2025年《傳感器技術(shù)與應用》期末試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪種效應屬于外光電效應？A.光電導效應B.光生伏特效應C.光電發(fā)射效應D.光伏特效應答案：C2.壓阻式傳感器的核心敏感元件通常采用：A.石英晶體B.單晶硅C.壓電陶瓷D.金屬應變絲答案：B3.MEMS傳感器的主要優(yōu)勢不包括：A.微型化B.低成本批量制造C.多參數(shù)集成D.工作溫度范圍寬（＞500℃）答案：D4.光纖傳感器中，利用光纖本身作為敏感元件的屬于：A.傳光型B.功能型C.非功能型D.強度調(diào)制型答案：B5.熱電阻傳感器常用的材料是：A.銅和鉑B.鎳和金C.銀和鎢D.鐵和鋁答案：A6.氣敏傳感器檢測甲烷氣體時，通?；冢篈.表面電阻變化B.熱導變化C.紅外吸收D.電化學反答案：A7.電容式傳感器測量微小位移時，最常用的轉(zhuǎn)換方式是：A.變面積式B.變極距式C.變介電常數(shù)式D.變體積式答案：B8.熱電偶的熱電勢大小取決于：A.熱端溫度B.冷端溫度C.兩端溫度差D.熱電極材料的長度答案：C9.超聲波傳感器測距時，若聲速為340m/s，測量時間差為2ms，則被測距離約為：A.0.34mB.0.68mC.3.4mD.6.8m答案：A（公式：距離=聲速×時間差/2=340×0.002/2=0.34m）10.紅外傳感器中，用于人體檢測的主要是：A.光子型傳感器B.熱釋電傳感器C.量子阱探測器D.雪崩光電二極管答案：B二、填空題（每空1分，共20分）1.壓電材料分為壓電晶體和______兩大類，典型代表分別為石英和______。答案：壓電陶瓷；PZT（鋯鈦酸鉛）2.應變片的靈敏系數(shù)K定義為______與______的比值，金屬應變片的K主要由______變化引起。答案：電阻相對變化率（ΔR/R）；應變（ε）；幾何尺寸3.熱電偶的基本定律包括均質(zhì)導體定律、中間導體定律和______定律，其中______定律是溫度補償?shù)睦碚撘罁?jù)。答案：中間溫度；中間溫度4.磁敏傳感器中，霍爾傳感器的輸出電壓與______、______和______成正比。答案：控制電流；磁感應強度；霍爾系數(shù)5.氣敏傳感器的工作溫度通常需加熱至______（范圍），目的是______。答案：200-500℃；激活表面反應，提高靈敏度6.光纖的基本結(jié)構(gòu)包括纖芯、______和______，其導光原理是______。答案：包層；涂覆層；全反射7.熱釋電傳感器只能檢測______的紅外輻射，原因是其輸出與______成正比。答案：變化；溫度變化率三、簡答題（每題6分，共30分）1.比較壓電式傳感器與壓阻式傳感器的工作原理及適用場景。答案：壓電式基于壓電材料的正壓電效應（機械應力→電荷），輸出高內(nèi)阻電荷信號，適用于動態(tài)力/振動測量（如加速度計）；壓阻式基于半導體的壓阻效應（應力→電阻率變化），輸出電阻信號，需外接電橋，適用于靜態(tài)/準靜態(tài)壓力測量（如血壓計）。2.說明電容式傳感器的三種基本類型及其優(yōu)缺點。答案：①變極距式：靈敏度高（與極距平方成反比），但線性差（僅適用于微小位移）；②變面積式：線性好，量程大（適用于較大線/角位移），但靈敏度較低；③變介電常數(shù)式：用于測量介質(zhì)參數(shù)（如濕度、液位），受環(huán)境干擾大（需補償）。3.分析光纖傳感器抗電磁干擾能力強的主要原因。答案：光纖以光信號傳輸，光頻遠高于電磁干擾頻率（10^14Hzvs10^6-10^9Hz），且光纖為電絕緣材料（不感應電磁噪聲），信號在纖芯內(nèi)全反射傳輸（無外界電磁耦合），因此抗干擾能力顯著優(yōu)于電類傳感器。4.熱釋電傳感器為何不能檢測恒定的紅外輻射？需如何改進以實現(xiàn)靜態(tài)測量？答案：熱釋電效應輸出電荷與溫度變化率（dT/dt）成正比，恒定紅外輻射下dT/dt=0，無信號輸出。改進方法：在傳感器前加調(diào)制器（如旋轉(zhuǎn)斬光片），將恒定輻射調(diào)制成交變信號，使dT/dt≠0，從而檢測靜態(tài)目標。5.設(shè)計應變片電橋時，如何實現(xiàn)溫度補償？