2025年傳感器試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于傳感器定義的描述中，最準確的是（）A.將電信號轉(zhuǎn)換為非電信號的裝置B.能感受被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置C.僅用于物理量測量的電子元件D.輸出信號一定為電壓或電流的檢測設(shè)備答案：B2.傳感器的靜態(tài)特性中，線性度是指（）A.輸出量與輸入量之間的實際曲線與理想直線的最大偏差與滿量程輸出的百分比B.傳感器在輸入量變化時輸出量的穩(wěn)定時間C.同一輸入量多次測量時輸出量的一致程度D.輸出量變化與引起該變化的輸入量變化之比答案：A3.金屬應(yīng)變片的工作原理主要基于（）A.壓電效應(yīng)B.壓阻效應(yīng)C.應(yīng)變電阻效應(yīng)D.熱電效應(yīng)答案：C4.變極距型電容傳感器的非線性誤差主要來源于（）A.極板間介電常數(shù)的變化B.極板初始間距與位移變化量的比值C.極板面積的微小變形D.寄生電容的干擾答案：B5.霍爾傳感器測量磁場時，輸出電壓與（）成正比A.激勵電流與磁感應(yīng)強度的乘積B.激勵電壓與磁感應(yīng)強度的比值C.激勵電流與磁感應(yīng)強度的比值D.激勵電壓與磁感應(yīng)強度的乘積答案：A6.熱電偶測溫時，若冷端溫度不為0℃，需進行補償，其理論依據(jù)是（）A.均質(zhì)導(dǎo)體定律B.中間導(dǎo)體定律C.中間溫度定律D.參考電極定律答案：C7.光纖傳感器中，利用光纖本身作為敏感元件的類型屬于（）A.功能型（傳感型）光纖傳感器B.非功能型（傳光型）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：A8.壓電傳感器不適用于測量靜態(tài)信號的主要原因是（）A.壓電材料的居里點較低B.電荷容易通過測量電路泄漏C.輸出信號頻率響應(yīng)范圍窄D.靈敏度隨時間衰減答案：B9.半導(dǎo)體氣敏傳感器在檢測氣體前需加熱的主要目的是（）A.消除環(huán)境濕度的影響B(tài).激活表面吸附與反應(yīng)C.提高傳感器的機械強度D.降低材料的電阻率答案：B10.MEMS傳感器的核心優(yōu)勢是（）A.測量精度極高B.可批量制造且成本低C.適用于超高溫環(huán)境D.無需外部電源供電答案：B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）和信號調(diào)理電路三部分組成。2.應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K表示（單位應(yīng)變引起的電阻相對變化量）。3.電容式傳感器按工作原理可分為變極距型、變面積型和（變介電常數(shù)型）。4.電感式傳感器中，差動變壓器屬于（互感式）電感傳感器。5.光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)、（內(nèi)光電效應(yīng)）和光生伏特效應(yīng)。6.熱電偶的熱電勢由（接觸電勢）和溫差電勢兩部分組成。7.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)需通過（極化）處理才能顯現(xiàn)。8.氣敏傳感器的主要性能指標包括靈敏度、（選擇性）和響應(yīng)恢復(fù)時間。9.紅外傳感器按檢測方式可分為主動式和（被動式）。10.光纖的主要導(dǎo)光原理是（光的全反射）。11.磁電式傳感器基于（電磁感應(yīng)）定律，將運動速度轉(zhuǎn)換為電信號。12.熱電阻傳感器常用材料有鉑和（銅），其中（鉑）的穩(wěn)定性更好。13.超聲波傳感器的工作頻率越高，（分辨率）越好，但（穿透能力）越弱。14.濕度傳感器按輸出信號可分為（電阻式）和電容式兩大類。15.智能傳感器的核心特征是具備（自校準）、自診斷和數(shù)據(jù)處理功能。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述傳感器靜態(tài)特性與動態(tài)特性的區(qū)別，并列舉至少3個靜態(tài)特性指標和2個動態(tài)特性指標。答案：靜態(tài)特性描述傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入-輸出關(guān)系，動態(tài)特性描述被測量隨時間變化時傳感器的響應(yīng)能力。靜態(tài)指標：線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯；動態(tài)指標：時間常數(shù)、上升時間、超調(diào)量、頻率響應(yīng)范圍。2.應(yīng)變式傳感器的溫度誤差是如何產(chǎn)生的？常用的補償方法有哪些？答案：溫度誤差由兩部分引起：一是應(yīng)變片電阻隨溫度變化的熱阻效應(yīng)；二是被測材料與應(yīng)變片材料熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的附加應(yīng)變。補償方法：電橋補償法（利用補償片接入電橋相鄰臂）、溫度自補償應(yīng)變片（通過選擇特定敏感柵材料使熱阻效應(yīng)與熱膨脹效應(yīng)抵消）、電路補償法（如采用恒流源供電并添加溫度傳感器修正）。3.電容式傳感器的主要優(yōu)缺點是什么？針對其缺點可采取哪些改進措施？答案：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、非接觸測量；缺點：輸出阻抗高（易受干擾）、非線性誤差大、寄生電容影響顯著。改進措施：采用差動結(jié)構(gòu)減小非線性；集成運算放大器構(gòu)成驅(qū)動電纜降低寄生電容；使用屏蔽和接地技術(shù)減少干擾；采用頻率輸出或數(shù)字信號處理提高抗干擾能力。4.霍爾傳感器的工作原理是什么？