第3章能量型传感器
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物联网技术基础第3章-传感器与传感网技术可修改全文
24
3.1 传感器概述
3.1.4 传感器的性能指标
对于阶跃输入信号，传感器的响应称 为阶跃响应或瞬态响应，是指传感器 在瞬变的非周期信号作用下的响应特 性。
对于正弦输入信号，传感器的响应称 为频率响应或稳态响应，是指传感器 在振幅稳定不变的正弦信号作用下的 响应特性。
25
3.1 传感器概述
3.1.4 传感器的性能指标
建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方 法。可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数 学模型可用线性常系数微分方程来表示。能用一、二阶线 性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器。
26
3.2 常用传感器
3.2 常用传感器
不同类别的传感器，其工作原理是不同的。下面介绍几种常用的传感器，包括温度传 感器、光电传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、超声波传感器、激光传 感器、生物传感器等。
15
3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类
表3-3为传感器按被测量进行分类。
物理量 传感器
化学量 传感器 生理量 传感器
表3-3 传感器按被测量进行分类
力学量 热学量
压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、 加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感 器、尺度传感器、密度传感器、黏度传感器、硬度传 感器、浊度传感器
28
3.2 常用传感器
3.2.1 温度传感器
温度传感器是指能感受温度并转换成 可用输出信号的传感器。温度传感器 利用热敏元件的参数随温度变化而变 化的特性来达到测量温度的目的。常 见温度传感器如图3-3所示。
图3-3 温度传感器
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3.2 常用传感器
3.2.1 温度传感器
3.1 传感器概述
3.1.4 传感器的性能指标
对于阶跃输入信号，传感器的响应称 为阶跃响应或瞬态响应，是指传感器 在瞬变的非周期信号作用下的响应特 性。
对于正弦输入信号，传感器的响应称 为频率响应或稳态响应，是指传感器 在振幅稳定不变的正弦信号作用下的 响应特性。
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3.1 传感器概述
3.1.4 传感器的性能指标
建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方 法。可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数 学模型可用线性常系数微分方程来表示。能用一、二阶线 性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器。
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3.2 常用传感器
3.2 常用传感器
不同类别的传感器，其工作原理是不同的。下面介绍几种常用的传感器，包括温度传 感器、光电传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、超声波传感器、激光传 感器、生物传感器等。
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3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类
表3-3为传感器按被测量进行分类。
物理量 传感器
化学量 传感器 生理量 传感器
表3-3 传感器按被测量进行分类
力学量 热学量
压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、 加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感 器、尺度传感器、密度传感器、黏度传感器、硬度传 感器、浊度传感器
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3.2 常用传感器
3.2.1 温度传感器
温度传感器是指能感受温度并转换成 可用输出信号的传感器。温度传感器 利用热敏元件的参数随温度变化而变 化的特性来达到测量温度的目的。常 见温度传感器如图3-3所示。
图3-3 温度传感器
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3.2 常用传感器
3.2.1 温度传感器
第3章 传感器及检测技术
• （2）传感器的校准 • 传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继 续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确 保传感器的测量精度的过程，称为传感器的校准。校准与标定的内容 是基本相同的。
3.1.2 传感器的分类
• 传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测 量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种 分类方法。常用的分类方法有： • 1．按被测量分类:被测量的类型主要有：①机械量，如位移、力、速 度、加速度等；②热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差） 、液位等；③物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；④状态参 量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。 • 2．按测量原理分类:按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电 容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器。现 有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律， 这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于 专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。
– 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流 量、转速和位移等参数的测量。
– 电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理 制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。
• 。
• （2）磁学式传感器
– 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等 参数的测量。
