2025年傳感器與檢測技術(shù)》試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種光電傳感器利用外光電效應(yīng)工作？A.光敏電阻B.光電二極管C.光電倍增管D.光電池答案：C2.金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)主要取決于：A.材料的電阻率變化B.幾何尺寸變化C.壓阻效應(yīng)D.溫度漂移答案：B3.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量的主要原因是：A.電荷容易泄漏B.靈敏度隨頻率降低而下降C.材料居里溫度限制D.輸出阻抗過高答案：A4.下列溫度傳感器中，屬于非接觸式測量的是：A.鉑電阻B.熱電偶C.紅外輻射溫度計(jì)D.熱敏電阻答案：C5.磁電式傳感器的工作原理基于：A.霍爾效應(yīng)B.電磁感應(yīng)定律C.磁阻效應(yīng)D.壓磁效應(yīng)答案：B6.變極距型電容式傳感器的輸出特性為：A.線性關(guān)系B.反比例關(guān)系C.二次函數(shù)關(guān)系D.對(duì)數(shù)關(guān)系答案：C7.半導(dǎo)體氣敏傳感器通常需要加熱至200~400℃，主要目的是：A.提高氣體分子活性B.消除濕度干擾C.激活敏感材料表面反應(yīng)D.降低噪聲答案：C8.霍爾傳感器的輸出電壓與以下哪個(gè)參數(shù)無關(guān)？A.磁感應(yīng)強(qiáng)度B.控制電流C.載流子濃度D.傳感器尺寸答案：D9.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(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器D.相位調(diào)制型光纖傳感器答案：B10.濕度傳感器的“響應(yīng)時(shí)間”通常指：A.從干燥到濕潤的90%響應(yīng)時(shí)間B.從濕潤到干燥的90%恢復(fù)時(shí)間C.達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50%的時(shí)間D.達(dá)到穩(wěn)態(tài)值90%的時(shí)間答案：D二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要包括線性度、靈敏度、______和重復(fù)性。答案：遲滯2.熱電偶的工作原理基于______效應(yīng)，其熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成。答案：塞貝克3.壓阻式傳感器的核心原理是半導(dǎo)體材料的______效應(yīng)，其靈敏度遠(yuǎn)高于金屬應(yīng)變片。答案：壓阻4.電感式傳感器可分為自感式、互感式和______三類，其中互感式典型結(jié)構(gòu)為差動(dòng)變壓器。答案：電渦流式5.紅外傳感器按探測方式可分為熱探測器和______探測器，后者響應(yīng)速度更快。答案：光子6.超聲波傳感器的工作頻率通常在______范圍內(nèi)，高頻適用于高精度測量，低頻適用于遠(yuǎn)距離探測。答案：20kHz~10MHz7.生物傳感器的核心是______元件（如酶、抗體）與信號(hào)轉(zhuǎn)換元件的結(jié)合。答案：分子識(shí)別8.半導(dǎo)體氣體傳感器檢測還原性氣體（如CO）時(shí)，其表面電阻會(huì)______（填“增大”或“減小”），因氣體與吸附氧反應(yīng)釋放自由電子。答案：減小9.光纖傳感器的基本組成包括光源、光纖、______和信號(hào)處理系統(tǒng)。答案：敏感元件10.濕度傳感器的“遲滯”是指相同濕度下，吸濕過程與脫濕過程的______差異，會(huì)影響測量精度。答案：輸出值三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述電阻應(yīng)變片與壓阻式傳感器的工作原理及主要差異。答案：電阻應(yīng)變片基于金屬材料的幾何形變（長度和截面積變化）引起電阻率變化（ΔR/R≈(1+2μ)ε）；壓阻式傳感器基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)（ΔR/R≈πσ，π為壓阻系數(shù)）。差異：應(yīng)變片靈敏度低（約2）、線性好；壓阻式靈敏度高（約100~200）、溫度漂移大，需補(bǔ)償。2.光電效應(yīng)分為哪三種類型？各舉一例對(duì)應(yīng)的傳感器。答案：外光電效應(yīng)（光子激發(fā)電子逸出，如光電倍增管）；內(nèi)光電效應(yīng)（光子激發(fā)載流子增加，分光電導(dǎo)效應(yīng)如光敏電阻、光生伏特效應(yīng)如光電池）；光伏效應(yīng)（半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)建電場分離載流子，如太陽能電池、光電二極管）。3.壓電傳感器為何不能直接測量靜態(tài)信號(hào)？如何解決靜態(tài)測量問題？答案：壓電元件等效為電荷源與電容并聯(lián)，靜態(tài)信號(hào)需電荷長期積累，但漏電阻會(huì)導(dǎo)致電荷泄漏，輸出衰減。解決方法：采用電荷放大器（高輸入阻抗）減少泄漏；或結(jié)合其他傳感器（如壓阻式）互補(bǔ)測量。