《傳感器與檢測(cè)技術(shù)(第2版)》全真模擬試卷含答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.下列關(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.傳感器是檢測(cè)和轉(zhuǎn)換信息的裝置，需包含信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)C.傳感器的核心是敏感元件，轉(zhuǎn)換元件可省略D.傳感器需具備將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)的功能答案：D2.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程度的指標(biāo)是（）。A.線性度B.靈敏度C.遲滯D.重復(fù)性答案：C3.某應(yīng)變片的電阻值為120Ω，靈敏系數(shù)K=2.0，當(dāng)受到ε=500με的應(yīng)變時(shí)，其電阻變化量ΔR約為（）。A.0.06ΩB.0.12ΩC.0.24ΩD.0.3Ω答案：B（ΔR=K×R×ε=2×120×500×10??=0.12Ω）4.電容式傳感器采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)的主要目的是（）。A.提高靈敏度，減小非線性誤差B.降低成本，簡(jiǎn)化工藝C.增加測(cè)量范圍D.提高抗干擾能力答案：A5.電感式傳感器中，渦流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致線圈（）。A.電感增大，阻抗減小B.電感減小，阻抗增大C.電感和阻抗均增大D.電感和阻抗均減小答案：B（渦流產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，削弱原磁場(chǎng)，電感減小；渦流損耗使阻抗增大）6.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D.輸入電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方答案：A（霍爾電壓公式：U_H=K_H×I×B）7.熱電偶的熱電勢(shì)由（）組成。A.接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)B.接觸電勢(shì)和橫向電勢(shì)C.溫差電勢(shì)和縱向電勢(shì)D.橫向電勢(shì)和縱向電勢(shì)答案：A8.下列光電效應(yīng)中，屬于外光電效應(yīng)的是（）。A.光電導(dǎo)效應(yīng)B.光生伏特效應(yīng)C.光電發(fā)射效應(yīng)D.光伏效應(yīng)答案：C（外光電效應(yīng)指電子逸出表面，如光電管；內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)和光生伏特）9.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量的主要原因是（）。A.壓電材料的居里點(diǎn)低B.電荷容易泄漏，無(wú)法長(zhǎng)期保存C.輸出信號(hào)微弱，難以放大D.機(jī)械強(qiáng)度不足答案：B（壓電傳感器輸出為電荷，靜態(tài)時(shí)電荷通過(guò)測(cè)量回路泄漏，導(dǎo)致信號(hào)衰減）10.磁電式傳感器基于（）原理工作。A.電磁感應(yīng)B.霍爾效應(yīng)C.壓電效應(yīng)D.熱電效應(yīng)答案：A11.熱電阻傳感器常用的材料是（）。A.鉑和銅B.鎳和鋁C.碳和硅D.金和銀答案：A（鉑穩(wěn)定性好，銅成本低，均為常用熱電阻材料）12.超聲波傳感器中，壓電晶片的共振頻率與（）有關(guān)。A.晶片厚度B.晶片面積C.晶片材料密度D.激勵(lì)電壓幅值答案：A（f?=v/(2d)，v為聲速，d為晶片厚度）13.下列傳感器中，屬于數(shù)字式傳感器的是（）。A.應(yīng)變式力傳感器B.光電編碼器C.電容式位移傳感器D.熱電偶答案：B（光電編碼器直接輸出數(shù)字脈沖信號(hào)）14.為了減小變極距型電容傳感器的非線性誤差，可采取的措施是（）。A.增大初始極距B.減小初始極距C.采用差分結(jié)構(gòu)D.增加極板面積答案：C（差動(dòng)結(jié)構(gòu)可抵消非線性項(xiàng)，提高線性度）15.氣敏傳感器的主要作用是（）。A.檢測(cè)氣體溫度B.檢測(cè)氣體壓力C.檢測(cè)氣體成分或濃度D.檢測(cè)氣體流速答案：C二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的基本組成包括______、______和信號(hào)調(diào)理電路三部分。答案：敏感元件；轉(zhuǎn)換元件2.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、______、______、重復(fù)性和漂移等。答案：靈敏度；遲滯3.應(yīng)變片的溫度誤差可通過(guò)______和______兩種方法補(bǔ)償。答案：自補(bǔ)償法；線路補(bǔ)償法（如電橋補(bǔ)償）4.變面積型電容傳感器的輸出特性是______（線性/非線性），變極距型的輸出特性是______（線性/非線性）。