• 3．传感器与家用电器
– 传感器已在现代家用电器中得到普遍应用，譬如，在电子炉灶、自动电饭锅、吸 尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、 游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照像机、电冰箱、彩色电视机、录像机 、录音机、收音机、电唱机及家庭影院等方面都得到了广泛应用。
第三章 传感器
第三章常用的传感器§3.1传感器的分类一、传感器的定义通俗的讲，传感器就是将被测信息转换成某种信号的器件。
也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。
传感器通常直接作用于被测量。
传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。
近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。
深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。
二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三个主要部分组成，有时还加上辅助电源。
通常可用图表示如下：图4-1 传感器的组成由于其用途的不同或是结构原理的不同，其繁简程度相差很大。
因此，传感器的组成将依不同情况而有差异。
敏感元件——传感器的核心，它直接感受被测量（一般为非电量）并转换成信号形成，即输出与被测量成确定关系的其它量的元件，如膜片、热电偶，波纹管等。
传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成部分。
传感元件可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量。
如热电偶和热敏电阻等。
传感元件也可以不只感受被测量，而只是感受与被测两或确定关系的其它非电量；如应变式压力传感器的电阻片，并不直接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的应变，然后输出电量，在多数情况下，使用的就是这种传感元件。
测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。
测量电路视传感元件的类型而定。
三、传感器的分类在生产和科研中应用的传感器种类很多，一种被测量有时可以用集中传感器来测量，用一种传感器往往可以测量多种物理量。
为了对传感器有一个概括的认识，对传感器进行研究是很必要的。
机械工程测试技术基础课后习题答案
《机械工程测试技术基础》课后答案章节测试题第1章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是 ，其中目前应用最广泛的是电信号。
2、 信号的时域描述，以 为独立变量；而信号的频域描述，以 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点： ， ， 。
4、 非周期信号包括 信号和 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 、 、 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 对称，虚频谱（相频谱）总是 对称。
（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。
2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。
3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。
第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
第三章 常用传感器的变换原理
根据电阻的定义式: 阻的相对变化为：
R l/A
如果电阻丝在外力作用下产生变化时，其电
dR d 1 2 x R
1 为电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。
dR ( 1 2 ) K x 0 x R
d 引起的。
是由于电阻丝几何尺寸变化引起的； 是由于受力后材料的电阻率发生变化而
蠕变:应力不变的条件下，应变随时间延 长而增加的现象。 横向效应：敏感栅的电阻变化一定小于 纯直线敏感栅的电阻变化的现象。 机械滞后：应变片贴在试件上以后，在 一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载 和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象。
2）箔式应变片 箔式应变片中的箔栅是金属箔（厚为 0.002~0.01mm）通过光刻、腐蚀等工艺制 成的。如图3-10中(d)、(f)、(h)、(k)。箔的 材料多为电阻率高、热稳定性好的康铜和 铜镍合金。
（二）应变片的粘贴 1. 去污：采用 手持砂轮工具除去 构件表面的油污、 漆、锈斑等，并用 细纱布交叉打磨出 细纹以增加粘贴力 ， 最后用浸有酒精或 丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。
2. 贴片：在应 变片的表面和处理 过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘 贴胶 ，用镊子将应 变片放上去，并调 好位置，然后盖上 塑料薄膜，用手指 揉和滚压，排出下 面的气泡 。
dR d 1 2 x R
对于金属材料：
d 是个常数，往往很小，可以忽略。
因此，上式可写成为：
dR ( 1 2 ) E 应变-电阻效应 x 1 x R
K0为金属单丝灵敏系数，是单位应变所 引起的电阻相对变化。
对于半导体材料： 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷 而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理 现象称为半导体的压阻效应。 半导体应变片是根据压阻效应原理工作的。 当沿某一晶轴方向切下一小条半导体应变片， 若只沿其轴向受到应力，其电阻率的变化量可由下 式表示
现代传感技术第三章课后习题答案
思考题1.传感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？答：1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。
2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。
3、转换电路：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换成便于测量的电学量（如电压、电流、频率等）。
2.从传感器的结构形式来划分，可将传感器按其构成方法分为哪几类？各类型的特点是什么？并画出各类型的结构简图。
答:1.通用型、2.参比型、3.差动型、4.反馈型。
1.通用型根据组成可分为：能量变换基本型、能量控制基本型、能量变换特殊型（辅助能源型）、电路参数型和多级变换型。
（1）能量变换基本型特点：（1）只由敏感元件构成。
（2）不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象获得，输出能量较弱。
（3）利用热平衡现象或传输现象中的一次效应制成是可逆的。
