傳感器原理及應(yīng)用期末考試試題庫含答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.傳感器的核心功能是（）A.放大信號B.感受被測量并轉(zhuǎn)換為可用輸出信號C.存儲數(shù)據(jù)D.顯示測量結(jié)果答案：B2.描述傳感器靜態(tài)特性的指標(biāo)中，“輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度”稱為（）A.靈敏度B.遲滯C.線性度D.重復(fù)性答案：C3.金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K主要取決于（）A.材料的電阻率變化B.幾何尺寸變化C.溫度變化D.泊松比變化答案：B（注：金屬應(yīng)變片的K≈1+2μ，主要由幾何尺寸變化主導(dǎo)；半導(dǎo)體應(yīng)變片K由電阻率變化主導(dǎo)）4.變極距型電容式傳感器的非線性誤差與初始極距d?的關(guān)系是（）A.d?越大，非線性誤差越小B.d?越大，非線性誤差越大C.無關(guān)D.先增大后減小答案：A（公式推導(dǎo)：ΔC/C?≈Δd/d?+(Δd/d?)2…，初始d?越大，二次項(xiàng)影響越小）5.電渦流傳感器的工作原理基于（）A.壓電效應(yīng)B.電磁感應(yīng)C.熱電效應(yīng)D.霍爾效應(yīng)答案：B（電渦流是金屬導(dǎo)體在交變磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電流）6.壓電式傳感器不能測量靜態(tài)信號的原因是（）A.電荷會通過測量電路泄漏B.壓電材料靜態(tài)下不產(chǎn)生電荷C.放大器無法處理直流信號D.傳感器固有頻率低答案：A（壓電元件等效為電荷源與電容并聯(lián)，靜態(tài)時電荷通過負(fù)載電阻泄漏）7.霍爾傳感器的輸出電壓與（）成正比A.輸入電流B.磁感應(yīng)強(qiáng)度C.輸入電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積D.溫度答案：C（霍爾電壓公式：U_H=K_HIB，K_H為霍爾系數(shù)）8.光電效應(yīng)中，“光照下半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率變化”屬于（）A.外光電效應(yīng)B.內(nèi)光電效應(yīng)C.光生伏特效應(yīng)D.光電導(dǎo)效應(yīng)答案：D（內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)表現(xiàn)為電導(dǎo)率變化）9.熱電偶的熱電勢由（）組成A.接觸電勢和溫差電勢B.僅接觸電勢C.僅溫差電勢D.感應(yīng)電勢答案：A（兩種導(dǎo)體接觸產(chǎn)生接觸電勢，同一導(dǎo)體兩端溫差產(chǎn)生溫差電勢）10.測量氣體壓力時，優(yōu)先選擇的傳感器是（）A.應(yīng)變式壓力傳感器B.電容式壓力傳感器C.壓電式壓力傳感器D.電感式壓力傳感器答案：B（電容式適合低壓測量，氣體壓力通常較低）11.為減小應(yīng)變片溫度誤差，常用的補(bǔ)償方法是（）A.單臂電橋B.雙臂電橋（半橋）C.增加應(yīng)變片數(shù)量D.提高供橋電壓答案：B（半橋中一片工作片，一片補(bǔ)償片，處于同一溫度場但不受力）12.以下傳感器中，屬于數(shù)字式傳感器的是（）A.熱電偶B.光電編碼器C.應(yīng)變片D.電容式位移傳感器答案：B（光電編碼器輸出脈沖信號，直接對應(yīng)數(shù)字量）13.超聲波傳感器的工作頻率通常在（）A.20Hz以下B.20Hz20kHzC.20kHz以上D.任意頻率答案：C（超聲波定義為頻率高于20kHz的機(jī)械波）14.濕度傳感器的主要參數(shù)不包括（）A.量程B.響應(yīng)時間C.精度D.居里溫度答案：D（居里溫度是鐵電材料的特性參數(shù)，與濕度無關(guān)）15.傳感器標(biāo)定的目的是（）A.提高靈敏度B.確定輸入輸出關(guān)系C.減小噪聲D.延長壽命答案：B（標(biāo)定是通過標(biāo)準(zhǔn)量輸入，確定傳感器的靜態(tài)/動態(tài)特性曲線）二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分，少選得1分，錯選不得分）1.傳感器的基本組成包括（）A.敏感元件B.轉(zhuǎn)換元件C.信號調(diào)理電路D.顯示模塊答案：ABC（顯示模塊非必需）2.屬于傳感器動態(tài)特性指標(biāo)的有（）A.上升時間B.超調(diào)量C.線性度D.穩(wěn)態(tài)誤差答案：ABD（線性度是靜態(tài)特性指標(biāo)）3.電阻應(yīng)變片的溫度誤差來源包括（）A.應(yīng)變片材料的電阻溫度系數(shù)B.