2025年量测技术与应用专业研究生入学考试试卷及答案

2025年量测技术与应用专业研究生入学考试试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种传感器属于发电型传感器？A.电阻应变片B.压电式加速度传感器C.电感式位移传感器D.电容式压力传感器2.量测系统的动态特性指标中，反映系统对阶跃输入响应速度的参数是？A.固有频率B.阻尼比C.上升时间D.幅值误差3.采用电桥测量电阻型传感器时，若需提高灵敏度并抑制共模干扰，最优的桥路配置是？A.单臂半桥B.双臂半桥C.全桥D.单臂单桥4.以下哪种信号调制方式适用于远距离传输微弱缓变信号？A.调幅（AM）B.调频（FM）C.调相（PM）D.脉冲编码调制（PCM）5.某温度量测系统的不确定度评定中，由传感器非线性引起的误差属于？A.A类不确定度B.B类不确定度C.随机误差D.粗大误差6.光纤布拉格光栅（FBG）传感器的敏感原理是？A.光强调制B.相位调制C.波长调制D.偏振调制7.卡尔曼滤波在多传感器数据融合中的核心作用是？A.消除系统误差B.抑制随机噪声C.实现时间同步D.补偿传感器漂移8.振动量测中，为避免混叠误差，采样频率应至少为信号最高频率的？A.0.5倍B.1倍C.2倍D.4倍9.以下哪种量测方法属于非接触式量测？A.热电偶温度测量B.激光多普勒测速C.应变片应力测量D.压阻式压力测量10.微机电系统（MEMS）传感器的主要优势是？A.高精度B.低成本、小体积C.宽量程D.抗电磁干扰二、填空题（每空1分，共20分）1.量测系统的静态特性指标包括______、______、______（至少列出3项）。2.应变片的敏感栅材料通常为______或______，其工作原理基于______效应。3.相位差测量中，常用的方法有______法和______法（基于硬件实现）。4.不确定度的评定分为______评定和______评定，其中______评定需通过统计方法计算。5.光纤传感器按传感原理可分为______型和______型，前者利用光纤本身作为敏感元件，后者仅起传光作用。6.动态量测中，系统的频率响应函数是______与______的傅里叶变换之比。7.多传感器数据融合的三个层次是______、______、______。8.抑制电磁干扰的常用措施包括______、______、______（至少列出3项）。三、简答题（每题8分，共40分）1.比较接触式量测与非接触式量测的优缺点，并各举2例说明其典型应用场景。2.阐述频域分析在振动量测中的作用，说明如何通过傅里叶变换从时域信号中提取振动特征参数（如频率、幅值）。3.应变测量中为何需要温度补偿？常用的温度补偿方法有哪些？请结合电桥电路原理说明半桥补偿法的实现方式。4.多传感器数据融合相对于单传感器量测的优势是什么？简述卡尔曼滤波与贝叶斯估计在数据融合中的区别。5.简述MEMS加速度传感器的工作原理（以电容式为例），并分析其在惯性导航系统中的应用限制及改进方向。四、综合分析题（20分）某桥梁健康监测系统需同时量测关键部位的应变和振动参数（频率范围0.1~100Hz）。（1）请为应变量测选择合适的传感器类型（如电阻应变片、光纤光栅传感器），并说明选择依据；（2）设计振动量测的信号调理流程（包括前置放大、滤波、采样环节），并计算所需的最低采样频率；（3）分析量测过程中可能的误差来源（至少4项），并提出对应的抑制措施。五、设计题（30分）设计一个用于高温环境（500℃~800℃）的位移量测系统，要求量程0~50mm，分辨率0.01mm。需完成以下内容：（1）传感器选型（说明类型、工作原理及耐高温特性）；（2）信号调理电路设计（包括放大、滤波、线性化处理）；（3）抗干扰措施（针对高温环境下的热噪声、电磁干扰）；（4）标定方法（需明确标准器、标定步骤及误差评定方法）。参考答案一、单项选择题1.B2.C3.C4.A5.B6.C7.B8.C9.B10.B二、填空题1.线性度、灵敏度、重复性、迟滞（任意3项）2.康铜、镍铬合金（或其他金属材料）、应变电阻3.过零检测、相位-电压转换（或鉴相器）4.A类、B类、A类5.功能（传感）、非功能（传光）6.输出信号、输入信号7.数据层、特征层、决策层8.屏蔽、接地、滤波、隔离（任意3项）三、简答题1.