2025年測(cè)試與傳感器技術(shù)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.以下關(guān)于傳感器靜態(tài)特性的描述中，錯(cuò)誤的是（）A.線性度是指?jìng)鞲衅鬏敵?輸入特性曲線與擬合直線的偏離程度B.遲滯反映傳感器在正、反行程中輸出-輸入特性曲線的不重合程度C.重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谙嗤瑮l件下、同一方向多次輸入同一量值時(shí)輸出的一致性D.靈敏度越高，傳感器的測(cè)量范圍越寬2.某電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.1，當(dāng)承受ε=1500με的應(yīng)變時(shí)，其電阻相對(duì)變化量ΔR/R為（）A.0.315%B.0.21%C.0.42%D.0.15%3.電容式傳感器中，為了減小邊緣效應(yīng)的影響，通常采用的方法是（）A.增大極板間距B.減小極板面積C.增加保護(hù)環(huán)D.采用變介電常數(shù)結(jié)構(gòu)4.壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量的主要原因是（）A.壓電材料的居里點(diǎn)低B.電荷易泄漏，無(wú)法長(zhǎng)期保存C.輸出信號(hào)微弱D.傳感器固有頻率低5.以下哪種傳感器屬于發(fā)電型傳感器？（）A.熱電偶B.應(yīng)變片C.電感式傳感器D.電容式傳感器6.光纖傳感器中，利用光纖本身作為敏感元件的稱為（）A.傳光型光纖傳感器B.功能型光纖傳感器C.非功能型光纖傳感器D.強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器7.熱電阻傳感器常用三線制接法的主要目的是（）A.提高測(cè)量精度，減小引線電阻的影響B(tài).簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)C.增加傳感器的測(cè)量范圍D.提高傳感器的響應(yīng)速度8.霍爾傳感器測(cè)量位移時(shí)，通常利用的是（）A.霍爾元件在均勻梯度磁場(chǎng)中的位置與輸出電壓的線性關(guān)系B.霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比C.霍爾元件的溫度補(bǔ)償特性D.霍爾效應(yīng)的非線性特性9.以下關(guān)于MEMS傳感器的描述中，正確的是（）A.MEMS傳感器體積大，難以集成B.主要采用傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝制造C.可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)集成測(cè)量（如加速度、角速度、氣壓）D.不適用于消費(fèi)電子領(lǐng)域10.光電傳感器中，基于外光電效應(yīng)的器件是（）A.光敏電阻B.光電二極管C.光電倍增管D.光電池11.某電感式傳感器的線圈電感L=2mH，接入頻率f=10kHz的交流電路中，其感抗XL為（）A.125.6ΩB.62.8ΩC.251.2ΩD.314Ω12.生物傳感器的核心部件是（）A.信號(hào)轉(zhuǎn)換元件B.生物敏感膜C.放大電路D.數(shù)據(jù)處理單元13.測(cè)試系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理電路的作用不包括（）A.放大微弱信號(hào)B.濾除噪聲C.模數(shù)轉(zhuǎn)換D.線性化補(bǔ)償14.以下哪種傳感器可用于非接觸式溫度測(cè)量？（）A.鉑電阻B.熱電偶C.紅外測(cè)溫儀D.熱敏電阻15.傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是（）A.上升時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差B.線性度、遲滯、重復(fù)性C.靈敏度、分辨率、閾值D.量程、過(guò)載能力、穩(wěn)定性二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器一般由______、______和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。2.電阻應(yīng)變片的工作原理是基于______效應(yīng)；壓阻式傳感器的工作原理是基于______效應(yīng)。3.電容式傳感器可分為_(kāi)_____、______和變介電常數(shù)型三種基本類型。4.