磁干擾（如電源、射頻信號）、機械振動（導致接觸不良）、溫度波動（引起器件參數(shù)漂移）。抑制方法：①屏蔽（金屬外殼隔離電場/磁場）；②接地（單點接地減少地環(huán)路干擾）；③濾波（RC低通/高通濾波器抑制特定頻率噪聲）；④隔離（光耦、變壓器隔離前后級電路）；⑤器件選型（低噪聲運放、高精度電阻）；⑥軟件濾波（數(shù)字平均、中值濾波）。四、分析題（每題15分，共30分）1.某工業(yè)鍋爐的溫度檢測系統(tǒng)采用K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅），配套溫度變送器。實際使用中發(fā)現(xiàn)測量值波動較大，且與參考溫度計（鉑電阻）的偏差隨環(huán)境溫度升高而增大。試分析可能的誤差來源及改進措施。答案：誤差來源分析：（1）熱電偶冷端溫度補償誤差：K型熱電偶輸出熱電勢與冷端溫度相關(guān)，若變送器未正確補償（如采用補償電橋但環(huán)境溫度超過電橋量程），或補償導線型號不符（導致冷端延伸至環(huán)境溫度波動區(qū)域），會引起溫度偏差，且環(huán)境溫度升高時誤差增大。（2）電磁干擾：鍋爐附近存在強電磁場（如電機、變頻器），熱電偶信號為mV級微弱信號，易受干擾導致測量值波動。（3）接觸電阻變化：熱電偶與補償導線、變送器接線端子接觸不良，環(huán)境溫度變化時接觸電阻漂移，引入附加電勢。（4）熱電偶老化：長期高溫下，熱電極材料氧化或污染，熱電特性改變，導致系統(tǒng)誤差。改進措施：（1）優(yōu)化冷端補償：使用集成溫度傳感器（如AD590）實時測量冷端溫度，通過軟件查表法精確補償；更換與K型熱電偶匹配的補償導線，確保冷端延伸至溫度穩(wěn)定區(qū)域（如控制室）。（2）抗干擾設計：采用雙絞屏蔽補償導線，屏蔽層單端接地；在變送器輸入端增加RC濾波電路（如100Ω電阻+10μF電容）抑制高頻干擾；遠離動力線，減少電磁耦合。（3）加強連接可靠性：定期檢查接線端子，涂抹導電膏降低接觸電阻；采用壓接端子替代螺釘連接，減少振動引起的接觸不良。（4）定期校準與更換：使用標準恒溫槽對熱電偶進行校準，誤差超標的及時更換；選擇高溫抗氧化型K型熱電偶（如加保護套管）。2.設計一個基于壓電式傳感器的加速度測量系統(tǒng)，需考慮哪些關(guān)鍵問題？請說明各部分的功能及設計要點。答案：關(guān)鍵問題及設計要點：（1）傳感器選型：根據(jù)測量范圍（如0~100g）和頻率響應（如0~10kHz）選擇壓電式加速度傳感器（如電荷輸出型或電壓輸出型）。電荷型靈敏度高（pC/g），需配電荷放大器；電壓型內(nèi)置IC放大器，輸出電壓（mV/g），抗干擾強。（2）信號調(diào)理電路：①電荷放大器：用于電荷型傳感器，將高阻抗電荷信號轉(zhuǎn)換為低阻抗電壓信號（輸出電壓U=Q/Cf，Cf為反饋電容），需選擇低噪聲運放（如AD797），反饋電容精度影響靈敏度。②電壓放大器：用于電壓型傳感器，需匹配輸入阻抗（>10MΩ），設置適當增益（如10倍），確保輸出電壓在數(shù)據(jù)采集卡量程內(nèi)（如0~5V）。（3）抗干擾設計：①屏蔽：傳感器與調(diào)理電路間使用低噪聲同軸電纜，屏蔽層單端接地（避免地環(huán)路）；調(diào)理電路外殼接地，隔離外部電場。②濾波：在調(diào)理電路輸出端加低通濾波器（截止頻率略高于被測信號最高頻率，如12kHz），抑制高頻噪聲。（4）校準與標定：①靈敏度校準：使用標準振動臺（如正弦振動幅值已知），測量傳感器輸出與加速度的關(guān)系，確定實際靈敏度（mV/g或pC/g）。②頻率響應校準：通過掃頻測試（如10Hz~20kHz），繪制幅頻特性曲線，確保在被測頻率范圍內(nèi)靈敏度波動<5%。（5）安裝方式：①剛性安裝：使用螺釘將傳感器直接固定在被測物體表面（接觸面積>傳感器底面80%），減少安裝諧振頻率下降（安裝諧振應>被測信號最高頻率的3倍）。②耦合劑：若被測表面不平整，使用硅脂或蜂蠟作為耦合劑，避免空氣間隙導致的高頻衰減。五、綜合設計題（20分）設計一個用于智能家居的有害氣體（如甲醛、PM2.5）檢測系統(tǒng)，要求包含傳感器選型、信號采集與處理、抗干擾措施及標定方法。答案：1.傳感器選型：（1）甲醛檢測：采用電化學甲醛傳感器（如英國達特Dart-002，測量范圍0~10ppm，精度±0.05ppm），基于甲醛在電極表面的氧化還原反應產(chǎn)生電流信號（電流與濃度成正比）。（2）PM2.5檢測：選用激光散射式傳感器（如攀藤PMS5003，測量范圍0~1000μg/m3，精度±10%），利用激光照射顆粒物產(chǎn)生散射光，通過光電二極管檢測散射光強反演濃度。2.信號采集與處理：（1）甲醛傳感器輸出為微安級電流信號（0~10μA），通過I/V轉(zhuǎn)換電路（運放+反饋電阻，如1MΩ電阻將10μA轉(zhuǎn)換為10mV）轉(zhuǎn)換為電壓信號；PM2.5傳感器輸出為數(shù)字信號（UART協(xié)議，9600bps），直接接入微控制器（如STM32）的串口。（2）微控制器（STM32F103）：①對甲醛電壓信號進行12位ADC采樣（采樣頻率10Hz，平均5次降低噪聲）；②解析PM2.5傳感器的UART數(shù)據(jù)（每幀32字節(jié)，提取PM2.5濃度值）；③通過軟件濾波（甲醛數(shù)據(jù)采用滑動平均濾波，窗口大小5；PM2.5數(shù)據(jù)采用中值濾波）提高穩(wěn)定性；④將處理后的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊（ESP8266）上傳至云平臺（如阿里云），供手機APP顯示。3.抗干擾措施：（1）電源隔離：甲醛傳感器與微控制器使用獨立LDO電源（如AMS1117-3.3V），電源輸入端加π型濾波（10μF+0.1μF電容）抑制紋波。（2）電磁屏蔽：甲醛傳感器的I/V轉(zhuǎn)換電路用金屬屏蔽罩包裹，屏蔽罩與PCB地平面連接；PM2.5傳感器的激光發(fā)射模塊遠離數(shù)字電路，減少電磁耦合。（3）接地設計：PCB采用單點接地，模擬地（甲醛信號）與數(shù)字地（微控制器）通過0Ω電阻單點連接，避免地環(huán)路干擾。4.標定方法：（1）甲醛傳感器標定：①零點標定：在清潔空氣（甲醛濃度<0.01ppm）中，測量傳感器