接触式量测：优点是技术成熟、成本低、精度较高；缺点是可能干扰被测对象（如接触式温度测量影响被测物温度场）、易受磨损。应用：热电偶温度测量、应变片应力测量。非接触式量测：优点是不干扰被测对象、可测运动或高温物体；缺点是受环境（如光线、粉尘）影响大、成本较高。应用：红外热像仪温度测量、激光测距仪位移测量。2.频域分析可将复杂的时域振动信号分解为不同频率成分的正弦波叠加，便于识别主导频率（如固有频率、故障特征频率）和各频率成分的幅值。通过傅里叶变换（FFT），将时域信号x(t)转换为频域信号X(f)，其中峰值对应的频率为振动频率，峰值幅值对应该频率成分的振动幅值。3.温度变化会导致应变片敏感栅电阻变化（温度电阻效应）及被测材料与应变片基底热膨胀系数差异（热输出），产生虚假应变。温度补偿方法包括：补偿片法（半桥/全桥）、热敏电阻补偿、软件补偿。半桥补偿法中，将工作片与补偿片（置于同一温度场但不受力）接入电桥相邻桥臂，温度引起的电阻变化相互抵消，仅保留应力引起的电阻变化。4.多传感器数据融合优势：提高量测可靠性（冗余）、扩展量测范围（互补）、提升精度（信息互补）。卡尔曼滤波适用于线性系统、高斯噪声场景，通过状态预测和量测更新递推估计最优值；贝叶斯估计适用于先验概率已知的非线性场景，通过后验概率分布融合信息。5.电容式MEMS加速度传感器工作原理：质量块在加速度作用下产生位移，导致固定电极与质量块上电极的电容变化，通过电容检测电路将位移转换为电信号。应用限制：温度漂移大、噪声水平较高、量程有限。改进方向：采用温度补偿电路、优化敏感结构（如真空封装）、结合神经网络进行误差修正。四、综合分析题（1）应变量测选择光纤光栅（FBG）传感器。依据：抗电磁干扰（桥梁环境存在强电磁噪声）、可复用（多测点分布式量测）、耐高温（桥梁暴露环境可能温度变化大）、长期稳定性好（适合健康监测的长期需求）。（2）振动信号调理流程：-前置放大：采用低噪声运算放大器（如AD8429），放大倍数根据传感器输出范围（如±5mV）和后续采集卡量程（±10V）确定（放大倍数约2000倍）；-滤波：设计二阶低通滤波器（截止频率100Hz）抑制高频噪声，同时设计高通滤波器（截止频率0.1Hz）去除直流漂移；-采样：根据奈奎斯特准则，采样频率≥2×最高频率=200Hz，实际取250Hz（留冗余）。（3）误差来源及抑制措施：-温度漂移：FBG传感器采用双光栅温度补偿（一个测应变，一个测温度）；电阻应变片采用全桥补偿；-电磁干扰：传感器引线采用屏蔽电缆，信号调理电路接地；-噪声：前置放大器选择低噪声器件，滤波电路优化截止频率；-安装误差：应变片粘贴时确保与被测面平行，FBG传感器采用无应力封装；-非线性误差：对传感器输出进行多项式拟合线性化处理。五、设计题（1）传感器选型：选择高温型激光三角位移传感器（如德国米铱optoNCDT2300HT）。工作原理：激光发射到被测表面，反射光经透镜聚焦到PSD（位置敏感探测器），位移变化导致光斑在PSD上的位置变化，通过光电转换得到位移信号。耐高温特性：采用陶瓷封装，内部集成温度补偿芯片，工作温度可达800℃。（2）信号调理电路：-放大：PSD输出电流信号（μA级），通过跨阻放大器（如AD8065）转换为电压信号（0~5V），放大倍数根据量程0~50mm和PSD灵敏度（如0.1μA/mm）计算（跨阻电阻取100kΩ，输出电压0~5V）；-滤波：设计一阶RC低通滤波器（截止频率10Hz，抑制高频热噪声）；-线性化处理：通过查表法对传感器输出的非线性特性（激光三角法在远场存在非线性）进行校正，预先标定位移-电压曲线并存储于MCU，实时查表修正。（3）抗干扰措施：-热噪声抑制：传感器与被测物保持100mm以上距离（减少热辐射影响），信号线缆采用高温屏蔽线（如聚四氟乙烯绝缘），调理电路置于水冷散热盒中；-电磁干扰抑制：调理电路电源端加π型滤波（电感+电容），PCB布局采用单点接地，敏感信号走线远离功率线；-光干扰抑制：激光采用特定波长（如650nm），探测器前加窄带滤光片（带宽±5nm），避免环境光干扰。（4）标定方法：-标准器：高温环境位移标定台（量程0~50mm，精度0.005mm，工作温度800℃）；-标定步骤：①将传感器与标定台固定于高温炉内，升温至500℃、600℃