《傳感器原理及應用》的試題及答案2025年試題部分一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某電阻應變片的靈敏度系數(shù)K=2.1，當受到ε=1500με的應變時，其電阻相對變化率ΔR/R為（）。A.0.315%B.0.21%C.0.42%D.0.15%2.壓阻式傳感器的工作原理基于（）。A.金屬的應變效應B.半導體的壓阻效應C.壓電材料的正壓電效應D.霍爾效應3.電感式傳感器中，能直接測量大位移（>1mm）的類型是（）。A.變氣隙式B.變面積式C.螺管式D.差動變壓器式4.光纖傳感器中，利用外界物理量改變光纖中傳輸光的相位實現(xiàn)測量的調制方式屬于（）。A.強度調制B.相位調制C.波長調制D.偏振調制5.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.電荷易泄漏C.輸出阻抗高D.靈敏度隨溫度變化6.熱電阻測溫時，采用三線制接法的主要目的是（）。A.提高靈敏度B.減小引線電阻的影響C.增加測量范圍D.簡化電路7.氣敏傳感器中，SnO?基元件檢測可燃氣體時，其電導率變化的主要原因是（）。A.氣體分子吸附引起載流子濃度變化B.溫度變化導致電阻變化C.氣體分子與材料發(fā)生化學反應D.體積膨脹改變接觸電阻8.MEMS加速度傳感器的敏感結構通常采用（）。A.壓電陶瓷懸臂梁B.硅基微懸臂梁+質量塊C.電感線圈+鐵芯D.電容極板+彈簧9.熱電偶的熱電勢大小僅與（）有關。A.熱端溫度B.冷端溫度C.熱端和冷端的溫度差D.熱電極的材料和兩端溫度10.紅外傳感器中，熱釋電探測器的響應特性（）。A.僅對恒定紅外輻射敏感B.僅對變化的紅外輻射敏感C.對恒定和變化輻射均敏感D.對任何輻射均不敏感二、填空題（每空1分，共15分）1.電阻應變片的靈敏度系數(shù)K定義為______與______的比值。2.電容式傳感器按參數(shù)變化方式可分為變極距型、變面積型和______型，其中______型的靈敏度最高但非線性最嚴重。3.壓電材料分為壓電晶體、壓電陶瓷和______三類，其中______（填材料類型）需預先極化處理才能具有壓電特性。4.熱電偶的基本定律包括均質導體定律、中間導體定律和______定律，利用______定律可實現(xiàn)冷端溫度補償。5.光電效應分為外光電效應、______光電效應和______光電效應，其中光敏電阻基于______效應工作。6.氣敏傳感器的主要性能指標包括靈敏度、響應時間、______和______（任意填兩個）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.比較金屬電阻應變片與半導體應變片的工作原理及性能差異。2.說明電感式傳感器中“零點殘余電壓”的產(chǎn)生原因及抑制方法。3.分析變極距型電容式傳感器的非線性誤差來源，并提出兩種改善非線性的措施。4.簡述熱電偶冷端補償?shù)谋匾裕⒘信e三種常用的冷端補償方法。5.光纖傳感器中，強度調制型與相位調制型的核心區(qū)別是什么？分別舉例說明其典型應用。四、分析計算題（每題10分，共30分）1.某應變片的初始電阻R?=120Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0，粘貼于彈性模量E=2×1011Pa的鋼構件表面。當構件受拉應力σ=100MPa時，求：（1）應變ε；（2）電阻變化量ΔR；（3）若采用單臂電橋（橋壓U=5V），輸出電壓U?的理論值（電橋其他臂為相同固定電阻）。2.壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度S_q=10pC/g（g為重力加速度，取9.8m/s2），配套電荷放大器的反饋電容C_f=1000pF。當傳感器受到a=5g的加速度作用時，求電荷放大器的輸出電壓U_o（忽略泄漏和干擾）。3.變極距型電容傳感器的初始極距d?=0.5mm，極板面積A=100mm2，介電常數(shù)ε=ε?ε?（ε?=8.85×10?12F/m，ε?=1）。當極板移動Δd=0.01mm（Δd<<d?）時，計算：（1）初始電容C?；（2）電容變化量ΔC；（3）非線性誤差δ（用相對誤差表示，δ=|ΔC非線性-ΔC線性|/ΔC線性×100%）。五、綜合應用題（15分）設計一個基于傳感器的智能農業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，要求監(jiān)測溫度、濕度、光照強度和CO?濃度四個參數(shù)。需完成以下任務：（1）為每個參數(shù)選擇合適的傳感器類型，并說明選型依據(jù)；（2）畫出系統(tǒng)總體結構框圖（文字描述即可）；（3）簡述信號調理電路的主要功能（針對其中一個參數(shù)的傳感器）；（4）提出數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)幕痉桨福ㄈ缡欠裥枰?、無線傳輸協(xié)議選擇等）。答案部分一、單項選擇題1.A（ΔR/R=K·ε=2.1×1500×10??