2025年传感器技术及应用期末试卷及答案(三)

2025年传感器技术及应用期末试卷及答案(三)一、单项选择题（每题2分，共30分）1.下列哪种材料常用于制备基于压阻效应的MEMS压力传感器敏感元件？A.单晶硅B.压电陶瓷C.聚二甲基硅氧烷（PDMS）D.石墨烯2.光纤布拉格光栅（FBG）传感器的核心调制机制是：A.强度调制B.相位调制C.波长调制D.偏振调制3.在可穿戴设备中，用于监测人体表皮温度的柔性传感器通常采用的敏感材料是：A.铂电阻薄膜B.压电陶瓷微粉C.碳纳米管/弹性体复合材料D.二氧化钛纳米线4.以下不属于智能传感器典型特征的是：A.内置微处理器B.支持自校准功能C.仅输出模拟信号D.具备环境自适应能力5.用于检测甲烷气体的催化燃烧式传感器，其敏感元件表面通常负载的催化剂是：A.氧化铜B.铂/钯合金C.二氧化锡D.石墨烯量子点6.工业物联网中，为实现设备振动监测的低功耗需求，常采用的传感器接口技术是：A.I²C总线（高速）B.蓝牙5.3（低功耗）C.CAN总线（高可靠性）D.USB-C（高带宽）7.下列哪种传感器可直接测量液体的电导率？A.超声波液位传感器B.电化学式离子传感器C.电容式湿度传感器D.热电偶温度传感器8.量子点荧光传感器用于生物分子检测时，其信号输出依赖于：A.量子点的尺寸可调谐发光特性B.量子点的压阻效应C.量子点的压电特性D.量子点的热电效应9.在自动驾驶系统中，激光雷达（LiDAR）与摄像头传感器的主要互补特性是：A.激光雷达提供高精度距离信息，摄像头提供颜色与纹理信息B.激光雷达受雨雾影响小，摄像头在夜间性能更稳定C.激光雷达成本低，摄像头分辨率高D.激光雷达数据处理简单，摄像头需复杂算法10.柔性电子皮肤中，用于感知压力分布的传感器阵列通常采用：A.体硅微加工工艺B.印刷电子工艺C.分子束外延生长D.化学气相沉积11.基于表面等离子体共振（SPR）的生物传感器，其敏感机制主要涉及：A.金属薄膜表面电磁场与生物分子的相互作用B.半导体PN结的电流变化C.压电材料的频率偏移D.热释电材料的电荷积累12.为提高气体传感器的选择性，常采用的技术手段是：A.增大敏感材料的比表面积B.对敏感材料进行表面修饰（如掺杂贵金属）C.提高工作温度D.增加传感器的响应时间13.农业智能灌溉系统中，用于监测土壤墒情的传感器组合通常包括：A.湿度传感器+温度传感器+电导率传感器B.压力传感器+加速度传感器+陀螺仪C.气体传感器+光学传感器+磁传感器D.红外传感器+超声波传感器+激光传感器14.下列关于MEMS惯性传感器（如加速度计、陀螺仪）的描述，错误的是：A.核心结构为可动质量块与弹性梁B.通常采用电容式或压阻式检测原理C.抗冲击能力弱于传统机械惯性传感器D.可集成于单芯片实现多轴测量15.用于脑机接口的神经传感器，其关键性能指标不包括：A.空间分辨率（电极间距）B.生物相容性C.信号噪声比（SNR）D.对可见光的透射率二、填空题（每空1分，共10分）1.传感器的基本组成通常包括敏感元件、________元件和信号调理电路三部分。2.压电传感器不能用于静态测量的原因是________会通过测量回路放电，导致电荷无法长期积累。3.红外热像仪的核心传感器是________，其工作原理基于物体的红外辐射与温度的关系（斯特藩-玻尔兹曼定律）。4.柔性传感器的基底材料需具备________和________特性，常见材料有PDMS、聚酰亚胺（PI）等。5.无线传感器网络（WSN）中，节点的三大核心模块是传感器模块、________模块和电源管理模块。6.气体传感器的响应时间定义为从接触目标气体到输出信号达到________所需的时间。7.光纤传感器按传感原理可分为功能型（本征型）和________型（非本征型），前者利用光纤本身作为敏感元件。