2025年傳感器與檢測技術(shù)期末考試試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.關(guān)于金屬電阻應(yīng)變片的工作原理，以下描述正確的是（）A.利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)B.基于金屬絲的幾何尺寸變化引起電阻變化C.敏感柵材料為P型半導(dǎo)體D.應(yīng)變靈敏度系數(shù)主要由電阻率變化決定答案：B2.差動變壓器式電感傳感器屬于（）A.自感式變磁阻型B.自感式變氣隙型C.互感式螺管型D.互感式變面積型答案：C3.光電傳感器中，外光電效應(yīng)對應(yīng)的器件是（）A.光敏電阻B.光電二極管C.光電倍增管D.光電池答案：C4.熱電偶測量溫度時(shí)，若參考端溫度為25℃，測得熱電勢為36.5mV，已知該熱電偶在1000℃時(shí)熱電勢為41.3mV，25℃時(shí)為1.0mV，則實(shí)際溫度約為（）A.950℃B.1025℃C.975℃D.1000℃答案：A（計(jì)算：(36.5-1.0)/(41.3-1.0)×(1000-0)+25≈950℃）5.壓電式傳感器不適用于測量（）A.動態(tài)力B.高頻振動C.靜態(tài)壓力D.沖擊加速度答案：C6.磁電感應(yīng)式傳感器的輸出信號與被測物體的（）成正比A.位移B.速度C.加速度D.溫度答案：B7.半導(dǎo)體氣敏傳感器通常需要加熱至200~400℃，主要目的是（）A.消除濕度干擾B.激活表面吸附反應(yīng)C.提高靈敏度D.降低噪聲答案：B8.電容式傳感器中，邊緣效應(yīng)會導(dǎo)致（）A.非線性誤差增大B.靈敏度提高C.動態(tài)響應(yīng)變快D.溫度穩(wěn)定性增強(qiáng)答案：A9.霍爾傳感器的載流子類型為（）A.電子B.空穴C.電子或空穴D.離子答案：C（取決于半導(dǎo)體材料類型）10.光纖傳感器中，相位調(diào)制型通常需要（）A.單模光纖B.多模光纖C.階躍型光纖D.漸變型光纖答案：A二、填空題（每空1分，共20分）1.電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法主要有______補(bǔ)償法和______補(bǔ)償法。答案：橋路；溫度自補(bǔ)償2.電感式傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測非電量轉(zhuǎn)換為______的變化，可分為自感式和______兩大類。答案：電感量；互感式3.光電倍增管由______、倍增極和______三部分組成。答案：光陰極；陽極4.熱電偶的基本定律包括______定律、中間導(dǎo)體定律和______定律。答案：均質(zhì)導(dǎo)體；中間溫度5.壓電材料分為______和______兩大類，常見的壓電陶瓷是______。答案：壓電晶體；壓電陶瓷；PZT（鋯鈦酸鉛）6.磁電感應(yīng)定律的表達(dá)式為______，其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，l為導(dǎo)體長度，v為______。答案：e=Blv；相對運(yùn)動速度7.氣敏傳感器的敏感材料多為______半導(dǎo)體，如SnO?、ZnO，其電阻隨被測氣體濃度變化的本質(zhì)是______變化。答案：N型；表面載流子濃度8.電容式傳感器的測量電路包括______、調(diào)頻電路和______等。答案：電橋電路；運(yùn)算放大器電路9.霍爾效應(yīng)的表達(dá)式為______，其中K_H為______。答案：U_H=K_HIB；霍爾系數(shù)10.光纖的結(jié)構(gòu)由______、包層和______組成，其導(dǎo)光原理是______。答案：纖芯；涂覆層；全反射三、簡答題（每題5分，共30分）1.簡述電阻應(yīng)變片與壓阻式傳感器的工作原理差異。答案：電阻應(yīng)變片利用金屬或合金的幾何尺寸變化（Δl/l和ΔA/A）引起電阻變化，靈敏度系數(shù)約為2；壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)（電阻率ρ變化），靈敏度系數(shù)可達(dá)100~200，且尺寸更小，但溫度穩(wěn)定性較差。2.電感式傳感器產(chǎn)生零位誤差的主要原因是什么？如何減??？答案：原因：差動結(jié)構(gòu)不對稱（線圈匝數(shù)、電感量不等）、鐵芯磁化曲線非線性、寄生電容干擾。減小方法：嚴(yán)格匹配線圈參數(shù)、采用磁屏蔽減少外界磁場干擾、引入補(bǔ)償電路（如并聯(lián)電阻或電容）。3.比較光敏二極管與光敏三極管的光電轉(zhuǎn)換特性。答案：光敏二極管工作在反向偏置狀態(tài)，光電流與光照強(qiáng)度成正比，響應(yīng)速度快（納秒級）；光敏三極管相當(dāng)于光敏二極管與普通三極管的組合，具有電流放大作用（β倍），靈敏度更高，但響應(yīng)速度較慢（微秒級），線性度略差。4.熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒ㄓ心男?？簡述其原理。答案：?）