被測材料與應(yīng)變片材料的線膨脹系數(shù)差異C.環(huán)境濕度變化D.電橋電源電壓波動答案：AB（濕度和電源波動屬于外部干擾，非溫度誤差本質(zhì)來源）4.電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括（）A.動態(tài)響應(yīng)好B.結(jié)構(gòu)簡單C.溫度穩(wěn)定性好D.易受寄生電容影響答案：ABC（D是缺點(diǎn)）5.壓電材料包括（）A.石英晶體B.壓電陶瓷（如PZT）C.半導(dǎo)體硅D.高分子壓電薄膜（如PVDF）答案：ABD（半導(dǎo)體硅無壓電效應(yīng)）6.光電傳感器的常見類型有（）A.透射式B.反射式C.漫反射式D.渦流式答案：ABC（渦流式屬于電感式）7.熱電偶冷端補(bǔ)償方法包括（）A.冰浴法B.電橋補(bǔ)償法C.軟件補(bǔ)償法D.增大熱電極直徑答案：ABC（增大直徑不影響冷端溫度）8.以下傳感器中，可實(shí)現(xiàn)非接觸測量的有（）A.電渦流傳感器B.激光位移傳感器C.應(yīng)變式力傳感器D.超聲波距離傳感器答案：ABD（應(yīng)變式需接觸被測物體）9.傳感器信號調(diào)理電路通常包括（）A.電橋電路B.放大電路C.濾波電路D.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路答案：ABCD（根據(jù)需求可選配）10.影響傳感器精度的因素有（）A.非線性誤差B.遲滯誤差C.重復(fù)性誤差D.環(huán)境干擾答案：ABCD（均會影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性）三、填空題（每空2分，共30分）1.傳感器的靜態(tài)特性是指輸入量為________或變化________時的輸出輸入關(guān)系。答案：靜態(tài)量（或緩慢變化量）；極緩慢2.金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K的表達(dá)式為________，其中μ為材料的________。答案：K=(ΔR/R)/ε；泊松比3.電容式傳感器按工作原理分為三種類型：________、變面積型、________。答案：變極距型；變介質(zhì)型4.電感式傳感器中，差動變壓器的輸出電壓與鐵芯位移成________關(guān)系（填“線性”或“非線性”），其零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的主要原因是________。答案：線性；線圈不對稱或鐵芯磁化曲線非線性5.壓電效應(yīng)分為________和________，其中________效應(yīng)可用于制造超聲波發(fā)生器。答案：正壓電效應(yīng)；逆壓電效應(yīng)；逆壓電6.霍爾傳感器的不等位電勢是由于________引起的，可通過________方法減小。答案：霍爾電極安裝不對稱；調(diào)整電極位置或補(bǔ)償電路7.熱電阻傳感器利用金屬的________隨溫度變化的特性，常用材料有________和銅。答案：電阻率；鉑8.光纖傳感器的工作原理基于光的________效應(yīng)，分為________型（功能型）和非功能型。答案：全反射；傳感四、簡答題（共30分）1.（6分，封閉型）簡述電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理及信號調(diào)理過程。答案：工作原理：被測力作用于彈性元件使其產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片隨彈性元件變形，其電阻值因幾何尺寸變化（金屬）或電阻率變化（半導(dǎo)體）而改變，通過電阻變化反映應(yīng)變大小。信號調(diào)理過程：應(yīng)變片接入電橋（如惠斯通電橋）將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，經(jīng)放大器放大，濾波器去除噪聲，最終輸出與被測量成比例的電信號。2.（6分，封閉型）比較變極距型與變面積型電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。答案：變極距型：優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高（靈敏度與初始極距平方成反比）；缺點(diǎn)是非線性誤差大（輸出與Δd/d?成非線性關(guān)系），測量范圍?。é通常為d?的1/10~1/100）。變面積型：優(yōu)點(diǎn)是輸出線性度好（電容變化與位移成線性關(guān)系），測量范圍大；缺點(diǎn)是靈敏度較低（靈敏度與極板長度或角度成正比，與初始極距成反比）。3.（6分，開放型）設(shè)計一個基于光電傳感器的自動計數(shù)系統(tǒng)，需考慮哪些關(guān)鍵因素？