《傳感器與檢測技術》+試題及答案

《傳感器與檢測技術》+試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共10分）1.下列指標中，不屬于傳感器靜態特性的是（）。A.線性度B.靈敏度C.固有頻率D.遲滯答案：C2.金屬電阻應變片的敏感柵材料通常選用（）。A.銅B.康銅C.石英D.半導體硅答案：B3.變氣隙式電感傳感器測量位移時，若增大初始氣隙δ?，其靈敏度將（）。A.增大B.減小C.不變D.先增后減答案：B4.霍爾元件常用的材料是（），因其載流子遷移率高，適合制作高靈敏度元件。A.鍺B.硅C.砷化鎵D.氧化銅答案：C5.采用補償導線將熱電偶冷端延伸至溫度穩定的控制室時，補償導線的熱電特性應與熱電偶（）。A.完全相同B.冷端相同C.熱端相同D.任意匹配答案：B二、填空題（每空1分，共15分）1.傳感器的靈敏度是指穩態下輸出量變化量與______變化量的比值，單位為______（以位移傳感器為例）。答案：輸入量；mV/μm2.變面積式電容傳感器的輸出特性為______（線性/非線性），其靈敏度與極板的______成正比。答案：線性；寬度3.壓電材料分為壓電晶體、______和______三類，其中______具有較高的壓電常數和機電耦合系數，應用廣泛。答案：壓電陶瓷；高分子壓電材料；壓電陶瓷4.光電效應分為外光電效應、______和______，其中______是光電導傳感器的工作基礎。答案：內光電效應；光生伏特效應；內光電效應5.電渦流傳感器可用于測量位移、______和______，其工作原理基于______效應。答案：厚度；轉速；電渦流三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述電阻應變片與壓阻式傳感器的工作原理差異及應用場景。答案：電阻應變片利用金屬材料的應變-電阻效應（ΔR/R≈Kε，K為應變靈敏系數，主要由幾何形變引起），適用于靜態或低頻動態應變測量，如橋梁應力監測；壓阻式傳感器基于半導體材料的壓阻效應（ΔR/R≈πσ，π為壓阻系數，主要由電阻率變化引起），靈敏度高但溫度穩定性差，多用于小量程、高精度測量，如壓力傳感器。2.電感式傳感器的零點殘余電壓是如何產生的？可采取哪些措施減小？答案：產生原因：①傳感器兩線圈的電氣參數（電感、內阻）和幾何尺寸不完全對稱；②激勵信號中存在高次諧波；③磁性材料磁化曲線的非線性。減小措施：①設計時保證線圈對稱，采用磁路調節裝置；②采用相敏檢波電路分離基波和諧波；③引入補償電路（如并聯電阻、電容）平衡阻抗。3.電容式傳感器存在哪些主要缺點？可通過哪些方法改進？答案：缺點：①輸出阻抗高，易受干擾；②寄生電容影響大（如引線電容）；③非線性誤差（變極距式）。改進方法：①采用驅動電纜技術（將傳感器與前置放大器屏蔽層等電位）降低寄生電容；②設計差動結構（如差動式電容傳感器）抵消非線性并提高靈敏度；③選用高頻激勵源（減小容抗，降低輸出阻抗）。4.說明霍爾傳感器的工作原理，并列舉3種典型應用。答案：工作原理：當載流半導體薄片（霍爾元件）置于磁場中，載流子受洛倫茲力偏轉，在垂直于電流和磁場的方向產生霍爾電勢UH=KHIB（KH為霍爾系數，I為工作電流，B為磁感應強度）。應用：無刷直流電機位置檢測、電流傳感器（基于磁平衡原理）、汽車轉速表（測量齒輪觸發的磁場變化）。5.壓電傳感器為何不宜用于靜態或低頻信號測量？需如何解決？答案：壓電傳感器的等效電路為電荷源Q與電容C并聯，輸出電壓U=Q/C。靜態測量時，電荷會通過傳感器絕緣電阻和測量電路輸入電阻泄漏（時間常數τ=RC），導致信號衰減；低頻時，τ不足使U無法穩定。解決方法：①采用電荷放大器（輸入阻抗極高，τ大）；②限制使用頻率下限（通常＞1Hz）；③選用高絕緣性壓電材料（如石英）并優化封裝。四、分析計算題（共45分）1.（10分）某金屬電阻應變片的靈敏系數K=2.0，初始電阻R?=120Ω，粘貼于受軸向應力的鋼構件表面（彈性模量E=2×1011Pa）。