《傳感器與智能檢測技術(shù)》試卷附答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于傳感器基本組成的描述中，正確的是（）A.僅包含敏感元件B.由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，可能包含信號調(diào)理電路C.必須包含微處理器才能稱為傳感器D.敏感元件直接輸出電信號2.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，輸出-輸入特性曲線不一致程度的指標是（）A.線性度B.靈敏度C.遲滯D.重復(fù)性3.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.壓電效應(yīng)4.電感式傳感器中，變氣隙式傳感器的靈敏度與氣隙厚度的關(guān)系是（）A.靈敏度與氣隙厚度成正比B.靈敏度與氣隙厚度的平方成反比C.靈敏度與氣隙厚度無關(guān)D.靈敏度與氣隙厚度的平方成正比5.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量的主要原因是（）A.壓電材料的壓電效應(yīng)僅在動態(tài)力作用下產(chǎn)生B.傳感器輸出阻抗過高，靜態(tài)信號易衰減C.電荷容易泄漏，無法保持靜態(tài)電荷D.前置放大器無法處理直流信號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)強度的乘積B.輸入電流與磁感應(yīng)強度的比值C.輸入電流的平方與磁感應(yīng)強度的乘積D.輸入電流與磁感應(yīng)強度的平方的乘積7.智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器的核心區(qū)別在于（）A.具備更高的靈敏度B.集成了微處理器或數(shù)字電路，可實現(xiàn)自校準、自診斷C.采用新型敏感材料D.輸出信號為數(shù)字量8.下列數(shù)字濾波方法中，適用于消除隨機噪聲的是（）A.中值濾波B.算術(shù)平均濾波C.限幅濾波D.一階滯后濾波9.光纖傳感器中，利用光纖本身作為敏感元件的是（）A.傳光型光纖傳感器B.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.熱電偶的熱電勢大小取決于（）A.熱電極材料的長度和直徑B.熱電極材料的性質(zhì)及兩端溫度差C.熱電極的工作環(huán)境濕度D.熱電極的連接方式二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)主要包括線性度、靈敏度、______、______和重復(fù)性。2.電阻應(yīng)變片的溫度誤差主要由______和______兩個因素引起。3.電容式傳感器按工作原理可分為變面積式、______和______三種類型。4.壓電材料可分為______（如石英晶體）和______（如PZT壓電陶瓷）兩大類。5.光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)（如______）、內(nèi)光電效應(yīng)（如______）和光生伏特效應(yīng)（如______）。6.智能檢測系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)包括______、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、______和人機交互模塊。7.數(shù)字濾波的常用方法有算術(shù)平均濾波、______、______、一階滯后濾波等。8.超聲波傳感器的工作原理基于______和______效應(yīng)。9.電感式傳感器中，差動變壓器式傳感器的輸出特性為______（填“線性”或“非線性”），其零點殘余電壓產(chǎn)生的主要原因是______。三、判斷題（每題1分，共10分）1.傳感器的分辨率是指能檢測到的最小輸入變化量，分辨率越高，測量精度一定越高。（）2.壓阻式傳感器的靈敏度遠高于金屬電阻應(yīng)變片，因為其利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。（）3.電渦流式傳感器可以用于非接觸式測量金屬材料的厚度、位移和溫度。（）4.熱電偶的冷端溫度補償方法中，補償導(dǎo)線法只能將冷端延伸到溫度穩(wěn)定的地方，無法完全消除溫度變化的影響。（）5.光電耦合器的主要作用是實現(xiàn)電信號的隔離傳輸，避免電路間的干擾。（）6.智能傳感器的自診斷功能是指通過內(nèi)置算法檢測自身故障并輸出報警信號。（）7.