中国矿业大学《传感器原理与检测技术》2022-2023学年期末试卷

中国矿业大学2022～2023学年秋季学期2020级电子信息工程/物联网工程《传感器原理与检测技术》期末笔试试卷本科试题卷考试时间：120分钟(闭卷)院(系)：专业方向：班级：姓名：学号：一、选择题（每题1分，共10分）传感器是一种能将（）转换成可用信号的装置。

A.非电学量

B.电学量

C.光学量

D.热学量下列哪种传感器是基于压电效应工作的？()

A.热电偶传感器

B.压电传感器

C.光敏电阻

D.霍尔传感器电阻应变片的工作原理是基于（）效应。

A.压阻

B.压电

C.光电

D.应变在测量温度时，热电偶传感器输出的是（）。

A.电阻值

B.电容值

C.热电势

D.电流值下列哪种传感器常用于测量液位？()

A.超声波传感器

B.红外传感器

C.光纤传感器

D.加速度传感器霍尔传感器主要用于检测（）。

A.磁场

B.温度

C.压力

D.光强光电二极管工作时，需要加（）偏压。

A.正向

B.反向

C.零

D.不确定下列哪种传感器是基于电磁感应原理工作的？()

A.电感式传感器

B.压阻式传感器

C.光电式传感器

D.热电式传感器电容式传感器的主要缺点是（）。

A.灵敏度高

B.输出阻抗大

C.稳定性好

D.线性度好在使用气敏传感器时，通常需要对其进行（）处理，以提高其选择性和灵敏度。()

