傳感器與檢測(cè)技術(shù)期末考試試題與答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.某壓阻式壓力傳感器在0～100kPa量程內(nèi)輸出0.2～4.8V，若實(shí)測(cè)輸出3.6V，則對(duì)應(yīng)壓力為A.60kPa?B.75kPa?C.80kPa?D.90kPa答案：B解析：線性換算公式P=(U?U?)/(U_{FS}?U?)×P_{FS}=(3.6?0.2)/(4.8?0.2)×100=75kPa。2.用Pt100測(cè)溫，0℃時(shí)電阻100Ω，溫度系數(shù)α=0.00385℃?1，若測(cè)得電阻115.4Ω，則溫度為A.35℃?B.40℃?C.45℃?D.50℃答案：B解析：ΔR=15.4Ω，ΔT=ΔR/(R?α)=15.4/(100×0.00385)=40℃。3.下列哪種傳感器最適合測(cè)量0.1nm級(jí)位移？A.電感式?B.電容式?C.激光干涉儀?D.應(yīng)變片答案：C解析：激光干涉儀分辨率達(dá)λ/20≈30nm，配合相位細(xì)分可達(dá)0.1nm。4.熱電偶冷端補(bǔ)償電橋中，銅電阻的作用是A.放大信號(hào)?B.抑制漂移?C.補(bǔ)償冷端溫度變化?D.濾波答案：C解析：銅電阻與冷端同溫，其阻值變化抵消冷端電動(dòng)勢(shì)變化。5.某4～20mA變送器負(fù)載電阻600Ω，供電24V，線路最大允許電阻為A.200Ω?B.300Ω?C.400Ω?D.500Ω答案：B解析：變送器最小工作電壓U_min=24?0.02×R_L≥12V，得R_L≤600Ω，線路電阻R_line≤600?300=300Ω。6.在MEMS加速度計(jì)中，阻尼比ζ=0.7，固有頻率f_n=2kHz，則?3dB帶寬約為A.1.4kHz?B.2.0kHz?C.2.8kHz?D.3.2kHz答案：C解析：B≈f_n√(1?2ζ2+√(4ζ??4ζ2+2))≈2.8kHz。7.采用霍爾元件測(cè)直流電流時(shí)，為抑制溫漂，最佳方案是A.恒壓驅(qū)動(dòng)?B.恒流驅(qū)動(dòng)?C.交流調(diào)制?D.差分放大答案：B解析：恒流驅(qū)動(dòng)使霍爾電壓僅與磁場(chǎng)成正比，溫度變化對(duì)靈敏度影響最小。8.某光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)1550nm，應(yīng)變靈敏度1.2pm/με，溫度靈敏度10pm/℃，若測(cè)得波長(zhǎng)漂移120pm，則應(yīng)變與溫度耦合誤差最小的解耦方法是A.雙光柵差分?B.單光柵擬合?C.參考光柵?D.光譜面積法答案：A解析：雙光柵差分可消除溫度共同模量，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變-溫度解耦。9.在紅外測(cè)溫中，發(fā)射率ε未知時(shí)，最佳處理策略是A.假設(shè)ε=0.95?B.涂黑體膠帶?C.雙波段比值?D.接觸式校準(zhǔn)答案：C解析：雙波段比值法可抵消發(fā)射率影響，實(shí)現(xiàn)真溫測(cè)量。10.某智能傳感器采用IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)，其TEDS存儲(chǔ)在A.MCUFlash?B.傳感器內(nèi)部EEPROM?C.上位機(jī)硬盤?D.云端答案：B解析：TEDS為傳感器電子數(shù)據(jù)表，存放于傳感器內(nèi)EEPROM，實(shí)現(xiàn)即插即用。二、填空題（每空1分，共20分）11.金屬應(yīng)變片靈敏度系數(shù)K≈______，半導(dǎo)體應(yīng)變片K可達(dá)______。答案：2.0；150解析：金屬以幾何變形為主，半導(dǎo)體以壓阻效應(yīng)為主。12.電容式差壓變送器采用______電路將ΔC轉(zhuǎn)換為4～20mA，其激勵(lì)頻率典型值為______kHz。答案：交流電橋；32解析：高頻交流電橋抗雜散電容，32kHz為工業(yè)常用值。13.熱電偶定律中，中間溫度定律表達(dá)式為E_AB(t,t?)=______。答案：E_AB(t,t_n)+E_AB(t_n,t?)解析：中間溫度定律保證分段校準(zhǔn)的可加性。