數(shù)字量傳感器（如編碼器）的輸出信號無需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換即可直接輸入微處理器。（）8.超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響，溫度越高，聲速越慢。（）9.電容式傳感器的寄生電容會影響測量精度，可通過屏蔽、驅(qū)動電纜等方法減小其影響。（）10.激光傳感器的測量精度高，但抗干擾能力較弱，不適用于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境。（）四、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述電阻應(yīng)變片的工作原理，并說明其溫度補償?shù)某Ｓ梅椒霸怼?.比較電感式傳感器和電容式傳感器的優(yōu)缺點，各舉一例說明其典型應(yīng)用。3.什么是壓電效應(yīng)？壓電式傳感器為何需要配置前置放大器？常用的前置放大器有哪兩種類型？4.簡述智能檢測系統(tǒng)中“軟測量技術(shù)”的定義及應(yīng)用場景，舉例說明其實現(xiàn)方法。5.光電傳感器可分為哪幾類？分別說明其工作原理，并各舉一個工業(yè)應(yīng)用實例。五、綜合分析題（10分）某工廠需設(shè)計一套溫度監(jiān)測系統(tǒng)，用于測量反應(yīng)釜內(nèi)的溫度（范圍-50℃~300℃，精度要求±0.5℃）。請完成以下任務(wù)：（1）選擇合適的溫度傳感器，說明選型依據(jù)；（2）設(shè)計信號調(diào)理電路的主要環(huán)節(jié)（需包含放大、濾波、線性化處理）；（3）提出系統(tǒng)校準的具體步驟。六、設(shè)計題（10分）設(shè)計一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，要求監(jiān)測參數(shù)包括溫度、濕度、光照強度和有害氣體（如CO）濃度。需說明：（1）各參數(shù)對應(yīng)的傳感器選型及理由；（2）傳感器與微控制器（如STM32）的接口設(shè)計（包括信號類型、轉(zhuǎn)換需求）；（3）系統(tǒng)軟件的核心功能模塊（如數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、閾值報警）；（4）如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力（至少提出3種方法）。參考答案一、單項選擇題1.B2.C3.B4.B5.C6.A7.B8.B9.B10.B二、填空題1.遲滯；重復(fù)性（注：原題重復(fù)，應(yīng)為遲滯和漂移）2.應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)；試件與應(yīng)變片線膨脹系數(shù)差異3.變極距式；變介質(zhì)式4.單晶壓電材料；多晶壓電陶瓷5.光電管；光敏電阻；太陽能電池6.傳感器模塊；數(shù)據(jù)處理模塊7.中值濾波；限幅濾波8.壓電；逆壓電9.線性；線圈間分布電容、磁路不對稱三、判斷題1.×（分辨率高但可能存在系統(tǒng)誤差，精度不一定高）2.√（半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)靈敏度是金屬應(yīng)變效應(yīng)的50~100倍）3.√（可測位移、厚度、溫度等）4.√（需配合其他補償方法）5.√（隔離電信號，抗干擾）6.√（內(nèi)置算法檢測故障）7.√（數(shù)字信號直接輸入）8.×（溫度越高，聲速越快，v≈331+0.6T）9.√（屏蔽和驅(qū)動電纜可減小寄生電容）10.×（激光抗干擾能力強，適用于復(fù)雜環(huán)境）四、簡答題1.工作原理：金屬電阻應(yīng)變片基于應(yīng)變效應(yīng)，當試件受力變形時，應(yīng)變片的幾何尺寸和電阻率變化，導(dǎo)致電阻值變化（ΔR/R≈(1+2μ)ε+Δρ/ρ·ε）。溫度補償方法：（1）橋路補償法：在電橋中接入補償片（貼于與試件材料相同但不受力的補償塊），溫度變化時兩應(yīng)變片電阻同步變化，電橋輸出僅反映應(yīng)變信號；（2）應(yīng)變片自補償法：通過選擇特定電阻溫度系數(shù)的敏感柵材料，使溫度引起的電阻變化與試件膨脹引起的電阻變化相互抵消。2.電感式傳感器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率大、抗干擾能力強；缺點：非線性誤差較大、響應(yīng)速度較慢。應(yīng)用：位移測量（如機床刀具位移監(jiān)測）。電容式傳感器優(yōu)點：靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)緊湊；缺點：易受寄生電容影響、輸出阻抗高。