A.加热

B.冷却

C.加压

D.减压二、填空题（每题1分，共10分）传感器的基本功能是将______转换为电信号或其他形式的信号输出。热电阻温度传感器的工作原理是基于物质的______随温度变化的特性。压电传感器在受到外力作用时，会在其两个极面上产生与______成正比的电荷。光电效应分为外光电效应、______和内光电效应三类。霍尔元件是一种基于______效应的磁传感器。电容式传感器的工作原理是基于______的变化来检测非电量参数。超声波传感器主要由______和换能器两部分组成。光纤传感器由光源、______和光探测器三部分组成。气敏传感器主要用于检测空气中的______成分。湿度传感器是用来测量______的传感器。三、判断题（每题1分，共10分）传感器输出量与输入量之间总是保持严格的线性关系。（）热电偶传感器在测量温度时，其冷端温度必须保持恒定。（）压电传感器只能用于测量动态力，不能测量静态力。（）光电二极管和光电三极管都是基于光电导效应工作的。（）霍尔传感器的输出电压与磁场强度成正比，与电流大小无关。（）电容式传感器具有结构简单、动态响应好、灵敏度高等优点。（）超声波传感器只能用于测量距离，不能用于测量速度。（）光纤传感器具有传输损耗小、抗干扰能力强、测量精度高等优点。（）气敏传感器只能检测单一气体成分，不能同时检测多种气体。（）湿度传感器只能用于测量相对湿度，不能测量绝对湿度。（）四、简答题（每题5分，共10分）请简述热电偶传感器的工作原理，并说明其在使用中应注意的问题。请简述光电传感器的分类及其工作原理。五、计算题（每题10分，共20分）已知某压电传感器的灵敏度为40pC/N，当受到100N的压力作用时，求其输出的电荷量。某热电偶传感器在冷端温度为0℃时，热端温度为1000℃时，输出的热电势为40mV。若冷端温度变为50℃，求此时的热电势输出（假设热电偶的热电势与温度成线性关系）。六、案例题（每题4分，共12分）某矿山安全监测系统中，需要设计一种能够实时监测矿井下一氧化碳(CO)浓度的传感器。请结合所学知识，完成以下任务：选择合适的传感器类型：说明为何选择该类型传感器用于一氧化碳浓度检测，并简述其工作原理。设计传感器信号处理电路：描述一个基本的信号处理电路，包括信号放大、滤波及线性化处理等关键环节，并解释每个环节的作用。分析误差来源与改进措施：列举至少三种可能导致测量误差的因素，并提出相应的改进措施。七、分析题（每题4分，共8分）分析电容式传感器在测量液位时的工作原理，并说明其优缺点。分析超声波传感器在测量距离时的工作原理，并讨论其测量精度的影响因素。八、设计题（每题5分，共15分）设计一个用于煤矿井下温度监测的传感器系统，要求该系统能够在-20℃至50℃的范围内准确测量温度，并具有较高的稳定性和可靠性。请完成以下设计：选择合适的温度传感器类型，并说明其工作原理。设计传感器的信号调理电路，包括信号放大、滤波和温度补偿等环节。提出该传感器系统的校准和测试方案。九、综合题（15分）请结合所学知识，设计一个基于多种传感器的智能环境监测系统，要求能够实时监测温度、湿度、光照强度、空气质量等参数，并能够通过无线方式将数据上传到上位机进行显示和分析。请画出系统框图，简述各部分的功能，并讨论该系统在实际应用中的意义。《传感器原理与检测技术》详细答案一、选择题答案：A。传感器是一种能将非电学量（如温度、压力、位移等）转换成可用信号（通常是电信号）的装置。答案：B。压电传感器是基于压电效应工作的，即当压电材料受到外力作用时，会在其两个极面上产生与外力成正比的电荷。答案：D。电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即当材料受到外力作用发生形变时，其电阻值会发生变化。答案：C。热电偶传感器在测量温度时，其输出的是热电势，即热端与冷端之间的电势差。答案：A。超声波传感器常用于测量液位，其工作原理是通过发射超声波并接收其回波来测量液位高度。答案：A。霍尔传感器主要用于检测磁场，其工作原理是基于霍尔效应，即当电流通过导体且导体置于磁场中时，会在导体两侧产生电势差。答案：B。光电二极管工作时，需要加反向偏压，以便在光照下产生光电流。答案：A。电感式传感器是基于电磁感应原理工作的，即当导体在磁场中运动时，会在导体中产生感应电动势。答案：B。电容式传感器的主要缺点是输出阻抗大，这会导致信号传输过程中的损耗和干扰增加。答案：A。在使用气敏传感器时，通常需要对其进行加热处理，以提高其选择性和灵敏度。加热可以使气敏材料表面的化学反应加速，从而增强对特定气体的响应。二、填空题答案：非电学量。传感器的基本功能是将非电学量转换为电信号或其他形式的信号输出。答案：电阻值（或电阻温度系数）。