2025年電氣工程傳感器技術(shù)與應用試題及答案一、單項選擇題（共10題，每題2分，共20分）1.以下傳感器中，基于壓阻效應工作的是（）。A.壓電式加速度傳感器B.擴散硅壓力傳感器C.電感式位移傳感器D.電容式液位傳感器2.某電阻應變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，原電阻R=120Ω，當受到ε=5000με的應變時，其電阻變化量ΔR約為（）。A.0.6ΩB.1.2ΩC.2.4ΩD.3.0Ω3.為減小變極距型電容傳感器的非線性誤差，通常采用（）結(jié)構(gòu)。A.單極板B.差動C.串聯(lián)D.并聯(lián)4.以下傳感器中，屬于發(fā)電型（能量轉(zhuǎn)換型）傳感器的是（）。A.熱電偶B.熱電阻C.光電二極管D.電感式接近開關(guān)5.霍爾傳感器測量磁場時，若激勵電流I=10mA，霍爾系數(shù)KH=20mV·mm2/(mA·T)，磁感應強度B=0.5T，霍爾元件厚度d=0.1mm，則輸出霍爾電壓UH為（）。A.10mVB.20mVC.50mVD.100mV6.光纖傳感器中，用于測量溫度的常見調(diào)制方式是（）。A.相位調(diào)制B.強度調(diào)制C.波長調(diào)制D.偏振調(diào)制7.MEMS加速度傳感器的核心敏感結(jié)構(gòu)通常是（）。A.懸臂梁質(zhì)量塊B.壓電陶瓷片C.電感線圈D.電容極板對8.以下傳感器中，不能直接測量轉(zhuǎn)速的是（）。A.磁電式轉(zhuǎn)速傳感器B.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器C.熱電偶D.光電編碼器9.為提高傳感器的抗干擾能力，信號調(diào)理電路中常用的措施不包括（）。A.屏蔽電纜B.共模抑制C.放大倍數(shù)無限增大D.接地設(shè)計10.智能傳感器區(qū)別于傳統(tǒng)傳感器的核心特征是（）。A.具備數(shù)據(jù)處理與通信功能B.靈敏度更高C.體積更小D.測量范圍更廣二、多項選擇題（共5題，每題3分，共15分，多選、錯選不得分，少選得1分）1.以下屬于電感式傳感器的有（）。A.變氣隙式自感傳感器B.差動變壓器式互感傳感器C.電渦流式傳感器D.壓磁式傳感器2.壓電傳感器適用于測量（）。A.靜態(tài)力B.動態(tài)力C.高頻振動D.直流壓力3.光電傳感器的常用光源包括（）。A.激光二極管（LD）B.發(fā)光二極管（LED）C.白熾燈D.X射線源4.傳感器的靜態(tài)特性指標包括（）。A.線性度B.靈敏度C.頻率響應D.重復性5.物聯(lián)網(wǎng)傳感器的典型需求包括（）。A.低功耗B.高精度C.自組網(wǎng)能力D.單一功能三、填空題（共10空，每空2分，共20分）1.電阻應變片的靈敏度系數(shù)K定義為單位應變引起的________變化率。2.電容傳感器的三種基本類型是變極距型、變面積型和________。3.熱電偶的熱電勢由接觸電勢和________兩部分組成。4.電渦流傳感器的工作原理基于________效應。5.壓電材料分為壓電晶體、壓電陶瓷和________三大類。6.磁敏傳感器中，________傳感器對磁場的靈敏度高于霍爾傳感器。7.傳感器信號調(diào)理電路中，________放大器常用于抑制共模干擾，適用于差分信號放大。8.紅外溫度傳感器通過檢測物體輻射的________來測量溫度。9.傳感器的動態(tài)特性通常用________或頻率響應函數(shù)來描述。10.智能傳感器的核心組成包括敏感元件、信號處理單元和________。四、簡答題（共4題，第13題每題6分，第4題7分，共25分）1.簡述電阻應變片測量應變時，溫度誤差的產(chǎn)生原因及補償方法。2.比較變極距型、變面積型電容傳感器的優(yōu)缺點，并說明各自適用場景。3.說明壓電傳感器為何不能用于靜態(tài)測量，其后續(xù)信號調(diào)理電路通常采用哪兩種類型？4.結(jié)合智能電網(wǎng)需求，分析傳感器在其中的典型應用（至少列舉3類傳感器及對應的監(jiān)測對象）。五、計算題（共2題，每題10分，共20分）1.某差動變壓器式位移傳感器的輸出電壓與位移的關(guān)系為：當位移x=0時，輸出電壓U=0；x=+1mm時，U=+50mV；x=1mm時，U=50mV。若測得輸出電壓為+30mV，求此時的位移值；若傳感器的非線性誤差為±1%FS（滿量程為±2mm），求該位移值的最大可能誤差。2.某壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度SQ=10pC/g（g為重力加速度，取9.8m/s2），配接電荷放大器，電荷放大器的反饋電容Cf=1000pF。當被測加速度a=5g時，求電荷放大器的輸出電壓Uo（電荷放大器輸出電壓公式：Uo=Q/Cf，Q為傳感器輸出電荷）。六、綜合應用題（共1題，10分）設(shè)計一個工業(yè)機器人手臂的位移檢測系統(tǒng)，要求：（1）選擇合適的位移傳感器類型（需說明選擇依據(jù)）；（2）設(shè)計信號調(diào)理電路的基本結(jié)構(gòu)（需包含關(guān)鍵元件）；（3）提出至少2項抗干擾措施。