壓電材料分為_(kāi)_____、______和高分子壓電材料三類。5.熱電偶的熱電勢(shì)由______和______兩部分組成。6.光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)、______和______三類。7.電感式傳感器包括自感式、______和______三種類型。8.傳感器的分辨率是指______；閾值是指______。9.測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定是為了確定傳感器的______特性；動(dòng)態(tài)標(biāo)定是為了確定傳感器的______特性。10.MEMS加速度計(jì)的核心敏感結(jié)構(gòu)通常為_(kāi)_____；其工作原理基于______。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.比較應(yīng)變式傳感器與壓阻式傳感器的異同點(diǎn)。2.說(shuō)明電容式傳感器邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生原因及減小方法。3.簡(jiǎn)述壓電式傳感器的測(cè)量電路為何需要前置放大器，并比較電壓放大器與電荷放大器的特點(diǎn)。4.分析光纖傳感器中強(qiáng)度調(diào)制與相位調(diào)制的原理及各自優(yōu)缺點(diǎn)。5.列舉三種新型傳感器（2020年后發(fā)展的），并說(shuō)明其技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景。四、分析計(jì)算題（每題10分，共30分）1.某應(yīng)變片測(cè)量電路采用單臂電橋（如圖1所示），供橋電壓U=6V，應(yīng)變片初始電阻R1=R2=R3=R4=120Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0。當(dāng)被測(cè)應(yīng)變?chǔ)?2000με時(shí)：（1）計(jì)算電橋輸出電壓ΔU；（2）若采用雙臂半橋（R1、R2為工作片，R3、R4為固定電阻），輸出電壓變?yōu)槎嗌伲糠治霭霕蚪臃ǖ膬?yōu)勢(shì)。2.某K型熱電偶（分度號(hào)K，鎳鉻-鎳硅）測(cè)量溫度，冷端溫度t0=30℃，測(cè)得熱電勢(shì)E(t,t0)=36.0mV。查K型熱電偶分度表（部分?jǐn)?shù)據(jù)如下）：E(800℃,0℃)=33.275mV，E(850℃,0℃)=35.313mV，E(900℃,0℃)=37.326mV，E(950℃,0℃)=39.314mV。（1）計(jì)算被測(cè)溫度t；（2）若采用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延伸至20℃的環(huán)境中，此時(shí)測(cè)得的熱電勢(shì)E(t,20℃)為多少？3.某霍爾傳感器用于測(cè)量位移，其激勵(lì)電流I=5mA，磁場(chǎng)梯度dB/dx=0.1T/mm，霍爾系數(shù)KH=20mV·mm/(mA·T)。當(dāng)位移x=2mm時(shí)：（1）計(jì)算霍爾電壓UH；（2）若磁場(chǎng)梯度變?yōu)?.2T/mm，其他參數(shù)不變，UH如何變化？說(shuō)明霍爾傳感器測(cè)位移的關(guān)鍵條件。五、綜合設(shè)計(jì)題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于MEMS技術(shù)的智能手環(huán)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)心率、血壓、血氧和運(yùn)動(dòng)步數(shù)測(cè)量功能。需完成以下內(nèi)容：（1）各參數(shù)對(duì)應(yīng)的傳感器選型及工作原理；（2）信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)思路（包括放大、濾波、去噪）；（3）數(shù)據(jù)處理與通信模塊的方案（需說(shuō)明是否需要集成AI算法）；（4）低功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)（至少列出3項(xiàng)）。測(cè)試與傳感器技術(shù)試題答案（2025年）一、單項(xiàng)選擇題1.D2.A3.C4.B5.A6.B7.A8.A9.C10.C11.A12.B13.C14.C15.A二、填空題1.敏感元件；轉(zhuǎn)換元件2.金屬電阻應(yīng)變；半導(dǎo)體壓阻3.變面積型；變間隙型4.壓電晶體；壓電陶瓷5.接觸電勢(shì)；溫差電勢(shì)6.