應(yīng)用：厚度測量（如金屬帶材在線測厚）。3.壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在機械應(yīng)力作用下，表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象（正壓電效應(yīng)）；反之，施加電場時產(chǎn)生機械變形（逆壓電效應(yīng)）。壓電式傳感器輸出電荷信號，內(nèi)阻極高（10^10~10^13Ω），需前置放大器降低輸出阻抗并將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。常用前置放大器：電荷放大器（輸入阻抗高，輸出與電荷成正比）、電壓放大器（輸入阻抗高，輸出與電壓成正比，受電纜電容影響大）。4.軟測量技術(shù)：針對難以直接測量的參數(shù)（如反應(yīng)釜內(nèi)組分濃度），通過可測的輔助變量（溫度、壓力、流量），利用數(shù)學模型（機理模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蛏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型）間接估計目標參數(shù)的技術(shù)。應(yīng)用場景：化工過程中關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測。實現(xiàn)方法：例如，通過測量精餾塔的溫度、壓力和進料流量，建立多元線性回歸模型，估計塔頂產(chǎn)品純度。5.分類及應(yīng)用：（1）透射式光電傳感器：發(fā)射光直接照射接收端，被測物遮擋時輸出信號變化，用于計數(shù)（如生產(chǎn)線零件計數(shù)）；（2）反射式光電傳感器：發(fā)射光經(jīng)被測物反射后被接收，用于檢測物體存在（如自動門感應(yīng)）；（3）漫反射式光電傳感器：利用被測物表面散射光，用于顏色識別；（4）槽式光電傳感器：被測物通過槽口時遮擋光線，用于轉(zhuǎn)速測量（如電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測）。五、綜合分析題（1）傳感器選型：選擇K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅），因其測溫范圍寬（-200℃~1300℃），滿足-50℃~300℃需求；精度等級可選I級（±1.5℃或0.4%t），配合冷端補償可達到±0.5℃精度；或選擇PT100熱電阻（測溫范圍-200℃~850℃），精度更高（A級±(0.15+0.002|t|)℃），更適合高精度需求。此處選PT100更優(yōu)。（2）信號調(diào)理電路：①橋式測量電路：將PT100接入惠斯通電橋，電源為恒流源（避免自熱誤差）；②放大環(huán)節(jié)：使用儀表放大器（如AD620）放大微弱電壓信號（電橋輸出通常mV級）；③濾波環(huán)節(jié)：加入低通濾波器（如二階RC濾波器，截止頻率10Hz），抑制50Hz工頻干擾；④線性化處理：PT100電阻-溫度特性近似線性（但存在微小非線性），可通過軟件查表法或硬件線性化電路（如利用運算放大器的非線性反饋）補償。（3）校準步驟：①零點校準：將傳感器置于0℃恒溫槽（冰水混合物），記錄輸出電壓，調(diào)整放大器零點；②滿量程校準：將傳感器置于300℃恒溫爐（使用標準鉑電阻溫度計作為參考），記錄輸出電壓，調(diào)整放大器增益；③多點校準：選擇-50℃、100℃、200℃、300℃等點，測量實際輸出與標準值的偏差，通過軟件擬合修正系數(shù)；④重復(fù)性測試：在同一溫度點多次測量，計算標準差，確保精度符合要求。六、設(shè)計題（1）傳感器選型：-溫度：SHT30（數(shù)字式溫濕度傳感器，精度±0.3℃，I2C接口，集成度高）；-濕度：SHT30（與溫度傳感器集成，濕度精度±2%RH）；-光照強度：BH1750（數(shù)字式光強傳感器，量程0~65535lx，I2C接口，低功耗）；-CO濃度：MQ-7（電化學氣體傳感器，輸出模擬電壓，需校準，成本低）。（2）接口設(shè)計：-SHT30、BH1750為I2C數(shù)字接口，直接連接STM32的I2C總線（SCL、SDA引腳）；-MQ-7輸出0~5V模擬電壓，連接STM32的ADC通道（如PA0），需配置12位ADC采樣（分辨率約1.22mV）。（3）軟件核心模塊：-數(shù)據(jù)采集模塊：定時觸發(fā)I2C讀取SHT30、BH1750數(shù)據(jù)，讀取ADC采樣值并轉(zhuǎn)換為CO濃度（通過校準曲線V=kC+b）；-無線傳輸模塊：通過ESP8266（WiFi模塊）或LoRa模塊將數(shù)據(jù)上傳至