14.激光多普勒測(cè)速公式Δf=______，其中θ為散射光與速度方向夾角。答案：2vcosθ/λ解析：多普勒頻移與速度成正比。15.壓電傳感器等效電路為______與______串聯(lián)。答案：電荷源Q；電容C_p解析：壓電元件可視為電荷發(fā)生器與并聯(lián)電容，外部串聯(lián)電纜電容。16.紅外探測(cè)器D*=______，單位______。答案：R_v√(A_dΔf)/V_n；cm·√Hz/W解析：D*歸一化探測(cè)率，越大性能越好。17.光纖傳感器中，模間干涉屬于______調(diào)制，而布拉格光柵屬于______調(diào)制。答案：相位；波長(zhǎng)解析：模間干涉改變相位譜，F(xiàn)BG改變中心波長(zhǎng)。18.智能傳感器“Self-Validation”功能通過______算法實(shí)現(xiàn)故障自診斷。答案：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+貝葉斯融合解析：利用冗余信息融合提高可信度。19.電磁流量計(jì)測(cè)量下限受______噪聲限制，其1/f轉(zhuǎn)折頻率與______成正比。答案：電化學(xué)；電極面積解析：電極面積越大，轉(zhuǎn)折頻率越低。20.在無線傳感網(wǎng)中，TDOA定位需至少______個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，RSSI定位需已知______。答案：3；路徑損耗指數(shù)n解析：TDOA雙曲線交匯，RSSI需模型擬合。三、判斷改錯(cuò)題（每題2分，共10分）21.壓阻式傳感器靈敏度隨溫度升高而增大。答案：錯(cuò)，改為“減小”，因硅的壓阻系數(shù)隨溫度升高而下降。22.熱電偶回路中插入第三種導(dǎo)體，只要兩端溫度相同，不影響總電動(dòng)勢(shì)。答案：對(duì)，符合中間導(dǎo)體定律。23.激光三角法測(cè)位移時(shí)，提高激光功率可無限提高分辨率。答案：錯(cuò)，受散斑噪聲和CCD像素限制，存在最佳功率。24.電容式傳感器采用直流激勵(lì)可消除邊緣效應(yīng)。答案：錯(cuò)，應(yīng)改為“交流激勵(lì)”，直流會(huì)導(dǎo)致電荷積累漂移。25.金屬熱電阻三線制接法可完全消除引線電阻影響。答案：錯(cuò)，只能消除對(duì)稱引線電阻，不對(duì)稱仍有誤差。四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共32分）26.簡(jiǎn)述MEMS陀螺科氏力檢測(cè)原理并給出一種抑制正交誤差的方法。答案：MEMS陀螺利用驅(qū)動(dòng)模態(tài)速度v_d與角速度Ω產(chǎn)生科氏力F_c=?2mΩ×v_d，激勵(lì)檢測(cè)模態(tài)位移，通過電容拾取。正交誤差源于驅(qū)動(dòng)-檢測(cè)軸不對(duì)準(zhǔn)，可采用靜電負(fù)剛度調(diào)諧：在檢測(cè)軸施加直流電壓產(chǎn)生附加剛度，抵消機(jī)械耦合，實(shí)驗(yàn)表明可將正交誤差抑制?40dB。27.說明光纖F-P腔傳感器白光干涉解調(diào)流程，并給出腔長(zhǎng)L與干涉峰波長(zhǎng)λ_m的關(guān)系。答案：白光光源經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入F-P腔，反射光譜呈周期性凹陷。用光譜儀采樣后做FFT，腔長(zhǎng)L=λ_m2/(2nΔλ)，其中Δλ為相鄰干涉峰間隔，n為腔內(nèi)介質(zhì)折射率。通過尋峰算法定位λ_m，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)絕對(duì)腔長(zhǎng)測(cè)量。28.某渦流傳感器測(cè)鋁材裂紋，為何需采用高頻激勵(lì)？若裂紋深度δ=0.5mm，求最佳激勵(lì)頻率f（σ=37MS/m，μ_r=1）。答案：高頻激勵(lì)使趨膚深度δ_s=1/√(πfμ?σ)≈裂紋深度，保證磁場(chǎng)與裂紋相互作用。令δ_s=0.5mm，解得f=1/(πμ?σδ2)=1/(4π×10??×37×10?×0.25×10??)≈86kHz。