《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》期末復(fù)習(xí)試題(附答案)一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于傳感器靜態(tài)特性的描述中，錯(cuò)誤的是（）A.線性度是指?jìng)鞲衅鬏敵?輸入特性曲線與擬合直線的偏離程度B.靈敏度是輸出變化量與輸入變化量的比值C.遲滯反映傳感器在正、反行程中輸出-輸入特性曲線的不重合程度D.重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谙嗤ぷ鳁l件下，輸入量按同一方向連續(xù)多次變化時(shí)輸出的不一致程度2.金屬電阻應(yīng)變片的工作原理主要基于（）A.壓阻效應(yīng)B.應(yīng)變效應(yīng)C.熱電效應(yīng)D.霍爾效應(yīng)3.電感式傳感器中，電渦流式傳感器主要用于測(cè)量（）A.位移B.溫度C.濕度D.加速度4.電容式傳感器中，變面積式傳感器的輸出特性為（）A.線性B.非線性C.平方關(guān)系D.對(duì)數(shù)關(guān)系5.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C.靈敏度隨溫度變化D.輸出信號(hào)微弱6.光電效應(yīng)中，光敏電阻基于（）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)7.熱電偶的熱電勢(shì)大小僅與（）有關(guān)A.熱端溫度B.冷端溫度C.熱端和冷端的溫度差D.熱電偶材料的長(zhǎng)度8.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.輸入電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值9.下列傳感器中，屬于數(shù)字式傳感器的是（）A.應(yīng)變片B.電感式傳感器C.光柵傳感器D.熱電偶10.檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是（）A.放大信號(hào)B.濾波C.線性化處理D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分）1.傳感器一般由______、______和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。2.衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有線性度、靈敏度、______和______等。3.電感式傳感器按工作原理可分為變磁阻式、______和______三類(lèi)。4.壓電式傳感器的等效電路可視為_(kāi)_____與電容并聯(lián)，或______與電容串聯(lián)。5.熱電偶的基本定律包括均質(zhì)導(dǎo)體定律、______和______。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變片的工作原理，并說(shuō)明其與壓阻式傳感器的主要區(qū)別。2.電容式傳感器存在哪些主要缺點(diǎn)？可通過(guò)哪些措施改善其性能？3.解釋霍爾效應(yīng)的原理，并列舉霍爾傳感器的兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景。4.比較光敏二極管與光敏三極管的工作特性，說(shuō)明各自的適用場(chǎng)合。5.為什么熱電偶需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？常用的補(bǔ)償方法有哪些？四、分析計(jì)算題（每題10分，共30分）1.某金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R?=120Ω。當(dāng)受到ε=1500με的應(yīng)變時(shí)，求其電阻變化量ΔR及相對(duì)變化率ΔR/R。（1με=1×10??）2.一變間隙式電容傳感器，極板面積S=50mm2，初始極板間距d?=0.1mm，ε?=1（空氣介質(zhì)），ε?=8.85×10?12F/m。若極板間距變化Δd=+5μm（增大），求電容變化量ΔC，并判斷輸出特性是否線性。3.某壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度K_q=10pC/g（g為重力加速度，g=9.8m/s2），配套電荷放大器的反饋電容C_f=1000pF。當(dāng)被測(cè)加速度a=5g時(shí)，求電荷放大器的輸出電壓U?。五、綜合應(yīng)用題（共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類(lèi)型，并說(shuō)明選擇依據(jù)；（2）畫(huà)出系統(tǒng)組成框圖（需包含傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、顯示報(bào)警模塊）；（3）分析信號(hào)調(diào)理電路的關(guān)鍵功能（如放大、濾波、線性化等）及設(shè)計(jì)要點(diǎn)；（4）提出系統(tǒng)抗干擾的兩種具體措施。