2025年大學(xué)《傳感器原理與應(yīng)用》試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種物理量不屬于傳感器直接測(cè)量的非電參量？A.溫度B.電流C.壓力D.位移答案：B2.金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K主要取決于：A.材料的泊松比B.金屬絲的幾何尺寸變化C.材料的電阻率變化D.應(yīng)變片的粘貼工藝答案：B3.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量的主要原因是：A.壓電材料的居里點(diǎn)較低B.電荷容易通過測(cè)量電路泄漏C.壓電效應(yīng)僅在動(dòng)態(tài)力作用下產(chǎn)生D.輸出信號(hào)幅值過小答案：B4.電容式傳感器采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)后，非線性誤差可降低約：A.1/2B.1/3C.1/4D.1/5答案：A5.以下哪種光電效應(yīng)屬于外光電效應(yīng)？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.光熱效應(yīng)答案：C6.熱電偶的熱電勢(shì)大小僅與：A.熱端溫度B.冷端溫度C.兩結(jié)點(diǎn)材料和兩端溫度差D.熱電極的長(zhǎng)度和直徑答案：C7.電感式傳感器中，變氣隙式傳感器的靈敏度與氣隙厚度δ的關(guān)系為：A.正比于δB.反比于δC.正比于δ2D.反比于δ2答案：D8.以下哪種傳感器可用于非接觸式測(cè)量轉(zhuǎn)速？A.應(yīng)變式傳感器B.電渦流式傳感器C.壓阻式傳感器D.電感式位移傳感器答案：B9.光纖傳感器中，利用光纖本身的特性變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量的是：A.功能型傳感器B.非功能型傳感器C.傳光型傳感器D.強(qiáng)度調(diào)制型傳感器答案：A10.磁電式傳感器的工作原理基于：A.電磁感應(yīng)定律B.霍爾效應(yīng)C.磁阻效應(yīng)D.壓磁效應(yīng)答案：A二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和______三部分組成。答案：信號(hào)調(diào)理電路2.金屬應(yīng)變片的電阻變化由幾何尺寸變化和______變化共同決定。答案：電阻率3.電容式傳感器按結(jié)構(gòu)可分為變面積式、變極距式和______三種類型。答案：變介電常數(shù)式4.壓電材料分為壓電晶體、壓電陶瓷和______三大類。答案：壓電聚合物5.熱電偶的基本定律包括均質(zhì)導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律和______。答案：中間溫度定律6.光電耦合器由發(fā)光元件和______組成，可實(shí)現(xiàn)電-光-電的隔離傳輸。答案：光敏元件7.電渦流式傳感器的靈敏度與被測(cè)體的電導(dǎo)率、______及材料厚度有關(guān)。答案：磁導(dǎo)率8.壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體材料的______效應(yīng)，其靈敏度比金屬應(yīng)變片高數(shù)十倍。答案：壓阻9.霍爾傳感器的輸出電壓與______、磁感應(yīng)強(qiáng)度及載流子濃度成反比。答案：控制電流10.超聲波傳感器的工作頻率越高，______越好，但穿透能力越弱。答案：分辨率11.紅外傳感器按探測(cè)機(jī)理分為熱探測(cè)器和______兩大類。答案：光子探測(cè)器12.諧振式傳感器通過測(cè)量______的變化實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的檢測(cè)，具有高靈敏度和穩(wěn)定性。答案：諧振頻率13.氣敏傳感器通常用于檢測(cè)______氣體的濃度，常見材料有SnO?、ZnO等金屬氧化物。答案：可燃或有毒14.濕敏傳感器的主要參數(shù)包括濕度量程、______和響應(yīng)時(shí)間。答案：精度15.光纖的傳輸損耗主要由吸收損耗、散射損耗和______引起。答案：彎曲損耗16.智能傳感器集成了傳感器、______和通信接口，具備自校準(zhǔn)、自診斷功能。