(2025年)传感器技术与应用期末考试试题附答案

(2025年)传感器技术与应用期末考试试题附答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.以下哪种传感器利用了压阻效应实现信号转换？A.压电陶瓷加速度传感器B.单晶硅应变片C.石英晶体力传感器D.电容式位移传感器2.光纤传感器中，用于测量温度的光纤布拉格光栅（FBG）主要基于哪种物理效应？A.弹光效应B.热光效应C.电光效应D.磁光效应3.MEMS（微机电系统）传感器的核心优势不包括：A.高集成度B.低功耗C.宽测量范围D.无需信号调理4.红外气体传感器检测CO₂时，通常采用的波长范围是：A.0.4-0.7μm（可见光）B.3-5μm（中红外）C.8-14μm（远红外）D.0.7-1.1μm（近红外）5.柔性可穿戴传感器中，用于监测人体脉搏的压阻式传感器常采用的敏感材料是：A.单晶硅B.聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合碳纳米管C.压电陶瓷D.二氧化锡（SnO₂）6.以下哪种传感器属于无源传感器？A.热电偶温度传感器B.电感式接近传感器C.电阻式湿度传感器D.光电二极管光强传感器7.为提高气体传感器的选择性，常用的技术手段是：A.增加加热电压B.表面修饰特定催化剂C.增大敏感层厚度D.降低工作温度8.激光三角测距传感器中，接收端CCD/CMOS的作用是：A.发射激光B.调制光信号C.检测光斑位移D.滤除环境光干扰9.用于工业机器人触觉感知的阵列式压力传感器，其关键性能指标不包括：A.空间分辨率B.动态响应频率C.测量范围线性度D.色彩识别精度10.以下关于生物传感器的描述，错误的是：A.酶生物传感器通过酶与底物的特异性反应检测目标物B.免疫传感器基于抗原-抗体特异性结合原理C.场效应晶体管（FET）生物传感器属于质量敏感型D.光学生物传感器可通过荧光标记实现高灵敏度检测11.为抑制电磁干扰（EMI）对传感器信号的影响，下列措施中效果最差的是：A.采用屏蔽双绞线传输信号B.在信号输入端并联大电容滤波C.传感器外壳接地D.使用差分信号传输12.某加速度传感器的灵敏度为100mV/g（g为重力加速度），量程为±5g，当输出电压为350mV时，实际加速度值为：A.3.5gB.5gC.7gD.0.35g13.以下哪种传感器可用于非接触式测量金属材料的厚度？A.电涡流传感器B.电容式湿度传感器C.压阻式压力传感器D.热电偶温度传感器14.量子点传感器在生物成像中的优势主要源于其：A.机械强度高B.荧光稳定性好、发射光谱可调C.耐高压特性D.高磁导率15.物联网（IoT）节点中，传感器选型时需重点考虑的因素不包括：A.功耗B.通信协议兼容性C.外观颜色D.环境适应性（温湿度、抗振动）二、填空题（每空1分，共15分）1.电阻应变片的灵敏度系数K定义为______与______的比值。2.压电传感器不能测量______信号，原因是其等效电路中的______会导致电荷泄漏。3.光电传感器的响应时间通常用______表示，单位为______。4.气体传感器中，SnO₂属于______型半导体，当接触还原性气体（如H₂）时，其电导率会______（填“增大”或“减小”）。5.光纤传感器按传感原理可分为______型（功能型）和______型（非功能型）。6.MEMS加速度计的核心结构通常包括______、弹性梁和______，通过检测质量块的位移实现加速度测量。7.触觉传感器的关键性能指标包括______、______和动态响应特性。8.为提高传感器的长期稳定性，常采用______技术（如在敏感材料表面涂覆保护层）或______补偿（如温度补偿电路）。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。2.说明光纤光栅（FBG）传感器的温度与应变交叉敏感问题及解决方法。3.简述MEMS惯性传感器（如加速度计、陀螺仪）在自动驾驶中的应用及对性能的要求。4.分析气体传感器中“基线漂移”现象的成因及抑制措施。5.列举三种新型传感器（2020年后提出），并说明其创新点与应用场景。四、分析题（每题8分，共16分）1.某智能农业大棚需监测土壤湿度（范围0-100%，精度±2%）、空气温度（-10℃~50℃，精度±0.5℃）和光照强度（0-100klx，精度±5%）。请为每个参数选择合适的传感器类型，并设计信号调理电路的基本架构（需包含滤波、放大、线性化模块）。2.某医疗监护仪的心率传感器（光电式）出现信号噪声过大的问题，导致心率计算错误。