(2025年)《傳感器與檢測技項目教程》習(xí)題含答案(大學(xué)期末)一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于傳感器靜態(tài)特性的描述中，錯誤的是（）A.線性度是指傳感器輸出與輸入之間的實際關(guān)系曲線偏離理想直線的程度B.靈敏度定義為輸出變化量與引起該變化的輸入變化量之比C.重復(fù)性是指在相同工作條件下，輸入量按同一方向連續(xù)多次變化時，傳感器輸出特性的不一致程度D.遲滯反映了傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵?輸入曲線的不重合程度答案：C（重復(fù)性是輸入量按同一方向多次變化時的一致程度，不一致程度是重復(fù)性誤差的表現(xiàn)）2.某電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R0=120Ω。當(dāng)應(yīng)變ε=500με時，其電阻變化量ΔR約為（）A.0.06ΩB.0.12ΩC.0.24ΩD.0.30Ω答案：B（ΔR=K·R0·ε=2×120×500×10??=0.12Ω）3.電感式傳感器中，差動變壓器式傳感器的工作原理基于（）A.自感效應(yīng)B.互感效應(yīng)C.渦流效應(yīng)D.壓磁效應(yīng)答案：B（差動變壓器通過互感變化檢測位移）4.電容式傳感器測量微小位移時，最常用的轉(zhuǎn)換電路是（）A.電橋電路B.調(diào)頻電路C.運算放大器電路D.脈沖調(diào)寬電路答案：C（運算放大器電路可將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，適用于微小位移測量）5.以下不屬于光電效應(yīng)的是（）A.外光電效應(yīng)（如光電管）B.內(nèi)光電效應(yīng)（如光敏電阻）C.光生伏特效應(yīng)（如光伏電池）D.熱電效應(yīng)（如熱電偶）答案：D（熱電效應(yīng)屬于溫度-電信號轉(zhuǎn)換，非光電效應(yīng)）6.熱電偶測溫時，若冷端溫度為25℃，測得熱電勢為36.5mV，已知該熱電偶在1000℃時的熱電勢為41.3mV，25℃時為1.0mV，則實際溫度約為（）A.950℃B.975℃C.1000℃D.1025℃答案：A（根據(jù)中間溫度定律，E(T,25)=E(T,0)-E(25,0)=36.5mV，E(T,0)=36.5+1.0=37.5mV；查表得37.5mV對應(yīng)溫度約950℃）7.下列傳感器中，適合測量氣體成分（如CO?濃度）的是（）A.壓阻式傳感器B.紅外氣體傳感器C.壓電式傳感器D.磁電式傳感器答案：B（紅外氣體傳感器利用氣體對特定波長紅外光的吸收特性檢測濃度）8.某檢測系統(tǒng)的總靈敏度為S，由三個子系統(tǒng)串聯(lián)組成，靈敏度分別為S1、S2、S3，則S=（）A.S1+S2+S3B.S1×S2×S3C.1/(1/S1+1/S2+1/S3)D.max(S1,S2,S3)答案：B（串聯(lián)系統(tǒng)總靈敏度為各環(huán)節(jié)靈敏度的乘積）9.為減小變間隙式電容傳感器的非線性誤差，通常采用（）A.增大初始間隙B.減小初始間隙C.差動結(jié)構(gòu)D.提高電源頻率答案：C（差動結(jié)構(gòu)可抵消非線性項，提高線性度）10.以下關(guān)于虛擬儀器的描述，錯誤的是（）A.虛擬儀器的核心是“軟件即儀器”B.需依賴硬件采集卡實現(xiàn)信號輸入輸出C.可通過LabVIEW等軟件平臺開發(fā)測試界面D.無法實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的復(fù)雜信號分析功能答案：D（虛擬儀器通過軟件可實現(xiàn)更靈活的信號分析，如FFT、濾波等）二、填空題（每空1分，共15分）1.傳感器一般由敏感元件、________和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。2.金屬應(yīng)變片的工作原理是________效應(yīng)，半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是________效應(yīng)。3.電渦流傳感器可用于測量________、________、厚度等參數(shù)。4.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、________定律和________定律。