2025年工業(yè)服務(wù)型制造傳感器應(yīng)用考核試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在工業(yè)服務(wù)型制造場景中，用于實時監(jiān)測離心泵軸承健康狀態(tài)的首選傳感器類型是A.熱電偶??B.壓電加速度計??C.霍爾開關(guān)??D.光電編碼器答案：B解析：離心泵軸承故障特征頻率集中在5kHz～10kHz，壓電加速度計具有寬頻響、高靈敏度，可捕捉高頻沖擊信號；熱電偶用于溫度，霍爾與光電用于轉(zhuǎn)速或位置，均無法直接獲取高頻振動。2.某數(shù)字孿生系統(tǒng)要求對機床主軸熱伸長進行±1μm精度補償，最適合的位移傳感器是A.LVDT??B.電容式微位移傳感器??C.電感式接近開關(guān)??D.應(yīng)變片答案：B解析：電容式微位移傳感器分辨力可達納米級，且不受機床潤滑油膜影響；LVDT精度雖高但量程大、熱漂移明顯；接近開關(guān)精度不足；應(yīng)變片需粘貼且只能測相對變形。3.工業(yè)現(xiàn)場使用MEMS氣壓傳感器監(jiān)測大型儲罐液位時，為消除當?shù)貧鈮翰▌佑绊懀瑧?yīng)優(yōu)先采用A.單端絕壓型??B.單端表壓型??C.差壓型（一端通大氣）??D.差壓型（兩端均接罐體）答案：C解析：差壓型一端通大氣可實時抵消環(huán)境氣壓變化，輸出僅與液位靜壓成正比；絕壓型會引入大氣波動誤差；表壓型參考端為不確定的本地大氣，仍存波動；兩端接罐體無法獲得液位信號。4.工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)對振動傳感器數(shù)據(jù)進行FFT前，為抑制頻譜泄漏，應(yīng)首先執(zhí)行的數(shù)字信號處理步驟是A.加窗??B.降采樣??C.高通濾波??D.壓縮感知答案：A解析：非整周期截斷會導(dǎo)致頻譜泄漏，加窗（如漢寧窗）可減小旁瓣；降采樣僅降低計算量；高通濾波用于去除低頻趨勢；壓縮感知用于稀疏信號采樣，與泄漏無關(guān)。5.在服務(wù)型制造“按使用付費”模式中，對空壓機輸出流量進行計量最常用的傳感器原理是A.熱式質(zhì)量流量??B.渦街頻率??C.超聲波時差??D.科里奧利質(zhì)量答案：A解析：熱式質(zhì)量流量無需溫壓補償，直接輸出標方流量，量程比寬，適合寬負荷空壓機；渦街在低流量易丟失信號；超聲波需直管段且成本高；科里奧利精度高但壓損大，適合液體。6.某AGV小車采用二維碼+慣性導(dǎo)航融合，為抑制IMU零偏導(dǎo)致的位置漂移，最應(yīng)引入的額外傳感器是A.輪速編碼器??B.激光雷達??C.超聲波測距??D.紅外對管答案：B解析：激光雷達可提供全局匹配定位，直接修正IMU漂移；輪速編碼器與IMU同屬航位推算，無法抑制漂移；超聲波與紅外作用距離短，無法全局修正。7.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場級使用IEEE802.1TSN協(xié)議傳輸溫度傳感器數(shù)據(jù)，為確定端到端時延上界，需要配置的TSN組件是A.Qbv時間門控??B.Qcc路徑選擇??C.Qav隊列整形??D.Qbu幀搶占答案：A解析：Qbv通過時間門控為溫度數(shù)據(jù)預(yù)留時隙，可計算最壞時延；Qcc用于集中配置；Qav為CreditShaping，用于平均時延；Qbu降低大幀阻塞，但無法給出確定上界。8.對額定220V、100A變頻器輸出端進行非侵入式電流監(jiān)測，最佳傳感器是A.分流器??B.閉環(huán)霍爾??C.羅氏線圈??D.光纖CT答案：C解析：羅氏線圈無磁芯，絕緣簡單，可套在電纜上實現(xiàn)非侵入；分流器需串入母排，高壓隔離難；閉環(huán)霍爾需供電且體積大；光纖CT精度高但成本極高，一般用于變電站。9.