《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于電阻應(yīng)變片的描述中，錯誤的是（）。A.金屬應(yīng)變片的工作原理基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)B.半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)遠高于金屬應(yīng)變片C.應(yīng)變片的橫向效應(yīng)會導(dǎo)致測量誤差D.應(yīng)變片的溫度補償僅需通過單臂電橋即可實現(xiàn)2.熱電偶測溫時，若冷端溫度為25℃，測得熱電動勢為30mV（對應(yīng)分度表中25℃時熱電動勢為1mV，300℃時為30mV），則實際被測溫度為（）。A.275℃B.300℃C.325℃D.無法確定3.以下屬于外光電效應(yīng)的傳感器是（）。A.光敏電阻B.光電二極管C.光電倍增管D.光電池4.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量的主要原因是（）。A.壓電材料的居里點限制B.電荷容易泄漏，無法長期保持C.輸出信號微弱，易受干擾D.傳感器固有頻率低5.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.指數(shù)關(guān)系D.對數(shù)關(guān)系6.霍爾傳感器的輸出電壓與（）成正比。A.輸入電流和磁感應(yīng)強度的乘積B.輸入電流和磁感應(yīng)強度的比值C.輸入電流的平方和磁感應(yīng)強度的乘積D.輸入電流和磁感應(yīng)強度的平方的乘積7.以下不屬于傳感器靜態(tài)特性指標的是（）。A.線性度B.靈敏度C.固有頻率D.重復(fù)性8.氣敏傳感器通常用于檢測（）。A.氣體溫度B.氣體壓力C.氣體成分或濃度D.氣體流速9.光纖傳感器中，利用光纖本身作為敏感元件的是（）。A.功能型光纖傳感器B.非功能型光纖傳感器C.強度調(diào)制型光纖傳感器D.相位調(diào)制型光纖傳感器10.以下關(guān)于磁電式傳感器的描述中，正確的是（）。A.基于電磁感應(yīng)原理，輸出電壓與被測速度成正比B.只能測量靜態(tài)位移C.靈敏度與線圈匝數(shù)無關(guān)D.適用于高頻振動測量二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器一般由______、______和信號調(diào)理電路三部分組成。2.電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K表示______，其物理意義是______。3.電感式傳感器可分為______、______和渦流式三種類型。4.熱電偶的基本定律包括______、______和中間溫度定律。5.壓電材料分為______、______和高分子壓電材料三類。6.光電傳感器的調(diào)制方式包括______、______、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。7.超聲波傳感器的工作原理基于______效應(yīng)和______效應(yīng)。8.傳感器的動態(tài)特性指標主要有______、______和相位誤差。9.壓阻式傳感器的工作原理基于______，其靈敏度系數(shù)比金屬應(yīng)變片______（填“高”或“低”）。10.濕度傳感器分為______和______兩大類，分別用于測量絕對濕度和相對濕度。三、判斷題（每題1分，共10分。正確打“√”，錯誤打“×”）1.應(yīng)變片的基長越長，對被測應(yīng)變的平均效應(yīng)越明顯，適用于測量非均勻應(yīng)變。（）2.電感式傳感器的零點殘余電壓是由于兩個電感線圈的電氣參數(shù)完全對稱導(dǎo)致的。（）3.電容式傳感器采用差動結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度并減小非線性誤差。（）4.熱電偶的熱電動勢僅與兩接點的溫度有關(guān)，與熱電極的材料無關(guān)。（）5.壓電式傳感器需要與高輸入阻抗的前置放大器配合使用，以減少電荷泄漏。（）6.霍爾傳感器在測量磁場時，若環(huán)境溫度變化，會導(dǎo)致霍爾系數(shù)變化，需進行溫度補償。（）7.光敏電阻的工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)，其阻值隨光照強度增加而增大。（）8.渦流式傳感器可用于非接觸式測量金屬材料的厚度、位移和表面缺陷。（）9.光纖傳感器的傳輸損耗主要由光纖材料的吸收和散射引起，與外界環(huán)境無關(guān)。（）10.氣敏傳感器在使用前需要預(yù)熱，以穩(wěn)定其工作狀態(tài)并提高靈敏度。（）四、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述電阻應(yīng)變片與壓阻式傳感器的工作原理差異，并說明各自的優(yōu)缺點。2.電感式傳感器中“零點殘余電壓”是如何產(chǎn)生的？可采取哪些措施減小其影響？3.說明熱電偶冷端補償?shù)谋匾裕⒘信e三種常用的冷端補償方法。4.比較變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型電容式傳感器的特性，指出各自的適用場景。5.解釋超聲波傳感器在工業(yè)檢測中的典型應(yīng)用（如厚度測量），并簡述其工作流程。五、分析計算題（每題8分，共16分）1.某電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.0，初始電阻R0=120Ω。