请分析可能的噪声来源（至少4种），并提出对应的解决措施。五、综合设计题（9分）设计一个基于物联网的工业设备健康监测系统，要求监测参数包括振动（0-20g，10kHz带宽）、温度（-40℃~120℃）、局部放电（特高频，300MHz-3GHz）。需完成以下内容：（1）选择各参数对应的传感器类型并说明理由；（2）设计传感器节点的硬件架构（包含供电、信号调理、数据采集、无线通信模块）；（3）提出数据预处理与异常诊断的基本策略（如振动信号的FFT分析、温度的阈值报警）。参考答案一、单项选择题1.B2.B3.D4.C5.B6.A7.B8.C9.D10.C11.B12.A13.A14.B15.C二、填空题1.应变片电阻相对变化率（ΔR/R）；试件应变（ε）2.静态（或直流）；漏电阻（或并联电阻）3.上升时间/下降时间；微秒（μs）或毫秒（ms）4.N；增大5.传感；传光6.质量块；固定电极（或检测电极）7.灵敏度；线性度（或空间分辨率、测量范围）8.表面修饰（或封装）；电路三、简答题1.压电式传感器基于压电材料的正压电效应（应力→电荷），适用于动态力/加速度测量（无法测静态）；压阻式传感器基于半导体材料的压阻效应（应力→电阻率变化），可测静态和动态信号，但温度敏感性高。前者适合高频动态场景（如冲击测量），后者适合静态或低频力/压力测量（如电子秤）。2.FBG的中心波长同时受温度（Δλ=αΔT）和应变（Δλ=ξΔε）影响，导致交叉敏感。解决方法：①双光栅法（一个光栅封装不受应变，仅测温度；另一个测总波长偏移，计算应变）；②温度补偿材料（如在光栅旁贴温度传感器，软件校正）；③利用不同敏感系数的光栅（如啁啾光栅）。3.应用：自动驾驶中的定位（IMU惯性导航）、碰撞预警（加速度计检测冲击）、车身姿态控制（陀螺仪监测转向角速率）。性能要求：高精度（低噪声、低漂移）、宽动态范围（适应急加速/刹车）、高可靠性（-40℃~85℃工作）、低功耗（适配车载电源）。4.基线漂移成因：敏感材料老化（如气体传感器表面活性位点减少）、环境温湿度波动、长期暴露于目标气体导致吸附饱和。抑制措施：定期校准（零点校正）、增加温度/湿度补偿电路、采用双传感器（一个暴露待测气体，一个封闭作参考）、软件算法（滑动平均滤波、基线追踪）。5.示例：①柔性离子皮肤传感器（2022年）：基于离子导电凝胶，模仿人体皮肤的触觉感知，用于可穿戴设备和机器人触觉；②量子点-生物分子共轭传感器（2023年）：利用量子点的荧光特性与抗体结合，实现超灵敏癌症标志物检测；③摩擦纳米发电机（TENG）自供能传感器（2024年）：通过摩擦起电效应收集环境机械能供电，用于无线传感节点（如桥梁振动监测）。四、分析题1.传感器选型：土壤湿度：频域反射法（FDR）传感器（精度高，抗干扰强）；空气温度：数字式温度传感器（如DS18B20，精度±0.5℃）；光照强度：硅光电池（线性范围宽）或数字式光照传感器（如BH1750，精度±5%）。信号调理电路：湿度传感器：输出为频率信号，需频率-电压转换（F/V模块）→低通滤波（滤除高频噪声）→运放差分放大→线性化（查表法或多项式拟合电路）；温度传感器：数字信号可直接读取，若为模拟输出（如热电偶），需冷端补偿→放大→滤波；光照传感器：电流信号→I/V转换→放大（跨阻放大器）→带通滤波（滤除50Hz工频干扰）→线性化（对数放大器校正非线性）。2.噪声来源及解决措施：环境光干扰：采用近红外光源（避开可见光）+窄带滤光片；运动伪影（如被测者肢体晃动）：增加加速度计辅助检测运动，软件剔除异常信号；电路噪声（如运放噪声）：选用低噪声运放+电源去耦电容；工频干扰（50Hz）：在信号输入端加陷波滤波器（50Hz带阻）；接触不良（传感器与皮肤贴合不紧）：改进佩戴结构（如弹性绷带固定）。五、综合设计题（1）传感器选型：振动：MEMS加速度计（如ADXL355，带宽10kHz，量程±20g），体积小、集成度高；温度：RTD（铂电阻，如PT100，精度高，-40℃~120℃适用）；局部放电：特高频（UHF）天线传感器（300MHz-3GHz，检测放电产生的电磁脉冲）。（2）硬件架构：供电：锂电池+能量harvesting（如振动能量收集器）延长寿命；信号调理：振动信号→抗混叠滤波（截止10kHz）→放大；温度信号→恒流源激励→差分放大→滤波；局部放电→低噪声放大→带通滤波（300MHz-3GHz）；数据采集：振动（16位ADC，采样率20kHz）、温度（24位ADC，慢采样）、局部放电（高速ADC，采样率≥6GHz）；无线通信：低功耗LoRa（长距离）或5GNR