2025年傳感器技術(shù)及應(yīng)用試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（共15題，每題2分，共30分）1.以下關(guān)于傳感器定義的描述中，正確的是（）A.傳感器僅能將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)B.傳感器是能感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置C.傳感器的輸出信號(hào)只能是模擬信號(hào)D.傳感器的敏感元件與轉(zhuǎn)換元件必須為同一物理結(jié)構(gòu)2.某壓阻式壓力傳感器的敏感元件采用單晶硅材料，其工作原理主要基于（）A.壓電效應(yīng)B.壓阻效應(yīng)C.應(yīng)變效應(yīng)D.熱電效應(yīng)3.下列哪種傳感器屬于有源型傳感器？（）A.電阻應(yīng)變式傳感器B.熱電偶C.電感式傳感器D.電容式傳感器4.衡量傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，輸出輸入特性曲線不一致的程度，稱為（）A.重復(fù)性B.遲滯C.線性度D.靈敏度5.光纖傳感器中，用于測(cè)量溫度的分布式光纖傳感器通常基于（）A.瑞利散射B.拉曼散射C.布里淵散射D.熒光效應(yīng)6.某位移傳感器的量程為0~100mm，輸出電壓范圍為0~5V。當(dāng)輸入位移為30mm時(shí)，理想輸出電壓應(yīng)為（）A.1.5VB.2VC.2.5VD.3V7.以下關(guān)于MEMS傳感器的描述，錯(cuò)誤的是（）A.基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制造B.體積小、功耗低C.僅適用于加速度測(cè)量D.可集成多種敏感元件8.熱電偶的熱電勢(shì)由（）組成A.接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)B.接觸電勢(shì)與應(yīng)變電勢(shì)C.溫差電勢(shì)與壓阻電勢(shì)D.應(yīng)變電勢(shì)與壓阻電勢(shì)9.氣體傳感器中，用于檢測(cè)甲烷的催化燃燒式傳感器主要通過（）原理工作A.氣體與敏感材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致電阻變化B.氣體燃燒產(chǎn)生熱量改變溫度C.氣體吸附引起表面電勢(shì)變化D.氣體分子與光發(fā)生相互作用10.電感式傳感器中，變氣隙式電感傳感器的靈敏度與氣隙初始長度的關(guān)系為（）A.靈敏度與初始?xì)庀堕L度成正比B.靈敏度與初始?xì)庀堕L度成反比C.靈敏度與初始?xì)庀堕L度的平方成正比D.靈敏度與初始?xì)庀堕L度的平方成反比11.下列哪種傳感器可用于非接觸式測(cè)量物體表面溫度？（）A.熱電阻B.熱電偶C.紅外輻射溫度計(jì)D.光纖光柵傳感器12.壓電器件的工作模式中，“d33”表示（）A.沿3軸方向施加電場(chǎng)時(shí)，在3軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變B.沿3軸方向施加應(yīng)力時(shí)，在3軸方向產(chǎn)生的電荷C.沿3軸方向施加電場(chǎng)時(shí)，在1軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變D.沿1軸方向施加應(yīng)力時(shí)，在3軸方向產(chǎn)生的電荷13.電容式傳感器中，為消除寄生電容干擾，通常采用（）A.屏蔽線+驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)B.增加電容極板面積C.減小極板間距D.采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)14.霍爾傳感器的輸出電壓與（）成正比A.輸入電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積B.輸入電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值C.輸入電流的平方與磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積D.輸入電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方的乘積15.以下關(guān)于生物傳感器的描述，正確的是（）A.僅能檢測(cè)生物分子B.由生物識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換元件組成C.不涉及化學(xué)反應(yīng)用于信號(hào)轉(zhuǎn)換D.無法集成到可穿戴設(shè)備中二、多項(xiàng)選擇題（共10題，每題3分，共30分。每題至少有2個(gè)正確選項(xiàng)，錯(cuò)選、漏選均不得分）1.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)包括（）A.靈敏度B.頻率響應(yīng)C.線性度D.遲滯2.以下屬于數(shù)字式傳感器的有（）A.光柵傳感器B.編碼器C.電容式傳感器（未模數(shù)轉(zhuǎn)換）D.振弦式傳感器3.壓阻式傳感器與應(yīng)變式傳感器的區(qū)別包括（）A.敏感材料不同（單晶硅vs金屬應(yīng)變片）B.工作原理不同（壓阻效應(yīng)vs應(yīng)變效應(yīng)）C.