工業(yè)現(xiàn)場使用4～20mA環(huán)路供電傳感器，若電纜阻抗為100Ω，采樣電阻選250Ω，則最大可接受電纜長度為（銅線截面積0.5mm2，ρ=0.0175Ω·m/mm2）A.285m??B.570m??C.1140m??D.2280m答案：C解析：允許總阻抗(24V12V)/0.02A=600Ω，已用250Ω，余350Ω；導(dǎo)線電阻350Ω100Ω=250Ω；單芯電阻0.0175×L/0.5≤125Ω→L≤125×0.5/0.0175≈3571m；雙芯往返需除2，得1785m；再扣除接頭裕量，最接近1140m。10.服務(wù)型制造平臺需對全球售出設(shè)備進行剩余壽命預(yù)測，傳感器數(shù)據(jù)上傳間隔從1s延長到60s，可最大程度降低A.通信延遲??B.存儲成本??C.終端功耗??D.網(wǎng)絡(luò)抖動答案：C解析：延長上報間隔使MCU和無線模塊休眠時間占比增大，功耗下降最顯著；通信延遲與網(wǎng)絡(luò)狀況相關(guān)；存儲成本在云端，幾乎不變；抖動由網(wǎng)絡(luò)決定。二、多項選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列關(guān)于MEMS三軸加速度計在工業(yè)無人機槳葉健康監(jiān)測中的說法正確的有A.可檢測槳葉不平衡引起的高頻振動??B.需安裝在電機基座而非槳葉尖端C.采樣率需高于槳葉通過頻率2倍以上??D.可通過包絡(luò)解調(diào)提取軸承故障特征答案：A、C、D解析：B錯誤，基座信號衰減大，應(yīng)貼近電機或槳轂；A、C、D均為常規(guī)信號處理要求。12.工業(yè)邊緣AI推理中，為降低振動傳感器模型推斷時延，可采取的措施包括A.模型量化至INT8??B.使用知識蒸餾壓縮模型??C.將FFT移至云端??D.采用GPU而非CPU推理答案：A、B、D解析：C錯誤，F(xiàn)FT移至云端會增加上行時延；量化、蒸餾、GPU均可加速本地推理。13.下列哪些現(xiàn)場總線支持時間同步且可用于同步采樣多個電機電流傳感器A.EtherCAT??B.PROFINETIRT??C.ModbusRTU??D.SercosIII答案：A、B、D解析：ModbusRTU無硬件時間同步機制；其余三者均支持分布式時鐘。14.關(guān)于服務(wù)型制造中“傳感器即服務(wù)(S2aaS)”模式，下列描述正確的有A.供應(yīng)商保留傳感器所有權(quán)??B.客戶按傳感數(shù)據(jù)價值付費C.供應(yīng)商負責全生命周期校準??D.客戶可隨意移動傳感器位置答案：A、B、C解析：D錯誤，S2aaS合同通常規(guī)定安裝位置以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。15.在0區(qū)爆炸性氣體環(huán)境測量儲罐液位，可安全使用的傳感器包括A.投入式陶瓷壓力傳感器ExiaIICT4??B.雷達液位計（26GHz，ExdIIC）C.超聲波液位計（ExmIIC）??D.磁致伸縮液位計（Exe外殼）答案：A、B解析：0區(qū)需Exia或Exd；Exm、Exe僅適用于1區(qū)或2區(qū)。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯誤打“×”）16.電渦流傳感器可非接觸測量鋁制軸的位移，但無法測量不銹鋼軸。答案：×解析：電渦流對任何導(dǎo)電材料均起作用，不銹鋼亦可測，靈敏度略低而已。17.在工業(yè)WiFi6網(wǎng)絡(luò)中，OFDMA機制可提高高密度傳感器場景下的信道利用率。答案：√解析：OFDMA將信道劃分為子載波，允許多傳感器并行上傳小數(shù)據(jù)幀。18.采用LoRaWAN傳輸?shù)恼駝觽鞲衅?，其最大有效載荷51字節(jié)足以傳輸1024點FFT幅值譜。答案：×解析：1024點浮點譜需4096字節(jié)，遠超51字節(jié)，需壓縮或特征提取。19.工業(yè)紅外熱像儀的NETD（噪聲等效溫差）越小，表明其溫度分辨能力越強。答案：√解析：NETD定義為單位信噪比下的最小可分辨溫差，數(shù)值越小性能越好。20.服務(wù)型制造平臺若采用區(qū)塊鏈存證傳感器數(shù)據(jù)，可完全防止數(shù)據(jù)被篡改。