2025年量測(cè)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)研究生入學(xué)考試試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種傳感器屬于發(fā)電型傳感器？A.電阻應(yīng)變片B.壓電式加速度傳感器C.電感式位移傳感器D.電容式壓力傳感器2.量測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)中，反映系統(tǒng)對(duì)階躍輸入響應(yīng)速度的參數(shù)是？A.固有頻率B.阻尼比C.上升時(shí)間D.幅值誤差3.采用電橋測(cè)量電阻型傳感器時(shí)，若需提高靈敏度并抑制共模干擾，最優(yōu)的橋路配置是？A.單臂半橋B.雙臂半橋C.全橋D.單臂單橋4.以下哪種信號(hào)調(diào)制方式適用于遠(yuǎn)距離傳輸微弱緩變信號(hào)？A.調(diào)幅（AM）B.調(diào)頻（FM）C.調(diào)相（PM）D.脈沖編碼調(diào)制（PCM）5.某溫度量測(cè)系統(tǒng)的不確定度評(píng)定中，由傳感器非線性引起的誤差屬于？A.A類不確定度B.B類不確定度C.隨機(jī)誤差D.粗大誤差6.光纖布拉格光柵（FBG）傳感器的敏感原理是？A.光強(qiáng)調(diào)制B.相位調(diào)制C.波長(zhǎng)調(diào)制D.偏振調(diào)制7.卡爾曼濾波在多傳感器數(shù)據(jù)融合中的核心作用是？A.消除系統(tǒng)誤差B.抑制隨機(jī)噪聲C.實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步D.補(bǔ)償傳感器漂移8.振動(dòng)量測(cè)中，為避免混疊誤差，采樣頻率應(yīng)至少為信號(hào)最高頻率的？A.0.5倍B.1倍C.2倍D.4倍9.以下哪種量測(cè)方法屬于非接觸式量測(cè)？A.熱電偶溫度測(cè)量B.激光多普勒測(cè)速C.應(yīng)變片應(yīng)力測(cè)量D.壓阻式壓力測(cè)量10.微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的主要優(yōu)勢(shì)是？A.高精度B.低成本、小體積C.寬量程D.抗電磁干擾二、填空題（每空1分，共20分）1.量測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)包括______、______、______（至少列出3項(xiàng)）。2.應(yīng)變片的敏感柵材料通常為______或______，其工作原理基于______效應(yīng)。3.相位差測(cè)量中，常用的方法有______法和______法（基于硬件實(shí)現(xiàn)）。4.不確定度的評(píng)定分為______評(píng)定和______評(píng)定，其中______評(píng)定需通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算。5.光纖傳感器按傳感原理可分為______型和______型，前者利用光纖本身作為敏感元件，后者僅起傳光作用。6.動(dòng)態(tài)量測(cè)中，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)是______與______的傅里葉變換之比。7.多傳感器數(shù)據(jù)融合的三個(gè)層次是______、______、______。8.抑制電磁干擾的常用措施包括______、______、______（至少列出3項(xiàng)）。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.比較接觸式量測(cè)與非接觸式量測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)，并各舉2例說(shuō)明其典型應(yīng)用場(chǎng)景。2.闡述頻域分析在振動(dòng)量測(cè)中的作用，說(shuō)明如何通過(guò)傅里葉變換從時(shí)域信號(hào)中提取振動(dòng)特征參數(shù)（如頻率、幅值）。3.應(yīng)變測(cè)量中為何需要溫度補(bǔ)償？常用的溫度補(bǔ)償方法有哪些？請(qǐng)結(jié)合電橋電路原理說(shuō)明半橋補(bǔ)償法的實(shí)現(xiàn)方式。4.多傳感器數(shù)據(jù)融合相對(duì)于單傳感器量測(cè)的優(yōu)勢(shì)是什么？簡(jiǎn)述卡爾曼濾波與貝葉斯估計(jì)在數(shù)據(jù)融合中的區(qū)別。5.簡(jiǎn)述MEMS加速度傳感器的工作原理（以電容式為例），并分析其在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用限制及改進(jìn)方向。