內(nèi)光電效應(yīng)；光生伏特效應(yīng)7.互感式（差動(dòng)變壓器式）；電渦流式8.傳感器能檢測(cè)到的最小輸入變化量；傳感器從靜止?fàn)顟B(tài)到輸出發(fā)生可測(cè)變化的最小輸入量9.靜態(tài)；動(dòng)態(tài)10.微懸臂梁（或質(zhì)量塊-彈簧結(jié)構(gòu)）；牛頓第二定律（慣性力與加速度的關(guān)系）三、簡(jiǎn)答題1.異同點(diǎn)比較：相同點(diǎn)：均通過(guò)電阻變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，用于測(cè)量應(yīng)力、壓力等物理量。不同點(diǎn)：-應(yīng)變式傳感器：敏感元件為金屬應(yīng)變片，利用金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)（幾何尺寸變化引起電阻變化），靈敏度較低（K≈2），線性度好，溫度穩(wěn)定性高；-壓阻式傳感器：敏感元件為半導(dǎo)體材料，利用壓阻效應(yīng)（載流子遷移率變化引起電阻率變化），靈敏度高（K≈100~200），但溫度系數(shù)大，需溫度補(bǔ)償。2.邊緣效應(yīng)原因及減小方法：原因：電容極板邊緣的電場(chǎng)分布不均勻，導(dǎo)致實(shí)際電容值大于理想平行板電容值，且隨極板位移變化非線性增強(qiáng)。減小方法：-設(shè)計(jì)時(shí)增大極板的寬高比（極板寬度遠(yuǎn)大于間距）；-在極板周圍增加與極板等電位的保護(hù)環(huán)，限制邊緣電場(chǎng)擴(kuò)散；-采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)（如差動(dòng)電容式傳感器），利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)抵消邊緣效應(yīng)的影響。3.前置放大器必要性及比較：必要性：壓電式傳感器輸出為電荷或高內(nèi)阻電壓信號(hào)，需通過(guò)前置放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換（將高內(nèi)阻轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻），并放大微弱信號(hào)。電壓放大器：輸入阻抗高，輸出電壓與壓電元件的開(kāi)路電壓成正比，受連接電纜電容影響大（電纜長(zhǎng)度變化會(huì)改變系統(tǒng)靈敏度）；電荷放大器：輸入級(jí)為積分器，輸出電壓與壓電元件的電荷量成正比，幾乎不受電纜電容影響，穩(wěn)定性更高，適用于長(zhǎng)距離傳輸。4.強(qiáng)度調(diào)制與相位調(diào)制原理及優(yōu)缺點(diǎn)：強(qiáng)度調(diào)制：通過(guò)外界物理量（如溫度、壓力）改變光纖中傳輸光的強(qiáng)度（如微彎調(diào)制、吸收調(diào)制），原理簡(jiǎn)單，檢測(cè)電路成本低；缺點(diǎn)是易受光源波動(dòng)、光纖損耗等干擾，精度較低。相位調(diào)制：利用外界物理量改變光纖的折射率或長(zhǎng)度，導(dǎo)致光的相位變化（如馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x），通過(guò)干涉測(cè)量相位差；優(yōu)點(diǎn)是靈敏度極高（可達(dá)10??rad），抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是需要高精度的相位解調(diào)電路，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。5.新型傳感器舉例：（1）柔性可拉伸壓力傳感器：基于石墨烯/PDMS復(fù)合薄膜，利用壓阻效應(yīng)，可貼合人體皮膚，用于可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)脈搏、呼吸；（2）光子晶體生物傳感器：通過(guò)生物分子與光子晶體表面的特異性結(jié)合改變反射光譜，實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)記、高靈敏度的病毒檢測(cè)（如新冠病毒快速檢測(cè)）；（3）量子點(diǎn)熒光溫度傳感器：量子點(diǎn)的熒光波長(zhǎng)隨溫度變化，響應(yīng)速度快（μs級(jí)），空間分辨率高（μm級(jí)），用于微納尺度熱管理（如芯片溫度分布測(cè)量）。四、分析計(jì)算題1.