答案：需考慮：①光電傳感器類型選擇（透射式/反射式/漫反射式），根據(jù)被測物體的透明度、表面反射率決定；②光源波長與光電元件的匹配（如紅外光抗可見光干擾）；③檢測距離與傳感器量程的匹配；④響應(yīng)時間（需大于物體通過光軸的時間，避免漏計）；⑤抗干擾設(shè)計（如屏蔽環(huán)境光、濾光片、信號濾波）；⑥觸發(fā)閾值設(shè)置（區(qū)分物體遮擋與無遮擋狀態(tài)）。4.（6分，開放型）分析壓電式傳感器為何需要高輸入阻抗前置放大器。答案：壓電式傳感器等效為電荷源（Q）與電容（C_a）并聯(lián)，輸出阻抗極高（約1012Ω）。若后續(xù)測量電路輸入阻抗低，電荷會通過負(fù)載電阻快速泄漏，導(dǎo)致信號衰減。高輸入阻抗前置放大器（如電荷放大器或電壓跟隨器）可減少電荷泄漏，保持信號幅值；同時，前置放大器可將高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出，便于后續(xù)電路處理。5.（6分，綜合型）某溫度控制系統(tǒng)需測量0~300℃的液體溫度，可選傳感器有PT100熱電阻、K型熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器（如AD590），試分析選型依據(jù)并推薦方案。答案：選型依據(jù)：①測量范圍：PT100（200~850℃）、K型熱電偶（0~1300℃）、AD590（55~150℃），300℃在三者量程內(nèi)；②精度：PT100精度高（0.1~0.5℃），K型熱電偶（0.5~2℃），AD590（0.5~1℃）；③線性度：PT100和AD590線性好，K型熱電偶需線性化處理；④環(huán)境適應(yīng)性：液體測量需傳感器耐腐蝕性，PT100通常封裝為不銹鋼，K型熱電偶需保護(hù)套管，AD590為集成芯片，需防水；⑤信號調(diào)理：PT100需恒流源和電橋，K型熱電偶需冷端補(bǔ)償，AD590輸出電流信號易處理。推薦方案：優(yōu)先選擇PT100熱電阻，因其精度高、線性好，適合中低溫（0~300℃）液體測量，配合恒流源和差分放大器即可實(shí)現(xiàn)高精度信號調(diào)理。五、應(yīng)用題（共30分）1.（8分，計算類）某金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R?=120Ω，粘貼在彈性模量E=2×1011Pa的鋼質(zhì)構(gòu)件上。當(dāng)構(gòu)件受拉應(yīng)力σ=100MPa時，求應(yīng)變片的電阻變化量ΔR。（提示：應(yīng)變ε=σ/E）解：①計算應(yīng)變：ε=σ/E=100×10?Pa/2×1011Pa=5×10??（500με）②電阻相對變化：ΔR/R?=K·ε=2.0×5×10??=1×10?3③電阻變化量：ΔR=R?×(ΔR/R?)=120Ω×0.001=0.12Ω答案：ΔR=0.12Ω2.（8分，計算類）一變極距型電容式傳感器，初始極距d?=1mm，極板面積A=3.14×10??m2，ε=ε?=8.85×10?12F/m。當(dāng)極距減小Δd=0.1mm時，求：（1）初始電容C?；（2）Δd=0.1mm時的電容C；（3）非線性誤差δ（用百分比表示）。解：（1）初始電容C?=εA/d?=8.85×10?12×3.14×10??/1×10?3≈2.78×10?12F=2.78pF（2）Δd=0.1mm時，d=d?Δd=0.9mm=9×10??m，C=εA/d=8.85×10?12×3.14×10??/9×10??≈3.09pF（3）理想線性電容變化量（按ΔC≈C?Δd/d?）：ΔC_ideal=C?×(Δd/d?)=2.78pF×(0.1/1)=0.278pF實(shí)際電容變化量：ΔC_real=CC?=3.09pF2.78pF=0.31pF非線性誤差δ=[(ΔC_realΔC_ideal)/ΔC_real]×100%≈[(0.310.278)/0.31]×100%≈10.3%答案：（1）2.78pF；（2）3.09pF；（3）約10.3%3.（8分，分析類）某壓電式加速度傳感器的靈敏度為10pC/g（g為重力加速度，1g=9.8m/s2），與電荷放大器連接，電荷放大器的反饋電容C_f=1000pF。當(dāng)被測加速度為5g時，求電荷放大器的輸出電壓U_o（電荷放大器輸出電壓U_o=Q/C_f）。解：①傳感器輸出電荷Q=靈敏度×加速度=10pC/g×5g=50pC②輸出電壓U_o=Q/C_f=50pC/1000pF=0.05V答案：U_o=0.05V4.（6分，綜合類）某壓力測量系統(tǒng)使用差動電感式傳感器（差動變壓器），輸出電壓與位移成線性關(guān)系。當(dāng)被測壓力為0時，鐵芯處于中間位置，輸出電壓為0；當(dāng)壓力為1MPa時，鐵芯上移0.5mm，輸出電壓為+2V；當(dāng)壓力為1MPa（負(fù)壓）時，鐵芯下移0.5mm，輸出電壓為2V?，F(xiàn)測得輸出電壓為+1.5V，求被測壓力值，并畫出輸出電壓與壓力的關(guān)系曲線。解：①靈敏度S=輸