冰浴法：將冷端置于0℃冰水中，消除溫度波動；（2）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；（3）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引起的熱電勢誤差；（4）軟件補(bǔ)償法：通過測量冷端溫度，查表修正熱電勢對應(yīng)的溫度值。5.壓電式傳感器為何需要電荷放大器？答案：壓電傳感器的內(nèi)阻極高（1012Ω以上），輸出電荷信號易受電纜電容影響（Q=C·U，C增大則U減?。ｋ姾煞糯笃鬏斎胱杩垢?，且輸出電壓與電荷量成正比（U_o=-Q/C_f，C_f為反饋電容），可有效隔離電纜電容變化的干擾，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。6.設(shè)計(jì)一個(gè)基于應(yīng)變片的電子秤，需考慮哪些關(guān)鍵誤差因素？如何補(bǔ)償？答案：關(guān)鍵誤差：（1）溫度誤差（應(yīng)變片電阻隨溫度變化、彈性體熱膨脹）；（2）非線性誤差（應(yīng)變片與彈性體粘貼不牢、電橋非線性）；（3）橫向效應(yīng)（敏感柵橫向部分對縱向應(yīng)變的響應(yīng)）。補(bǔ)償方法：采用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片或橋路補(bǔ)償；選擇線性度好的彈性體（如鋁合金）；使用箔式應(yīng)變片減小橫向效應(yīng)；通過軟件線性化修正。四、分析計(jì)算題（每題6分，共30分）1.某金屬應(yīng)變片的電阻R=120Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0，粘貼于彈性模量E=2×1011Pa的鋼構(gòu)件表面。當(dāng)構(gòu)件受拉應(yīng)力σ=100MPa時(shí)，求應(yīng)變片的電阻變化量ΔR。答案：應(yīng)變ε=σ/E=100×10?/(2×1011)=5×10??；ΔR=K·R·ε=2×120×5×10??=0.12Ω。2.差動螺管式電感傳感器的初始電感L?=L?=50mH，電源頻率f=1kHz，當(dāng)被測位移引起ΔL=±5mH時(shí)，求電橋輸出電壓（電橋?yàn)榻涣麟p臂工作，電源電壓U=6V）。答案：電橋輸出電壓U_o=U·(ΔL?/(L?+ΔL?)-ΔL?/(L?+ΔL?))≈U·(ΔL?/L?-(-ΔL?)/L?)=6×(5/50+5/50)=6×0.2=1.2V（差動工作時(shí)ΔL?=+5mH，ΔL?=-5mH）。3.某光敏二極管的光照度E=1000lx，光電靈敏度S=0.5μA/lx，暗電流I_d=0.1μA，求其光電流I_p和總電流I。答案：I_p=S·E=0.5×1000=500μA；I=I_p+I_d=500.1μA。4.K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅）的參考端溫度T?=30℃，測得熱電勢E(T,T?)=36.0mV。已知E(30℃,0℃)=1.203mV，E(900℃,0℃)=37.326mV，E(890℃,0℃)=36.959mV，求被測溫度T。答案：E(T,0℃)=E(T,T?)+E(T?,0℃)=36.0+1.203=37.203mV；線性插值：(37.203-36.959)/(37.326-36.959)×(900-890)+890≈890+6.65≈896.65℃，約897℃。5.壓電式加速度傳感器的壓電片為兩片并聯(lián)，壓電常數(shù)d=2×10?12C/N，質(zhì)量塊m=0.01kg，被測加速度a=100m/s2，求輸出電荷Q。答案：作用力F=m·a=0.01×100=1N；并聯(lián)時(shí)電荷Q=2·d·F=2×2×10?12×1=4×10?12C。五、綜合設(shè)計(jì)題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于霍爾傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，要求：（1）說明傳感器選型及安裝方式；（2）畫出信號調(diào)理電路框圖；（3）闡述轉(zhuǎn)速計(jì)算原理；（4）列出主要誤差來源及補(bǔ)償方法。答案：（1）傳感器選型：選用線性霍爾傳感器（如UGN3501），其輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。安裝方式：在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)帶N極和S極交替的磁環(huán)（如8極），霍爾傳感器固定于磁環(huán)外側(cè)，距離1~2mm，確保磁場變化被檢測。（2）信號調(diào)理電路：霍爾傳感器輸出→差分放大器（抑制共模噪聲）→低通濾波器（截止頻率10kHz，濾除高頻干擾）→施密特觸發(fā)器（將正弦波轉(zhuǎn)換為方波）→光電隔離器（防止電機(jī)干擾進(jìn)入采集系統(tǒng)）→微控制器（MCU）。（3）轉(zhuǎn)速計(jì)算原理：磁環(huán)每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器輸出8個(gè)周期的方波信號。MCU通過定時(shí)器測量方波周期T（單位：秒），則轉(zhuǎn)速n=60/(8T)（單位：轉(zhuǎn)