參考答案與解析一、單項選擇題1.B（擴散硅壓力傳感器利用半導體材料的壓阻效應，即電阻率隨應力變化；壓電式傳感器基于壓電效應，屬于發(fā)電型。）2.B（ΔR=K·R·ε=2.0×120Ω×5000×10??=1.2Ω。）3.B（差動結(jié)構(gòu)通過兩個電容的反向變化抵消非線性項，減小誤差。）4.A（熱電偶直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，屬于發(fā)電型；熱電阻需外部電源，屬于能量控制型。）5.A（UH=KH·I·B/d=20×10?3×10×10?3×0.5/(0.1×10?3)=0.01V=10mV。）6.C（光纖溫度傳感器常用波長調(diào)制（如FP腔）或強度調(diào)制（如熒光材料），但波長調(diào)制精度更高。）7.A（MEMS加速度傳感器多采用微機械懸臂梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，通過電容或壓阻檢測位移。）8.C（熱電偶測量溫度，無法直接測轉(zhuǎn)速；光電編碼器通過脈沖計數(shù)測轉(zhuǎn)速。）9.C（放大倍數(shù)過大會引入噪聲，需合理選擇增益。）10.A（智能傳感器集成CPU、存儲器和通信模塊，具備自校準、自診斷功能。）二、多項選擇題1.ABCD（電感式傳感器包括自感式、互感式（差動變壓器）、電渦流式和壓磁式（利用磁導率變化）。）2.BC（壓電傳感器的輸出電荷會通過負載電阻泄漏，無法測量靜態(tài)量，適用于動態(tài)力和高頻振動。）3.ABC（X射線源用于射線檢測，非光電傳感器常用光源。）4.ABD（頻率響應屬于動態(tài)特性指標。）5.ABC（物聯(lián)網(wǎng)傳感器需低功耗以延長壽命，高精度滿足監(jiān)測需求，自組網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，多功能集成更符合需求。）三、填空題1.電阻（ΔR/R與ε的比值）2.變介電常數(shù)型（如液位傳感器通過介質(zhì)變化測液位）3.溫差電勢（同一導體兩端溫度不同產(chǎn)生的電勢）4.電磁感應（金屬導體在交變磁場中產(chǎn)生渦流，影響線圈阻抗）5.高分子壓電材料（如PVDF）6.磁阻（如AMR、GMR傳感器靈敏度高于霍爾元件）7.儀用（三運放結(jié)構(gòu)，高共模抑制比）8.紅外輻射（波長0.76~1000μm的電磁波）9.階躍響應（時域指標）10.通信接口（如I2C、SPI或無線模塊）四、簡答題1.溫度誤差原因：應變片的電阻隨溫度變化（電阻溫度系數(shù)）；被測件與應變片材料熱膨脹系數(shù)不同，導致虛假應變。補償方法：電橋補償法（采用補償片與工作片處于同一溫度場，接入電橋相鄰臂）；溫度自補償應變片（選擇特定材料使電阻溫度系數(shù)與熱膨脹系數(shù)匹配）。2.變極距型：優(yōu)點是靈敏度高（與極距平方成反比）；缺點是非線性嚴重（Δd/d0需小于1/5~1/10），適用于小位移測量（如微位移檢測）。變面積型：優(yōu)點是線性度好（輸出與位移成正比）；缺點是靈敏度較低（與極板寬度成正比），適用于較大位移測量（如角位移或線位移≥mm級）。3.不能測靜態(tài)的原因：壓電傳感器的電荷會通過后續(xù)電路的泄漏電阻緩慢放電，靜態(tài)力作用下輸出電荷無法保持，導致信號衰減。信號調(diào)理電路：電荷放大器（將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，輸入阻抗極高，減少電荷泄漏）；電壓放大器（需高輸入阻抗運放，適用于高頻信號）。4.智能電網(wǎng)應用：光纖電流傳感器：監(jiān)測高壓輸電線路電流（抗電磁干擾，絕緣性好）；溫度傳感器（如分布式光纖測溫）：監(jiān)測變壓器、電纜接頭溫度（實時定位熱點）；微振動傳感器（如MEMS加速度計）：監(jiān)測輸電塔風振或舞動（預防倒塔事故）；氣體傳感器（如SF6傳感器）：監(jiān)測變電站六氟化硫氣體濃度（保障設(shè)備安全）。五、計算題1.位移值計算：傳感器靈敏度S=50mV/1mm=50mV/mm。輸出U=+30mV時，位移x=U/S=30mV/(50mV/mm)=0.6mm。最大誤差：滿量程FS=2mm（±1mm范圍，總量程2mm），非線性誤差=±1%FS=±0.02mm。因此，位移值的最大可能誤差為±0.02mm。2.電荷計算：Q=SQ×a=10pC/g×5g=50pC。輸出電壓：Uo=Q/Cf=50pC/1000pF=0.05V=50mV（負號表示相位相反，通常取絕對值）。六、綜合應用題（1）傳感器選擇：選用差動變壓器式位移傳感器（LVDT）。依據(jù)：工業(yè)機器人手臂位移范圍通常為幾毫米至幾十毫米，LVDT線性度高（≤0.5%）、精度高（可達μm級）、抗干擾能力強（輸出為交流電壓，便于調(diào)理），適合中程位移檢測。（2）信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)包括：激勵源：產(chǎn)生正弦波（如5kHz、3V），為LVDT初級線圈供電；相敏檢波器：將次級線圈的交流輸出轉(zhuǎn)換為與位移方向相關(guān)的直流電壓（需參考激勵