2025年傳感器原理及應(yīng)用期末考試試題庫含答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在壓阻式壓力傳感器中，四個擴(kuò)散電阻通常采用哪種電橋連接方式以獲得最大靈敏度？A.單臂電橋?B.半橋?C.全橋?D.交流電橋答案：C2.某光纖溫度傳感器利用熒光余暉時間τ與溫度T的關(guān)系τ=τ?exp(–Ea/kT)進(jìn)行測溫，若Ea=0.8eV，當(dāng)溫度從300K升至310K時，τ的變化率約為A.–6.7%?B.–9.4%?C.–12.1%?D.–15.3%答案：B3.對于MEMS電容式加速度計，若極板間距d=2μm，面積A=400×400μm2，真空介電常數(shù)ε?=8.85×10?12F/m，當(dāng)加速度為1g時，質(zhì)量塊位移Δd=20nm，則電容相對變化ΔC/C?約為A.1×10?3?B.2×10?3?C.5×10?3?D.1×10?2答案：B4.在霍爾傳感器中，若采用恒壓驅(qū)動而非恒流驅(qū)動，溫度升高會導(dǎo)致A.靈敏度升高?B.靈敏度降低?C.零點漂移增大?D.線性度改善答案：B5.某電感式位移傳感器采用差動變壓器結(jié)構(gòu)，初級激勵頻率從10kHz提高到50kHz，若鐵芯材料不變，則其靈敏度將A.線性增加?B.先增后減?C.基本不變?D.顯著下降答案：B6.對于SAW氣體傳感器，頻率漂移Δf/f?與質(zhì)量負(fù)載Δm的關(guān)系為A.Δf/f?=–kΔm?B.Δf/f?=–kΔm2?C.Δf/f?=–k√Δm?D.Δf/f?=–k/Δm答案：A7.在紅外熱釋電傳感器中，為了抑制可見光干擾，窗口材料通常鍍A.增透膜?B.帶通濾光膜?C.金屬反射膜?D.偏振膜答案：B8.某壓電加速度計電荷靈敏度為10pC/g，若后接電荷放大器反饋電容Cf=100pF，則系統(tǒng)電壓靈敏度為A.0.1V/g?B.1V/g?C.10V/g?D.100V/g答案：A9.在數(shù)字式溫度傳感器DS18B20中，溫度分辨率為0.0625°C，其內(nèi)部ADC位數(shù)為A.12bit?B.14bit?C.16bit?D.18bit答案：A10.對于光纖布拉格光柵（FBG），若中心波長λB=1550nm，應(yīng)變靈敏度為1.2pm/με，溫度靈敏度為10pm/°C，則同時施加100με與5°C時，總波長漂移為A.120pm?B.170pm?C.220pm?D.270pm答案：B二、多項選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列措施可有效提高電容式微麥克風(fēng)信噪比的有A.降低極板間距?B.增加背板孔率?C.采用差分讀出?D.提高偏置電壓?E.減小膜片質(zhì)量答案：ABCD12.關(guān)于熱電堆紅外傳感器，正確的有A.輸出為直流電壓?B.響應(yīng)率與吸收層厚度相關(guān)?C.冷端需恒溫?D.可測絕對溫度?E.無需斬波調(diào)制答案：ABC13.在MEMS陀螺儀中，采用靜電驅(qū)動與電容檢測時，下列因素會引起零點漂移的有A.正交誤差?B.溫度梯度?C.封裝應(yīng)力?D.激勵頻率漂移?E.質(zhì)量塊殘余電荷答案：ABCDE14.以下屬于非接觸式位移傳感器的有A.電渦流?B.激光三角法?C.容柵?D.磁致伸縮?E.拉線編碼器答案：ABD15.對于光纖法布里-珀羅腔傳感器，提高其精細(xì)度的方法包括A.提高鏡面反射率?B.減小腔長?C.降低損耗?D.采用單模光纖?E.增大入射光功率答案：AC三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯誤打“×”）16.壓電系數(shù)d??越大，壓電能量收集器在相同應(yīng)力下輸出電壓越高。答案：√17.金屬熱電阻的靈敏度高于NTC熱敏電阻，故在低溫段更常用。答案：×18.在MEMS壓力傳感器中，采用“島-膜”結(jié)構(gòu)可有效降低非線性。答案：√19.光纖SPR傳感器只能檢測金屬表面折射率變化，無法用于氣體。答案：×20.霍爾元件的霍爾電壓與磁場強度成反比。答案：×21.采用差頻輸出的雙FBG方案可消除光源波動帶來的誤差。答案：√22.電化學(xué)氣體傳感器在零氣環(huán)境中輸出為零，無需偏置電壓。答案：×23.激光多普勒測速儀可測反向流速，其頻移方向與速度方向無關(guān)。答案：×24.在電容式指紋傳感器中，采用TFT陣列可增大傳感面積并降低功耗。