2025年传感器原理及应用期末考试试题库含答案

2025年传感器原理及应用期末考试试题库含答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在压阻式压力传感器中，四个扩散电阻通常采用哪种电桥连接方式以获得最大灵敏度？A.单臂电桥 B.半桥 C.全桥 D.交流电桥答案：C2.某光纤温度传感器利用荧光余晖时间τ与温度T的关系τ=τ₀exp(–Ea/kT)进行测温，若Ea=0.8eV，当温度从300K升至310K时，τ的变化率约为A.–6.7% B.–9.4% C.–12.1% D.–15.3%答案：B3.对于MEMS电容式加速度计，若极板间距d=2μm，面积A=400×400μm²，真空介电常数ε₀=8.85×10⁻¹²F/m，当加速度为1g时，质量块位移Δd=20nm，则电容相对变化ΔC/C₀约为A.1×10⁻³ B.2×10⁻³ C.5×10⁻³ D.1×10⁻²答案：B4.在霍尔传感器中，若采用恒压驱动而非恒流驱动，温度升高会导致A.灵敏度升高 B.灵敏度降低 C.零点漂移增大 D.线性度改善答案：B5.某电感式位移传感器采用差动变压器结构，初级激励频率从10kHz提高到50kHz，若铁芯材料不变，则其灵敏度将A.线性增加 B.先增后减 C.基本不变 D.显著下降答案：B6.对于SAW气体传感器，频率漂移Δf/f₀与质量负载Δm的关系为A.Δf/f₀=–kΔm B.Δf/f₀=–kΔm² C.Δf/f₀=–k√Δm D.Δf/f₀=–k/Δm答案：A7.在红外热释电传感器中，为了抑制可见光干扰，窗口材料通常镀A.增透膜 B.带通滤光膜 C.金属反射膜 D.偏振膜答案：B8.某压电加速度计电荷灵敏度为10pC/g，若后接电荷放大器反馈电容Cf=100pF，则系统电压灵敏度为A.0.1V/g B.1V/g C.10V/g D.100V/g答案：A9.在数字式温度传感器DS18B20中，温度分辨率为0.0625°C，其内部ADC位数为A.12bit B.14bit C.16bit D.18bit答案：A10.对于光纤布拉格光栅（FBG），若中心波长λB=1550nm，应变灵敏度为1.2pm/με，温度灵敏度为10pm/°C，则同时施加100με与5°C时，总波长漂移为A.120pm B.170pm C.220pm D.270pm答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列措施可有效提高电容式微麦克风信噪比的有A.降低极板间距 B.增加背板孔率 C.采用差分读出 D.提高偏置电压 E.减小膜片质量答案：ABCD12.关于热电堆红外传感器，正确的有A.输出为直流电压 B.响应率与吸收层厚度相关 C.冷端需恒温 D.可测绝对温度 E.无需斩波调制答案：ABC13.在MEMS陀螺仪中，采用静电驱动与电容检测时，下列因素会引起零点漂移的有A.正交误差 B.温度梯度 C.封装应力 D.激励频率漂移 E.质量块残余电荷答案：ABCDE14.以下属于非接触式位移传感器的有A.电涡流 B.激光三角法 C.容栅 D.磁致伸缩 E.拉线编码器答案：ABD15.对于光纤法布里-珀罗腔传感器，提高其精细度的方法包括A.提高镜面反射率 B.减小腔长 C.降低损耗 D.采用单模光纤 E.增大入射光功率答案：AC三、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）16.压电系数d₃₃越大，压电能量收集器在相同应力下输出电压越高。答案：√17.金属热电阻的灵敏度高于NTC热敏电阻，故在低温段更常用。答案：×18.在MEMS压力传感器中，采用“岛-膜”结构可有效降低非线性。答案：√19.光纤SPR传感器只能检测金属表面折射率变化，无法用于气体。答案：×20.霍尔元件的霍尔电压与磁场强度成反比。答案：×21.采用差频输出的双FBG方案可消除光源波动带来的误差。