2025年《传感器技术与应用》期末试卷及答案

2025年《传感器技术与应用》期末试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列哪种效应属于外光电效应？A.光电导效应B.光生伏特效应C.光电发射效应D.光伏特效应答案：C2.压阻式传感器的核心敏感元件通常采用：A.石英晶体B.单晶硅C.压电陶瓷D.金属应变丝答案：B3.MEMS传感器的主要优势不包括：A.微型化B.低成本批量制造C.多参数集成D.工作温度范围宽（＞500℃）答案：D4.光纤传感器中，利用光纤本身作为敏感元件的属于：A.传光型B.功能型C.非功能型D.强度调制型答案：B5.热电阻传感器常用的材料是：A.铜和铂B.镍和金C.银和钨D.铁和铝答案：A6.气敏传感器检测甲烷气体时，通常基于：A.表面电阻变化B.热导变化C.红外吸收D.电化学反答案：A7.电容式传感器测量微小位移时，最常用的转换方式是：A.变面积式B.变极距式C.变介电常数式D.变体积式答案：B8.热电偶的热电势大小取决于：A.热端温度B.冷端温度C.两端温度差D.热电极材料的长度答案：C9.超声波传感器测距时，若声速为340m/s，测量时间差为2ms，则被测距离约为：A.0.34mB.0.68mC.3.4mD.6.8m答案：A（公式：距离=声速×时间差/2=340×0.002/2=0.34m）10.红外传感器中，用于人体检测的主要是：A.光子型传感器B.热释电传感器C.量子阱探测器D.雪崩光电二极管答案：B二、填空题（每空1分，共20分）1.压电材料分为压电晶体和______两大类，典型代表分别为石英和______。答案：压电陶瓷；PZT（锆钛酸铅）2.应变片的灵敏系数K定义为______与______的比值，金属应变片的K主要由______变化引起。答案：电阻相对变化率（ΔR/R）；应变（ε）；几何尺寸3.热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律和______定律，其中______定律是温度补偿的理论依据。答案：中间温度；中间温度4.磁敏传感器中，霍尔传感器的输出电压与______、______和______成正比。答案：控制电流；磁感应强度；霍尔系数5.气敏传感器的工作温度通常需加热至______（范围），目的是______。答案：200-500℃；激活表面反应，提高灵敏度6.光纤的基本结构包括纤芯、______和______，其导光原理是______。答案：包层；涂覆层；全反射7.热释电传感器只能检测______的红外辐射，原因是其输出与______成正比。答案：变化；温度变化率三、简答题（每题6分，共30分）1.比较压电式传感器与压阻式传感器的工作原理及适用场景。答案：压电式基于压电材料的正压电效应（机械应力→电荷），输出高内阻电荷信号，适用于动态力/振动测量（如加速度计）；压阻式基于半导体的压阻效应（应力→电阻率变化），输出电阻信号，需外接电桥，适用于静态/准静态压力测量（如血压计）。2.说明电容式传感器的三种基本类型及其优缺点。答案：①变极距式：灵敏度高（与极距平方成反比），但线性差（仅适用于微小位移）；②变面积式：线性好，量程大（适用于较大线/角位移），但灵敏度较低；③变介电常数式：用于测量介质参数（如湿度、液位），受环境干扰大（需补偿）。3.分析光纤传感器抗电磁干扰能力强的主要原因。答案：光纤以光信号传输，光频远高于电磁干扰频率（10^14Hzvs10^6-10^9Hz），且光纤为电绝缘材料（不感应电磁噪声），信号在纤芯内全反射传输（无外界电磁耦合），因此抗干扰能力显著优于电类传感器。4.