2026年大学大二(仪器科学与技术)期末测试试题及答案

2026年大学大二(仪器科学与技术)期末测试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在应变片测量电路中，为消除温度误差，最常用且有效的补偿方法是A.采用恒流源供电B.采用全桥差动接法并贴补偿片C.提高放大器增益D.降低桥压答案：B2.某压电加速度传感器的电荷灵敏度为50pC/g，电缆电容100pF，若后续电荷放大器反馈电容取10nF，则系统电压灵敏度为A.0.5mV/gB.5mV/gC.50mV/gD.500mV/g答案：B3.激光多普勒测速仪（LDV）中，移频器（Bragg盒）的主要作用是A.提高激光功率B.消除方向模糊并给出可辨正负流速C.降低散斑噪声D.扩大测量体积答案：B4.在数字滤波器设计中，双线性变换法相对于冲激响应不变法的主要优点是A.无频率混叠B.计算量小C.保持线性相位D.模拟域与数字域带宽相同答案：A5.利用霍尔元件测量0~2T气隙磁场时，为提高线性度，应优先采用A.恒压驱动B.恒流驱动并加旋转电流斩波C.交流激励D.降低元件厚度答案：B6.在虚拟仪器系统中，决定采样信号最高频率的关键参数是A.缓存深度B.总线带宽C.ADC分辨率D.采样时钟抖动答案：D7.某光纤温度传感器采用半导体吸收型探头，其吸收边随温度红移0.3nm/°C，若光谱仪分辨率为0.1nm，则理论温度分辨率为A.0.03°CB.0.1°CC.0.3°CD.1°C答案：C8.在动态校准中，若激波管产生的阶跃压力上升时间为0.2ms，则被校压力传感器可测有效频率上限约为A.500HzB.1.25kHzC.2.5kHzD.8kHz答案：C9.对于12-bitADC，若参考电压5V，信号内阻1kΩ，则量化噪声功率折合到输入端约为A.0.05µV²B.0.12µV²C.0.25µV²D.0.50µV²答案：B10.在闭环力平衡式加速度计中，增加弹性支承刚度将导致A.量程扩大，灵敏度降低B.量程减小，灵敏度提高C.量程与灵敏度均提高D.量程与灵敏度均降低答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列措施中，可有效抑制热电偶测量端附近电导耦合干扰的有A.采用差分放大器B.测量端接地C.使用屏蔽延长线并在一点接地D.降低信号源阻抗答案：A、C12.关于激光三角法位移传感器，正确的叙述包括A.斜射式比直射式更适于镜面表面B.受散斑影响，分辨率与表面粗糙度相关C.采用PSD比CCD响应快但线性度差D.工作距离增大时，光斑尺寸增大，线性量程扩大答案：B、C13.以下属于MEMS谐振式压力传感器温度漂移来源的有A.杨氏模量温度系数B.谐振腔气体热胀冷缩C.锚点热应力D.压阻电桥零点温漂答案：A、B、C14.在基于FPGA的相位差测量系统中，为提高0.1°分辨率，可采取A.提高系统时钟至200MHz以上B.采用多周期同步平均C.使用插值延迟线（TDC）D.降低被测信号频率答案：A、B、C15.关于光纤布拉格光栅（FBG）传感网络，下列说法正确的有A.波分复用需光源带宽大于各栅峰漂移范围之和B.时分复用需短脉冲光源且栅间距大于脉冲空间宽度C.采用参考栅可补偿光源波长漂移D.增加栅区长度可提高应变灵敏度但降低动态响应答案：A、B、C、D三、填空题（每空2分，共20分）16.某电感式位移传感器采用差动变压器结构，次级两绕组电压分别为V₁、V₂，则其输出灵敏度定义为S=___(V₁−V₂)/Δx___。17.在1级精度活塞式压力计中，若活塞有效面积A=1.0000cm²，砝码质量1.000kg，当地重力加速度g=9.795m/s²，则产生的标准压力为___97.95___kPa。18.将模拟低通滤波器转换为数字滤波器时，若采用预畸变频率ωp=2π×1kHz，采样频率fs=10kHz，则预畸变后模拟域对应角频率为___2π×1032.1___rad/s（保留一位小数）。19.某电容式微加速度计采用梳齿结构，其静态电容C₀=2pF，弹性系数k=10N/m，当施加1g加速度时，极板位移Δx=___9.81×10⁻⁷___m，电容相对变化ΔC/C₀≈___4.9×10⁻⁴___（忽略边缘效应，间隙d=2µm）。20.在激光干涉仪中，若使用632.8nm氦氖激光，四倍频计数，则每计数对应位移为___158.2___nm。21.某16-bit逐次逼近ADC转换时间为2µs，其最大采样率为___500___kS/s。22.对于Pt100热电阻，0°C时电阻为100Ω，温度系数α=0.00385°C⁻¹，则100°C时电阻为___138.5___Ω。23.在电磁流量计中，若励磁频率为6.25Hz，则其可有效抑制1/f噪声的最低采样周期为___0.16___s。24.某光纤陀螺零偏稳定性为0.01°/h，则折合到角随机游走系数为___0.00017___°/√h（保留五位有效数字）。25.