四、綜合分析題（20分）某橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需同時(shí)量測(cè)關(guān)鍵部位的應(yīng)變和振動(dòng)參數(shù)（頻率范圍0.1~100Hz）。（1）請(qǐng)為應(yīng)變量測(cè)選擇合適的傳感器類型（如電阻應(yīng)變片、光纖光柵傳感器），并說(shuō)明選擇依據(jù)；（2）設(shè)計(jì)振動(dòng)量測(cè)的信號(hào)調(diào)理流程（包括前置放大、濾波、采樣環(huán)節(jié)），并計(jì)算所需的最低采樣頻率；（3）分析量測(cè)過(guò)程中可能的誤差來(lái)源（至少4項(xiàng)），并提出對(duì)應(yīng)的抑制措施。五、設(shè)計(jì)題（30分）設(shè)計(jì)一個(gè)用于高溫環(huán)境（500℃~800℃）的位移量測(cè)系統(tǒng)，要求量程0~50mm，分辨率0.01mm。需完成以下內(nèi)容：（1）傳感器選型（說(shuō)明類型、工作原理及耐高溫特性）；（2）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)（包括放大、濾波、線性化處理）；（3）抗干擾措施（針對(duì)高溫環(huán)境下的熱噪聲、電磁干擾）；（4）標(biāo)定方法（需明確標(biāo)準(zhǔn)器、標(biāo)定步驟及誤差評(píng)定方法）。參考答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.C3.C4.A5.B6.C7.B8.C9.B10.B二、填空題1.線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯（任意3項(xiàng)）2.康銅、鎳鉻合金（或其他金屬材料）、應(yīng)變電阻3.過(guò)零檢測(cè)、相位-電壓轉(zhuǎn)換（或鑒相器）4.A類、B類、A類5.功能（傳感）、非功能（傳光）6.輸出信號(hào)、輸入信號(hào)7.數(shù)據(jù)層、特征層、決策層8.屏蔽、接地、濾波、隔離（任意3項(xiàng)）三、簡(jiǎn)答題1.接觸式量測(cè)：優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本低、精度較高；缺點(diǎn)是可能干擾被測(cè)對(duì)象（如接觸式溫度測(cè)量影響被測(cè)物溫度場(chǎng)）、易受磨損。應(yīng)用：熱電偶溫度測(cè)量、應(yīng)變片應(yīng)力測(cè)量。非接觸式量測(cè)：優(yōu)點(diǎn)是不干擾被測(cè)對(duì)象、可測(cè)運(yùn)動(dòng)或高溫物體；缺點(diǎn)是受環(huán)境（如光線、粉塵）影響大、成本較高。應(yīng)用：紅外熱像儀溫度測(cè)量、激光測(cè)距儀位移測(cè)量。2.頻域分析可將復(fù)雜的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)分解為不同頻率成分的正弦波疊加，便于識(shí)別主導(dǎo)頻率（如固有頻率、故障特征頻率）和各頻率成分的幅值。通過(guò)傅里葉變換（FFT），將時(shí)域信號(hào)x(t)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)X(f)，其中峰值對(duì)應(yīng)的頻率為振動(dòng)頻率，峰值幅值對(duì)應(yīng)該頻率成分的振動(dòng)幅值。3.溫度變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片敏感柵電阻變化（溫度電阻效應(yīng)）及被測(cè)材料與應(yīng)變片基底熱膨脹系數(shù)差異（熱輸出），產(chǎn)生虛假應(yīng)變。溫度補(bǔ)償方法包括：補(bǔ)償片法（半橋/全橋）、熱敏電阻補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償。半橋補(bǔ)償法中，將工作片與補(bǔ)償片（置于同一溫度場(chǎng)但不受力）接入電橋相鄰橋臂，溫度引起的電阻變化相互抵消，僅保留應(yīng)力引起的電阻變化。4.多傳感器數(shù)據(jù)融合優(yōu)勢(shì)：提高量測(cè)可靠性（冗余）、擴(kuò)展量測(cè)范圍（互補(bǔ)）、提升精度（信息互補(bǔ)）?？柭鼮V波適用于線性系統(tǒng)、高斯噪聲場(chǎng)景，通過(guò)狀態(tài)預(yù)測(cè)和量測(cè)更新遞推估計(jì)最優(yōu)值；貝葉斯估計(jì)適用于先驗(yàn)概率已知的非線性場(chǎng)景，通過(guò)后驗(yàn)概率分布融合信息。