=0.315%）2.B（壓阻式基于半導體的壓阻效應）3.C（螺管式電感傳感器測量范圍大，可達數(shù)毫米至數(shù)十毫米）4.B（相位調制通過外界物理量改變光程差實現(xiàn)）5.B（壓電傳感器輸出為電荷，靜態(tài)下電荷易泄漏導致信號衰減）6.B（三線制可抵消引線電阻對電橋平衡的影響）7.A（SnO?吸附可燃氣體后，表面氧離子脫附，載流子濃度增加，電導率上升）8.B（MEMS加速度傳感器多采用硅微加工的懸臂梁+質量塊結構）9.D（熱電勢由熱電極材料和兩端溫度共同決定）10.B（熱釋電效應僅對變化的紅外輻射敏感）二、填空題1.電阻相對變化率（ΔR/R）；應變（ε）2.變介電常數(shù)；變極距3.高分子壓電材料；壓電陶瓷4.中間溫度；中間溫度5.內（或光導）；光生伏特；內光電（或光導）6.選擇性；穩(wěn)定性（或重復性、工作溫度范圍等）三、簡答題1.工作原理：金屬應變片基于金屬的應變效應（幾何尺寸變化引起電阻變化）；半導體應變片基于半導體的壓阻效應（載流子遷移率和濃度變化引起電阻變化）。性能差異：①靈敏度：半導體應變片靈敏度（K≈100~200）遠高于金屬（K≈2）；②線性度：金屬應變片線性好，半導體非線性嚴重；③溫度敏感性：半導體對溫度更敏感，需嚴格溫度補償；④機械強度：金屬應變片機械強度高，半導體較脆。2.產(chǎn)生原因：①傳感器兩線圈的電氣參數(shù)（電感、內阻）和幾何尺寸不完全對稱；②磁性材料非線性（如鐵芯磁化曲線的非線性）；③寄生電容（線圈與外殼、鐵芯間的分布電容）。抑制方法：①設計時保證線圈對稱，選用高導磁、低剩磁材料；②采用相敏檢波電路消除零位電壓中的無用分量；③在電路中加入補償網(wǎng)絡（如串聯(lián)電阻、并聯(lián)電容）平衡阻抗。3.非線性誤差來源：變極距型電容傳感器的電容C=εA/(d?-Δd)，當Δd<<d?時，展開為泰勒級數(shù)后存在二次及以上項，導致輸出與位移Δd呈非線性關系。改善措施：①采用差動結構（兩個電容反向變化，二次項相互抵消，非線性誤差大幅降低）；②限制Δd的范圍（如Δd/d?≤1/5~1/10），使高階項可忽略；③引入線性化電路（如運算放大器構成的線性化輸出電路）。4.必要性：熱電偶的熱電勢僅與熱端和冷端的溫度差有關，若冷端溫度不為0℃且波動，會導致測量誤差，因此需補償冷端溫度變化的影響。常用方法：①冷端恒溫法（將冷端置于0℃恒溫槽或恒溫箱）；②補償導線法（用與熱電偶熱電特性相近的導線將冷端延伸至溫度穩(wěn)定處）；③電橋補償法（利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓抵消冷端溫度變化的影響）；④軟件補償法（通過溫度傳感器測量冷端溫度，用微處理器計算修正熱電勢）。5.核心區(qū)別：強度調制型通過改變光強實現(xiàn)測量（調制參量是光功率），相位調制型通過改變光的相位差實現(xiàn)測量（調制參量是相位）。典型應用：強度調制型如光纖位移傳感器（通過被測物遮擋光強變化測位移）；相位調制型如光纖干涉儀（用于高精度振動測量，如地震監(jiān)測）。四、分析計算題1.（1）應變ε=σ/E=100×10?Pa/2×1011Pa=5×10??（或500με）；（2）ΔR=K·R?·ε=2.0×120Ω×5×10??=0.12Ω；（3）單臂電橋輸出U?=U·ΔR/(4R?)=5V×0.12Ω/(4×120Ω)=0.00125V=1.25mV。2.電荷Q=S_q·a=10pC/g×5g=50pC；輸出電壓U_o=Q/C_f=50pC/1000pF=0.05V（50mV）。3.（1）初始電容C?=ε?A/d?=8.85×10?12F/m×(100×10??m2)/(0.5×10?3m)=1.77×10?12F=1.77pF；（2）電容變化量（線性近似）ΔC線性≈ε?AΔd/d?2=1.77pF×(0.01mm/0.5mm)=0.0354pF；實際ΔC非線性=C?-ε?A/(d?+Δd)=1.77pF-[8.85×10?12×100×10??/(0.51×10?3)]≈1.77pF-1.735pF=0.035pF（注：此處Δd為極板靠近，故d=d?-Δd=0.49mm，計算應為ε?A/(0.49×10?3)=1.806pF，ΔC=1.806-1.77=0.036pF，可能存在近似誤差，以嚴格計算為準）；（3）非線性誤差δ=|ΔC非線性-ΔC線性|/ΔC線性×100%≈|0.036-0.0354|/0.0354×100%≈1.7%（具體數(shù)值因Δd方向和計算精度略有差異）。五、綜合應用題（1）傳感器選型及依據(jù)：-溫度：選擇PT100熱電阻（精度高，線性好，適合0~100℃農業(yè)環(huán)境）；-濕度：選擇電容式濕度傳感器（如HS1101，響應快，長期穩(wěn)定性好）；-光照強度：選擇硅光電池（光譜響應接近太陽光譜，輸出與光強成正比）；-CO?濃度：選擇NDIR（非分散紅外）傳感器（抗干擾能力強，適合溫室高濕環(huán)境）。（2）系統(tǒng)結構框圖：傳感器模塊（溫/濕度/光照/CO?傳感器）→信號調理電路（放大、濾波、線性化）→A/D轉換→微控制器（數(shù)據(jù)采集、處理）→無線傳輸模塊（如LoRa或ZigBee）→上位機（監(jiān)測平臺）。（3）信號調理電路（以PT100為例）：需設計恒流源供電電路（提供穩(wěn)定電流激勵）