將其粘貼在彈性試件表面，當試件受拉產(chǎn)生應(yīng)變ε=1000με時，求應(yīng)變片的電阻變化量ΔR。若采用單臂電橋（電源電壓U=5V）測量，電橋輸出電壓Uo為多少？（注：電橋為等臂電橋，ΔR<<R0）2.用K型熱電偶（分度表：0℃時E=0mV，50℃時E=2.023mV，100℃時E=4.095mV，200℃時E=8.137mV）測量某爐溫，已知冷端溫度為30℃，測得熱電動勢為10.160mV。試計算實際爐溫（保留一位小數(shù)）。六、綜合應(yīng)用題（14分）設(shè)計一個基于傳感器技術(shù)的智能家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，要求實現(xiàn)以下功能：（1）實時監(jiān)測室內(nèi)溫度（-20℃~60℃）、濕度（20%~90%RH）、光照強度（0~10000lx）；（2）當溫度超過30℃或濕度低于30%RH時，自動啟動風(fēng)扇；（3）當光照強度低于500lx時，自動開啟照明燈光；（4）通過無線通信（如Wi-Fi）將數(shù)據(jù)上傳至手機APP。請完成以下設(shè)計內(nèi)容：（1）選擇各參數(shù)對應(yīng)的傳感器類型，并說明選擇依據(jù)；（2）畫出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖（文字描述即可）；（3）簡述信號處理與控制邏輯流程。答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.D2.B3.C4.B5.A6.A7.C8.C9.A10.A二、填空題（每空1分，共20分）1.敏感元件；轉(zhuǎn)換元件2.單位應(yīng)變引起的電阻相對變化；(ΔR/R0)/ε3.變氣隙式；變面積式4.均質(zhì)導(dǎo)體定律；中間導(dǎo)體定律5.壓電晶體；壓電陶瓷6.強度調(diào)制；頻率調(diào)制7.壓電；逆壓電8.上升時間；超調(diào)量9.半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)；高10.絕對濕度傳感器；相對濕度傳感器三、判斷題（每題1分，共10分）1.×2.×3.√4.×5.√6.√7.×8.√9.×10.√四、簡答題（每題6分，共30分）1.差異：電阻應(yīng)變片基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)（幾何尺寸變化引起電阻變化）；壓阻式傳感器基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)（電阻率變化引起電阻變化）。優(yōu)點：應(yīng)變片溫度穩(wěn)定性好、線性度高；壓阻式傳感器靈敏度高、體積小。缺點：應(yīng)變片靈敏度低；壓阻式傳感器溫度漂移大、非線性明顯。2.產(chǎn)生原因：電感線圈的電氣參數(shù)（如阻抗、匝數(shù)）不完全對稱；線圈間存在分布電容；鐵芯磁化曲線的非線性。措施：設(shè)計時保證線圈參數(shù)對稱；采用相敏檢波電路抑制無用分量；在電路中并聯(lián)電阻或電容補償。3.必要性：熱電偶分度表以冷端0℃為基準，實際冷端溫度不為0℃時，熱電動勢會產(chǎn)生誤差，需補償。方法：冷端恒溫法（將冷端置于0℃恒溫槽）；補償導(dǎo)線法（用與熱電極熱電特性相近的導(dǎo)線延長冷端）；電橋補償法（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.變極距型：靈敏度高但非線性嚴重，適用于小位移測量（如微位移、振動）；變面積型：線性好但靈敏度較低，適用于較大線位移或角位移測量；變介電常數(shù)型：靈敏度取決于介質(zhì)變化，適用于液位、厚度或成分檢測（如油位、紙張厚度）。5.應(yīng)用：工業(yè)中常用超聲波測厚儀檢測金屬板材、管道等的厚度。流程：傳感器向被測物體發(fā)射超聲波脈沖，聲波經(jīng)底面反射后被接收；測量發(fā)射與接收的時間差t，根據(jù)公式δ=vt/2（v為聲速）計算厚度δ；通過溫度補償修正聲速v的變化。五、分析計算題（每題8分，共16分）1.解：ΔR=K·R0·ε=2.0×120Ω×1000×10^-6=0.24Ω（3分）單臂電橋輸出電壓Uo=(U/4)·(ΔR/R0)=(5V/4)×(0.24Ω/120Ω)=5/4×0.002=0.0025V=2.5mV（5分）2.解：冷端溫度30℃時，查表得E(30,0)=1.203mV（K型熱電偶30℃對應(yīng)值，需補充具體分度表數(shù)據(jù)，此處假設(shè)）（2分）實際熱電動勢應(yīng)為E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=10.160mV+1.203mV=11.363mV（3分）查表得E(270,0)=11.320mV，E(275,0)=11.523mV（假設(shè)值），插值計算：(11.363-11.320)/(11.523-11.320)=0.043/0.203≈0.212實際溫度t=270+0.212×5≈271.1℃（3分）六、綜合應(yīng)用題（14分）（1）傳感器選擇：-溫度：數(shù)字式溫度傳感器（如DS18B20），測量范圍-55℃~125℃，滿足需求，單總線接口易集成；-濕度：電容式濕度傳感器（如SHT30），測量范圍0%~100%RH，精度高，與溫度傳感器集成度高；-光照：光電二極管型光照傳感器（如BH1750），測量范圍1~65535lx，輸出數(shù)字信號，線性度好。（各2分，共6分）（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：傳感器模塊（溫濕度、光照）→微控制器（如STM32）→信號調(diào)理（放大、濾波）→無