8.生物传感器中，将生物识别物质（如酶、抗体）固定在传感器表面的过程称为________。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述电容式传感器的工作原理及其在微位移测量中的优势与局限性。2.说明光纤布拉格光栅（FBG）传感器的温度与应变交叉敏感问题及常用的解决方法。3.对比分析压电式传感器与压阻式传感器在动态力测量中的适用场景差异。4.列举智能传感器的三个典型功能，并说明其对工业物联网（IIoT）的意义。5.阐述柔性压力传感器在可穿戴医疗设备中的应用需求（至少列出三点），并说明当前技术面临的主要挑战。四、分析题（每题10分，共20分）1.某工厂需监测旋转机械（如电机）的振动状态，要求实时采集振动加速度、温度及噪声数据。请设计一套传感器系统方案，包括：（1）传感器类型选择及依据；（2）信号传输方式设计（考虑工厂电磁干扰环境）；（3）数据预处理需求（如去噪、特征提取）。2.某公司研发一款用于糖尿病患者的连续血糖监测（CGM）设备，拟采用生物传感器方案。请分析：（1）可选的生物识别元件（如酶、抗体）及其优缺点；（2）传感器与人体组织的界面设计要点（如生物相容性、防生物污损）；（3）信号稳定性保障措施（如抗干扰、校准策略）。参考答案一、单项选择题1.A2.C3.C4.C5.B6.B7.B8.A9.A10.B11.A12.B13.A14.C15.D二、填空题1.转换（或传感）2.压电材料产生的电荷3.红外焦平面阵列（IRFPA）4.高弹性；低滞后5.无线通信6.稳定值的90%（或95%）7.非功能（或传光）8.生物分子固定化三、简答题1.电容式传感器基于平行板电容公式C=εA/d，通过被测参数（如位移d、介电常数ε或面积A）的变化引起电容值变化。优势：灵敏度高（尤其微位移）、动态响应好、非接触测量；局限性：寄生电容影响大（需屏蔽）、非线性输出（需线性化补偿）、对环境湿度敏感。2.FBG的中心波长漂移同时受温度（Δλ_T=α_T·ΔT）和应变（Δλ_ε=K_ε·Δε）影响，导致无法直接区分两者。解决方法：（1）双光栅法（一个光栅封装为温度敏感，另一个为温度-应变敏感）；（2）增敏/去敏结构（如将一个光栅粘贴在低热膨胀系数材料上隔离温度影响）；（3）波长-强度联合解调（结合其他传感原理）。3.压电式传感器利用压电效应（动态力→电荷），适用于高频动态测量（如冲击、振动），但无法测静态力；压阻式传感器利用半导体压阻效应（应力→电阻变化），适用于中低频动态力及静态力测量，但温度漂移大（需温度补偿）。4.功能示例：（1）自校准：内置标准参考，自动修正误差，提升IIoT中设备的长期可靠性；（2）自诊断：检测自身故障（如信号异常），避免误报影响产线；（3）数据融合：集成多传感器数据并初步处理，减少传输带宽需求，降低边缘计算负载。5.应用需求：（1）高柔性与可拉伸性（贴合皮肤）；（2）低功耗（延长续航）；（3）高灵敏度（检测微弱压力如脉搏）。挑战：（1）长期佩戴下的机械疲劳（材料老化）；（2）汗液/油脂导致的信号漂移（生物污损）；（3）大规模阵列的均匀性（印刷工艺精度）。四、分析题1.（1）传感器选择：MEMS加速度计（高频振动，小体积）、铂电阻温度传感器（精度高）、MEMS麦克风（噪声采集）。依据：MEMS器件适合工业环境的紧凑安装，铂电阻抗干扰性强。（2）传输方式：采用工业级无线协议（如WirelessHART），配合屏蔽电缆（加速度、温度信号），避免2.4GHz频段干扰（工厂常见Wi-Fi干扰）。（3）预处理：加速度信号需低通滤波（去除高频噪声），提取均方根（RMS）值作为振动强度指标；温度信号进行滑动平均滤波；噪声信号分析频谱（识别异常频率成分）。2.（1）生物识别元件：葡萄