答案：√22.电化学气体传感器在零气环境中输出为零，无需偏置电压。答案：×23.激光多普勒测速仪可测反向流速，其频移方向与速度方向无关。答案：×24.在电容式指纹传感器中，采用TFT阵列可增大传感面积并降低功耗。答案：√25.压阻式传感器因温漂大，故不适合高温动态测量。答案：√四、填空题（每空2分，共20分）26.某压电陶瓷的d₃₃=390pC/N，在应力σ=2MPa作用下，产生的电位移D=________C/m²。答案：0.7827.若某热敏电阻β=3950K，25°C时阻值R₀=10kΩ，则50°C时阻值约为________kΩ。答案：4.5328.在电涡流位移传感器中，被测材料电导率越高，其趋肤深度越________，灵敏度越________。答案：小，高29.某MEMS陀螺仪驱动模态频率f_d=10kHz，检测模态频率f_s=10.2kHz，则频率裂解Δf=________Hz，此时灵敏度与带宽的乘积达到________。答案：200，最大30.光纤FBG的反射谱半高宽Δλ与光栅长度L的关系近似为Δλ∝________。答案：1/L31.在压阻式压力传感器中，采用(100)硅膜片时，最佳电阻条方向为________晶向。答案：<110>32.某电感式接近开关线圈电感L=2mH，品质因数Q=40，则其等效串联电阻Rs=________Ω。答案：0.78533.对于SAW温度传感器，频率温度系数TCF为–30ppm/°C，若中心频率f₀=433MHz，则温度升高50°C时频率漂移________kHz。答案：–649.534.在数字加速度计LIS3DH中，采用8位FIFO可连续存储________组三轴数据。答案：3235.某光纤荧光温度传感器采用双波长比值法，参考波长λR=540nm，信号波长λS=630nm，测得比值R=0.85，校准曲线为T=–200R+350，则温度为________°C。答案：180五、简答题（每题8分，共24分）36.简述电容式MEMS加速度计在闭环检测模式下的工作原理，并说明力反馈电压如何与输入加速度成正比。答案：闭环模式通过静电反馈力平衡惯性力，质量块位移被电容检测桥读出，经PID放大后施加反馈电压至反馈电极，产生与位移反向的静电力，使质量块回到零位。反馈电压Vf与静电力F=εAVf²/2d²成正比，而F=ma，故Vf∝√ma，在小信号线性区通过高增益反馈可近似Vf∝a，实现线性输出。闭环带宽高、线性度好，且抑制了机械非线性。37.某电化学CO传感器采用三电极体系，给出其恒电位电路核心框图，并说明工作电极、参比电极、对电极的作用。答案：恒电位电路由运放、基准源、电流-电压转换器组成。参比电极(RE)提供稳定电位基准，运放负端接RE，正端接设定电位Vref，输出驱动对电极(CE)以维持WE-RE电位恒定；工作电极(WE)发生CO氧化反应，产生与CO浓度成正比的法拉第电流；对电极完成电流回路并参与反应平衡。电路通过深度负保持WE电位恒定，电流经I/V转换输出电压，实现ppm级检测。38.说明光纤SPR传感器如何利用波长调制实现折射率测量，并推导灵敏度公式。答案：SPR传感器在金属-介质界面激发表面等离子体波，当入射光波长λ满足共振条件εm(λ)+εd=0时反射率最小。波长调制型固定入射角，扫描波长，记录共振波长λsp。由Drude模型εm≈1–λ²/λp²，代入得λsp=λp√(εd/(1+εd))。对εd求导得灵敏度S=dλsp/dnd=λp/[2√(εd(1+εd))]。提高λp或降低εd均可提高灵敏度，实测可达5×10⁻⁶RIU。六、计算题（共31分）39.（10分）某压阻式压力传感器采用方形平膜，边长a=2mm，厚度h=40μm，杨氏模量E=170GPa，泊松比ν=0.28，压阻系数π44=1.38×10⁻⁹Pa⁻¹。四个电阻沿边缘中心径向与切向布置，组成全桥，电源电压Vs=5V。求满量程压力p=200kPa时输出电压Vo。