2025年《傳感器和檢測技術(shù)》期末考試試題與答案解析一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.某位移傳感器在輸入量變化0.5mm時(shí)，輸出電壓變化12mV，則其靈敏度為（）。A.24mV/mmB.6mV/mmC.12mV/mmD.18mV/mm2.下列傳感器中，基于壓阻效應(yīng)工作的是（）。A.壓電式加速度傳感器B.半導(dǎo)體應(yīng)變片C.金屬絲應(yīng)變片D.電感式位移傳感器3.熱電偶的熱電勢大小僅與（）有關(guān)。A.熱電極材料和兩端溫度B.熱電極長度和直徑C.熱電極材料和環(huán)境溫度D.熱電極表面狀態(tài)4.光電傳感器中，能將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電流變化的是（）。A.光敏電阻B.光電池C.光電二極管D.光電三極管5.電感式傳感器中，為消除非線性誤差并提高靈敏度，通常采用（）結(jié)構(gòu)。A.變氣隙式B.變面積式C.螺管式D.差動(dòng)式6.測量某溫度時(shí)，檢測系統(tǒng)顯示值為85.2℃，真實(shí)值為84.5℃，則絕對誤差為（）。A.+0.7℃B.-0.7℃C.+0.5℃D.-0.5℃7.下列不屬于傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)的是（）。A.線性度B.時(shí)間常數(shù)C.遲滯D.重復(fù)性8.電渦流傳感器可用于測量（）。A.液體成分B.金屬材料的厚度C.氣體壓力D.光照強(qiáng)度9.為提高應(yīng)變測量精度，采用半橋接法時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)（）。A.都受拉B.一個(gè)受拉、一個(gè)受壓C.都受壓D.一個(gè)受拉、一個(gè)不受力10.電容式傳感器中，變極距型的靈敏度與初始極距的關(guān)系為（）。A.正比B.反比C.正比于初始極距的平方D.反比于初始極距的平方二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器一般由敏感元件、__________和信號調(diào)理電路三部分組成。2.衡量傳感器在輸入量按同一方向多次測試時(shí)輸出特性一致性的指標(biāo)是__________。3.應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K表示單位應(yīng)變引起的__________變化率。4.壓電式傳感器的工作原理是基于某些材料的__________效應(yīng)。5.熱電偶參考端溫度補(bǔ)償方法中，若實(shí)驗(yàn)室溫度恒定為25℃，可采用__________法，將儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至25℃。6.光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)、__________和光生伏特效應(yīng)三類。7.電感式傳感器中，變氣隙式的靈敏度隨氣隙δ的增大而__________（填“增大”或“減小”）。8.電渦流傳感器的測量對象必須是__________材料。9.電容式傳感器的三種基本類型是變極距型、變面積型和__________。10.檢測系統(tǒng)的靜態(tài)誤差通常用__________、回程誤差和重復(fù)性誤差來表示。11.熱電阻傳感器中，Pt100表示__________為100Ω的鉑熱電阻。12.為減小應(yīng)變片橫向效應(yīng)的影響，可采用__________應(yīng)變片（填“短接式”或“直絲式”）。13.霍爾傳感器的輸出電壓與__________、磁感應(yīng)強(qiáng)度和載流子濃度有關(guān)。14.超聲波傳感器的工作原理基于__________效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。15.測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性通常用__________、頻率響應(yīng)函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)描述。16.濕敏傳感器按輸出量可分為電阻式和__________式兩類。17.傳感器的標(biāo)定分為__________標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。18.紅外傳感器可分為熱釋電型和__________型兩類。19.為消除共模干擾，檢測電路中常用__________放大器。20.量化誤差屬于__________（填“系統(tǒng)誤差”或“隨機(jī)誤差”）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述電感式傳感器的工作原理及主要類型。