热释电传感器为何不能检测恒定的红外辐射？需如何改进以实现静态测量？答案：热释电效应输出电荷与温度变化率（dT/dt）成正比，恒定红外辐射下dT/dt=0，无信号输出。改进方法：在传感器前加调制器（如旋转斩光片），将恒定辐射调制成交变信号，使dT/dt≠0，从而检测静态目标。5.设计应变片电桥时，如何实现温度补偿？列举两种常用方法。答案：①补偿片法：在被测试件上贴工作片，在相同材料但不受力的补偿块上贴补偿片，两片区于相邻桥臂，温度引起的电阻变化相互抵消；②自补偿应变片法：选用温度系数与试件热膨胀系数匹配的应变片，使温度引起的ΔR/R与试件热应变引起的ΔR/R相互抵消。四、分析题（每题10分，共20分）1.某汽车胎压监测系统（TPMS）需实时监测轮胎内压力（范围0.1-0.5MPa）和温度（-40℃-120℃），并通过无线传输至车载终端。请分析传感器选型及关键设计要点。答案：（1）压力传感器：优先选用MEMS压阻式传感器（体积小、集成度高），测量范围覆盖0.1-0.5MPa（需考虑过压保护），温度系数低（或内置温度补偿电路）；（2）温度传感器：可选集成式MEMS温度传感器（如带隙温度传感器）或热敏电阻（需线性化处理），测量范围-40℃-120℃，响应时间＜1s；（3）关键设计要点：①低功耗（电池供电，需休眠模式+定时唤醒）；②抗振动冲击（封装需加固）；③无线传输抗干扰（选用2.4GHz或433MHz频段，编码校验）；④温度对压力测量的补偿（通过软件算法融合压力-温度数据）。2.某环境监测站需部署多参数传感器系统，监测指标包括温湿度（20-35℃，30-80%RH）、PM2.5（0-500μg/m³）、CO（0-100ppm）、光照强度（0-10万lux）。请设计传感器布局方案并说明抗干扰措施。答案：（1）布局方案：①温湿度传感器：安装于通风但避雨的百叶箱内（避免阳光直射和雨水侵蚀）；②PM2.5传感器：置于离地面1.5m高度（呼吸带），远离污染源（如排气管）；③CO传感器：因CO密度与空气接近，均匀分布于监测区域，避免与高温设备相邻；④光照传感器：水平向上安装（接收垂直光照），无遮挡物。（2）抗干扰措施：①电磁屏蔽：敏感电路（如PM2.5激光模块）加金属屏蔽罩；②温湿度补偿：CO传感器内置温湿度补偿算法（温湿度影响气体扩散速率）；③交叉干扰抑制：PM2.5传感器采用激光散射法（避免与CO光学传感器的波长重叠）；④接地设计：所有传感器共地（减少地电位差干扰）。五、综合设计题（20分）设计一个基于MEMS技术的智能手环心率监测系统，要求包括传感器选型、信号调理电路、数据处理模块及低功耗设计要点。答案：1.传感器选型：采用光电式心率传感器（PPG原理），发射绿光LED（525nm，血红蛋白吸收峰），接收硅光电二极管（响应可见光）。MEMS工艺集成LED和探测器（减小体积），内置滤光片（抑制环境光干扰）。2.信号调理电路：（1）前置放大：跨阻放大器（将光电流转换为电压，增益10^4-10^5V/A）；（2）滤波：低通滤波器（截止频率5Hz，滤除运动噪声）+高通滤波器（截止频率0.5Hz，去除直流漂移）；（3）主放大：差分放大器（抑制共模噪声，增益20-50倍）；（4）模数转换：16位ADC（采样率50Hz，满足心率信号（0.8-3Hz）的奈奎斯特采样）。3.数据处理模块：（1）数字滤波：滑动平均滤波（平滑毛刺）+自适应阈值检测（识别脉搏波峰）；（2）心率计算：通过相邻峰间距的倒数计算瞬时心率，滑动窗口（10秒）平均输出；（3）异常检测：运动状态识别（结合加速度计数据），排除运动伪影（如信号幅值突变＞20%时标记为无效数据）。4.低功耗设计要点：（1）分时工作：LED仅在采样期间开启（占