列舉兩種常用方法。答案：①補償片法：在被測試件上貼工作片，在相同材料但不受力的補償塊上貼補償片，兩片區(qū)于相鄰橋臂，溫度引起的電阻變化相互抵消；②自補償應變片法：選用溫度系數(shù)與試件熱膨脹系數(shù)匹配的應變片，使溫度引起的ΔR/R與試件熱應變引起的ΔR/R相互抵消。四、分析題（每題10分，共20分）1.某汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）需實時監(jiān)測輪胎內(nèi)壓力（范圍0.1-0.5MPa）和溫度（-40℃-120℃），并通過無線傳輸至車載終端。請分析傳感器選型及關(guān)鍵設(shè)計要點。答案：（1）壓力傳感器：優(yōu)先選用MEMS壓阻式傳感器（體積小、集成度高），測量范圍覆蓋0.1-0.5MPa（需考慮過壓保護），溫度系數(shù)低（或內(nèi)置溫度補償電路）；（2）溫度傳感器：可選集成式MEMS溫度傳感器（如帶隙溫度傳感器）或熱敏電阻（需線性化處理），測量范圍-40℃-120℃，響應時間＜1s；（3）關(guān)鍵設(shè)計要點：①低功耗（電池供電，需休眠模式+定時喚醒）；②抗振動沖擊（封裝需加固）；③無線傳輸抗干擾（選用2.4GHz或433MHz頻段，編碼校驗）；④溫度對壓力測量的補償（通過軟件算法融合壓力-溫度數(shù)據(jù)）。2.某環(huán)境監(jiān)測站需部署多參數(shù)傳感器系統(tǒng)，監(jiān)測指標包括溫濕度（20-35℃，30-80%RH）、PM2.5（0-500μg/m3）、CO（0-100ppm）、光照強度（0-10萬lux）。請設(shè)計傳感器布局方案并說明抗干擾措施。答案：（1）布局方案：①溫濕度傳感器：安裝于通風但避雨的百葉箱內(nèi)（避免陽光直射和雨水侵蝕）；②PM2.5傳感器：置于離地面1.5m高度（呼吸帶），遠離污染源（如排氣管）；③CO傳感器：因CO密度與空氣接近，均勻分布于監(jiān)測區(qū)域，避免與高溫設(shè)備相鄰；④光照傳感器：水平向上安裝（接收垂直光照），無遮擋物。（2）抗干擾措施：①電磁屏蔽：敏感電路（如PM2.5激光模塊）加金屬屏蔽罩；②溫濕度補償：CO傳感器內(nèi)置溫濕度補償算法（溫濕度影響氣體擴散速率）；③交叉干擾抑制：PM2.5傳感器采用激光散射法（避免與CO光學傳感器的波長重疊）；④接地設(shè)計：所有傳感器共地（減少地電位差干擾）。五、綜合設(shè)計題（20分）設(shè)計一個基于MEMS技術(shù)的智能手環(huán)心率監(jiān)測系統(tǒng)，要求包括傳感器選型、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)處理模塊及低功耗設(shè)計要點。答案：1.傳感器選型：采用光電式心率傳感器（PPG原理），發(fā)射綠光LED（525nm，血紅蛋白吸收峰），接收硅光電二極管（響應可見光）。MEMS工藝集成LED和探測器（減小體積），內(nèi)置濾光片（抑制環(huán)境光干擾）。2.信號調(diào)理電路：（1）前置放大：跨阻放大器（將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，增益10^4-10^5V/A）；（2）濾波：低通濾波器（截止頻率5Hz，濾除運動噪聲）+高通濾波器（截止頻率0.5Hz，去除直流漂移）；（3）主放大：差分放大器（抑制共模噪聲，增益20-50倍）；（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換：16位ADC（采樣率50Hz，滿足心率信號（0.8-3Hz）的奈奎斯特采樣）。3.數(shù)據(jù)處理模塊：（1）數(shù)字濾波：滑動平均濾波（平滑毛刺）+自適應閾值檢測（識別脈搏波峰）；（2）心率計算：通過相鄰峰間距的倒數(shù)計算瞬時心率，滑動窗口（10秒）平均輸出；（3）異常檢測：運動狀態(tài)識別（結(jié)合加速度計數(shù)據(jù)），排除運動偽影（如信號幅值突變＞20%時標記為無效數(shù)據(jù)）。4.低功耗設(shè)計要點：（1）分時工作：LED僅在采樣期間開啟（占