答案：微處理器17.應(yīng)變式稱重傳感器常用______橋路，可抑制溫度漂移和非線性誤差。答案：全差動(dòng)18.磁敏電阻的電阻值隨______的變化而變化，常用于角度和位移測(cè)量。答案：磁場(chǎng)強(qiáng)度19.熱釋電傳感器僅對(duì)______的紅外輻射敏感，適用于運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)。答案：變化20.生物傳感器的關(guān)鍵元件是______，可特異性識(shí)別目標(biāo)生物分子。答案：生物敏感膜三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理及性能差異。答案：金屬應(yīng)變片基于金屬絲的幾何形變（長(zhǎng)度和截面積變化）引起電阻變化，靈敏度系數(shù)K≈1+2μ（μ為泊松比，約0.3~0.5），線性度好，溫度穩(wěn)定性高；半導(dǎo)體應(yīng)變片基于壓阻效應(yīng)（半導(dǎo)體材料電阻率隨應(yīng)力變化），靈敏度系數(shù)K≈(1+2μ)+πE（π為壓阻系數(shù)，E為彈性模量），K值可達(dá)50~200，但溫度漂移大，線性度較差。2.電容式傳感器的非線性誤差主要由哪些因素引起？可采用哪些方法改善？答案：非線性誤差主要來自變極距式傳感器的電容與極距的非線性關(guān)系（C=εA/δ），當(dāng)δ變化時(shí)，ΔC/C≈-Δδ/δ+(Δδ/δ)2-(Δδ/δ)3+…，高階項(xiàng)導(dǎo)致非線性。改善方法：采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)（非線性項(xiàng)相互抵消，誤差降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)）；使用運(yùn)算放大器組成的差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，將電容變化轉(zhuǎn)換為線性電壓輸出；采用線性化補(bǔ)償電路，如反饋校正。3.壓電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？各有何特點(diǎn)？答案：壓電傳感器輸出的是高內(nèi)阻的電荷信號(hào)（或微弱電壓信號(hào)），易受干擾且難以直接傳輸，需前置放大器進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大。常用兩種類型：電荷放大器（輸入級(jí)為高增益運(yùn)算放大器，反饋電容決定輸出電壓，輸出與電荷量成正比，不受連接電纜電容影響）；電壓放大器（輸入阻抗極高，輸出與壓電元件的開路電壓成正比，受電纜電容影響大，適用于短距離傳輸）。4.比較光電式傳感器中透射式、反射式和漫反射式測(cè)量方式的應(yīng)用場(chǎng)景。答案：透射式：被測(cè)物位于發(fā)射與接收端之間，通過遮擋或調(diào)制光強(qiáng)測(cè)量厚度、透明度（如紙張厚度檢測(cè)）；反射式：發(fā)射與接收端同側(cè)，利用被測(cè)物表面反射光測(cè)量距離、表面缺陷（如接近開關(guān)）；漫反射式：被測(cè)物表面粗糙，反射光向各方向散射，接收端檢測(cè)散射光強(qiáng)，適用于非接觸式位置檢測(cè)（如自動(dòng)門感應(yīng)）。5.說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：熱電偶熱電勢(shì)僅與兩結(jié)點(diǎn)溫度差有關(guān)，若冷端溫度T?不為0℃或不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。常用補(bǔ)償方法：冷端恒溫法（將冷端置于0℃恒溫槽）；補(bǔ)償導(dǎo)線法（用與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)線將冷端延伸至溫度穩(wěn)定處）；電橋補(bǔ)償法（利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓抵消冷端溫度變化的影響）；軟件補(bǔ)償法（通過溫度傳感器測(cè)量冷端溫度，利用熱電勢(shì)分度表進(jìn)行實(shí)時(shí)修正）。