利用自混合干涉测量振动时，若激光波长785nm，反馈参数C=2.5，则一个干涉条纹对应目标位移为___157___nm。四、简答题（每题8分，共24分）26.简述在精密电容式位移测量中，采用交流驱动与相敏检波（lock-in）技术的必要性，并给出抑制寄生电容影响的两种工程措施。答案：(1)必要性：直流驱动下极板电导泄漏与放大器偏置电流会引入漂移；采用高频交流驱动可将信号频谱搬移至远离1/f噪声区，相敏检波以驱动频率为参考，实现窄带滤波，提高信噪比与抗干扰能力。(2)抑制寄生措施：a.采用三同轴电缆，内层屏蔽接驱动保护电位，使内外屏蔽间寄生电容不流经信号线；b.在传感器附近放置集成前置放大器，缩短高阻抗节点路径，降低寄生电容对灵敏节点的影响。27.说明激光多普勒测速中“频移-方向模糊”产生的物理原因，并给出利用声光移频器解决该问题的原理。答案：当散射粒子速度方向与光差矢量相反时，多普勒频移符号相反；若系统无频移，正负速度对应相同频差绝对值，无法区分流向。声光移频器在一条光路引入固定频移fB，使零速度对应输出频率为fB，正向速度产生fB+Δf，反向产生fB−Δf，从而通过频谱位置判向，消除方向模糊。28.在MEMS谐振式压力传感器中，解释“谐振频率-温度”漂移的锚点热应力机制，并给出一种主动补偿方法。答案：锚点热应力机制：谐振梁与基底材料热膨胀系数失配，温度变化时锚点产生轴向热应力σ=E(α_sub−α_beam)ΔT，改变梁等效刚度，导致谐振频率漂移。主动补偿：在同一芯片上制作参考谐振器并封装于真空腔，其仅受温度影响而无压力载荷，实时测得温度引起的频移，利用数字逻辑对压力谐振器输出进行系数校正，实现温度补偿。五、计算题（共41分）29.（10分）单臂应变片桥路分析已知：钢质悬臂梁弹性模量E=200GPa，尺寸b×h=20mm×2mm，应变片灵敏系数K=2.0，电阻R=120Ω，桥压U=5V，负载质量m=0.5kg作用于自由端，梁长L=200mm。求：(1)负载引起梁根部的最大应变ε；(2)单臂接法输出电压ΔU；(3)若采用半桥差动（两片贴于上下表面），输出电压提高倍数。解：(1)悬臂梁端部集中力F=mg=4.905N，根部弯矩M=FL=0.981N·m截面惯性矩I=bh³/12=1.333×10⁻⁸m⁴最大应力σ=M·(h/2)/I=73.6MPa应变ε=σ/E=3.68×10⁻⁴(2)单臂输出：ΔU=U·K·ε/4=5×2.0×3.68×10⁻⁴/4=0.92mV(3)半桥差动：ΔU_half=U·K·ε/2=1.84mV，提高倍数=2答案：(1)3.68×10⁻⁴；(2)0.92mV；(3)2倍30.（10分）热电偶动态响应某K型热电偶接保护套管后，时间常数τ=3s，初始温度20°C，突然置入200°C气流中。求：(1)温度上升至180°C所需时间；(2)若气流以5°C/s线性升温，求稳态滞后误差。解：(1)一阶系统响应T(t)=T∞+(T₀−T∞)e^(−t/τ)令T(t)=180°C，解得t=−τln[(180−200)/(20−200)]=3ln(0.111)≈6.5s(2)线性升温输入r(t)=20+5t，稳态误差e_ss=τ·(dr/dt)=3×5=15°C答案：(1)6.5s；(2)15°C31.（11分）光纤FBG传感网络设计需监测50个测点，每点应变范围±1500µε，温度范围−20°C~80°C。FBG中心波长1550nm，应变灵敏度1.2pm/µε，温度灵敏度10pm/°C。光源带宽40nm，光谱仪分辨率0.1nm。求：(1)单根光纤采用波分复用，最多可复用栅数；(2)若采用时分复用，脉冲宽度10ns，光纤折射率n=1.468，求相邻栅最小间距；(3)比较两种复用方式对光源功率预算的差异（定性）。解：(1)单栅峰漂移=1500×1.2+100×10=1800+1000=2800pm=2.8nm保护带取0.2nm，则每栅需3.0nm，40/3≈13栅(2)脉冲空间宽度Lp=c·τ/(2n)=3×10⁸×10×10⁻⁹/(2×1.468)≈1.02m最小间距≥Lp→1.02m(3)波分复用：各栅同时反射，功率按栅数分，接收端需高动态；时分复用：脉冲峰值功率高，但占空比低，平均功率相近，需考虑ADC采样速率与缓存。答案：(1)13；(2)1.02m；(3)波分复用平均功率低但持续，时分峰值高但需高速采样，功率预算总体相近，需按链路损耗与接收机带宽权衡。32.（10分）电磁流量计信号处理某电磁流量计励磁频率25Hz，传感器内径D=50mm，水流速v=1m/s，理论输出电动势E=B·D·v，磁感应强度B=0.1T。实际信号含50Hz工频干扰10mV（峰-峰），白噪声均方根0.5mV。求：(1)理论输出信号幅值；(2)若采用相干解调（与励磁同频同相），解调后信噪比改善因子（假设工频干扰与信号不相关）；(3)若将励磁频率提高到60Hz，理论上是否可完全避开50Hz干扰？说明原因。解：(1)E=0.1×0.05×1=5mV(2)相干解调等效噪声带