2026年传感器与检测技术试卷及答案

2026年传感器与检测技术》试卷及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1在金属电阻应变片中，导致灵敏系数k小于材料本身灵敏系数k₀的主要原因是A.应变片长度变化 B.胶层传递应变损失 C.温度漂移 D.横向效应答案：D1.2采用四片差动全桥测量悬臂梁应变时，若供桥电压为U，应变片电阻变化为ΔR，则理想输出电压为A.U·ΔR/R B.U·ΔR/(2R) C.U·ΔR/(4R) D.0答案：A1.3热电偶冷端补偿电桥中，补偿电阻通常采用A.铜 B.康铜 C.铂 D.镍答案：A1.4在压电加速度传感器中，为了抑制低频干扰，电荷放大器的反馈元件应选A.大电阻并联小电容 B.小电阻并联大电容 C.纯电阻 D.纯电感答案：A1.5光纤F-P腔压力传感器，若腔长L、折射率n，则第m级干涉峰波长λ满足A.2nL=mλ B.答案：A1.6用霍尔元件测磁感应强度B，若控制电流I、元件厚度d、霍尔电压U_H，则B=A. B. C. D.答案：A1.7在MEMS电容式加速度计中，引入“力平衡”闭环工作的主要目的是A.提高量程 B.抑制非线性 C.降低阻尼 D.增大体积答案：B1.8当光电二极管工作于零偏压光伏模式时，其输出电流与入射光功率P的关系近似为A.线性 B.平方律 C.指数 D.对数答案：A1.9利用NTC热敏电阻测温，若采用恒压法，为减小自热误差应A.增大工作电流 B.减小工作电流 C.提高环境温度 D.并联大电容答案：B1.10在无线传感器网络MAC协议中，S-M协议主要解决A.路由 B.拥塞控制 C.能量效率 D.数据融合答案：C2.多项选择题（每题3分，共15分；每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）2.1下列措施中，能够提高差动变压器线性度的有A.采用三段式骨架 B.提高激励频率 C.增加次级匝数 D.磁芯加铜环答案：A、C、D2.2关于金属氧化物半导体气体传感器，下列说法正确的有A.灵敏度与晶粒尺寸成反比 B.工作温度通常200–450°C C.对湿度不敏感 D.可采用交流驱动抑制漂移答案：A、B、D2.3在激光三角测距中，影响系统分辨率的因素包括A.PSD像素间距 B.激光光斑直径 C.被测面倾角 D.采样ADC位数答案：A、B、C、D2.4以下属于压电常数d₃₃单位的有A.C/N B.m/V C.pC/N D.nm·V⁻¹答案：A、C2.5对于24-bitΣ-ΔADC用于热电偶采集，下列说法正确的有A.有效分辨率约18–20bit B.内置PGA可放大微伏信号 C.采样率越高噪声越低 D.可通过数字滤波抑制50Hz答案：A、B、D3.填空题（每空2分，共20分）3.1金属热电阻Pt100在0°C时的阻值为________Ω，温度系数α为________×10⁻³°C⁻¹。答案：100；0.3853.2若压电陶瓷片直径10mm、厚度2mm，d₃₃=390pC/N，施加力F=1N，则产生电荷Q=________pC。答案：3903.3光纤光栅中心波长1550nm，应变灵敏度1.2pm/με，温度灵敏度10pm/°C，若同时产生100με与5°C变化，则总波长漂移________pm。答案：1703.4采用惠斯通电桥测电阻，若桥臂比n=1，检流计内阻R_g→∞，则电桥灵敏度S=________。答案：U/(4R)3.5某MEMS陀螺零偏稳定性0.1°/s/√Hz，若带宽100Hz，则角度随机游走________°/√h。答案：603.6热电偶类型K在1000°C时热电动势________mV（冷端0°C）。答案：41.2763.7激光多普勒测速中，若激光波长λ=632.8nm，运动物体速度v=1m/s，则频移Δf=________MHz。答案：1.583.8用电容式液位计测介电常数ε_r=2.5的燃油，若空罐电容C₀=100pF，满罐电容C_f=________pF。答案：2503.9当霍尔系数K_H=0.1m³/C，控制电流I=10mA，厚度d=1mm，则产生1mV霍尔电压所需磁感应强度B=________mT。答案：13.10在IEEE1451.4标准中，TEDS存储器最小容量为________bit。答案：10244.简答题（每题8分，共24分）4.1简述金属应变片横向效应产生机理及减小措施。答案：横向效应指应变片对垂直于主应变方向应变的灵敏度，来源于栅丝弯头部分。弯头处受横向应变ε_y时，电阻变化与主应变ε_x反向，导致整体灵敏系数k下降。减小措施：（1）采用短接式或箔式栅，减小弯头长度；（2）选用窄栅长、大栅宽结构；（3）采用差动半桥或全桥布置，使横向应变互为共模；（4）标定时给予横向灵敏度系数C，并在数据处理中修正：ε_x=(ε_m−Cε_y)/(1−C²)。