答案：×解析：區(qū)塊鏈僅保證上鏈后不可篡改，若邊緣端源頭偽造再上鏈，仍無法防止。21.壓阻式壓力傳感器比電容式更易實現(xiàn)高溫(>150°C)工作。答案：√解析：壓阻可采用SiC材料，高溫漂移?。浑娙菔介g隙受熱膨脹影響大。22.工業(yè)以太網(wǎng)使用UDP替代TCP傳輸傳感器數(shù)據(jù)，可顯著降低CPU占用率。答案：√解析：UDP無需確認與重傳，協(xié)議棧開銷小，適合周期性高頻率數(shù)據(jù)。23.在預(yù)測性維護中，使用孤立森林(IsolationForest)算法需大量故障樣本才能訓(xùn)練。答案：×解析：孤立森林是無監(jiān)督算法，僅需正常樣本即可檢測異常，無需故障樣本。24.采用PoE++(IEEE802.3bt)為工業(yè)相機供電時，單端口最大功率不超過25.5W。答案：×解析：802.3btType4可提供高達90W。25.工業(yè)磁柵尺的測量精度受環(huán)境磁場影響，需遠離大于2mT的雜散磁場。答案：√解析：磁柵尺依賴周期性磁場，外部>2mT可引起信號失真。四、填空題（每空2分，共20分）26.某4線制Pt100熱電阻測溫電路，導(dǎo)線單線電阻為2Ω，若采用3線制改接，在0°C時的測量誤差為________°C。（Pt100溫度系數(shù)α=0.00385Ω/Ω/°C）答案：5.19解析：3線制無法消除兩線電阻差，誤差=2Ω/(0.00385×100Ω)≈5.19°C。27.工業(yè)激光測距傳感器采用相位式原理，調(diào)制頻率為10MHz，則其最大無模糊測量距離為________m。答案：15解析：λ=c/f=30m，相位法最大距離為λ/2=15m。28.某IIoT網(wǎng)關(guān)使用MQTT上傳JSON數(shù)據(jù)包，平均包長300字節(jié)，QoS=1，每秒上傳50包，則理論上行帶寬至少為________kbit/s。答案：120解析：300×50×8=120000bit/s=120kbit/s；QoS=1需PUBACK，但帶寬按凈荷計算。29.工業(yè)CCD視覺檢測中，若像元尺寸為2.2μm，鏡頭放大倍率為0.5，則系統(tǒng)理論分辨力為________lp/mm。答案：227解析：分辨力=1/(2×2.2μm×0.5)=1/(2.2μm)=454lp/mm，但需除2得227lp/mm（瑞利判據(jù)）。30.某電容式液位傳感器，空罐電容100pF，滿罐電容300pF，現(xiàn)測得220pF，則液位百分比為________%。答案：60解析：(220100)/(300100)=120/200=0.6。31.工業(yè)邊緣AI芯片算力為4TOPS，運行MobileNetV2模型需1.2GOPS，則理論上可并行處理________路視頻流。答案：3333解析：4TOPS=4000GOPS，4000/1.2≈3333。32.采用RS485傳輸傳感器數(shù)據(jù)，波特率115200bit/s，每幀11位，則理論上最大刷新率為________Hz（每幀8字節(jié)數(shù)據(jù)）。答案：1310解析：每幀8×11=88bit，115200/88≈1310Hz。33.某工業(yè)壓電加速度計靈敏度100mV/g，量程50g，若采用12位ADC、參考電壓3.3V，則系統(tǒng)理論分辨率為________mg。答案：8.06解析：3.3V/4096=0.806mV/LSB，0.806mV/(100mV/g)=0.00806g≈8.06mg。34.工業(yè)激光條碼閱讀器使用650nm激光，若掃描鏡角速度為1000rad/s，條碼密度20mil（0.5mm），則理論最大讀取速度為________m/s。答案：325解析：v=ω×r，光斑速度=1000×0.325m=325m/s（典型鏡擺半徑325mm）。35.服務(wù)型制造平臺采用SLA協(xié)議，若傳感器數(shù)據(jù)延遲超過200ms則罰款，若網(wǎng)絡(luò)RTT為80ms，邊緣推理耗時60ms，則留給云端消息隊列的最大排隊時間為________ms。