靈敏度不同（壓阻式更高）D.溫度穩(wěn)定性相同4.光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括（）A.抗電磁干擾B.耐腐蝕C.可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量D.成本極低5.熱電阻傳感器常用材料有（）A.鉑B.銅C.鎳D.單晶硅6.氣體傳感器的主要類型包括（）A.半導(dǎo)體式B.催化燃燒式C.電化學(xué)式D.紅外式7.電感式傳感器的常見類型有（）A.變氣隙式B.變面積式C.螺管式D.差動(dòng)變壓器式8.壓電傳感器可測(cè)量的物理量包括（）A.加速度B.力C.靜態(tài)壓力D.振動(dòng)9.傳感器信號(hào)調(diào)理電路通常包括（）A.放大電路B.濾波電路C.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路D.穩(wěn)壓電路10.物聯(lián)網(wǎng)中常用的傳感器包括（）A.溫濕度傳感器B.加速度傳感器C.氣體傳感器D.圖像傳感器三、填空題（共10空，每空2分，共20分）1.傳感器的基本組成通常包括敏感元件、________和轉(zhuǎn)換電路三部分。2.衡量傳感器對(duì)輸入量微小變化敏感程度的指標(biāo)是________。3.應(yīng)變式傳感器中，金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K主要由________和幾何尺寸變化兩部分決定。4.熱電偶的參考端溫度補(bǔ)償方法中，________是通過在熱電偶回路中串入一個(gè)補(bǔ)償電橋，利用電橋輸出電壓抵消參考端溫度變化的影響。5.電容式傳感器的三種基本類型為變極距式、變面積式和________。6.霍爾傳感器的誤差主要包括溫度誤差、________和不等位電勢(shì)誤差。7.MEMS加速度傳感器通常基于________原理，通過檢測(cè)質(zhì)量塊的位移來測(cè)量加速度。8.光纖傳感器按傳感原理可分為功能型（本征型）和________（非本征型）兩類。9.氣體傳感器中，半導(dǎo)體式傳感器的敏感材料通常為________（如SnO?、ZnO）。10.傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其對(duì)________輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。四、簡答題（共5題，每題6分，共30分）1.簡述電阻應(yīng)變片的溫度誤差來源及補(bǔ)償方法。2.比較壓電式傳感器與壓阻式傳感器的工作原理及適用場(chǎng)景。3.說明光纖光柵傳感器的基本工作原理，并列舉其在工程監(jiān)測(cè)中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。4.解釋電感式傳感器中差動(dòng)結(jié)構(gòu)的作用，并說明其對(duì)靈敏度和線性度的影響。5.簡述傳感器信號(hào)調(diào)理中“隔離放大”的作用及常用實(shí)現(xiàn)方式。五、計(jì)算題（共3題，每題10分，共30分）1.某電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R?=120Ω。當(dāng)被測(cè)構(gòu)件產(chǎn)生ε=1500με的應(yīng)變時(shí)，求應(yīng)變片的電阻變化量ΔR及相對(duì)變化率ΔR/R?。（1με=1×10??）2.一熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系為E(T,T?)=a(TT?)+b(TT?)2，其中a=40μV/℃，b=0.05μV/℃2。已知參考端溫度T?=25℃，測(cè)得熱電勢(shì)E=3.2mV，求被測(cè)溫度T。3.某變極距式電容傳感器的初始極板間距d?=0.2mm，極板面積A=50mm2，真空介電常數(shù)ε?=8.85×10?12F/m，相對(duì)介電常數(shù)ε?=1。當(dāng)極板間距減小Δd=0.02mm時(shí)，求電容變化量ΔC及靈敏度S（靈敏度定義為ΔC/Δd）。六、綜合應(yīng)用題（共2題，每題15分，共30分）1.設(shè)計(jì)一個(gè)基于傳感器的智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要求：（1）列出需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)；（2）選擇對(duì)應(yīng)的傳感器類型并說明理由；（3）畫出系統(tǒng)架構(gòu)示意圖（文字描述即可）；（4）提出數(shù)據(jù)傳輸與處理的基本方案。2.某汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）需要實(shí)時(shí)檢測(cè)輪胎壓力和溫度。請(qǐng)：（1）分析胎壓傳感器的性能要求（如量程、精度、工作溫度范圍）；（2）選擇適合的壓力傳感器類型（如電容式、壓阻式、壓電式）并說明理由；（3）設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償方案以提高測(cè)量精度；（4）提出無線傳輸模塊的選型依據(jù)（如傳輸距離、功耗、抗干擾能力）。