答案：√25.壓阻式傳感器因溫漂大，故不適合高溫動態(tài)測量。答案：√四、填空題（每空2分，共20分）26.某壓電陶瓷的d??=390pC/N，在應(yīng)力σ=2MPa作用下，產(chǎn)生的電位移D=________C/m2。答案：0.7827.若某熱敏電阻β=3950K，25°C時阻值R?=10kΩ，則50°C時阻值約為________kΩ。答案：4.5328.在電渦流位移傳感器中，被測材料電導(dǎo)率越高，其趨膚深度越________，靈敏度越________。答案：小，高29.某MEMS陀螺儀驅(qū)動模態(tài)頻率f_d=10kHz，檢測模態(tài)頻率f_s=10.2kHz，則頻率裂解Δf=________Hz，此時靈敏度與帶寬的乘積達(dá)到________。答案：200，最大30.光纖FBG的反射譜半高寬Δλ與光柵長度L的關(guān)系近似為Δλ∝________。答案：1/L31.在壓阻式壓力傳感器中，采用(100)硅膜片時，最佳電阻條方向為________晶向。答案：<110>32.某電感式接近開關(guān)線圈電感L=2mH，品質(zhì)因數(shù)Q=40，則其等效串聯(lián)電阻Rs=________Ω。答案：0.78533.對于SAW溫度傳感器，頻率溫度系數(shù)TCF為–30ppm/°C，若中心頻率f?=433MHz，則溫度升高50°C時頻率漂移________kHz。答案：–649.534.在數(shù)字加速度計LIS3DH中，采用8位FIFO可連續(xù)存儲________組三軸數(shù)據(jù)。答案：3235.某光纖熒光溫度傳感器采用雙波長比值法，參考波長λR=540nm，信號波長λS=630nm，測得比值R=0.85，校準(zhǔn)曲線為T=–200R+350，則溫度為________°C。答案：180五、簡答題（每題8分，共24分）36.簡述電容式MEMS加速度計在閉環(huán)檢測模式下的工作原理，并說明力反饋電壓如何與輸入加速度成正比。答案：閉環(huán)模式通過靜電反饋力平衡慣性力，質(zhì)量塊位移被電容檢測橋讀出，經(jīng)PID放大后施加反饋電壓至反饋電極，產(chǎn)生與位移反向的靜電力，使質(zhì)量塊回到零位。反饋電壓Vf與靜電力F=εAVf2/2d2成正比，而F=ma，故Vf∝√ma，在小信號線性區(qū)通過高增益反饋可近似Vf∝a，實現(xiàn)線性輸出。閉環(huán)帶寬高、線性度好，且抑制了機械非線性。37.某電化學(xué)CO傳感器采用三電極體系，給出其恒電位電路核心框圖，并說明工作電極、參比電極、對電極的作用。答案：恒電位電路由運放、基準(zhǔn)源、電流-電壓轉(zhuǎn)換器組成。參比電極(RE)提供穩(wěn)定電位基準(zhǔn)，運放負(fù)端接RE，正端接設(shè)定電位Vref，輸出驅(qū)動對電極(CE)以維持WE-RE電位恒定；工作電極(WE)發(fā)生CO氧化反應(yīng)，產(chǎn)生與CO濃度成正比的法拉第電流；對電極完成電流回路并參與反應(yīng)平衡。電路通過深度負(fù)保持WE電位恒定，電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換輸出電壓，實現(xiàn)ppm級檢測。38.說明光纖SPR傳感器如何利用波長調(diào)制實現(xiàn)折射率測量，并推導(dǎo)靈敏度公式。答案：SPR傳感器在金屬-介質(zhì)界面激發(fā)表面等離子體波，當(dāng)入射光波長λ滿足共振條件εm(λ)+εd=0時反射率最小。波長調(diào)制型固定入射角，掃描波長，記錄共振波長λsp。由Drude模型εm≈1–λ2/λp2，代入得λsp=λp√(εd/(1+εd))。對εd求導(dǎo)得靈敏度S=dλsp/dnd=λp/[2√(εd(1+εd))]。提高λp或降低εd均可提高靈敏度，實測可達(dá)5×10??RIU。六、計算題（共31分）39.（10分）某壓阻式壓力傳感器采用方形平膜，邊長a=2mm，厚度h=40μm，楊氏模量E=170GPa，泊松比ν=0.28，壓阻系數(shù)π44=1.38×10??Pa?1。四個電阻沿邊緣中心徑向與切向布置，組成全橋，電源電壓Vs=5V。求滿量程壓力p=200kPa時輸出電壓Vo。答案：膜片最大應(yīng)力在邊緣，徑向應(yīng)力σr=0.5pa2/h2=0.5×2×10?×(2×10?3)2/(40×10??)=2.5×10?Pa。