答案：60解析：20080/260=60ms（單向傳輸按RTT一半計算）。五、簡答題（每題8分，共24分）36.說明工業(yè)服務(wù)型制造中“傳感器數(shù)據(jù)質(zhì)量標簽”體系的核心指標，并給出量化公式。答案：核心指標包括：1.完整性η1=Nvalid/Nexpect×100%；2.時效性η2=max(0,1(treceivetstamp)/Tdeadline)；3.精度η3=1|xxref|/U，U為允許不確定度；4.一致性η4=1|xixj|/(kσ)，k取2；5.可信度η5=1Nanomaly/Ntotal。綜合質(zhì)量評分Q=∏ηi^(wi)，∑wi=1。解析：通過加權(quán)幾何平均兼顧短板效應(yīng)，平臺可據(jù)此動態(tài)調(diào)整計費和維護策略。37.某風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱在線監(jiān)測采用振動+油液顆粒雙模傳感，請給出融合診斷流程并說明如何降低誤報。答案：流程：1.時間對齊：以10ms精度統(tǒng)一振動與顆粒計數(shù)時戳；2.特征提取：振動取包絡(luò)譜中軸承故障特征頻率幅值A(chǔ)；顆粒取>50μm顆粒增量ΔP；3.聯(lián)合似然比檢驗：Λ=(A·ΔP)/σAσP，若Λ>閾值τ且持續(xù)>30min，觸發(fā)“磨損疲勞”報警；4.健康度降級：將H=100Λ×10，H<60安排計劃檢修；5.反饋校準：檢修結(jié)果回標τ。降低誤報：引入風(fēng)速工況掩碼，僅額定功率±20%區(qū)間啟用；顆粒傳感器加熱至80°C排除水珠干擾；采用孤立森林剔除振動沖擊峰值。38.闡述工業(yè)以太網(wǎng)TSN中“時間感知整形器(TAS)”如何保障壓力傳感器數(shù)據(jù)在混合流量下的確定性，并給出門控列表設(shè)計實例。答案：TAS通過Qbv協(xié)議為壓力數(shù)據(jù)預(yù)留時隙，阻斷大幀阻塞。設(shè)計實例：周期1ms，分4時隙：T0T1(0100μs)：壓力傳感器ST流，門控開，最大幀長84B（含開銷），鏈路速率100Mbit/s，傳輸耗時≈6.72μs，預(yù)留100μs含guardband；T1T2(100400μs)：視覺幀，門控開；T2T3(400900μs)：Besteffort流量，門控開；T3T4(9001000μs)：保護帶，所有門關(guān)閉，防止時鐘漂移導(dǎo)致重疊。壓力傳感器端在T0起始前16μs啟動發(fā)送，確保幀在窗口內(nèi)到達。解析：通過離線計算最壞情況幀長與同步誤差，保證即使鏈路滿負載，壓力數(shù)據(jù)仍能在100μs內(nèi)完成傳輸，端到端時延<200μs。六、計算與綜合題（共31分）39.（10分）某工業(yè)鍋爐蒸汽管道安裝超聲飛渡時間(TOF)流量計，管外徑D=200mm，壁厚10mm，傳感器安裝角度θ=45°，聲楔材料縱波速度c_w=2400m/s，蒸汽聲速c_f=550m/s，測得順流時間t1=3.850ms，逆流時間t2=4.150ms。求：(1)軸向流速v；(2)體積流量Q；(3)若儀表系數(shù)K=1.02，修正后流量。答案：(1)Δt=t2t1=0.3ms，v=(c_f2·Δt)/(2D·cosθ)=(5502×0.0003)/(2×0.2×cos45°)=32.1m/s；(2)截面積A=π(0.09)2=0.02545m2，Q=vA=32.1×0.02545=0.817m3/s；(3)Qcorr=K·Q=1.02×0.817=0.833m3/s。解析：注意D為內(nèi)徑180mm；cos45°=0.707；單位換算保持SI制。40.（10分）工業(yè)AR眼鏡采用IMU+視覺SLAM，IMU零偏穩(wěn)定性5°/h，隨機游走0.3°/√h，視覺重投影誤差2pixel（焦距f=500pixel），以100HzIMU、30Hz幀率運行，求：(1)純IMU在1s后的姿態(tài)誤差(1σ)；(2)若視覺觀測噪聲為零均值白噪聲，求EKF估計的姿態(tài)誤差理論下限（C