4.電容式傳感器的“邊緣效應(yīng)”是什么？如何抑制？答案：邊緣效應(yīng)指極板邊緣電場分布不均勻，導(dǎo)致電容值偏離理想平行板公式，降低線性度和靈敏度。抑制方法：增加極板面積與間距比；設(shè)計(jì)保護(hù)環(huán)（在極板周圍設(shè)置等電位環(huán)，約束電場分布）；采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)（邊緣效應(yīng)相互抵消）。5.比較霍爾元件與磁阻傳感器的工作原理及應(yīng)用場景。答案：霍爾元件基于洛倫茲力（載流子在磁場中偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生橫向電勢差，UH=KHIB）；磁阻傳感器基于磁阻效應(yīng)（材料電阻率隨磁場變化，ΔR/R∝B2）?；魻栐m用于動(dòng)態(tài)磁場測量（如電機(jī)轉(zhuǎn)速）、低磁場范圍；磁阻傳感器靈敏度更高，適用于弱磁場檢測（如電子羅盤、生物磁場）。四、分析設(shè)計(jì)題（每題10分，共20分）1.設(shè)計(jì)一個(gè)基于應(yīng)變片的橋梁應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，需考慮哪些關(guān)鍵因素？請(qǐng)簡述系統(tǒng)組成。答案：關(guān)鍵因素：（1）應(yīng)變片選型（金屬或半導(dǎo)體，需耐環(huán)境（溫度、濕度）、線性范圍匹配橋梁應(yīng)力）；（2）布片與組橋（單臂/雙臂/全橋，消除溫度漂移；測點(diǎn)位置需覆蓋橋梁關(guān)鍵受力部位如梁底、支座）；（3）信號(hào)調(diào)理（放大、濾波，抑制電磁干擾）；（4）數(shù)據(jù)采集與傳輸（實(shí)時(shí)采樣，無線或有線傳輸至監(jiān)控中心）；（5）標(biāo)定與校準(zhǔn)（定期用標(biāo)準(zhǔn)力源校準(zhǔn)系統(tǒng)精度）。系統(tǒng)組成：應(yīng)變片陣列、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)（含應(yīng)力分析軟件）、電源與防護(hù)裝置（防水、防腐蝕）。2.某工廠高溫爐（800℃）溫度檢測系統(tǒng)采用K型熱電偶，近期發(fā)現(xiàn)顯示溫度比實(shí)際偏低50℃，可能原因有哪些？如何排查？答案：可能原因：（1）熱電偶分度號(hào)錯(cuò)誤（誤用其他類型如E型，熱電勢偏低）；（2）冷端補(bǔ)償失效（補(bǔ)償電路故障，未修正環(huán)境溫度）；（3）熱電偶老化（熱電極氧化，熱電特性改變）；（4）線路故障（補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)不匹配，或接線松動(dòng)導(dǎo)致接觸電阻增大）；（5）信號(hào)放大器零點(diǎn)漂移（放大倍數(shù)降低）。排查步驟：①檢查熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線分度號(hào)是否一致；②用溫度計(jì)測量冷端溫度，手動(dòng)計(jì)算理論熱電勢（查表）與實(shí)際輸出對(duì)比；③更換同型號(hào)新熱電偶，觀察輸出是否恢復(fù)；④測量補(bǔ)償導(dǎo)線電阻，檢查接線端子；⑤用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸入放大器，驗(yàn)證放大倍數(shù)是否正常。五、綜合應(yīng)用題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)用于智能農(nóng)業(yè)大棚的多參數(shù)檢測系統(tǒng)，需檢測溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO?濃度。要求：（1）選擇各參數(shù)對(duì)應(yīng)的傳感器類型并說明理由；（2）畫出系統(tǒng)原理框圖；（3）簡述信號(hào)處理流程。答案：（1）傳感器選型：-溫度：PT100鉑電阻（精度高，-200~650℃范圍適合大棚，線性好）；-濕度：電容式濕度傳感器（響應(yīng)快，長期穩(wěn)定性好，適合0~100%RH環(huán)境）；-光照：硅光電池（光譜響應(yīng)接近自然光，輸出與光照強(qiáng)度成正比，無需外部電源）；-CO?：紅外氣體傳感器（NDIR原理，抗干擾強(qiáng)，適合溫室低濃度（0~2000ppm）檢測）。（2）原理框圖：傳感器陣列（溫度/濕度/光照/CO?）→信號(hào)調(diào)理（放大、濾波、線性化）→A/D轉(zhuǎn)換→微控制器（MCU）→無線傳輸模塊（ZigBee/WiFi）→上位機(jī)（顯示、存儲(chǔ)、閾值報(bào)警）。（3）信號(hào)處理流程：①各傳感器輸出模擬信號(hào)（如PT100的電阻信號(hào)經(jīng)電橋轉(zhuǎn)電壓，濕度傳感器輸出0~3V電壓，光電池輸出電流轉(zhuǎn)電壓，NDIR輸出4~20mA電流）；②信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)弱信號(hào)放大（如PT100電橋輸出mV級(jí)需儀用放大