答案：線性；非線性5.電渦流傳感器可分為_(kāi)_____和______兩種類型，前者用于測(cè)量金屬材料，后者用于測(cè)量非金屬材料。答案：高頻反射式；低頻透射式6.霍爾元件的不等位電勢(shì)是由于______引起的，可通過(guò)______方法減小。答案：電極安裝不對(duì)稱；補(bǔ)償電路（如橋路補(bǔ)償）7.熱電偶的中間導(dǎo)體定律指出，在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要______，則回路總熱電勢(shì)不變。答案：第三種導(dǎo)體兩端溫度相同8.光敏電阻基于______效應(yīng)工作，光電池基于______效應(yīng)工作。答案：光電導(dǎo)；光生伏特9.壓電式傳感器的前置放大器有兩種形式：______和______，前者適用于遠(yuǎn)距離傳輸。答案：電壓放大器；電荷放大器10.數(shù)字式位移傳感器中，光柵傳感器通過(guò)______原理測(cè)量位移，其分辨率由______決定。答案：莫爾條紋；光柵柵距三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變片的工作原理，并說(shuō)明其與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別。答案：電阻應(yīng)變片的工作原理基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬絲受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值因幾何尺寸（長(zhǎng)度、截面積）和電阻率變化而改變，ΔR/R≈(1+2μ)ε+Δρ/ρ（μ為泊松比，ε為應(yīng)變）。半導(dǎo)體應(yīng)變片基于壓阻效應(yīng)，即半導(dǎo)體材料受應(yīng)力時(shí)電阻率發(fā)生顯著變化，ΔR/R≈πσ（π為壓阻系數(shù)，σ為應(yīng)力）。主要區(qū)別：金屬應(yīng)變片的靈敏度較低（K≈2），但線性度和穩(wěn)定性好；半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度高（K≈100~200），但溫度誤差大，線性度差。2.電容式傳感器存在哪些主要缺點(diǎn)？如何改進(jìn)？答案：缺點(diǎn)：①輸出阻抗高，負(fù)載能力差；②寄生電容影響大（如極板與周?chē)鷮?dǎo)體的電容）；③非線性誤差（變極距型）。改進(jìn)措施：①采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)（將傳感器與前置放大器間的電纜屏蔽層接同電位，減小寄生電容）；②使用差分結(jié)構(gòu)（提高靈敏度，減小非線性）；③采用運(yùn)算放大器式測(cè)量電路（將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，降低輸出阻抗）。3.說(shuō)明霍爾傳感器的工作原理，并列舉其三種典型應(yīng)用。答案：霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng)：當(dāng)載流導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）置于磁場(chǎng)中，且電流方向與磁場(chǎng)垂直時(shí)，載流子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生霍爾電勢(shì)U_H=K_H×I×B（K_H為霍爾系數(shù)，I為工作電流，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度）。典型應(yīng)用：①電流測(cè)量（通過(guò)測(cè)量載流導(dǎo)體周?chē)艌?chǎng)的霍爾電壓）；②位移測(cè)量（通過(guò)磁場(chǎng)梯度與位移的關(guān)系）；③轉(zhuǎn)速測(cè)量（測(cè)量旋轉(zhuǎn)體上磁鋼的周期性磁場(chǎng)變化）。4.比較熱電偶與熱電阻在測(cè)溫原理和應(yīng)用場(chǎng)景上的差異。答案：測(cè)溫原理：熱電偶基于塞貝克效應(yīng)（兩種不同材料的導(dǎo)體組成閉合回路，兩端溫度不同時(shí)產(chǎn)生熱電勢(shì)）；熱電阻基于金屬或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性（R=R?[1+α(T-T?)]，α為電阻溫度系數(shù)）。應(yīng)用場(chǎng)景：熱電偶適用于高溫測(cè)量（如工業(yè)爐溫，可達(dá)1600℃以上），需冷端補(bǔ)償；熱電阻適用于中低溫測(cè)量（如-200℃~850℃），精度高（如鉑電阻精度可達(dá)0.1℃），但需要恒流源供電，不適用于高溫。5.簡(jiǎn)述光電編碼器的分類及工作原理，說(shuō)明其在位移測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)。