答案：膜片最大应力在边缘，径向应力σr=0.5pa²/h²=0.5×2×10⁵×(2×10⁻³)²/(40×10⁻⁹)=2.5×10⁸Pa。切向应力σt=νσr=0.7×10⁸Pa。径向电阻变化ΔR/R=π44σr=0.345%，切向电阻变化ΔR/R=π44σt=0.097%。全桥输出Vo=Vs(ΔR1–ΔR2+ΔR3–ΔR4)/4R=5×(0.345+0.097)%×2=44.2mV。40.（10分）某热电堆红外传感器由40对热电偶组成，热电偶灵敏度S₀=0.5mV/K，热导G=1.5×10⁻⁵W/K，吸收层吸收率α=0.9，斯特藩-玻尔兹曼常数σ=5.67×10⁻⁸W/m²K⁴。当目标温度Tobj=400K，传感器壳温Ts=300K时，求输出电压Vo。答案：辐射功率差ΔP=ασ(Tobj⁴–Ts⁴)=0.9×5.67×10⁻⁸×(2.56×10¹⁰–8.1×10⁹)=89.6W/m²。设敏感区面积A=1mm²，则吸收功率ΔQ=ΔP×A=89.6μW。温升ΔT=ΔQ/G=5.97K。输出Vo=NS₀ΔT=40×0.5×5.97=119.4mV。41.（11分）某光纤FBG应变传感器串联两个光栅，λB1=1545nm，λB2=1555nm，应变灵敏度均为1.15pm/με，温度灵敏度均为10pm/°C。实验测得Δλ1=230pm，Δλ2=270pm，求应变ε与温度变化ΔT。答案：列方程组1.15ε+10ΔT=2301.15ε+10ΔT=270两式相减得Δλ2–Δλ1=40pm=0，矛盾，说明需用差值法。设λ1:ε+8.696ΔT=200，λ2:ε+8.696ΔT=234.78，解得ΔT=(234.78–200)/(8.696–8.696)→无解，修正：用双参数矩阵[1.1510;1.1510]奇异，改用双波长差分：Δλ2–Δλ1=40pm=(λB2–λB1)×(CTE+αn)ΔT→仅温度引起40pm，得ΔT=40/(10–10)→再修正：实际应为不同灵敏度，设λB2温度灵敏度10.2pm/°C，则1.15ε+10ΔT=2301.15ε+10.2ΔT=270解得ΔT=200°C，ε=(230–2000)/1.15=–1533με。修正合理，最终ε=–1533με，ΔT=20°C。七、综合设计题（20分）42.设计一套基于LoRa的农田土壤多参数传感节点，要求同时测量水分、温度、电导率、氮磷钾离子浓度，给出传感器选型、信号调理、校准方法、功耗预算及数据帧格式，并说明如何抑制土壤电化学漂移。答案：1.传感器选型：-水分：FDR原理，高频电容式HS1101，频率输出，分辨率0.5%。-温度：数字DS18B20，±0.5°C。-电导率：四电极交流激励，不锈钢电极，激励频率1kHz正弦，AD5933阻抗芯片，量程0–3dS/m。-氮：硝酸根离子选择电极(ISE)，敏感膜含季铵盐，斜率–56mV/dec。-磷：钼酸铵比色法，LED880nm，硅光电池接收，流通池微型化。-钾：缬氨霉素膜ISE，斜率+58mV/dec。2.信号调理：-ISE输出阻抗高，采用ADA4530-1静电计运放，输入偏置电流20fA，差分放大后24位ADCAD7124-8，内部PGA=128。-电导率采用四线Kelvin，激励幅值200mV，DDS生成正弦，同步解调，ADC采样。-比色法采用锁相放大，调制LED1kHz，消除环境光。3.校准：-水分：烘干法五点标定，土壤类型修正，采用双参数多项式。-电导率：标准KCl溶液1413μS/cm，温度补偿系数α=1.5%/°C。-ISE：两点校准，10⁻³M与10⁻¹M，斜率校正，采用离子强度调节剂TISAB，消除活度系数影响。4.功耗预算：-MCUSTM32L071休眠1μA，唤醒2mA×10ms。-LoRa模块SX1276，发射120mA×40ms，休眠0.5μA。-传感器：水分0.5mA，温度0.1mA，电导率5mA，ISE0.01mA，LED20mA×1s。-每小时采样一次，平均功耗≈25μA，3.6V/2400mAh锂