29.闡述TDLAS氣體檢測(cè)中波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）抑制1/f噪聲的機(jī)理，并給出一次諧波與二次諧波幅值比R與氣體濃度n的關(guān)系。答案：WMS將激光器注入高頻正弦調(diào)制，吸收信號(hào)移至高頻區(qū)，鎖相檢測(cè)避開1/f噪聲。二次諧波幅值S_2f∝n，一次諧波S_f∝背景強(qiáng)度，比值R=S_2f/S_f∝n，消除光強(qiáng)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定測(cè)量。五、計(jì)算與綜合題（共68分）30.（12分）某壓電加速度計(jì)電荷靈敏度S_q=50pC/g，電纜電容C_c=800pF，示波器輸入阻抗1MΩ并聯(lián)20pF，要求低頻?3dB點(diǎn)不低于0.5Hz，求需并聯(lián)的泄漏電阻R_p，并計(jì)算系統(tǒng)電壓靈敏度。答案：下限頻率f_L=1/(2πR_p(C_p+C_c))≤0.5Hz，得R_p≥1/(2π×0.5×820×10?12)=388MΩ，取390MΩ。電壓靈敏度S_v=S_q/(C_p+C_c)=50/820=61mV/g。31.（15分）熱電偶堆含8支K型熱電偶串聯(lián)，熱端置于800℃，冷端50℃，單支熱電偶在800℃時(shí)靈敏度≈41μV/℃，求總輸出電壓。若改用T型熱電偶，靈敏度≈62μV/℃，求相同溫差下輸出提升百分比。答案：K型總電壓E_K=8×41×10??×(800?50)=8×41×750×10??=246mV。T型E_T=8×62×750×10??=372mV，提升(372?246)/246=51.2%。32.（18分）設(shè)計(jì)一個(gè)0～100mm位移測(cè)量系統(tǒng)，要求分辨率1μm，非線性<0.1%FS，可選方案：A.電位計(jì)式?B.差動(dòng)變壓器LVDT?C.光柵尺?D.激光干涉儀(1)比較四種方案在分辨率、成本、環(huán)境適應(yīng)性三方面優(yōu)劣；(2)若選LVDT，初級(jí)激勵(lì)10kHz/5V，次級(jí)靈敏度0.8mV/V/mm，需放大至±10V，給出儀表放大器增益與濾波器參數(shù)；(3)采用12位ADC，參考電壓5V，求量化誤差帶來的位移誤差，并判斷是否滿足分辨率要求。答案：(1)電位計(jì)：分辨率20μm，成本低，易受污染；LVDT：分辨率0.5μm，成本中，耐油污；光柵：分辨率0.1μm，成本高，怕塵；激光干涉：分辨率0.01μm，成本最高，需恒溫。綜合選LVDT。(2)靈敏度0.8mV/V/mm×5V=4mV/mm，滿量程輸出400mV，需增益G=10V/0.4V=25。采用INA118，設(shè)置R_G=2kΩ。濾波器二階LPF，f_c=2kHz，Q=0.707，取R=10kΩ，C=8nF。(3)12位ADC量化步長(zhǎng)q=5V/4096≈1.22mV，對(duì)應(yīng)位移Δx=1.22mV/(4mV/mm)=0.305μm<1μm，滿足要求。33.（23分）某化工廠需在線監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐液位0～5m，介質(zhì)為鹽酸，密度ρ=1150kg/m3，溫度10～60℃，頂部空間有HCl揮發(fā)氣體，要求精度±5mm。(1)排除接觸式方案原因；(2)選用76GHzFMCW雷達(dá)，給出液位計(jì)算公式，并分析蒸汽對(duì)電磁波速度影響；(3)若罐高6m，空罐時(shí)反射面為罐底，求最小可測(cè)距離與距離分辨率（B=4GHz）；(4)溫度引起介電常數(shù)變化使電磁波速度變化±0.3%，求由此帶來的液位誤差，并提出補(bǔ)償算法；(5)畫出系統(tǒng)硬件框圖，包括雷達(dá)前端、DSP、HART調(diào)制解調(diào)器、兩線制4～20mA輸出。答案：(1)接觸式如浮子、壓力式易被腐蝕、結(jié)晶堵塞，故選非接觸雷達(dá)。(2)液位L=H?cτ/2，H為罐高，τ為回波時(shí)延。蒸汽介電常數(shù)ε_(tái)r略大于1，速度v=c/√ε_(tái)r，ε_(tái)r≈1.002，速度下降0.1%，帶來0.1%L誤差。(3)最小距離由盲區(qū)決定≈0.1m；距