答案：分類：增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器通過(guò)光電器件讀取碼盤(pán)上的明暗條紋（或刻線），每轉(zhuǎn)輸出固定數(shù)量的脈沖（如1000P/R），通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)測(cè)量位移或轉(zhuǎn)速；絕對(duì)式編碼器的碼盤(pán)上有二進(jìn)制編碼（或格雷碼），每個(gè)位置對(duì)應(yīng)唯一編碼，可直接輸出絕對(duì)位置。優(yōu)勢(shì)：①分辨率高（通過(guò)細(xì)分電路可達(dá)0.1μm級(jí)）；②抗干擾能力強(qiáng)（非接觸式測(cè)量）；③輸出信號(hào)為數(shù)字量，便于計(jì)算機(jī)處理；④動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于高速測(cè)量。四、分析計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某應(yīng)變式稱重傳感器采用四片相同的應(yīng)變片（R=120Ω，K=2.0）組成全橋電路，供橋電壓U=5V。當(dāng)稱重100kg時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)棣?2000με（重力加速度g=10m/s2）。（1）計(jì)算橋路輸出電壓U?；（2）若僅兩片應(yīng)變片接入橋路（半橋），其他條件不變，輸出電壓變?yōu)槎嗌?？答案：?）全橋電路中，四片應(yīng)變片均受應(yīng)變，兩片受拉（+ε），兩片受壓（-ε），橋路輸出電壓公式為：U?=(K×U×ε)/4×4=K×U×ε（全橋時(shí)相鄰臂應(yīng)變符號(hào)相反，輸出為單臂的4倍）代入數(shù)據(jù)：U?=2.0×5×2000×10??=0.02V=20mV（2）半橋電路中，兩片應(yīng)變片受拉（+ε），另外兩臂為固定電阻（無(wú)應(yīng)變），輸出電壓為：U?=(K×U×ε)/4×2=K×U×ε/2代入數(shù)據(jù)：U?=2.0×5×2000×10??/2=0.01V=10mV2.某變氣隙電感式傳感器的初始?xì)庀鼎?=1mm，初始電感L?=20mH，線圈匝數(shù)N=2000匝，鐵芯截面積A=100mm2（μ?=4π×10??H/m）。（1）計(jì)算初始?xì)庀洞抛鑂?；（2）當(dāng)氣隙減小Δδ=0.1mm時(shí)，求電感變化量ΔL（忽略鐵芯磁阻）。答案：（1）電感公式L=N2/(R?)，其中磁阻R?=δ?/(μ?A)（忽略鐵芯磁阻）。初始磁阻R?=δ?/(μ?A)=0.001m/(4π×10??H/m×100×10??m2)=0.001/(4π×10?11)≈7.96×10?A/Wb（2）氣隙減小后，δ=δ?-Δδ=0.9mm=0.0009m，新的磁阻R=δ/(μ?A)=0.0009/(4π×10?11)≈7.16×10?A/Wb新的電感L=N2/R=20002/7.16×10?≈4×10?/7.16×10?≈0.559H=559mH（此處錯(cuò)誤，正確計(jì)算應(yīng)為：L?=N2/(δ?/(μ?A))=N2μ?A/δ?，因此L與δ成反比，L=L?×δ?/δ）正確計(jì)算：L=L?×δ?/δ=20mH×1mm/0.9mm≈22.22mHΔL=L-L?=22.22mH-20mH=2.22mH五、綜合應(yīng)用題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于傳感器的電機(jī)軸承溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要求：（1）選擇合適的溫度傳感器并說(shuō)明理由；（2）設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路（需包含電橋、放大、濾波環(huán)節(jié)）；（3）提出系統(tǒng)抗干擾措施。答案：（1）溫度傳感器選擇：選用鉑熱電阻（Pt100）。理由：①測(cè)量精度高（0.1℃級(jí)），適用于電機(jī)軸承的精密溫度監(jiān)測(cè)（正常運(yùn)行溫度約50~80℃，異常時(shí)可達(dá)120℃以上）；②穩(wěn)定性好，鉑的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用漂移??；③線性度好（在-200~850℃范圍內(nèi)，電阻-溫度特性接近線性）；④響應(yīng)速度適中，適合軸承這種緩慢升溫的場(chǎng)景。（2）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)：①電橋電路：采用恒流源供電的三線制電橋（減小導(dǎo)線電阻誤差）。Pt100作為橋臂，另外三臂為精密電阻（R1=R2=R3=100Ω），恒流源I=1mA（避免自熱誤差）。電橋輸出電壓U_b=I×(R_t-R_ref)（R_t為Pt100電阻，R_ref為參考電阻）。②放大電路：采用儀表放大器（如AD620），增益G=100，將電橋輸出的小信號(hào)（約0~5mV，對(duì)應(yīng)50~120℃時(shí)Pt100電阻變化約18Ω，U_b=1mA×18Ω=18mV）放大至0~1.8V。③濾波電路：加入二階低通濾波器（截止頻率10Hz），濾除電機(jī)振動(dòng)引起的高頻噪聲（如50Hz工頻干擾），電容C=1μF，電阻R=15.9kΩ（f_c=1/(2πRC)）。（3）抗干擾措施：①屏蔽與接地：傳感器導(dǎo)線采用屏