四、分析計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某應(yīng)變式稱重傳感器采用4片相同的金屬應(yīng)變片（靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R=120Ω），彈性體在載荷F作用下產(chǎn)生軸向應(yīng)變?yōu)?ε，橫向應(yīng)變?yōu)?με（μ=0.3）。若將4片應(yīng)變片對(duì)稱粘貼在彈性體的軸向和橫向，并組成全橋電路（相鄰橋臂分別為軸向和橫向應(yīng)變片），求電橋輸出電壓U?與供橋電壓U?的關(guān)系式（假設(shè)應(yīng)變?chǔ)藕苄。/R≈Kε）。答案：設(shè)軸向應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?ε，電阻變化ΔR?=ΔR?=KεR；橫向應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?με，電阻變化ΔR?=ΔR?=-KμεR。全橋電路輸出電壓公式為：U?=(U?/4)(ΔR?/R-ΔR?/R+ΔR?/R-ΔR?/R)代入ΔR?/R=Kε，ΔR?/R=-Kμε，ΔR?/R=Kε，ΔR?/R=-Kμε，得：U?=(U?/4)(Kε-(-Kμε)+Kε-(-Kμε))=(U?/4)(2Kε+2Kμε)=(U?/2)Kε(1+μ)代入μ=0.3，K=2.0，最終U?=1.3U?Kε（或U?=2.6U?ε）。2.某光電編碼器的碼盤為12位二進(jìn)制碼，其最小分辨角為0.0879°。若測(cè)得輸出脈沖數(shù)為1500個(gè)，求軸的角位移；若碼盤采用增量式編碼（A、B兩相相位差90°），如何通過A、B相脈沖判斷轉(zhuǎn)軸的正反轉(zhuǎn)？答案：12位二進(jìn)制碼盤的總刻線數(shù)為212=4096，最小分辨角θ=360°/4096≈0.0879°（與題目一致）。角位移=脈沖數(shù)×θ=1500×0.0879°≈131.85°。增量式編碼器正反轉(zhuǎn)判斷：A、B兩相脈沖相位差90°，若A相超前B相90°，為正轉(zhuǎn)；若B相超前A相90°，為反轉(zhuǎn)（或通過邊沿檢測(cè)：正轉(zhuǎn)時(shí)A相上升沿對(duì)應(yīng)B相高電平，反轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)低電平）。五、綜合設(shè)計(jì)題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于傳感器的智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO?濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具備超限報(bào)警功能。需完成以下內(nèi)容：（1）選擇各參數(shù)對(duì)應(yīng)的傳感器類型及型號(hào)（需說明選擇依據(jù)）；（2）畫出系統(tǒng)原理框圖（文字描述即可）；（3）說明信號(hào)調(diào)理電路的主要功能；（4）簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)處理與報(bào)警邏輯。答案：（1）傳感器選型：-溫度：DS18B20數(shù)字溫度傳感器（單總線接口，精度±0.5℃，適合溫室環(huán)境）；-濕度：SHT30數(shù)字溫濕度傳感器（集成溫濕度測(cè)量，精度±2%RH，抗干擾能力強(qiáng)）；-光照強(qiáng)度：BH1750FVI數(shù)字光強(qiáng)傳感器（I2C接口，測(cè)量范圍0~65535lx，符合溫室光照需求）；-CO?濃度：MH-Z19B紅外CO?傳感器（非色散紅外原理，量程0~5000ppm，適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境）。（2）系統(tǒng)原理框圖：傳感器→信號(hào)調(diào)理模塊→微控制器（STM32）→顯示模塊（LCD）→通信模塊（Wi-Fi）→上位機(jī)；同時(shí)微控制器連接報(bào)警模塊（蜂鳴器+LED）。（3）信號(hào)調(diào)理電路功能：數(shù)字傳感器無需復(fù)雜調(diào)理，主要包括電平轉(zhuǎn)換（匹配微控制器IO電壓）、濾波（消除電磁干擾）、保護(hù)電路（防止過壓/過流損壞傳感器）；若使用模擬傳感器（如傳統(tǒng)熱電偶），需增加