應(yīng)變片電橋計(jì)算：（1）單臂電橋輸出電壓公式：ΔU=(U·K·ε)/4代入數(shù)據(jù)：ΔU=(6×2.0×2000×10??)/4=6×4×10?3/4=6×10?3V=6mV（2）雙臂半橋時(shí)，R1、R2為工作片，若應(yīng)變方向相反（ΔR1=+ΔR，ΔR2=-ΔR），則輸出電壓ΔU'=(U·K·ε)/2=12mV。優(yōu)勢(shì)：半橋接法利用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，可抵消溫度誤差（兩應(yīng)變片溫度引起的ΔR相同，相互抵消），并使靈敏度提高1倍。2.熱電偶溫度計(jì)算：（1）根據(jù)中間溫度定律，E(t,0℃)=E(t,t0)+E(t0,0℃)。查分度表，E(30℃,0℃)=1.203mV（實(shí)際分度表中K型熱電偶30℃對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)約1.203mV），因此E(t,0℃)=36.0+1.203=37.203mV。分度表中E(900℃,0℃)=37.326mV，E(890℃,0℃)=37.326-(37.326-35.313)/(50)×10≈37.326-0.4026=36.923mV（插值法）。37.203mV介于890℃與900℃之間，計(jì)算差值：37.203-36.923=0.28mV，每℃對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)約(37.326-36.923)/10≈0.0403mV/℃，因此t≈890+0.28/0.0403≈897℃。（2）冷端延伸至20℃時(shí)，E(t,20℃)=E(t,0℃)-E(20℃,0℃)=37.203-0.798=36.405mV（K型熱電偶20℃對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)約0.798mV）。3.霍爾傳感器位移測(cè)量：（1）霍爾電壓公式：UH=KH·I·B，而B(niǎo)=∫(dB/dx)dx=(dB/dx)·x（線性梯度磁場(chǎng)），因此UH=KH·I·(dB/dx)·x。代入數(shù)據(jù)：UH=20×5×0.1×2=20mV。（2）磁場(chǎng)梯度變?yōu)?.2T/mm時(shí)，UH=20×5×0.2×2=40mV，輸出電壓加倍。關(guān)鍵條件：磁場(chǎng)需具有均勻的梯度（dB/dx為常數(shù)），以保證UH與x成線性關(guān)系。五、綜合設(shè)計(jì)題（1）傳感器選型及原理：-心率：PPG光電傳感器（綠光LED+光敏二極管），利用血液對(duì)光的吸收隨心臟跳動(dòng)周期性變化，通過(guò)光強(qiáng)波動(dòng)檢測(cè)心率；-血壓：MEMS壓阻式傳感器（硅膜片+壓敏電阻），檢測(cè)手腕動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)的壓力變化，結(jié)合示波法算法計(jì)算血壓；-血氧：雙波長(zhǎng)（紅光660nm、紅外940nm）PPG傳感器，利用氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白對(duì)兩波長(zhǎng)光的吸收差異，通過(guò)比值法計(jì)算血氧飽和度；-運(yùn)動(dòng)步數(shù)：MEMS三軸加速度計(jì)（質(zhì)量塊-彈簧結(jié)構(gòu)），檢測(cè)加速度信號(hào)的周期性變化（如步行時(shí)的上下振動(dòng)），通過(guò)閾值檢測(cè)或機(jī)器學(xué)習(xí)算法識(shí)別步數(shù)。（2）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)：-放大：PPG信號(hào)微弱（μV級(jí)），采用低噪聲運(yùn)算放大器（如AD8221）進(jìn)行差分放大（抑制共模噪聲）；-濾波：心率信號(hào)頻率0.5~3Hz，設(shè)計(jì)二階低通濾波器（截止頻率5Hz）；加速度信號(hào)頻率0.1~20Hz，設(shè)計(jì)帶通濾波器（0.1~30Hz）；-去噪：加入50Hz陷波濾波器抑制工頻干擾，PPG信號(hào)采用數(shù)字平均濾波（消除環(huán)境光波動(dòng)）。（3）數(shù)據(jù)處理與通信：-數(shù)據(jù)處理：集成ARMCortex-M4微控制器，對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)提?。ㄍㄟ^(guò)低通濾波），對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行FFT分析識(shí)別運(yùn)動(dòng)模式