2025年檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)試題答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.關(guān)于應(yīng)變片式傳感器，以下描述錯誤的是（）。A.金屬應(yīng)變片的工作原理基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)B.半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)遠高于金屬應(yīng)變片C.應(yīng)變片的橫向效應(yīng)會導(dǎo)致測量誤差，可通過箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)優(yōu)化D.溫度補償僅需在測量電橋中接入補償片即可完全消除溫度影響答案：D（溫度補償需結(jié)合補償片、橋路設(shè)計及后續(xù)信號處理，無法完全消除）2.某熱電偶的分度號為K型，參考端溫度為25℃，測得熱電勢為36.5mV。查K型熱電偶分度表，當(dāng)熱電勢為36.5mV時對應(yīng)溫度為880℃，則被測溫度為（）。A.880℃B.905℃C.855℃D.無法確定答案：B（需修正參考端溫度，實際溫度=880℃+25℃=905℃）3.光電傳感器中，用于測量物體表面粗糙度的常用類型是（）。A.對射式B.反射式C.槽式D.光纖式答案：B（反射式通過接收漫反射光強差異反映表面粗糙度）4.信號調(diào)理電路中，用于抑制50Hz工頻干擾的最佳濾波器是（）。A.低通濾波器（截止頻率100Hz）B.高通濾波器（截止頻率30Hz）C.帶通濾波器（通帶40-60Hz）D.陷波濾波器（中心頻率50Hz）答案：D（陷波濾波器可針對性衰減特定頻率干擾）5.某壓力傳感器的量程為0-10MPa，輸出信號為4-20mA。當(dāng)輸出電流為12mA時，對應(yīng)的壓力值為（）。A.5MPaB.6MPaC.7MPaD.8MPa答案：A（(12-4)/(20-4)×10=5MPa）6.以下不屬于數(shù)字式傳感器的是（）。A.光柵傳感器B.編碼器C.電容式位移傳感器D.磁柵傳感器答案：C（電容式多為模擬輸出，需后續(xù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號）7.霍爾傳感器測量位移時，通常利用的是（）。A.霍爾元件在梯度磁場中的位置-電勢關(guān)系B.霍爾電壓與磁場強度的線性關(guān)系C.霍爾元件的溫度補償特性D.霍爾效應(yīng)的非線性校正答案：A（通過設(shè)計梯度磁場，使霍爾電壓隨位移線性變化）8.某檢測系統(tǒng)的信噪比（SNR）為40dB，對應(yīng)的信號功率與噪聲功率比為（）。A.10:1B.100:1C.1000:1D.10000:1答案：B（SNR=10lg(S/N)=40dB→S/N=10??/1?=100）9.用于氣體成分檢測的電化學(xué)傳感器，其核心反應(yīng)發(fā)生在（）。A.參比電極與工作電極之間B.透氣膜與電解液界面C.加熱元件與催化層D.信號調(diào)理電路的放大環(huán)節(jié)答案：A（通過電極間的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電信號）10.智能傳感器區(qū)別于傳統(tǒng)傳感器的關(guān)鍵特征是（）。A.具備更高的靈敏度B.集成微處理器和通信功能C.采用新型敏感材料D.輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號答案：B（智能傳感器需具備數(shù)據(jù)處理、自校準(zhǔn)和通信能力）二、填空題（每空1分，共15分）1.電感式傳感器的主要類型包括變磁阻式、______和渦流式，其中______傳感器可實現(xiàn)非接觸測量。答案：變壓器式；渦流2.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______定律，其中______定律是熱電偶冷端補償?shù)睦碚撘罁?jù)。答案：中間溫度；中間溫度3.壓電傳感器適用于______測量（填“靜態(tài)”或“動態(tài)”），其后續(xù)信號調(diào)理電路通常采用______或電荷放大器。答案：動態(tài)；電壓放大器4.電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K定義為______與______的比值。答案：電阻相對變化率ΔR/R；應(yīng)變ε5.數(shù)字式位移測量中，光柵傳感器的莫爾條紋具有______和______兩大作用。答案：位移放大；誤差平均6.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、______、______和重復(fù)性等。答案：靈敏度；遲滯7.電磁兼容（EMC）設(shè)計中，抑制共模干擾的常用方法是______，抑制差模干擾的常用方法是______。答案：接地；濾波三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述壓阻效應(yīng)與壓電效應(yīng)的區(qū)別，并各舉一例應(yīng)用場景。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料在應(yīng)力作用下電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象（如硅單晶），基于此的壓阻式傳感器廣泛用于壓力測量（如汽車胎壓傳感器）。