热电阻温度传感器的工作原理是基于物质的电阻值（或电阻温度系数）随温度变化的特性。答案：外力（或压力）。压电传感器在受到外力（或压力）作用时，会在其两个极面上产生与外力（或压力）成正比的电荷。答案：内光电效应（或光生伏特效应）。光电效应分为外光电效应、内光电效应（包括光生伏特效应和光电导效应）和光化学效应三类。但在此处，由于已经提到了外光电效应和内光电效应中的光电导效应，所以更可能是指内光电效应中的光生伏特效应。然而，由于题目表述的模糊性，也可以接受内光电效应作为答案。答案：霍尔。霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。答案：极板间距（或电容值）。电容式传感器的工作原理是基于极板间距（或电容值）的变化来检测非电量参数。当被测参数变化时，会导致电容式传感器的极板间距或电容值发生变化，从而通过测量电容值的变化来间接测量被测参数。答案：超声波发生器（或换能器发射部分）。超声波传感器主要由超声波发生器（或换能器发射部分）和换能器接收部分（或超声波接收器）两部分组成。但在此处，由于题目要求填写的是与“换能器”相对应的部分，所以更可能是指超声波发生器（或换能器发射部分）。然而，由于题目表述的模糊性，也可以接受其他合理的答案。但考虑到题目的完整性和准确性，建议将答案修改为“超声波发生器（或换能器的发射部分）和换能器的接收部分（或超声波接收器），但此处填写超声波发生器（或换能器发射部分）即可”。但为了满足题目要求，我们简化为“超声波发生器（或换能器发射部分）”。答案：光纤（或光导纤维、传光部分）。光纤传感器由光源、光纤（或光导纤维、传光部分）和光探测器三部分组成。光纤用于传输光信号，并将光信号从光源传输到光探测器。答案：特定气体（或某种气体、目标气体）。气敏传感器主要用于检测空气中的特定气体（或某种气体、目标气体）成分。气敏传感器对特定气体的响应较强，而对其他气体的响应较弱或没有响应。答案：环境湿度（或相对湿度、绝对湿度）。湿度传感器是用来测量环境湿度（或相对湿度、绝对湿度）的传感器。湿度传感器可以将环境湿度转换为电信号或其他形式的信号输出，以便进行监测和控制。三、判断题答案：错。传感器输出量与输入量之间并不总是保持严格的线性关系。有些传感器在特定范围内可能呈现线性关系，但在其他范围内则可能呈现非线性关系。答案：对。热电偶传感器在测量温度时，为了获得准确的测量结果，其冷端温度必须保持恒定。因为热电偶的热电势与冷端温度有关，如果冷端温度发生变化，将会影响测量结果的准确性。答案：对。压电传感器只能用于测量动态力（即变化的力），不能测量静态力（即恒定的力）。因为压电传感器的工作原理是基于压电效应，而压电效应只发生在材料受到动态力作用时。答案：错。光电二极管是基于光电导效应工作的，而光电三极管则是基于光电导效应和放大作用共同工作的。虽然它们都与光电效应有关，但它们的工作原理并不完全相同。答案：错。霍尔传感器的输出电压与磁场强度、电流大小以及霍尔元件的材质和尺寸等因素都有关。因此，不能简单地说霍尔传感器的输出电压只与磁场强度成正比。答案：对。电容式传感器具有结构简单、动态响应好、灵敏度高等优点。这些优点使得电容式传感器在许多领域得到了广泛的应用。答案：错。超声波传感器不仅可以用于测量距离，还可以用于测量速度、流量等参数。通过测量超声波在介质中传播的时间和速度，可以计算出被测参数的值。答案：对。光纤传感器具有传输损耗小、抗干扰能力强、测量精度高等优点。这些优点使得光纤传感器在许多领域得到了广泛的应用，特别是在需要长距离传输和高精度测量的场合。答案：错。气敏传感器并不只能检测单一气体成分，通过采用不同的气敏材料或结构设计，气敏传感器可以同时检测多种气体成分。例如，有些气敏传感器采用阵列式结构，可以同时对多种气体进行响应和识别。答案：错。湿度传感器不仅可以用于测量相对湿度，还可以用于测量绝对湿度。相对湿度是指空气中水蒸气的分压与同一温度下水的饱和蒸汽压之比，而绝对湿度是指空气中水蒸气的绝对含量。通过不同的测量原理和方法，湿度传感器可以实现对这两种湿度的测量。四、简答题答案：热电偶传感器的工作原理是基于热电效应（或塞贝克效应），即当两种不同材质的导体（或半导体）A和B组成一个闭合回路，且两接点温度不同时，回路中就会产生热电势（或热电动势），其大小与材质及两接点的温度有关。在使用热电偶传感器时，应注意以下几点：冷端温度必须保持恒定或已知，以便进行准确的温度测量和补偿。热电偶的接线应正确，以确保测量结果的准确性。通常采用补偿导线将热电偶的冷端延伸到温度恒定的地方（如控制室），然后再与测量仪表连接。热电偶的安装位置应合理，以避免受到外部干扰和影响。例如，应避免将热电偶安装在振动、冲击或强磁场的环境中。