2.比較金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)缺點(diǎn)。3.說明熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)谋匾?，并列舉兩種常用補(bǔ)償方法。4.電容式傳感器的主要誤差來源有哪些？如何減??？5.什么是檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性？列舉至少4個(gè)靜態(tài)特性指標(biāo)并解釋其含義。四、計(jì)算題（每題10分，共30分）1.某應(yīng)變式稱重傳感器采用等臂電橋，四個(gè)橋臂均為相同應(yīng)變片（靈敏系數(shù)K=2.0，初始電阻R=120Ω）。當(dāng)被測重量引起應(yīng)變ε=1500με時(shí)，求電橋輸出電壓Uo（電源電壓Ui=5V）。2.一支K型熱電偶（分度號為鎳鉻-鎳硅）測量某爐溫，參考端溫度T0=30℃，測得熱電勢E(T,T0)=36.5mV。查K型熱電偶分度表：E(30℃,0℃)=1.203mV，E(880℃,0℃)=36.296mV，E(890℃,0℃)=36.895mV。試計(jì)算實(shí)際爐溫T。3.變氣隙式電感傳感器的初始?xì)庀鼎?=1mm，初始電感L0=30mH，鐵芯截面積S=50mm2，permeabilityofvacuumμ0=4π×10??H/m。當(dāng)氣隙減小Δδ=0.1mm時(shí)，求此時(shí)電感L（忽略漏磁和鐵芯磁阻）。五、綜合分析題（20分）某智能農(nóng)業(yè)大棚需實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕度，要求測量范圍0-50%（體積含水量），精度±2%，環(huán)境溫度0-40℃，需輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號。請?jiān)O(shè)計(jì)一套基于電容式濕度傳感器的檢測系統(tǒng)，要求：（1）畫出系統(tǒng)組成框圖；（2）說明各模塊的功能及選型依據(jù)；（3）分析可能的干擾因素及抗干擾措施。--答案與解析一、單項(xiàng)選擇題1.A解析：靈敏度S=Δ輸出/Δ輸入=12mV/0.5mm=24mV/mm。2.B解析：壓阻效應(yīng)是半導(dǎo)體材料因受力引起電阻率變化的現(xiàn)象，半導(dǎo)體應(yīng)變片基于此原理；壓電效應(yīng)是受力產(chǎn)生電荷（壓電式傳感器），金屬絲應(yīng)變片基于電阻應(yīng)變效應(yīng)（幾何尺寸變化）。3.A解析：熱電偶熱電勢由接觸電勢和溫差電勢組成，僅與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)，與熱電極尺寸無關(guān)。4.C解析：光電二極管在反向偏置下，光強(qiáng)變化引起反向電流變化；光敏電阻是阻值變化，光電池是產(chǎn)生電勢，光電三極管是電流放大。5.D解析：差動(dòng)式結(jié)構(gòu)通過兩個(gè)對稱傳感器的輸出差消除非線性誤差，同時(shí)靈敏度提高一倍。6.A解析：絕對誤差=測量值-真實(shí)值=85.2-84.5=+0.7℃。7.B解析：時(shí)間常數(shù)是動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，描述系統(tǒng)響應(yīng)輸入變化的速度；線性度、遲滯、重復(fù)性均為靜態(tài)特性。8.B解析：電渦流傳感器利用金屬導(dǎo)體中的渦流效應(yīng)，可測位移、厚度、探傷等；液體成分（光電或電化學(xué)）、氣體壓力（壓阻或電容）、光照強(qiáng)度（光電傳感器）不適用。9.B解析：半橋接法中，一個(gè)應(yīng)變片受拉（ΔR+）、一個(gè)受壓（ΔR-），電橋輸出為兩者差值，靈敏度提高且溫度誤差相互抵消。10.D解析：變極距型電容C=ε0εrA/δ，靈敏度S=dC/dδ=-ε0εrA/δ2，與δ2成反比。二、填空題1.轉(zhuǎn)換元件2.重復(fù)性3.電阻4.壓電5.零點(diǎn)遷移6.內(nèi)光電效應(yīng)7.減小8.導(dǎo)電9.變介質(zhì)型10.非線性誤差11.0℃時(shí)電阻12.短接式13.激勵(lì)電流14.壓電15.傳遞函數(shù)16.電容17.靜態(tài)18.光子19.差分20.系統(tǒng)誤差三、簡答題1.電感式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，將被測非電量（如位移、壓力）轉(zhuǎn)換為電感量變化。