(2025年)《傳感器技術及應用》試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種效應是壓電式傳感器的工作基礎？A.熱電效應B.壓電效應C.霍爾效應D.壓阻效應答案：B2.金屬應變片的靈敏度系數(shù)主要取決于：A.金屬材料的電阻率變化B.幾何尺寸變化引起的電阻變化C.溫度變化引起的電阻變化D.壓阻效應引起的電阻變化答案：B（金屬應變片的靈敏度系數(shù)K≈(1+2μ)，主要由幾何形變引起）3.光電傳感器中，能夠?qū)⒐鈴娮兓D(zhuǎn)換為電信號的核心元件是：A.光電二極管B.發(fā)光二極管C.光敏電阻D.光電耦合器答案：C（光敏電阻基于內(nèi)光電效應，阻值隨光強變化）4.熱電偶的熱電勢由兩部分組成，分別是：A.接觸電勢和溫差電勢B.塞貝克電勢和珀爾帖電勢C.湯姆遜電勢和接觸電勢D.溫差電勢和珀爾帖電勢答案：A（熱電勢=接觸電勢（不同材料接觸）+溫差電勢（同一材料兩端溫差））5.以下不屬于電容式傳感器優(yōu)點的是：A.動態(tài)響應好B.溫度穩(wěn)定性高C.結(jié)構(gòu)簡單D.測量范圍大答案：D（電容式傳感器量程較小，易受寄生電容干擾）6.霍爾傳感器測量磁場時，輸出電壓與以下哪個參數(shù)無關？A.霍爾系數(shù)B.載流子濃度C.激勵電流D.磁場強度答案：B（霍爾電壓UH=KHIB，KH=1/(nq)，與載流子濃度n相關，因此B錯誤）7.以下哪種傳感器屬于有源傳感器？A.應變片B.熱電偶C.光敏電阻D.電容式位移傳感器答案：B（有源傳感器需外部電源，熱電偶可直接輸出電勢）8.MEMS傳感器的核心優(yōu)勢是：A.高精度B.低成本、微型化C.耐高溫D.抗電磁干擾答案：B（MEMS基于微加工技術，實現(xiàn)微型化和批量生產(chǎn)）9.紅外傳感器用于氣體檢測時，主要利用的原理是：A.氣體分子對特定波長紅外光的吸收B.氣體分子的熱輻射C.氣體分子的電離效應D.氣體分子的熒光效應答案：A（如CO2檢測利用4.26μm紅外吸收）10.超聲波傳感器測距時，測量精度主要受以下哪個因素影響？A.超聲波頻率B.環(huán)境溫度C.被測物體顏色D.傳感器尺寸答案：B（聲速v=331+0.6T，溫度影響聲速，進而影響距離計算）二、多項選擇題（每題3分，共15分，少選得1分，錯選不得分）1.傳感器的靜態(tài)特性指標包括：A.靈敏度B.線性度C.響應時間D.重復性答案：ABD（響應時間為動態(tài)特性指標）2.以下屬于溫度傳感器的有：A.PT100熱電阻B.K型熱電偶C.DS18B20數(shù)字傳感器D.石英諧振式傳感器答案：ABC（石英諧振式傳感器主要用于壓力或加速度測量）3.光纖傳感器的優(yōu)點包括：A.抗電磁干擾B.電絕緣性好C.可遠距離傳輸D.測量精度低答案：ABC（光纖傳感器精度高，D錯誤）4.氣體傳感器的常用敏感材料有：A.二氧化錫（SnO2）B.鉑（Pt）C.氧化鋅（ZnO）D.硅（Si）答案：AC（SnO2、ZnO為半導體氣敏材料，Pt用于催化燃燒式傳感器）5.加速度傳感器的常見類型包括：A.壓電式B.壓阻式C.電容式D.電感式答案：ABC（電感式加速度傳感器較少見，主要用于大位移測量）三、填空題（每題2分，共20分）1.傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和__________三部分組成。答案：信號調(diào)理電路2.壓電材料分為壓電晶體、壓電陶瓷和__________三大類。答案：壓電聚合物（如PVDF）3.應變片的靈敏度系數(shù)定義為__________與應變的比值。答案：電阻相對變化率（ΔR/R）4.熱電阻傳感器利用金屬或半導體的__________隨溫度變化的特性工作。答案：電阻率5.霍爾效應中，霍爾電壓與激勵電流、磁場強度成正比，與__________成反比。答案：載流子濃度（或材料厚度）6.電容式傳感器按測量參數(shù)可分為變極距型、變面積型和__________型。答案：變介電常數(shù)7.光電效應分為外光電效應、內(nèi)光電效應和__________效應。答案：光生伏特8.熱電偶的中間導體定律指出，在熱電偶回路中接入第三種導體，只要__________，回路總熱電勢不變。答案：第三種導體兩端溫度相同9.MEMS加速度傳感器通?；赺_________原理，通過質(zhì)量塊的位移檢測加速度。答案：電容檢測（或壓阻檢測）10.紅外傳感器按工作原理分為熱釋電型和__________型。答案：光子（或量子）四、簡答題（共25分）（一）封閉型簡答題（每題5分，共10分）1.簡述傳感器靜態(tài)特性中“遲滯”的定義及產(chǎn)生原因。答案：遲滯是指傳感器在輸入量增大（正行程）和減?。