參考答案一、選擇題1.D（重復(fù)性是輸入量按同一方向多次變化時(shí)的一致性，D描述的是遲滯）2.B（金屬應(yīng)變片基于應(yīng)變效應(yīng)，半導(dǎo)體壓阻式傳感器基于壓阻效應(yīng)）3.A（電渦流式傳感器主要測(cè)量位移、厚度、表面缺陷等）4.A（變面積式電容傳感器的輸出與位移成線性關(guān)系）5.B（壓電傳感器的電荷會(huì)通過(guò)測(cè)量電路泄漏，無(wú)法測(cè)靜態(tài)）6.D（光敏電阻基于內(nèi)光電效應(yīng)中的光電導(dǎo)效應(yīng)）7.C（熱電偶熱電勢(shì)由熱端和冷端的溫差決定）8.C（霍爾電壓U_H=K_HIB，K_H為霍爾系數(shù)）9.C（光柵傳感器輸出數(shù)字脈沖信號(hào)）10.D（信號(hào)調(diào)理包括放大、濾波、線性化等）二、填空題1.敏感元件；轉(zhuǎn)換元件2.遲滯；重復(fù)性3.差動(dòng)變壓器式；電渦流式4.電荷源；電壓源5.中間導(dǎo)體定律；中間溫度定律三、簡(jiǎn)答題1.工作原理：金屬應(yīng)變片受外力作用時(shí)，幾何尺寸變化（長(zhǎng)度和截面積改變）導(dǎo)致電阻變化，ΔR/R≈Kε（K為靈敏度系數(shù)，ε為應(yīng)變）。區(qū)別：電阻應(yīng)變片利用金屬的應(yīng)變效應(yīng)（幾何尺寸變化為主），壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)（電阻率變化為主）；壓阻式靈敏度更高，但溫度穩(wěn)定性較差。2.主要缺點(diǎn)：輸出阻抗高（易受干擾）、非線性（變間隙式）、寄生電容影響大。改善措施：采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)（減小非線性、提高靈敏度）、使用驅(qū)動(dòng)電纜（降低寄生電容影響）、集成調(diào)理電路（匹配高阻抗輸出）。3.霍爾效應(yīng)原理：半導(dǎo)體薄片通以電流I，垂直施加磁場(chǎng)B時(shí)，載流子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，在薄片兩側(cè)積累電荷，形成霍爾電壓U_H=K_HIB（K_H為霍爾系數(shù)）。應(yīng)用場(chǎng)景：電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量（通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化）、電流傳感器（測(cè)量導(dǎo)體周?chē)艌?chǎng)）。4.光敏二極管：反向偏置，光照下產(chǎn)生光電流（與光強(qiáng)成正比），響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），適用于高頻光信號(hào)檢測(cè)（如光通信）。光敏三極管：基極受光照產(chǎn)生光電流，集電極電流放大（β倍），靈敏度高（微安級(jí)輸出），但響應(yīng)速度較慢（微秒級(jí)），適用于低頻光強(qiáng)檢測(cè)（如光控開(kāi)關(guān)）。5.原因：熱電偶的熱電勢(shì)取決于熱端和冷端的溫差，若冷端溫度不為0℃或波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。補(bǔ)償方法：冷端恒溫法（將冷端置于0℃恒溫槽）、補(bǔ)償導(dǎo)線法（用與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)線延長(zhǎng)冷端）、電橋補(bǔ)償法（利用不平衡電橋抵消冷端溫度變化的影響）。四、分析計(jì)算題1.解：相對(duì)變化率ΔR/R=Kε=2.0×1500×10??=3×10?3電阻變化量ΔR=R?×(ΔR/R)=120×3×10?3=0.36Ω答：ΔR=0.36Ω，ΔR/R=0.3%。2.解：初始電容C?=ε?ε?S/d?=8.85×10?12×1×50×10??/(0.1×10?3)=4.425×10?11F=44.25pF變間隙式電容傳感器的電容變化ΔC≈-C?Δd/d?（Δd遠(yuǎn)小于d?時(shí)近似）Δd=5μm=5×10??m，d?=0.1mm=1×10??mΔC≈-44.25pF×(5×10??)/(1×10??)=-2.2125pF輸出特性：變間隙式傳感器的C與d成反比，為非線性特性（Δd/d?不可忽略時(shí)需修正）。答：ΔC≈-2.21pF，輸出特性為非線性。3.解：電荷Q=K_q×a=10pC/g×5g=50pC電荷放大器輸出電壓U?=Q/C_f=50pC/1000pF=0.05V答：U?=0.05V。五、綜合應(yīng)用題（1）傳感器選擇：鉑電阻（PT100）。依據(jù)：精度高（0.1℃級(jí)）、穩(wěn)定性好（-200~600℃寬溫區(qū)）、線性度好（適合電機(jī)軸承0~150℃監(jiān)測(cè)場(chǎng)景）。（2）系統(tǒng)框圖：傳感器（PT100）→信號(hào)調(diào)理電路（電橋放大+濾波+線性化）→數(shù)據(jù)采集模塊（A/D轉(zhuǎn)換）→處理模塊（單片機(jī)/PLC）→顯示模塊（LCD）→報(bào)警模塊（蜂鳴器/LED）。（3）信號(hào)調(diào)理電路關(guān)鍵功能：-電橋放大：將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（采用恒流源或恒壓源電橋）；-濾波：抑制電機(jī)電磁干擾（如50Hz工頻噪聲），采用低通濾波器（截止頻率100Hz）；-線性化：PT10