4.2说明热电偶冷端补偿电桥的工作原理并给出补偿条件。答案：电桥由三个锰铜电阻R及一个铜电阻R_Cu组成，置于冷端温度T₀。R_Cu阻值随T₀升高而增大，使电桥输出电压ΔE与热电偶冷端电动势E(T₀,0)大小相等、极性相反，即ΔE=−E(T₀,0)。补偿条件：（1）铜电阻温度系数α_Cu与热电偶Seebeck系数S在0–50°C内匹配；（2）桥路供电电压恒定；（3）R_Cu与热电偶冷端处于同一温度场。4.3比较飞行时间法（ToF）与相位差法激光测距的优缺点。答案：ToF直接测量光脉冲往返时间t，测距D=ct/2，优点：原理简单、对反射率不敏感、可测远距离；缺点：需高带宽接收器、时间分辨率决定精度（1ns≈15cm）。相位差法通过测量调制光波相位差Δφ，D=cΔφ/(4πf_m)，优点：毫米级精度、抗多路径强；缺点：存在模糊距离D_amb=c/(2f_m)，需多频解模糊，电路复杂。5.计算与分析题（共41分）5.1（10分）悬臂梁自由端受力F，梁宽b=10mm，厚h=0.5mm，弹性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3。在距固定端L=50mm处贴一片金属应变片R=120Ω，k=2.0，并组成单臂电桥，供桥电压U=5V。求：（1）产生200με时，电桥输出电压U_o；（2）若采用四片差动全桥，输出电压变为多少？答案：（1）单臂：ΔR/R=kε=2×200×10⁻⁶=4×10⁻⁴，U_o=U·ΔR/(4R)=5×4×10⁻⁴/4=0.5mV（2）全桥：四片均受±ε，输出U_o=U·kε=5×2×200×10⁻⁶=2mV5.2（10分）某压电加速度传感器参数：电荷灵敏度S_q=50pC/g，固有频率f_n=25kHz，阻尼比ζ=0.05，连接电荷放大器，反馈电容C_f=1nF，反馈电阻R_f=100GΩ。求：（1）电压灵敏度S_v（mV/g）；（2）低频截止频率f_L；（3）当输入加速度10g、频率1kHz正弦振动时，输出电压幅值。答案：（1）S_v=S_q/C_f=50pC/1nF=50mV/g（2）f_L=1/(2πR_fC_f)=1/(2π×10¹¹×10⁻⁹)=1.59Hz（3）1kHz≫f_L，增益≈1，U_o=S_v·a=50mV/g×10g=0.5V5.3（11分）光纤F-P腔压力传感器，腔长L₀=100μm，折射率n=1，硅膜片厚度t=50μm，半径a=1.5mm，弹性模量E=170GPa，泊松比ν=0.28。压力p作用下膜片中心挠度w₀与腔长变化ΔL关系为=求：（1）当p=100kPa时，ΔL=w₀；（2）若第m级干涉峰波长1550nm，求m；（3）压力灵敏度S_p=Δλ/Δp（pm/kPa）。答案：（1）w₀=3×(1−0.28²)×10⁵×(1.5×10⁻³)⁴/(16×170×10⁹×(50×10⁻⁶)³)=1.97μm（2）2nL₀=mλ→m=2×100×10⁻⁶/(1550×10⁻⁹)=129（3）Δλ=λ·ΔL/L₀=1550×1.97/100=30.5pm，S_p=30.5pm/100kPa=0.305pm/kPa5.4（10分）无线传感器节点采用能量收集，环境振动加速度功率谱密度S_a=10⁻⁶g²/Hz，频段20–200Hz，压电悬臂梁转换效率η=0.3，质量m=2g，机械品质因数Q=50，求可收集平均功率P。提示：均方加速度―有效惯性力F=m·a_rms，平均功率P答案：Δf=180Hz，a_rms=√(10⁻⁶×180)=1.34×10⁻²g=0.131m/s²，ω₀=2π×110≈691rad/s（取中心频率），P=(2×10⁻³×0.131²)/(2×691)×50×0.3=0.19μW6.综合设计题（20分）设计一套基于MEMS热电堆与NTC的“非接触红外测温模块”，目标量程30–50°C，精度±0.2°C，输出I²C数字信号。要求：（1）画出系统结构框图，标明信号流向；（2）给出热电堆选型关键参数并计算信噪比；（3）说明NTC作用及温度补偿算法；（4）给出标定流程及两点温度修正公式；（5）列出抗环境干扰措施。答案：（1）框图：红外透镜→MEMS热电堆→低噪声放大器→24-bitADC→MCU→I²C；NTC贴于热电堆冷端→ADC；环境光传感器→数字滤波；EEPROM存标定参数。（2）选TPIS1S1385，灵敏度S=100μV/°C，内阻R_t=50kΩ，噪声密度e_n=38nV/√Hz，带宽B=10Hz，信噪比SNR=S·ΔT/(e_n√B)=0.2×100×10⁻⁶/(38×10⁻⁹×√10)=1.66×10³≈64dB，满足0.2°C分辨率。（3）NTC测冷端温度T_c，用于冷端补偿：目标温度T_obj=T_c+U