2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——壓力傳感技術的物理原理考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.壓力是單位面積上所受的______，其國際單位是______。2.應力是單位面積上所受的______，分為張應力和______。3.壓阻效應是指材料受到______作用時，其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。4.壓電效應是指某些晶體材料在受到______作用時，其內部產(chǎn)生______現(xiàn)象。5.半導體應變片的壓阻系數(shù)通常比金屬應變片______，且與應力呈______關系。6.壓電傳感器根據(jù)輸出信號形式可分為______輸出和______輸出兩種基本類型。7.壓電傳感器的等效電路通常可以等效為一個______與一個______的串聯(lián)。8.在使用電荷放大器測量壓電傳感器信號時，其主要優(yōu)點是具有______的輸入阻抗和______的輸出阻抗。9.惠斯通電橋是測量電阻變化的一種常用電路，當電橋平衡時，橋臂電阻滿足______關系。10.壓力傳感器的靈敏度是指單位______變化所引起的輸出______變化的程度。二、選擇題（每題3分，共30分。請將正確選項的字母填在括號內）1.下列哪種材料通常具有顯著的壓阻效應？（）A.石英晶體B.金屬鋁C.半導體硅D.壓電陶瓷2.壓電效應是哪種材料的特性？（）A.導電金屬B.金屬氧化物C.某些晶體D.玻璃纖維3.在壓阻式壓力傳感器中，通常采用半導體應變片的原因是？（）A.機械強度高B.電阻率大C.壓阻系數(shù)大D.成本低廉4.半橋電路相比單臂橋電路，其主要優(yōu)點是？（）A.靈敏度更高B.溫度漂移更小C.結構更簡單D.適用于大應變測量5.電荷放大器適用于測量具有______的壓電傳感器信號？（）A.高內阻B.低內阻C.高電壓D.低頻率6.下列哪個物理量是描述壓力傳感器線性度好壞的指標？（）A.靈敏度B.阻尼C.線性范圍D.分辨率7.壓力傳感器輸出信號通常需要進行______處理？（）A.放大B.濾波C.調制D.以上都是8.壓電傳感器在受到恒定溫度變化時，可能會產(chǎn)生______輸出？（）A.穩(wěn)定電荷B.穩(wěn)定電壓C.零輸出D.隨機噪聲9.應變效應是指材料在______作用下，其物理性質（如電阻率）發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。（）A.力B.壓力C.應變D.溫度10.選擇壓力傳感器時，首先需要考慮的是？（）A.傳感器的價格B.傳感器的尺寸C.測量范圍和精度D.傳感器的顏色三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述壓阻效應的基本原理。2.簡述壓電效應的基本原理及其主要應用。3.簡述惠斯通電橋（全橋）如何提高測量靈敏度并減小溫度漂移。4.簡述影響壓電傳感器低頻響應的主要因素及其原因。四、計算題（每題10分，共30分）1.一個半導體壓阻式壓力傳感器，其基板尺寸為10mm×10mm，厚度為1mm。假設該半導體材料的長寬比系數(shù)K=3，壓阻系數(shù)ρ=120×10^-10Ω·m^-1，在受到一個10^5Pa的壓力時，其電阻變化量為0.1Ω。試計算該材料的電阻率以及長寬比效應引起的電阻變化量。（假設幾何尺寸變化可忽略）2.一個壓電傳感器，其壓電系數(shù)為2×10^-12C/N，輸出電容為1000pF。當傳感器受到一個從0到100N的階躍壓力時，試計算產(chǎn)生的最大電荷量和開路電壓（假設初始電荷為0，忽略其他電容影響）。3.一個等臂惠斯通電橋，四個橋臂電阻均為R=100Ω。當其中一個橋臂電阻因受壓變化而變?yōu)镽'=105Ω時，試計算電橋的輸出電壓Vout（假設電源電壓Vs=5V）。---試卷答案一、填空題1.力；帕斯卡(Pa)2.力；壓應力3.應力；電阻4.力；電荷5.大；平方6.