5.壓電式傳感器的工作原理是________效應(yīng)，其輸出信號需通過________放大器或電荷放大器進(jìn)行阻抗變換。6.數(shù)字式傳感器的輸出信號通常為________或________，常見類型有光柵傳感器、________等。7.檢測系統(tǒng)的靜態(tài)誤差通常用________、________和________來表征。答案：1.轉(zhuǎn)換元件2.電阻應(yīng)變；壓阻3.位移；振動（或轉(zhuǎn)速）4.中間溫度；參考電極5.壓電；電壓6.數(shù)字量；脈沖信號；磁柵傳感器（或編碼器）7.重復(fù)性誤差；遲滯誤差；線性度誤差三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述電感式傳感器中“零點殘余電壓”的產(chǎn)生原因及減小方法。答案：零點殘余電壓是指差動電感傳感器在位移為零時，輸出電壓不為零的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：①兩電感線圈的電氣參數(shù)（如電感、內(nèi)阻）和幾何尺寸不完全對稱；②傳感器線圈存在寄生電容（如線圈與外殼、鐵芯間的分布電容）；③激勵電壓含有高次諧波。減小方法：①設(shè)計時保證線圈參數(shù)和結(jié)構(gòu)對稱；②采用相敏檢波電路抑制無關(guān)分量；③在電路中加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（如串聯(lián)電阻、并聯(lián)電容）抵消殘余電壓。2.比較熱電偶與熱電阻的測溫特點（至少列出4點）。答案：①測溫原理：熱電偶基于塞貝克效應(yīng)（熱電效應(yīng)），熱電阻基于金屬或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性；②材料：熱電偶常用貴金屬（如鉑銠-鉑）或廉金屬（如鎳鉻-鎳硅），熱電阻常用鉑、銅或半導(dǎo)體（如熱敏電阻）；③測量范圍：熱電偶適合高溫（-200℃~2000℃），熱電阻適合中低溫（-200℃~850℃）；④輸出信號：熱電偶輸出熱電勢（mV級），需冷端補(bǔ)償；熱電阻輸出電阻變化（Ω級），需恒流源供電；⑤響應(yīng)速度：熱電偶響應(yīng)較快（與熱端尺寸有關(guān)），熱電阻響應(yīng)較慢（因需加熱電阻體）。3.說明電容式傳感器中“變面積式”與“變間隙式”的優(yōu)缺點及應(yīng)用場景。答案：變面積式：優(yōu)點是輸出與位移成線性關(guān)系（ΔC=εA0Δx/d），線性度好；缺點是靈敏度較低（S=ε/d）。適用于測量較大線位移（如幾毫米至幾十毫米）或角位移（如旋轉(zhuǎn)編碼器）。變間隙式：優(yōu)點是靈敏度高（S=-εA/d2），適用于微小位移測量；缺點是非線性嚴(yán)重（ΔC≈εAΔx/d2-εA(Δx)2/d3+…），需采用差動結(jié)構(gòu)或非線性補(bǔ)償電路。典型應(yīng)用：微位移檢測（如精密機(jī)床導(dǎo)軌間隙）、振動測量（位移幅度小）。4.什么是傳感器的動態(tài)特性？常用哪些指標(biāo)描述？答案：動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)能力。描述指標(biāo)分為時域和頻域兩類：時域指標(biāo)包括上升時間（響應(yīng)從10%到90%穩(wěn)態(tài)值的時間）、峰值時間（達(dá)到第一個峰值的時間）、超調(diào)量（最大偏差與穩(wěn)態(tài)值的百分比）、過渡過程時間（響應(yīng)進(jìn)入±5%或±2%穩(wěn)態(tài)值的時間）；頻域指標(biāo)包括幅頻特性（輸出與輸入幅值比隨頻率的變化）、相頻特性（輸出與輸入相位差隨頻率的變化）、通頻帶（幅值誤差不超過±3dB的頻率范圍）、截止頻率（幅值衰減至0.707倍的頻率）。5.設(shè)計一個基于光電傳感器的帶材跑偏檢測系統(tǒng)，畫出原理框圖并說明工作流程。答案：原理框圖：光源→準(zhǔn)直透鏡→帶材→光電接收器→信號調(diào)理電路→控制器→執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如糾偏電機(jī)）。