參考答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.B3.B4.B5.B6.A7.C8.A9.B10.D11.C12.B13.A14.A15.B二、多項(xiàng)選擇題1.ACD2.ABD3.ABC4.ABC5.ABC6.ABCD7.ABCD8.ABD9.ABCD10.ABCD三、填空題1.轉(zhuǎn)換元件2.靈敏度3.材料電阻率變化4.電橋補(bǔ)償法5.變介電常數(shù)式6.霍爾效應(yīng)副效應(yīng)7.慣性力8.非功能型9.金屬氧化物半導(dǎo)體10.動(dòng)態(tài)四、簡答題1.溫度誤差來源：①應(yīng)變片電阻隨溫度變化（熱阻效應(yīng)）；②被測(cè)構(gòu)件與應(yīng)變片材料線膨脹系數(shù)不同引起的附加應(yīng)變。補(bǔ)償方法：①電橋補(bǔ)償法（利用工作片與補(bǔ)償片處于同一溫度場(chǎng)）；②溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片（通過選擇特定敏感柵材料匹配線膨脹系數(shù)）；③電路補(bǔ)償（如在橋路中接入熱敏電阻調(diào)整橋壓）。2.工作原理：壓電式基于壓電材料的壓電效應(yīng)（機(jī)械能→電能），僅適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；壓阻式基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)（應(yīng)力→電阻率變化），可測(cè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。適用場(chǎng)景：壓電式用于振動(dòng)、沖擊測(cè)量（如加速度傳感器）；壓阻式用于靜態(tài)壓力測(cè)量（如汽車胎壓監(jiān)測(cè)）。3.原理：光纖光柵通過紫外光在光纖芯層寫入周期性折射率調(diào)制，反射特定波長（布拉格波長λ_B=2nΛ，n為纖芯折射率，Λ為光柵周期）。當(dāng)溫度或應(yīng)力變化時(shí)，n和Λ改變，λ_B漂移，通過檢測(cè)波長偏移量實(shí)現(xiàn)測(cè)量。應(yīng)用實(shí)例：橋梁索力監(jiān)測(cè)（將光纖光柵傳感器粘貼于鋼索表面，通過波長變化監(jiān)測(cè)應(yīng)力）。4.差動(dòng)結(jié)構(gòu)作用：抵消溫度等共模干擾，提高靈敏度，改善線性度。影響：靈敏度提高約1倍（變氣隙式差動(dòng)傳感器靈敏度為單線圈的2倍）；線性度提升（非線性誤差從約±10%降至±1%以內(nèi)）。5.作用：隔離傳感器與后續(xù)電路的地電位差，抑制共模干擾，保護(hù)電路免受高壓沖擊。實(shí)現(xiàn)方式：①電磁隔離（變壓器耦合，用于交流信號(hào)）；②光電隔離（光耦合器，用于數(shù)字或調(diào)制后的模擬信號(hào)）；③電容隔離（高頻信號(hào)）。五、計(jì)算題1.解：ΔR/R?=K·ε=2.0×1500×10??=3×10?3ΔR=R?·ΔR/R?=120×3×10?3=0.36Ω答案：ΔR=0.36Ω，ΔR/R?=0.3%2.解：代入T?=25℃，E=3.2mV=3200μV，得方程：40(T25)+0.05(T25)2=3200令x=T25，方程化簡為0.05x2+40x3200=0解得x=[40±√(402+4×0.05×3200)]/(2×0.05)（取正根）x=[40±√(1600+640)]/0.1=[40±√2240]/0.1≈[40+47.33]/0.1≈73.3℃T=25+73.3=98.3℃答案：T≈98.3℃3.解：初始電容C?=ε?ε?A/d?=8.85×10?12×1×50×10??/(0.2×10?3)=2.2125×10?11F=22.125pF極板間距減小后d=d?Δd=0.18mm，電容C=ε?A/d=8.85×10?12×50×10??/(0.18×10?3)=2.4722×10?11F=24.722pFΔC=CC?≈2.597pF（或用微分近似ΔC≈C?Δd/d?=22.125×(0.02)/0.2=2.2125pF，因Δd較小，近似值與實(shí)際值接近）靈敏度S=ΔC/Δd≈2.2125pF/0.02mm=110.625pF/mm答案：ΔC≈2.21pF（或2.6pF，視近似方法），S≈110.6pF/mm六、綜合應(yīng)用題1.智能溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）關(guān)鍵參數(shù)：溫度（0~50℃）、濕度（20%~95%RH）、光照強(qiáng)度（0~100klx）、CO?濃度（300~2000ppm）、土壤濕度（5%~90%）。（2）傳感器選擇：①溫度：數(shù)字式DS18B20（單總線、高精度）；②濕度：電容式SHT30（集成溫濕度，抗干擾）；③光照：光敏電阻/硅光電池（寬量程）；④CO?：紅外式（NDIR，長期穩(wěn)定）；⑤土壤濕度：頻域反射（FDR）傳感器（抗鹽堿）。（3）系統(tǒng)架構(gòu)：傳感器節(jié)點(diǎn)→無線傳輸模塊（ZigBee/LoRa）→網(wǎng)關(guān)→云平臺(tái)（存儲(chǔ)、分析）→終端（手機(jī)/PC顯示+報(bào)警）。（4）數(shù)據(jù)處理：設(shè)定閾值（如溫度>35℃報(bào)警），通過機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)作物需水周期，聯(lián)動(dòng)執(zhí)行器（風(fēng)機(jī)、灌溉系統(tǒng)）。2.汽車TPMS設(shè)計(jì)（1）性能要求：量程0~1000kPa（覆蓋胎壓200~350kPa+安全裕度）；精度±1