5.電容式MEMS加速度傳感器工作原理：質(zhì)量塊在加速度作用下產(chǎn)生位移，導(dǎo)致固定電極與質(zhì)量塊上電極的電容變化，通過(guò)電容檢測(cè)電路將位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。應(yīng)用限制：溫度漂移大、噪聲水平較高、量程有限。改進(jìn)方向：采用溫度補(bǔ)償電路、優(yōu)化敏感結(jié)構(gòu)（如真空封裝）、結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行誤差修正。四、綜合分析題（1）應(yīng)變量測(cè)選擇光纖光柵（FBG）傳感器。依據(jù)：抗電磁干擾（橋梁環(huán)境存在強(qiáng)電磁噪聲）、可復(fù)用（多測(cè)點(diǎn)分布式量測(cè)）、耐高溫（橋梁暴露環(huán)境可能溫度變化大）、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好（適合健康監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期需求）。（2）振動(dòng)信號(hào)調(diào)理流程：-前置放大：采用低噪聲運(yùn)算放大器（如AD8429），放大倍數(shù)根據(jù)傳感器輸出范圍（如±5mV）和后續(xù)采集卡量程（±10V）確定（放大倍數(shù)約2000倍）；-濾波：設(shè)計(jì)二階低通濾波器（截止頻率100Hz）抑制高頻噪聲，同時(shí)設(shè)計(jì)高通濾波器（截止頻率0.1Hz）去除直流漂移；-采樣：根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，采樣頻率≥2×最高頻率=200Hz，實(shí)際取250Hz（留冗余）。（3）誤差來(lái)源及抑制措施：-溫度漂移：FBG傳感器采用雙光柵溫度補(bǔ)償（一個(gè)測(cè)應(yīng)變，一個(gè)測(cè)溫度）；電阻應(yīng)變片采用全橋補(bǔ)償；-電磁干擾：傳感器引線采用屏蔽電纜，信號(hào)調(diào)理電路接地；-噪聲：前置放大器選擇低噪聲器件，濾波電路優(yōu)化截止頻率；-安裝誤差：應(yīng)變片粘貼時(shí)確保與被測(cè)面平行，F(xiàn)BG傳感器采用無(wú)應(yīng)力封裝；-非線性誤差：對(duì)傳感器輸出進(jìn)行多項(xiàng)式擬合線性化處理。五、設(shè)計(jì)題（1）傳感器選型：選擇高溫型激光三角位移傳感器（如德國(guó)米銥optoNCDT2300HT）。工作原理：激光發(fā)射到被測(cè)表面，反射光經(jīng)透鏡聚焦到PSD（位置敏感探測(cè)器），位移變化導(dǎo)致光斑在PSD上的位置變化，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換得到位移信號(hào)。耐高溫特性：采用陶瓷封裝，內(nèi)部集成溫度補(bǔ)償芯片，工作溫度可達(dá)800℃。（2）信號(hào)調(diào)理電路：-放大：PSD輸出電流信號(hào)（μA級(jí)），通過(guò)跨阻放大器（如AD8065）轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（0~5V），放大倍數(shù)根據(jù)量程0~50mm和PSD靈敏度（如0.1μA/mm）計(jì)算（跨阻電阻取100kΩ，輸出電壓0~5V）；-濾波：設(shè)計(jì)一階RC低通濾波器（截止頻率10Hz，抑制高頻熱噪聲）；-線性化處理：通過(guò)查表法對(duì)傳感器輸出的非線性特性（激光三角法在遠(yuǎn)場(chǎng)存在非線性）進(jìn)行校正，預(yù)先標(biāo)定位移-電壓曲線并存儲(chǔ)于MCU，實(shí)時(shí)查表修正。（3）抗干擾措施：-熱噪聲抑制：傳感器與被測(cè)物保持100mm以上距離（減少熱輻射影響），信號(hào)線纜采用高溫屏蔽線（如聚四氟乙烯絕緣），調(diào)理電路置于水冷散熱盒中；-電磁干擾抑制：調(diào)理電路電源端加π型濾波（電感+電容），PCB布局采用單點(diǎn)接地，敏感信號(hào)走線遠(yuǎn)離功率線；-光干擾抑制：激光采用特定波長(zhǎng)（如650nm），探測(cè)器前加窄帶濾光片（帶寬±5nm），避免環(huán)境光干擾。（4）標(biāo)定方法：-標(biāo)準(zhǔn)器：高溫環(huán)境位移標(biāo)定臺(tái)（量程0~50mm，精度0.005mm，工作溫度800℃）；-標(biāo)定步驟：①將傳感器與標(biāo)定臺(tái)固定于高溫爐內(nèi)，升溫至500℃、600℃