工作流程：光源發(fā)出平行光照射帶材邊緣，當(dāng)帶材正常位置時，邊緣遮擋部分光，光電接收器接收到固定光強(qiáng)；若帶材跑偏（左或右偏移），遮擋面積變化，光電接收器輸出光電流變化；信號調(diào)理電路將電流轉(zhuǎn)換為電壓并放大，與設(shè)定閾值比較后輸出偏差信號；控制器根據(jù)偏差方向和大小驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如伺服電機(jī)）調(diào)整帶材位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制。四、分析計算題（共35分）1.（10分）某壓阻式壓力傳感器的靈敏度為2mV/kPa，電源電壓為5V，輸出特性為線性。現(xiàn)用該傳感器測量0~100kPa的壓力，配套顯示儀表的滿量程為5V。（1）計算傳感器的最大輸出電壓；（2）若顯示儀表需直接顯示壓力值（單位：kPa），求儀表的放大倍數(shù)；（3）當(dāng)實際壓力為60kPa時，顯示儀表輸出4.5V，計算此時的絕對誤差和相對誤差。解：（1）最大輸出電壓Umax=靈敏度×量程=2mV/kPa×100kPa=200mV=0.2V（2）儀表需將0.2V輸入轉(zhuǎn)換為5V輸出，放大倍數(shù)K=5V/0.2V=25（3）傳感器輸出電壓U=2mV/kPa×60kPa=120mV=0.12V儀表理想輸出U理=K×U=25×0.12V=3.0V絕對誤差Δ=4.5V-3.0V=+1.5V（對應(yīng)壓力誤差ΔP=Δ/K/靈敏度=1.5V/25/2mV/kPa=30kPa）相對誤差γ=ΔP/實際壓力×100%=30kPa/60kPa×100%=50%2.（12分）某差動電感傳感器的單個線圈電感L0=25mH，線圈匝數(shù)N=1000匝，鐵芯截面積A=10mm2，初始?xì)庀鼎?=1mm，磁導(dǎo)率μ0=4π×10??H/m。（1）推導(dǎo)單個線圈電感的表達(dá)式（忽略鐵芯磁阻）；（2）計算初始?xì)庀断碌碾姼兄担ㄅc給定L0是否一致，驗證公式正確性）；（3）當(dāng)動鐵芯上移Δδ=0.1mm時，求兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2及差動輸出電感ΔL=ΔL1-ΔL2。解：（1）忽略鐵芯磁阻，磁路總磁阻Rδ=2δ/(μ0A)（氣隙對稱，上下各δ），電感L=N2/Rδ=N2μ0A/(2δ)（2）代入數(shù)據(jù)：L=N2μ0A/(2δ0)=10002×4π×10??×10×10??/(2×1×10?3)=(10?×4π×10?13)/(2×10?3)=(4π×10??)/(2×10?3)=2π×10??≈6.28×10??H=0.628mH（與給定L0=25mH不符，說明實際需考慮鐵芯磁阻或線圈分布參數(shù)，此處僅為理想模型推導(dǎo)）（3）動鐵芯上移Δδ，上氣隙變?yōu)棣?-Δδ，下氣隙變?yōu)棣?+Δδ。單個線圈電感L1=N2μ0A/[2(δ0-Δδ)]，L2=N2μ0A/[2(δ0+Δδ)]電感變化量ΔL1=L1-L0≈L0×Δδ/δ0（小位移近似，Δδ<<δ0），ΔL2=L2-L0≈-L0×Δδ/δ0差動輸出ΔL=ΔL1-ΔL2=2L0×Δδ/δ0=2×25mH×0.1mm/1mm=5mH3.（13分）某溫度檢測系統(tǒng)由Pt100熱電阻（0℃時R0=100Ω，溫度系數(shù)α=0.00385Ω/Ω·℃）、恒流源（I=1mA）、信號調(diào)理電路（放大倍數(shù)K=100）和A/D轉(zhuǎn)換器（0~5V輸入，12位）組成。（1）推導(dǎo)熱電阻阻值與溫度的關(guān)系式（假設(shè)線性）；（2）計算0℃和100℃時熱電阻的端電壓；（3）若A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為±0.5LSB，求系統(tǒng)在100℃時的溫度測量誤差（保留兩位小數(shù)）。解：（1）線性關(guān)系式：Rt=R0(1+αt)=100(1+0.00385t)Ω（2）0℃時Rt=100Ω，端電壓U0=I×Rt=1mA×100Ω=0.1V100℃時Rt=100×(1+0.00385×100)=138.5Ω，端電壓U100=1mA×138.5Ω=0.1385V（3）調(diào)理后電壓U’=K×U=100×0.1385V=13.85V（超過A/D量程5V，需調(diào)整恒流源或放大倍數(shù)，假設(shè)題目中存在參數(shù)修正，實際應(yīng)使100℃時U’≤5V。假設(shè)修正后I=0.36mA，則U100=0.36mA×138.5Ω≈0.05V，調(diào)理后U’=100×0.05=5V，符合量程。此時：A/D分辨率=5V/(212-1)≈5V/4095≈1.221mV量化誤差