電荷；電壓7.電容；電阻8.高；高9.R1R3=R2R410.壓力；電信號（電壓或電荷）二、選擇題1.C2.C3.C4.A5.A6.C7.D8.A9.C10.C三、簡答題1.解析思路：壓阻效應原理核心在于“力變阻”。當半導體材料受到應力作用時，其內部晶格結構發(fā)生畸變，導致載流子（電子或空穴）的遷移率或有效數(shù)量發(fā)生變化，從而改變了材料的電阻率。這種電阻率的變化與施加的應力成一定關系（對于半導體，常近似為平方關系）。2.解析思路：壓電效應原理核心在于“力生電”。某些特定的晶體材料（如石英、壓電陶瓷）具有非中心對稱的晶體結構，當其沿著特定方向受到機械應力（壓應力或拉應力）作用時，其內部會產(chǎn)生正負電荷，在晶體表面形成電勢差，呈現(xiàn)出電學性質。反之，當對這些晶體施加電場時，它們也會發(fā)生相應的機械變形。主要應用在于制作力、壓力、加速度等傳感器。3.解析思路：全橋電路利用了電阻變化的疊加原理。當其中一個電阻變化ΔR時，全橋產(chǎn)生的輸出電壓與單個電阻變化引起的輸出電壓成倍數(shù)關系（理想情況下為2倍）。這使得輸出信號幅度顯著增大。同時，由于四個橋臂的電阻同時受溫度影響（阻值變化方向和大小可能相同），在電橋對稱的情況下，這種影響可以通過橋臂的配比得到有效抵消，從而提高測量精度，減小溫度漂移。4.解析思路：壓電傳感器的低頻響應主要受其內部電容C和測量電路輸入阻抗R_in的影響。根據(jù)電荷平衡方程Q=C*V和電壓放大倍數(shù)公式Vout≈-Zf/(Zs+Zm)，其中Zf是反饋阻抗（通常很大），Zs是傳感器輸出阻抗（主要是C的容抗1/(jωC)），Zm是測量電路輸入阻抗。低頻時，ω趨近于0，Zs趨近于無窮大，導致傳感器輸出電壓Vout趨近于0或飽和，無法準確反映低頻輸入信號。提高R_in可以有效改善低頻響應。四、計算題1.解析思路：首先利用電阻變化公式ΔR=(1+ρ)*(ΔL/L)*(ΔR/R)≈ρ*(ΔL/L)*(1/R)，其中ρ是壓阻系數(shù)，ΔL/L是長寬比變化，ΔR/R是電阻率變化。由于長寬比系數(shù)K=Δ(ln(R))/Δ(ΔL/L)，所以ΔL/L=Δ(ln(R))/K。將此代入ΔR≈ρ*(Δ(ln(R))/K)*(1/R)變?yōu)棣≈(ρ/R)*(Δ(ln(R))/K)。積分得到ΔR≈(ρ/R)*(ln(Rf)-ln(Ri))/K=(ρ/R)*(ln(Rf/Ri))/K。已知ΔR,R,ρ,K，可求得ln(Rf/Ri)。再利用電阻率公式ρ=R*(Rf/Ri)^(1/ln(Rf/Ri))計算電阻率。長寬比效應通常指幾何尺寸變化引起的電阻變化，計算公式為ΔR_geo=(1-2ν)*(ΔL/L)*(1/R)，其中ν是泊松比。將ΔL/L=Δ(ln(R))/K代入即可。*電阻率計算：*ln(Rf/Ri)=ΔR*K/(ρ/R)=0.1*3/(120×10^-10/100)=0.25*Rf/Ri=e^0.25≈1.284*ρ=R*(Rf/Ri)^(1/ln(Rf/Ri))=100*(1.284)^(1/0.25)≈100*1.284^4≈100*2.07≈207Ω·m^-1*長寬比效應計算：*假設泊松比ν≈0.3(硅的典型值)*ΔL/L=Δ(ln(R))/K=0.1/3≈0.0333*ΔR_geo=(1-2*0.3)*0.0333*(1/100)=0.4*0.0333*0.01≈1.332×10^-4Ω*總電阻變化量ΔR_total=ΔR-ΔR_geo≈0.1-1.332×10^-4≈0.099866Ω(與題目給定的0.1Ω非常接近，微小差異可能源于題目數(shù)據(jù)或近似)2.解析思路：計算最大電荷量Q_max，即當壓力從0變化到100N時產(chǎn)生的總電荷。根據(jù)壓電方程Q=d*F，其中d是壓電系數(shù)，F(xiàn)是壓力。Q_max=d*ΔF=2×10^-12C/N*100N=2×10^-10C。計算開路電壓Voc，假設傳感器初始不帶電，即初始電荷Q_initial=0。開路電壓Voc=Q_max/C=(2×10^-10C)/(1000×10^-12F)=2×10^-10