(2025年)《传感器技术与应用》期末试卷及答案

(2025年)《传感器技术与应用》期末试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列哪种效应是压阻式传感器的工作基础？A.压电效应B.压阻效应C.霍尔效应D.热电效应2.光电传感器中，利用外光电效应工作的器件是？A.光敏电阻B.光电二极管C.光电倍增管D.光电池3.MEMS传感器的核心优势在于？A.高精度B.低成本批量制造C.耐高温D.大测量范围4.光纤传感器相比传统电传感器的突出优点是？A.抗电磁干扰B.线性度高C.响应速度快D.无需电源5.生物传感器中，负责识别目标analyte（分析物）的关键元件是？A.换能器B.生物敏感膜C.信号放大器D.数据处理器6.热电阻传感器常用材料铂（Pt）的主要优点是？A.价格低廉B.温度系数大C.化学稳定性好D.非线性误差小7.电容式传感器中，变面积式结构通常用于测量？A.微小位移B.大位移C.压力D.加速度8.气体传感器中，半导体式传感器主要通过检测以下哪项变化实现气体浓度测量？A.电阻值B.电容值C.电感值D.热导率9.红外传感器检测人体存在时，主要利用的是人体辐射的？A.近红外B.中红外C.远红外D.紫外10.触觉传感器用于机器人抓取时，关键性能指标不包括？A.空间分辨率B.动态响应C.耐腐蚀性D.力灵敏度二、填空题（每空1分，共15分）1.应变片的灵敏度系数K定义为______与______的比值。2.压电材料分为______、______和复合压电材料三类。3.热电偶的基本定律包括______、______和中间温度定律。4.红外传感器按检测方式可分为______型和______型，其中前者依赖温度变化产生信号。5.气体传感器的主要检测参数包括______、______和响应/恢复时间。6.光纤传感器的调制方式主要有______、______、频率调制和相位调制。7.生物传感器的性能指标通常包括______、______和稳定性。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、适用场景及优缺点。2.说明电容式传感器的三种基本工作方式（变极距、变面积、变介电常数）及其典型应用场景。3.分析光纤传感器抗电磁干扰能力强的根本原因，并举例说明其在强电磁环境中的应用。4.热释电传感器为何不能检测静态或缓慢变化的温度信号？需满足什么条件才能正常工作？5.设计一个用于工业锅炉的温度-压力复合传感器，需考虑哪些关键因素？请简述结构设计思路。四、分析题（每题8分，共24分）1.某汽车碰撞传感器（加速度型）在实际测试中出现误触发（未碰撞时输出异常信号），可能的失效原因有哪些？请从传感器原理、结构设计、环境干扰三方面分析。2.设计一套智能家居环境监测系统，需检测温度（-20℃~50℃）、湿度（20%~90%RH）、甲醛（0~0.5ppm）和CO2（300~5000ppm），请为每种参数选择合适的传感器类型，并说明选择依据（如量程、精度、抗干扰性）。3.工业机器人触觉传感器需具备“接触检测-压力测量-表面纹理识别”复合功能，分析其对传感器性能的具体需求（如灵敏度、空间分辨率、动态范围、响应时间）。五、综合应用题（11分）设计一款基于MEMS技术的智能手环多参数监测系统，要求同时测量心率、血压、体温和运动步数。请完成以下任务：（1）选择各参数对应的MEMS传感器类型（需说明工作原理）；（2）设计信号处理流程（从传感器输出到终端显示的关键步骤）；（3）提出校准方法（至少两种参数的校准方案）。答案一、单项选择题1.B2.C3.B4.A5.B6.C7.B8.A9.C10.C二、填空题1.应变片电阻相对变化量（ΔR/R）；试件表面应变（ε）2.压电单晶；压电陶瓷3.均质导体定律；中间导体定律4.热释电（热）；光子（量子）5.灵敏度；选择性（或分辨率）6.强度调制；波长（或偏振）调制7.灵敏度；选择性（或线性度）三、简答题1.压电式传感器基于压电材料的正压电效应（机械应力→电荷），适用于动态力/加速度测量，优点是频响宽、灵敏度高，缺点是不能测静态信号（需电荷放大器）；压阻式传感器基于半导体的压阻效应（应力→电阻率变化），适用于静态/动态压力测量，优点是结构简单、线性好，缺点是温度漂移大（需补偿）。2.变极距式：通过改变极板间距d测量微小位移（如压力传感器），灵敏度高但非线性严重；变面积式：通过改变极板重叠面积A测量大位移（如角位移传感器），线性好但灵敏度较低；变介电常数式：通过改变介质ε测量液位/湿度（如电容式湿度计），依赖介质特性变化。3.光纤传感器以光为信号载体，光纤由绝缘材料（SiO₂）制成，无金属导体，不产生感应电流或电场耦合；应用如高压变电站设备温度监测（避免电磁干扰导致信号失真）、高铁牵引电机振动监测（强电磁环境下可靠传输）。4.热释电效应是材料自发极化强度随温度变化产生表面电荷的现象，静态温度下极化强度不变，无电荷输出；需温度变化（ΔT/Δt≠0）或传感器与被测物体有相对运动（如调制斩波），使敏感元件周期性受热/冷却，产生交变信号。5.关键因素：耐高温（锅炉内≥500℃）、抗腐蚀（烟气含硫/水汽）、压力量程（0~10MPa）、信号隔离（避免温度对压力测量的干扰）。结构设计：采用双敏感单元集成，温度传感器选用Pt1000热电阻（封装于陶瓷保护管），压力传感器选用溅射薄膜式（不锈钢膜片+应变电阻），两者通过隔热层分离，信号经各自调理电路输出。四、分析题1.原理层面：传感器带宽设计不合理（如低频噪声被误判为碰撞信号）；结构层面：质量块与支撑梁连接松动（机械噪声引入）；环境干扰：车辆行驶时的高频振动（如发动机抖动）与传感器固有频率共振，导致误触发。2.温度：数字式NTC热敏电阻（量程-40℃~125℃覆盖需求，精度±0.5℃，集成ADC抗干扰）；湿度：电容式聚合物湿度传感器（量程0~100%RH，精度±3%RH，耐温性好）；甲醛：电化学传感器（量程0~1ppm，精度±0.02ppm，选择性高）；CO2：NDIR（非分散红外）传感器（量程0~10000ppm，精度±50ppm+3%，抗其他气体干扰）。3.接触检测：需高灵敏度（≤0.01N触发）；压力测量：宽动态范围（0.1N~100N）、线性度（≤1%F.S.）；表面纹理识别：高空间分辨率（≤1mm²像素）、快速响应（≤10ms）；此外需耐磨损（接触式测量）、抗油污（工业环境）。五、综合应用题（1）心率：MEMS光电传感器（LED发射绿光，PD接收血管容积变化的反射光，通过光电容积脉搏波法测量）；血压：MEMS压阻式传感器（袖带加压时检测动脉压力变化，结合柯氏音法或示波法）；体温：MEMS热电堆传感器（检测体表红外辐射，内置温度补偿芯片）；运动步数：MEMS三轴加速度计（检测运动时的加速度变化，通过阈值算法计数）。（2）信号处理流程：传感器输出模拟信号→前端调理（放大、滤波，如心率信号需50Hz陷波滤除工频干扰）→ADC采样（16位，200Hz采样率）→MCU处理（心率：FFT提取主频率；血压：识别袖带压力波形特征点；体温：查表校准红外信号；步数：峰值检测+阈值判断）→蓝牙传输（BLE5.0）→手机APP显示（实时曲线+数值）。