定期对热电偶进行校验和维护，以确保其测量结果的准确性和可靠性。答案：光电传感器是一种将光信号转换为电信号的装置。根据工作原理的不同，光电传感器可以分为以下几类：光敏电阻（或光导管）：当光照射到光敏电阻上时，其电阻值会发生变化。通过测量电阻值的变化，可以间接测量光照强度的变化。光导管则是利用光电效应将光信号转换为电信号的一种装置，其输出信号与光照强度成正比。光电二极管和光电三极管：它们都是基于光电导效应工作的。当光照射到光电二极管或光电三极管的PN结上时，会激发出电子-空穴对，从而改变PN结的导电性能。通过测量电流或电压的变化，可以间接测量光照强度的变化。与光电二极管相比，光电三极管还具有放大作用，可以输出更大的电流或电压信号。光电池（或太阳能电池）：当光照射到光电池上时，会激发出电子和空穴，并产生电动势（或电压）。通过测量电动势（或电压）的大小和极性，可以判断光照的方向和强度等信息。太阳能电池则是一种将太阳能转换为电能的光电池，其工作原理与光电池相同，但应用场合和目的不同。五、计算题已知某压电传感器的灵敏度为40pC/N，当受到100N的压力作用时，求其输出的电荷量。答案：压电传感器的灵敏度表示单位压力作用下输出的电荷量。因此，当受到100N的压力作用时，输出的电荷量为：Q=灵敏度×压力=40pC/N×100N=4000pC某热电偶传感器在冷端温度为0℃时，热端温度为1000℃时，输出的热电势为40mV。若冷端温度变为50℃，求此时的热电势输出（假设热电偶的热电势与温度成线性关系）。答案：根据热电偶的热电势与温度成线性关系的假设，我们可以使用比例法求解。设冷端温度变为50℃时，热电势输出为E，则有：40mVE​=1000℃−0℃1000℃−50℃​解得：E=40mV×1000950​=38mV六、案例题答案：选择合适的传感器类型：选择类型：电化学传感器。原因与工作原理：电化学传感器是监测气体浓度的常用传感器之一，特别适用于检测如CO这样的有毒气体。其工作原理基于化学反应产生的电流与气体浓度成正比的关系。当一氧化碳气体通过传感器时，与传感器内的电解质发生化学反应，产生电流。该电流经过处理后，即可转换为与一氧化碳浓度相对应的电信号输出。电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快、选择性好等优点，非常适合于矿井下的实时监测需求。设计传感器信号处理电路：信号放大：由于电化学传感器输出的电流信号通常较弱，首先需要通过运算放大器进行放大。这可以提高信号的幅度，使其更易于后续处理。选择低噪声、高稳定性的运算放大器，确保信号放大的同时不引入过多噪声。滤波：矿井环境复杂，可能存在多种干扰信号。因此，需设计一个滤波器，如低通滤波器，以去除高频噪声和干扰，保留有用的低频信号。这有助于提高测量的准确性和稳定性。线性化处理：电化学传感器的输出信号与一氧化碳浓度之间可能存在非线性关系。为了获得准确的浓度值，需要通过线性化电路或软件算法对信号进行线性化处理，确保输出信号与气体浓度成正比。分析误差来源与改进措施：误差来源一：传感器老化导致的性能下降。改进措施：定期对传感器进行校准和更换，建立传感器使用和维护记录，确保传感器始终处于良好工作状态。误差来源二：环境温度变化对传感器输出的影响。改进措施：采用温度补偿技术，如使用热敏电阻等元件监测环境温度，并根据温度变化调整传感器输出，以消除温度对测量结果的影响。误差来源三：矿井内其他气体的干扰。改进措施：优化传感器的选择性，选择对一氧化碳具有高度特异性的电化学传感器；或在信号处理电路中增加额外的滤波和识别算法，以区分目标气体与其他气体的信号。通过上述设计，可以构建一个适用于矿井下一氧化碳浓度实时监测的传感器系统，确保矿山安全监测的准确性和可靠性。七、分析题电容式传感器在测量液位时的工作原理及优缺点：工作原理：电容式传感器利用两个极板之间的电容变化来测量液位。当液位上升时，极板间的介质（如空气）被液体替代，导致电容增加；反之，液位下降时电容减小。优点：结构简单、灵敏度高、响应速度快、非接触式测量等。缺点：受介质影响大、易受电磁干扰、测量范围有限等。超声波传感器在测量距离时的工作原理及测量精度的影响因素：工作原理：超声波传感器通过发射超声波并接收其回波来测量距离。发射器发出超声波信号，信号遇到障碍物后反射回来，接收器接收到回波信号并计算时间差，从而得到距离信息。测量精度的影响因素：超声波的传播速度受温度影响，温度变化会导致测量误差；障碍物的材质和形状也会影响回波信号的强度和方向，进而影响测量精度；此外，测量距离和角度的误差也会累积到最终的测量结果中。八、设计题选择合适的温度传感器类型：选择类型：铂电阻温度传感器（如Pt100）。工作原理：铂电阻温度传感器利用铂金属在温度