ǚ葱谐蹋r，輸出輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因包括敏感元件材料的內(nèi)摩擦、機械部件的間隙、電荷積累等不可逆因素。2.比較壓阻式傳感器與壓電式傳感器的工作原理及應用場景差異。答案：壓阻式傳感器基于半導體材料的壓阻效應（電阻率隨應力變化），需外部電源，適用于靜態(tài)或低頻動態(tài)測量（如壓力、加速度）；壓電式傳感器基于壓電材料的壓電效應（應力→電荷），為無源傳感器，適用于高頻動態(tài)測量（如振動、沖擊）。（二）開放型簡答題（每題7.5分，共15分）3.某智能溫室需要監(jiān)測空氣溫度（20~50℃）、濕度（20%~90%RH）、光照強度（0~10萬lux），請為每種參數(shù)選擇合適的傳感器類型，并說明選型依據(jù)。答案：溫度：選擇PT100熱電阻（精度高，200~650℃量程覆蓋需求）或DS18B20數(shù)字傳感器（單總線接口，便于組網(wǎng)）。濕度：選擇電容式濕度傳感器（如SHT30），響應快（<5s），精度±2%RH，適用于溫室環(huán)境。光照：選擇硅光電池（響應光譜接近可見光）或光敏二極管（如TSL2561），量程覆蓋0~10萬lux，線性度好。選型依據(jù)需考慮量程匹配、精度要求（溫室通?！?.5℃、±3%RH）、抗環(huán)境干擾（防潮、防塵）、接口兼容性（數(shù)字信號便于集成）。4.分析汽車碰撞檢測系統(tǒng)中，加速度傳感器的選型要求及信號處理流程。答案：選型要求：量程：需覆蓋碰撞時的高加速度（通?！?00g~±200g）；頻響：高頻響應（>1kHz）以捕捉瞬時沖擊；精度：高分辨率（如16位ADC）確保觸發(fā)閾值準確；可靠性：抗振動、耐高溫（40~125℃）、EMC防護。信號處理流程：傳感器輸出模擬信號→低通濾波（去除高頻噪聲）→ADC采樣→微控制器（MCU）計算加速度變化率（jerk）→與預設閾值比較→觸發(fā)安全氣囊或安全帶預緊器。五、應用題（共20分）（一）計算題（每題5分，共10分）1.某金屬應變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R0=120Ω。當被測物體產(chǎn)生ε=5000με的應變時，求應變片的電阻變化量ΔR。答案：由靈敏度系數(shù)定義K=(ΔR/R0)/ε，得ΔR=K×R0×ε=2.0×120Ω×5000×10??=1.2Ω。2.用K型熱電偶（鎳鉻鎳硅）測量某爐溫，參考端溫度T0=25℃，測得熱電勢E(T,T0)=33.28mV。查K型熱電偶分度表（部分數(shù)據(jù)：25℃對應1.00mV，1000℃對應41.27mV，800℃對應33.28mV），求實際爐溫T。答案：根據(jù)中間溫度定律，E(T,0℃)=E(T,T0)+E(T0,0℃)=33.28mV+1.00mV=34.28mV。查分度表，34.28mV對應的溫度約為820℃（插值計算：33.28mV對應800℃，34.70mV對應820℃，34.2833.28=1.00mV，(1.00/1.42)×20≈14℃，故T≈800+14=814℃，實際分度表精確值為813℃）。（二）分析題（5分）3.某電容式位移傳感器測量范圍0~1mm，極板初始間距d0=1mm，面積A=100mm2，介電常數(shù)ε=ε0=8.85×10?12F/m。當被測物體位移Δd=0.1mm（極板間距減?。?，求電容變化量ΔC，并分析變極距型電容傳感器的非線性誤差。答案：初始電容C0=εA/d0=8.85e12×100e6/1e3≈8.85×10?13F=0.885pF。位移后間距d=d0Δd=0.9mm，電容C=εA/d≈0.885pF×(1/0.9)≈0.983pF。ΔC=CC0≈0.098pF。非線性誤差由電容與位移的倒數(shù)關系引起，近似為δ≈(Δd/d0)×100%=10%（實際公式δ≈(Δd/d0)/(1Δd/d0)×100%≈11.1%），因此變極距型傳感器需限制Δd/d0<10%以降低非線性。（三）綜合設計題（5分）4.設計一個基于傳感器的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，要求：（1）選擇至少3類傳感器；（2）說明信號采集與處理流程；（3）列出系統(tǒng)核心功能。答案：（1）傳感器選型：溫濕度傳感器（SHT30，I2C接口，精度±0.3℃、±2%RH）；氣體傳感器（MQ135，檢測CO2、VOC，模擬輸出）；光照傳感器（TSL2591，數(shù)字輸出，量程0~880000lux）。（2）信號流程：傳感器→ADC（氣體傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換）→微控制器（STM32，讀取數(shù)字信號、處理模擬信號）→WiFi模塊（E