說明其在直流電機轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用方法。答案：霍爾效應(yīng)：當載流導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）置于磁場中，載流子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，在垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生霍爾電勢UH=KHIB（KH為霍爾系數(shù)，I為激勵電流，B為磁感應(yīng)強度）。轉(zhuǎn)速測量時，在電機轉(zhuǎn)軸上安裝磁鋼（或齒盤+永磁鐵），霍爾傳感器固定于附近。電機旋轉(zhuǎn)時，磁鋼周期性接近/遠離傳感器，輸出周期性霍爾電壓脈沖，通過計數(shù)脈沖頻率（或周期）即可計算轉(zhuǎn)速n=60f/N（f為脈沖頻率，N為磁鋼數(shù)）。5.熱電偶冷端溫度補償?shù)某Ｓ梅椒ㄓ心男糠謩e簡述其原理。答案：（1）冷端恒溫法：將冷端置于0℃恒溫槽（如冰水混合物），直接查表得到熱電勢與溫度的關(guān)系；（2）補償導(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)定的控制室，降低環(huán)境溫度波動影響；（3）電橋補償法（冷端補償器）：在測量電橋中接入熱敏電阻，利用其隨溫度變化的電阻值改變電橋輸出，補償冷端溫度變化引起的熱電勢偏差；（4）軟件補償法：通過溫度傳感器測量冷端溫度T0，利用熱電偶分度表的非線性關(guān)系，在數(shù)據(jù)處理時修正測量結(jié)果（如E(T,T0)=E(T,Tref)+E(Tref,T0)）。四、計算題（每題10分，共20分）1.某應(yīng)變式稱重傳感器采用等臂電橋（四臂均為應(yīng)變片），應(yīng)變片初始電阻R=120Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0。當被測重量引起應(yīng)變ε=1500με時，求：（1）單個應(yīng)變片的電阻變化量ΔR；（2）若電橋供電電壓U=10V，求電橋輸出電壓ΔU（假設(shè)電橋為全等臂，且應(yīng)變片受拉/壓對稱）。答案：（1）ΔR=K·R·ε=2.0×120Ω×1500×10??=0.36Ω；（2）四臂電橋中，若兩對邊應(yīng)變片受拉（+ε），另兩對邊受壓（-ε），則總輸出ΔU=U·(ΔR1/R-ΔR2/R+ΔR3/R-ΔR4/R)/4。由于對稱，ΔR1=ΔR3=+0.36Ω，ΔR2=ΔR4=-0.36Ω，代入得ΔU=10V×[(0.36/120)-(-0.36/120)+(0.36/120)-(-0.36/120)]/4=10V×(4×0.36/120)/4=10V×0.36/120=0.03V=30mV。2.一變面積型電容傳感器，極板寬度b=20mm，初始重疊長度l0=50mm，極板間距d=0.1mm，介電常數(shù)ε=ε0εr（ε0=8.85×10?12F/m，εr=1）。當動極板沿長度方向位移Δl=10mm（重疊長度減小）時，求：（1）初始電容C0；（2）位移后的電容C；（3）傳感器的靈敏度S（ΔC/Δl）。答案：（1）初始面積A0=b·l0=0.02m×0.05m=0.001m2，C0=εA0/d=8.85×10?12F/m×0.001m2/0.0001m=8.85×10?11F=88.5pF；（2）位移后重疊長度l=l0-Δl=40mm=0.04m，面積A=b·l=0.02×0.04=0.0008m2，C=εA/d=8.85×10?12×0.0008/0.0001=7.08×10?11F=70.8pF；（3）ΔC=C-C0=70.8pF-88.5pF=-17.7pF，靈敏度S=ΔC/Δl=-17.7pF/0.01m=-1770pF/m（負號表示電容隨位移增加而減?。?。五、綜合分析題（20分）設(shè)計一個基于傳感器的智能溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，要求：（1）列出需監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)；（2）為每個參數(shù)選擇合適的傳感器類型并說明理由；（3）簡述傳感器信號的處理與傳輸流程。答案：（1）關(guān)鍵參數(shù)：溫度、濕度、光照強度、土壤濕度、CO2濃度。（2）傳感器選擇：①溫度：鉑電阻傳感器（如Pt100），精度高（±0.1℃）、穩(wěn)定性好，適用于0~100℃溫室環(huán)境；②濕度：電容式濕度傳感器（如HS1101），響應(yīng)快（<5s）、線性度好（±2%RH），適合空氣濕度測量；③光照強度：硅光電池（光電式傳感器），光譜響應(yīng)接近太陽光譜，輸出電流與光照強度成正比，可直接轉(zhuǎn)換為電壓信號；④土壤濕度：頻域反射（FDR）傳感器，通過測量土壤介電常數(shù)（與含水量正相關(guān)）實現(xiàn)非接觸式測量，抗干擾能力強；⑤CO2濃度：紅外氣體傳感器（NDIR），利用CO2對4.26μm紅外光的吸收特性，測量范圍0~5000ppm，適用于溫室氣體監(jiān)測。（3）信號處理與傳輸流程：①傳感器輸出信號（如鉑電阻的電阻值、濕度傳感器的電容值、硅光電池的電流、FDR的頻率、NDIR的電壓）經(jīng)信號調(diào)理電路（如電橋轉(zhuǎn)換、電容-電壓轉(zhuǎn)換、I/V轉(zhuǎn)換、頻率-電壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換為0~5V或4~20mA的標準模擬信號；②模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器（如16位ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入微控制器（如STM32）進