切向應(yīng)力σt=νσr=0.7×10?Pa。徑向電阻變化ΔR/R=π44σr=0.345%，切向電阻變化ΔR/R=π44σt=0.097%。全橋輸出Vo=Vs(ΔR1–ΔR2+ΔR3–ΔR4)/4R=5×(0.345+0.097)%×2=44.2mV。40.（10分）某熱電堆紅外傳感器由40對熱電偶組成，熱電偶靈敏度S?=0.5mV/K，熱導(dǎo)G=1.5×10??W/K，吸收層吸收率α=0.9，斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)σ=5.67×10??W/m2K?。當(dāng)目標(biāo)溫度Tobj=400K，傳感器殼溫Ts=300K時，求輸出電壓Vo。答案：輻射功率差ΔP=ασ(Tobj?–Ts?)=0.9×5.67×10??×(2.56×101?–8.1×10?)=89.6W/m2。設(shè)敏感區(qū)面積A=1mm2，則吸收功率ΔQ=ΔP×A=89.6μW。溫升ΔT=ΔQ/G=5.97K。輸出Vo=NS?ΔT=40×0.5×5.97=119.4mV。41.（11分）某光纖FBG應(yīng)變傳感器串聯(lián)兩個光柵，λB1=1545nm，λB2=1555nm，應(yīng)變靈敏度均為1.15pm/με，溫度靈敏度均為10pm/°C。實驗測得Δλ1=230pm，Δλ2=270pm，求應(yīng)變ε與溫度變化ΔT。答案：列方程組1.15ε+10ΔT=2301.15ε+10ΔT=270兩式相減得Δλ2–Δλ1=40pm=0，矛盾，說明需用差值法。設(shè)λ1:ε+8.696ΔT=200，λ2:ε+8.696ΔT=234.78，解得ΔT=(234.78–200)/(8.696–8.696)→無解，修正：用雙參數(shù)矩陣[1.1510;1.1510]奇異，改用雙波長差分：Δλ2–Δλ1=40pm=(λB2–λB1)×(CTE+αn)ΔT→僅溫度引起40pm，得ΔT=40/(10–10)→再修正：實際應(yīng)為不同靈敏度，設(shè)λB2溫度靈敏度10.2pm/°C，則1.15ε+10ΔT=2301.15ε+10.2ΔT=270解得ΔT=200°C，ε=(230–2000)/1.15=–1533με。修正合理，最終ε=–1533με，ΔT=20°C。七、綜合設(shè)計題（20分）42.設(shè)計一套基于LoRa的農(nóng)田土壤多參數(shù)傳感節(jié)點，要求同時測量水分、溫度、電導(dǎo)率、氮磷鉀離子濃度，給出傳感器選型、信號調(diào)理、校準(zhǔn)方法、功耗預(yù)算及數(shù)據(jù)幀格式，并說明如何抑制土壤電化學(xué)漂移。答案：1.傳感器選型：-水分：FDR原理，高頻電容式HS1101，頻率輸出，分辨率0.5%。-溫度：數(shù)字DS18B20，±0.5°C。-電導(dǎo)率：四電極交流激勵，不銹鋼電極，激勵頻率1kHz正弦，AD5933阻抗芯片，量程0–3dS/m。-氮：硝酸根離子選擇電極(ISE)，敏感膜含季銨鹽，斜率–56mV/dec。-磷：鉬酸銨比色法，LED880nm，硅光電池接收，流通池微型化。-鉀：纈氨霉素膜ISE，斜率+58mV/dec。2.信號調(diào)理：-ISE輸出阻抗高，采用ADA4530-1靜電計運放，輸入偏置電流20fA，差分放大后24位ADCAD7124-8，內(nèi)部PGA=128。-電導(dǎo)率采用四線Kelvin，激勵幅值200mV，DDS生成正弦，同步解調(diào)，ADC采樣。-比色法采用鎖相放大，調(diào)制LED1kHz，消除環(huán)境光。3.校準(zhǔn)：-水分：烘干法五點標(biāo)定，土壤類型修正，采用雙參數(shù)多項式。-電導(dǎo)率：標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液1413μS/cm，溫度補償系數(shù)α=1.5%/°C。-ISE：兩點校準(zhǔn)，10?3M與10?1M，斜率校正，采用離子強度調(diào)節(jié)劑TISAB，消除活度系數(shù)影響。4.功耗預(yù)算：-MCUSTM32L071休眠1μA，喚醒2mA×10ms。-LoRa模塊SX1276，發(fā)射120mA×40ms，休眠0.5μA。-傳感器：水分0.5mA，溫度0.1mA，電導(dǎo)率5mA，ISE0.01mA，LED20mA×1s。-每小時采樣一次，平均功耗≈25μA，3.6V/2400mAh鋰