主要類型：①變氣隙式（改變氣隙長度δ或面積A）；②變面積式（改變鐵芯與線圈的覆蓋面積）；③螺管式（鐵芯在線圈內(nèi)的位置變化）；④差動(dòng)式（兩個(gè)對稱電感組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高靈敏度和線性度）。2.金屬應(yīng)變片：優(yōu)點(diǎn)是線性度好、溫度穩(wěn)定性高、工藝成熟；缺點(diǎn)是靈敏系數(shù)?。↘≈2），靈敏度低。半導(dǎo)體應(yīng)變片：優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)大（K≈100-200），靈敏度高；缺點(diǎn)是溫度系數(shù)大（易受溫度影響）、線性度差（壓阻效應(yīng)非線性）、工藝復(fù)雜（易受應(yīng)力集中影響）。3.必要性：熱電偶分度表基于冷端溫度為0℃的條件，實(shí)際冷端溫度T0≠0℃時(shí)，熱電勢E(T,T0)=E(T,0)-E(T0,0)，需補(bǔ)償E(T0,0)以獲得正確溫度。常用方法：①補(bǔ)償導(dǎo)線法（用與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)線延長冷端至溫度穩(wěn)定處）；②電橋補(bǔ)償法（利用不平衡電橋產(chǎn)生電壓抵消E(T0,0)的影響）；③軟件補(bǔ)償法（通過單片機(jī)測量T0，查表計(jì)算補(bǔ)償值）。4.主要誤差來源：①寄生電容干擾（傳感器與周圍導(dǎo)體間的雜散電容）；②溫度誤差（溫度變化引起極板尺寸、介電常數(shù)變化）；③邊緣效應(yīng)（極板邊緣電場分布不均勻?qū)е路蔷€性）。減小措施：①采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)（屏蔽層與極板等電位，減小寄生電容）；②溫度補(bǔ)償（熱敏電阻或雙電容差動(dòng)結(jié)構(gòu)）；③增加極板間距或使用保護(hù)環(huán)（限制邊緣電場擴(kuò)散）。5.靜態(tài)特性：檢測系統(tǒng)在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入-輸出關(guān)系。指標(biāo)：①線性度（實(shí)際輸出與理想直線的最大偏差與滿量程輸出的百分比）；②靈敏度（輸出變化量與輸入變化量的比值）；③遲滯（輸入正、反行程輸出曲線的最大偏差）；④重復(fù)性（同一方向多次輸入時(shí)輸出的分散程度）；⑤分辨力（能檢測到的最小輸入變化量）。四、計(jì)算題1.解：等臂電橋（四臂應(yīng)變片）中，若兩個(gè)受拉、兩個(gè)受壓（全橋），輸出電壓Uo=(UiKε)/4。本題未說明橋接方式，假設(shè)為半橋（兩臂工作），則Uo=(UiKε)/2=52.01500×10??/2=7.5×10?3V=7.5mV。（注：若為全橋，Uo=15mV；若單臂，Uo=3.75mV，需根據(jù)題意判斷，通常稱重傳感器常用全橋，故正確計(jì)算應(yīng)為全橋：Uo=521500e-6=0.015V=15mV）2.解：根據(jù)中間溫度定律，E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)=36.5mV+1.203mV=37.703mV。查分度表，E(890℃,0)=36.895mV（此處可能題目數(shù)據(jù)有誤，實(shí)際K型熱電偶890℃熱電勢約為37.7mV左右，假設(shè)正確數(shù)據(jù)為E(890℃,0)=37.7mV），則爐溫T≈890℃。3.解：電感公式L=μ0N2S/(2δ)（單氣隙，忽略鐵芯磁阻），初始L0=μ0N2S/(2δ0)，則N2=2δ0L0/(μ0S)。當(dāng)δ=δ0-Δδ=0.9mm時(shí)，L=μ0N2S/(2δ)=(μ0S/(2δ))(2δ0L0/(μ0S))=δ0L0/δ=1mm30mH/0.9mm≈33.33mH。五、綜合分析題（1）系統(tǒng)組成框圖：土壤濕度傳感器→信號調(diào)理電路→A/D轉(zhuǎn)換→微控制器→電流輸出模塊→顯示/上位機(jī)。（2）各模塊功能及選型：①電容式濕度傳感器：選用變介質(zhì)型（土壤含水量變化改變介電常數(shù)），測量范圍0-50%，精度±1%（留冗余），如ECH2O-5TE（適合土壤環(huán)境，耐腐蝕性好）。②信號調(diào)理電路：包括放大（將pF級電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)C/V轉(zhuǎn)換電路）、濾波（RC低通濾除高頻干擾，截止頻率50Hz）、溫度補(bǔ)償（集成溫度傳感器測量環(huán)境溫度，軟件修正濕度值）。③A/D轉(zhuǎn)換：16位高精度ADC（如ADS1115），分辨率滿足0.1%濕度精度要求（50%量程/21?≈0.00076%，遠(yuǎn)高于需求）。④微控制器：STM32系列（處理數(shù)據(jù)、控制輸出），內(nèi)置EEPROM存儲校準(zhǔn)參數(shù)。⑤電流輸出模塊