壓電效應(yīng)是電介質(zhì)材料在機械應(yīng)力作用下表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象（如石英、壓電陶瓷），典型應(yīng)用為加速度傳感器（如手機重力感應(yīng)）。兩者本質(zhì)區(qū)別：壓阻效應(yīng)是電阻率變化，屬于電阻型；壓電效應(yīng)是電荷產(chǎn)生，屬于發(fā)電型，且僅適用于動態(tài)測量。2.說明電橋電路在檢測系統(tǒng)中的作用，并推導(dǎo)單臂電橋（僅一臂為應(yīng)變片）的輸出電壓公式（設(shè)電橋電源電壓為U，應(yīng)變片初始電阻為R，變化量為ΔR，其他橋臂為固定電阻R）。電橋的作用：將電阻、電感等參數(shù)的微小變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，實現(xiàn)信號的放大與調(diào)理。單臂電橋輸出電壓Uo=U×(ΔR)/(4R+2ΔR)。當(dāng)ΔR<<R時，近似為Uo≈U×ΔR/(4R)，此時輸出與應(yīng)變成線性關(guān)系。3.比較熱電偶與熱電阻的溫度測量特點，各列出兩種常用類型。熱電偶：基于塞貝克效應(yīng)，輸出熱電勢，測量范圍寬（-200℃~2000℃），需冷端補償，常用K型（鎳鉻-鎳硅）、S型（鉑銠10-鉑）。熱電阻：基于金屬或半導(dǎo)體的電阻-溫度特性，輸出電阻變化，精度高（適用于中低溫），需恒流源激勵，常用Pt100（鉑電阻）、Cu50（銅電阻）。4.什么是傳感器的動態(tài)特性？說明階躍響應(yīng)中上升時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差的物理意義。動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)能力。上升時間：輸出從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需時間，反映響應(yīng)速度；超調(diào)量：輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值的百分比，反映系統(tǒng)阻尼特性；穩(wěn)態(tài)誤差：過渡過程結(jié)束后輸出與輸入的差值，反映系統(tǒng)靜態(tài)精度。5.簡述光纖傳感器的工作原理，列舉兩種功能型（本征型）光纖傳感器并說明其檢測對象。光纖傳感器利用光在光纖中傳輸時，外界物理量（如溫度、壓力、應(yīng)變）對光的強度、相位、波長等參數(shù)的調(diào)制作用。功能型光纖傳感器中，光纖既是傳輸介質(zhì)又是敏感元件。例如：光纖光柵傳感器（通過光柵反射波長變化檢測應(yīng)變或溫度）；光纖干涉型傳感器（如馬赫-曾德爾干涉儀，通過相位變化檢測振動或壓力）。四、綜合題（25分）設(shè)計一個基于STM32的智能溫度檢測系統(tǒng)，要求測量范圍-40℃~125℃，精度±0.5℃，具備溫度超限報警（閾值可設(shè)）、數(shù)據(jù)無線傳輸（藍牙）和本地顯示（LCD）功能。請完成以下設(shè)計：（1）傳感器選型及理由：選擇數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，理由：單總線接口，簡化電路；測量范圍-55℃~125℃（滿足需求）；精度±0.5℃（符合要求）；內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換，直接輸出數(shù)字信號，降低STM32處理負擔(dān)。（2）信號調(diào)理與采集電路設(shè)計要點：DS18B20通過單總線（DQ引腳）與STM32的GPIO口連接，需上拉電阻（4.7kΩ）保證信號可靠傳輸。由于傳感器輸出數(shù)字信號，無需額外放大或濾波電路，但需注意總線長度（<50m時無需驅(qū)動，過長時加總線驅(qū)動芯片）。（3）軟件流程設(shè)計（關(guān)鍵步驟）：①初始化：STM32時鐘、GPIO（DQ引腳設(shè)為開漏輸出）、LCD、藍牙模塊（UART接口）。②溫度采集：發(fā)送復(fù)位脈沖→檢測存在脈沖→發(fā)送ROM指令（跳過ROM）→發(fā)送功能指令（啟動溫度轉(zhuǎn)換）→等待轉(zhuǎn)換完成（約750ms）→讀取溫度數(shù)據(jù)（2字節(jié)，高字節(jié)符號位，低字節(jié)分?jǐn)?shù)位）。③數(shù)據(jù)處理：將16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際溫度值（例如，0x0190對應(yīng)25.0℃，0xFF50對應(yīng)-25.0℃）。④閾值比較：讀取預(yù)設(shè)閾值（存儲于EEPROM），若當(dāng)前溫度超過閾值，觸發(fā)蜂鳴器報警。⑤數(shù)據(jù)顯示與傳輸：將溫度值格式化后通過LCD顯示（如“23.5℃”），同時通過藍牙模塊（AT指令配置為透傳模式）發(fā)送至手機APP。（4）誤差補償與抗干擾措施：①溫度校準(zhǔn)：在系統(tǒng)初始化時，使用標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽對DS18B20進行兩點校準(zhǔn)（如0℃和100℃），計算校準(zhǔn)系數(shù)（斜率和截距），補償傳感器自身誤差。②電源濾波：在STM32和DS18B20電源端并聯(lián)100nF瓷片電容和10μF電解電容，抑制電源噪聲。③總線保護：單總線線路上串聯(lián)33Ω電阻，防止總線短路時損壞I