《傳感器與檢測技術》期末復習試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列指標中，不屬于傳感器靜態(tài)特性的是（）A.線性度B.頻率響應C.遲滯D.重復性答案：B（頻率響應屬于動態(tài)特性）2.應變片的靈敏度系數(shù)K指的是（）A.單位應變引起的電阻相對變化B.單位電阻變化引起的應變C.應變片的幾何尺寸變化率D.應變片的溫度系數(shù)答案：A（根據(jù)應變效應公式ΔR/R=Kε）3.電容式傳感器中，變極距型傳感器的輸出特性為（）A.線性關系B.反比關系C.平方關系D.對數(shù)關系答案：B（C=ε0εrA/d，d變化時C與d成反比）4.電感式傳感器中，差動變壓器的輸出電壓與（）A.鐵芯位移成正比B.鐵芯位移的平方成正比C.鐵芯位移成反比D.鐵芯位移的立方成正比答案：A（差動變壓器利用互感變化，輸出電壓與鐵芯位移呈線性關系）5.熱電偶的熱電勢大小取決于（）A.熱端溫度B.冷端溫度C.熱端與冷端的溫差D.熱電極的材料長度答案：C（塞貝克效應中熱電勢由兩接點溫差決定）6.霍爾傳感器的輸出電壓與（）A.磁感應強度成正比B.磁感應強度的平方成正比C.磁感應強度成反比D.磁感應強度的立方成正比答案：A（霍爾電壓公式UH=KHIBcosθ）7.氣敏傳感器檢測氣體濃度時，主要利用的是（）A.電阻變化特性B.電容變化特性C.電感變化特性D.熱電勢變化特性答案：A（金屬氧化物半導體氣敏傳感器的阻值隨氣體濃度變化）8.超聲波傳感器測距時，測量的物理量是（）A.超聲波頻率B.超聲波幅值C.超聲波傳播時間D.超聲波相位差答案：C（距離L=v×t/2，v為聲速，t為往返時間）9.光電傳感器中，光敏二極管工作在（）A.正向偏置狀態(tài)B.反向偏置狀態(tài)C.零偏置狀態(tài)D.任意偏置狀態(tài)答案：B（反向偏置時耗盡層變寬，利于光生載流子收集）10.熱電阻傳感器中，鉑電阻的溫度系數(shù)約為（）A.0.00385/℃B.0.00428/℃C.0.0065/℃D.0.01/℃答案：A（鉑電阻的標準溫度系數(shù)為0.00385Ω/Ω·℃）二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和（信號調(diào)理電路）三部分組成。2.傳感器的靜態(tài)特性指標包括線性度、（靈敏度）、遲滯、重復性和（分辨力）。3.應變片的溫度誤差主要由（電阻絲溫度系數(shù)）和（試件與電阻絲線膨脹系數(shù)差異）兩個因素引起。4.電容式傳感器按工作原理可分為變極距型、（變面積型）和（變介質(zhì)型）三種類型。5.電感式傳感器包括自感式、（互感式）和（電渦流式）三種基本形式。6.熱電偶的基本定律包括（中間導體定律）、（中間溫度定律）和參考電極定律。7.霍爾元件的材料通常選用（半導體），因為其（載流子遷移率）較高。8.壓電傳感器的工作原理是（壓電效應），其輸出信號需要通過（電荷放大器）或電壓放大器進行調(diào)理。9.紅外傳感器按工作方式可分為（主動式）和（被動式），其中被動式紅外傳感器主要用于（人體檢測）等場景。10.超聲波傳感器的發(fā)射電路通常采用（脈沖激勵）方式，接收電路需包含（放大）和（濾波）環(huán)節(jié)。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述傳感器靜態(tài)特性與動態(tài)特性的區(qū)別，并各舉兩個典型指標。答案：靜態(tài)特性描述傳感器在被測量緩慢變化（或恒定）時的輸入-輸出關系，指標如線性度、靈敏度；動態(tài)特性描述傳感器對快速變化輸入的響應能力，指標如時間常數(shù)、頻率響應。兩者的核心區(qū)別在于輸入信號的變化速率是否可忽略。2.應變式傳感器為何需要溫度補償？常用的補償方法有哪些？答案：溫度變化會導致應變片電阻因自身溫度系數(shù)而變化（熱阻效應），同時試件與應變片材料線膨脹系數(shù)不同會產(chǎn)生附加應變（熱應力效應），兩者共同引起溫度誤差。補償方法包括：①電橋補償法（在相鄰橋臂接補償片）；②單絲自補償法（選用特定溫度系數(shù)的電阻絲）；③雙絲自補償法（兩種不同溫度系數(shù)的電阻絲串聯(lián)）。3.電容式傳感器的主要優(yōu)缺點是什么？如何改善其非線性？答案：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好、非接觸測量；缺點：輸出阻抗高（易受干擾）、寄生電容影響大、非線性誤差明顯（變極距型）。改善非線性的方法：采用差動結(jié)構(gòu)（輸出為ΔC/C0≈2Δd/d0，線性度提升）；使用運算放大器構(gòu)成閉環(huán)測量電路（將電容變化轉(zhuǎn)換為線性電壓輸出）。4.說明電感式傳感器中電渦流效應的產(chǎn)生條件及應用場景。答案：產(chǎn)生條件：金屬導體置于變化的磁場中（或?qū)w與線圈有相對運動），導體表面會感應出閉合的電渦流。應用場景：金屬材料的無損檢測（如裂紋檢測）、位移測量（如汽輪機軸位移監(jiān)測）、厚度測量（如金屬板材厚度）、轉(zhuǎn)速測量（通過檢測齒輪齒頂引起的渦流變化）。5.熱電偶測溫時為何需要冷端補償？常用的補償方法有哪些？