當構件受拉應力σ=100MPa時，求：（1）應變ε；（2）電阻變化量ΔR；（3）若采用單臂電橋（橋壓U=3V），輸出電壓Uo。解：（1）由胡克定律σ=Eε，得ε=σ/E=100×10?Pa/2×1011Pa=5×10??（500με）。（2）ΔR=R?Kε=120Ω×2.0×5×10??=0.12Ω。（3）單臂電橋輸出Uo=U×ΔR/(4R?)=3V×0.12Ω/(4×120Ω)=0.00075V=0.75mV。2.（12分）某光電二極管的光照特性曲線近似為I=S×E（S=0.5μA/lx為靈敏度，E為光照度），反向偏置電壓為10V，負載電阻RL=10kΩ。當光照度從100lx突變到500lx時，求：（1）光電流變化量ΔI；（2）負載電壓變化量ΔU；（3）若考慮結電容Cj=10pF，計算電路的時間常數τ及可測最高頻率f（f=1/(2πτ)）。解：（1）ΔI=S×(E2-E1)=0.5μA/lx×(500-100)lx=200μA。（2）ΔU=ΔI×RL=200×10??A×10×103Ω=2V。（3）時間常數τ=RL×Cj=10×103Ω×10×10?12F=1×10??s=0.1μs；最高頻率f=1/(2πτ)=1/(2×3.14×0.1×10??)≈1.59MHz。3.（13分）用K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅）測量某爐溫，已知冷端溫度t?=30℃，測得熱電勢E(t,t?)=33.29mV。（K型熱電偶分度表：E(800℃,0℃)=33.27mV，E(805℃,0℃)=33.68mV，E(30℃,0℃)=1.20mV）求：（1）實際爐溫t；（2）若采用補償電橋法（橋路在t?=20℃時平衡，橋臂電阻溫度系數α=0.004/℃），當t?升至40℃時，橋路輸出電壓UB為多少？解：（1）根據中間溫度定律，E(t,0℃)=E(t,t?)+E(t?,0℃)=33.29mV+1.20mV=34.49mV。分度表中，E(800℃,0℃)=33.27mV，E(810℃,0℃)=33.27+(33.68-33.27)/(805-800)×10=33.27+0.41/5×10=33.27+0.82=34.09mV（注：實際分度表中810℃對應約33.68+（34.10-33.68）=34.10mV，此處簡化計算）。34.49mV介于810℃（34.10mV）和820℃（假設E(820℃,0℃)=34.10+0.41=34.51mV）之間，線性插值得t=810℃+(34.49-34.10)/(34.51-34.10)×10≈810+9.5≈819.5℃（實際精確值需查分度表，此處為示例）。（2）補償電橋在t?=20℃時平衡，當t?=40℃，橋路輸出UB=α×R×ΔT×U/4（假設橋壓U=4V，R為橋臂電阻）。ΔT=40-20=20℃，UB=0.004/℃×R×20℃×4V/(4R)=0.004×20×1=0.08V（注：具體公式需結合電橋結構，此處簡化為UB=α×ΔT×U/4）。4.（10分）某變極距式電容傳感器初始極板間距δ?=0.1mm，極板面積A=100mm2，介電常數ε=ε?ε?（ε?=8.85×10?12F/m，ε?=1）。當測量位移Δδ=+5μm時，求：（1）初始電容C?；（2）位移后的電容C；（3）非線性誤差δ（以Δδ/δ?的百分比表示）。解：（1）C?=εA/δ?=8.85×10?12F/m×100×10??m2/0.1×10?3m=8.85×10?12×10??/10??=8.85×10?12F=8.85pF。（2）位移后δ=δ?+Δδ=0.1mm+0.005mm=0.105mm，C=εA/δ=8.85×10?12×100×10??/0.105×10?3≈8.43pF（注：Δδ為正表示極板間距增大，電容減??；若Δδ為負則電容增大）。（3）理想線性電容變化ΔC_ideal=C?×(Δδ/δ?)（假設線性