答案：熱電偶的熱電勢與熱端和冷端的溫差成正比，若冷端溫度不為0℃且不穩(wěn)定，會導致測量誤差。補償方法：①冷端恒溫法（將冷端置于0℃恒溫槽）；②冷端溫度修正法（測量冷端溫度t0，按公式E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)修正）；③補償電橋法（利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓抵消冷端溫度變化的影響）；④集成溫度傳感器補償法（通過芯片直接測量冷端溫度并軟件修正）。四、分析題（每題8分，共24分）1.某電阻應變式稱重傳感器采用四片應變片組成全橋電路，分析其工作原理及信號調(diào)理流程。答案：工作原理：稱重時彈性體（如懸臂梁）產(chǎn)生應變，粘貼在其表面的應變片隨彈性體變形，電阻值發(fā)生變化（ΔR/R=Kε）。四片應變片分別粘貼在彈性體的受拉和受壓區(qū)域，組成全橋電路，其中兩片受拉（ΔR+）、兩片受壓（ΔR-）。電橋輸出電壓Uo=(E/4)(ΔR1/R1-ΔR2/R2+ΔR3/R3-ΔR4/R4)，由于對稱布置，ΔR1/R1=ΔR3/R3=+Kε，ΔR2/R2=ΔR4/R4=-Kε，因此Uo=(E/4)(4Kε)=EKε，與應變成正比，進而與重量成正比。信號調(diào)理流程：電橋輸出微弱電壓（mV級）→經(jīng)差分放大器放大（提高信噪比）→低通濾波器濾除高頻噪聲→A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號→微處理器計算重量值（通過標定的K值和放大倍數(shù)）→顯示或輸出。2.繪制變極距型電容式位移傳感器的理想輸出特性曲線（C-d關系），并分析其非線性誤差產(chǎn)生的原因及減小方法。答案：理想輸出特性曲線為雙曲線（C=ε0εrA/d），當d變化時，C與d成反比。非線性誤差產(chǎn)生原因：輸出電容與位移d的非線性關系（ΔC/C0≈-Δd/d0+(Δd/d0)2-(Δd/d0)3+…），高階項導致非線性。減小方法：①采用差動結(jié)構(gòu)：兩個電容C1=εA/(d0+Δd)，C2=εA/(d0-Δd)，輸出ΔC=C1-C2=εA(2Δd)/(d02-Δd2)≈(2εAΔd)/d02（當Δd<<d0時近似線性）；②使用運算放大器構(gòu)成閉環(huán)測量電路：電路輸出電壓Uo=-Uref(d0/Δd)，將非線性的C-d關系轉(zhuǎn)換為線性的Uo-Δd關系。3.某電感式接近開關用于檢測金屬工件的到位，分析其工作原理及在自動化生產(chǎn)線中的典型應用。答案：工作原理：接近開關內(nèi)部包含高頻振蕩線圈，當金屬工件接近線圈時，工件表面產(chǎn)生電渦流，渦流損耗使振蕩回路的Q值下降，振幅減小。當工件達到動作距離時，振幅低于閾值，觸發(fā)開關電路輸出信號（如繼電器吸合）。典型應用：在自動化生產(chǎn)線中，用于檢測傳送帶工件的到位（如裝配線上的零件定位）、機械臂的極限位置（防止超程）、包裝機的物料計數(shù)（每通過一個工件觸發(fā)一次計數(shù)）、數(shù)控機床的刀具磨損檢測（通過檢測刀具與傳感器的距離變化判斷磨損程度）。五、綜合題（16分）設計一個基于傳感器的溫度-壓力復合檢測系統(tǒng)，要求：（1）選擇適合的溫度傳感器和壓力傳感器；（2）設計信號調(diào)理電路（需包含放大、濾波環(huán)節(jié)）；（3）提出數(shù)據(jù)采集與處理方案；（4）說明系統(tǒng)的主要技術指標（如測量范圍、精度）。答案：（1）傳感器選型：溫度傳感器：選擇Pt100鉑熱電阻（測量范圍-200℃~600℃，精度0.1℃，穩(wěn)定性好，適合工業(yè)環(huán)境）；壓力傳感器：選擇擴散硅壓阻式壓力傳感器（測量范圍0~1MPa，精度0.2%FS，響應快，適合氣體/液體壓力檢測）。（2）信號調(diào)理電路設計：溫度信號調(diào)理：Pt100采用三線制接法（減小導線電阻影響），接入恒流源（如1mA）激勵，輸出電壓U=I×R（R=R0(1+αt)）。電壓信號經(jīng)差分放大器（如AD620，增益G1=100）放大至0~5V（對應-200℃~600℃時，R=80.3Ω~212.0Ω，U=0.0803V~0.212V，放大后0.803V~21.2V，需調(diào)整增益G1=23.6，使輸出0~5V對應0℃~600℃時R=100Ω~212Ω，U=0.1V~0.212V，放大后2.36V~5V）。后接二階低通濾波器（截止頻率10Hz，濾除工頻干擾）。壓力信號調(diào)理：擴散硅傳感器輸出mV級電壓（如0~50mV對應0~1MPa），經(jīng)儀表放大器（如INA128，增益G2=100）放大至0~5V。后接一階低通濾波器（截止頻率20Hz，濾除機械振動噪聲）。（3）數(shù)據(jù)采集與處理：使用16位ADC（如ADS1115）將兩路模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（分辨率5V/65536≈76μV）。微處理器（如STM32）通過I2C接口讀取數(shù)據(jù)，對溫度信號進行線性校正（根據(jù)Pt100的分度表查表或多項式擬合），對壓力信號進行溫度補償（傳感器