（4）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。
（5）输出能量不可能大于被测对象的能量。
（2）能量控制基本型特点：（1）也由敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量输出。
（2）输出能量可大于被测对象具有的能量。
（3）无需变换电路即可有较大的电量输出。
（3）能量变换特殊型（辅助能源型）特点：（1）只由敏感元件构成。
（2）能量从被测对象获得，属能量变换型。
（3）辅助能源是为了增加抗干扰能力或提高稳定性，或取出信号，或为原理所需要而使用固定磁场。
（4）电路参数型特点：(1) 敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。
(2) 转换电路含有该敏感元件。
(3) 电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。
(4) 输出能量远大于输入能量。
(5) 利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。
5)多级变换型2.参比补偿型特点：(1) 采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。
其中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补偿用。
(2) 两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。
机械工程测试基础 第三章 传感器
R 1 2 E x R
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
传感器与测试技术第三章测试系统特性3动态特性
()arc(tg )
H(j) 1 j1
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
24
幅 频 和 相 频 曲 线
伯 德 图
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
25
幅频特性A(ω)和相频特性(ω)表示输入和输出之 间的差异，称为稳态响应动态误差。
实际应用中常限定幅值误差
A()A(0)10% 0 A()110% 0 某个给定值
频率响应函数是描述系统的简谐输入和其稳态
输出的关系，在求解系统频率响应函数时，必须在 系统响应达到稳态阶段时才测量。
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
13
从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步 增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值 比和相位差，绘图就得到系统幅频和相频特性。
下，其稳态输出与输入的幅值比随频率的变化， 称为系统的幅频特性；
幅角()反映了稳态输出与输入的相位差随频
率的变化，称为系统的相频特性。
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
9
频率响应特性的图形描述： 直观地反映了测试系统对不同频率成分输入信号
的扭曲情况——输出与输入的差异。
A
幅频特性曲线
相频特性曲线
22
例如：弹簧－阻尼机械系统
k
c
y(t) b0 x(t) =F(t) 一阶系统
dy a1 dta0yb0x
弹性系数 阻尼系数
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
23
a1dd(yt)ta0y(t)b0x(t)
取S＝1
dy(t)y(t)Sx(t)
H(s) 1
dt
s 1
A() 1 1()2
H(j) 1 j1
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
24
幅 频 和 相 频 曲 线
伯 德 图
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
25
幅频特性A(ω)和相频特性(ω)表示输入和输出之 间的差异，称为稳态响应动态误差。
实际应用中常限定幅值误差
A()A(0)10% 0 A()110% 0 某个给定值
频率响应函数是描述系统的简谐输入和其稳态
输出的关系，在求解系统频率响应函数时，必须在 系统响应达到稳态阶段时才测量。
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
13
从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步 增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值 比和相位差，绘图就得到系统幅频和相频特性。
下，其稳态输出与输入的幅值比随频率的变化， 称为系统的幅频特性；
幅角()反映了稳态输出与输入的相位差随频
率的变化，称为系统的相频特性。
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
9
频率响应特性的图形描述： 直观地反映了测试系统对不同频率成分输入信号
的扭曲情况——输出与输入的差异。
A
幅频特性曲线
相频特性曲线
22
例如：弹簧－阻尼机械系统
k
c
y(t) b0 x(t) =F(t) 一阶系统
dy a1 dta0yb0x
弹性系数 阻尼系数
传感器与测试技术第三章测试系统特性3-动态特性
23
a1dd(yt)ta0y(t)b0x(t)
取S＝1
dy(t)y(t)Sx(t)
H(s) 1
dt
s 1
A() 1 1()2
传感器第4次课--能量控制型传感器
(本实验室的应变片为350欧姆)。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
应变片单臂电桥测量电路
KU
Uo R4
E
(1
n n)
2
R1
R2 化简公式 R4
E
V
R4 R3
根据P27的推算得到电桥电压灵敏度(输出电压与电阻变化率的比)KU的公 式,公式表明:KU与桥臂比n有关,与E成正比 当n=1（R1=R3）时,KU=E/4,比如E=4V时,应变片每变化1%,电压变化
温度稳定性差：可以从两方面理解 1.半导体器件的温度一般不能超过焊接温度很多 2.之前讲过的二极管正向电压随温度变化，LM35 温度集成电路，以及后续半导体热敏电阻
问题：下表中，哪几个型号是半导 体应变片，依据是什么?
应变片的主要参数
1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 b×L表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值
半导体应变片是直接用单晶锗或单 晶硅等半导体材料进行切割、研磨、切 条、焊引线、粘贴一系列工艺制作过程 完成的。
半导体式电阻应变片 • 优点：灵敏度大（比金属式大100倍）;体积小; • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
灵敏度大：从半导体三极管的放大作用理解半导 体的电阻很容易发生很大的变化
• 一、变隙式 • 结构：如图所示，由线圈、铁芯、衔铁等组成。
3.电感式传感器
变隙式传感器
工作原理：传感器工 作时，衔铁与被测体 连接。当被测体产生 ±δ 的 位 移 时 ， 衔 铁 与其同步移动，引起 磁路中气隙的磁阻发 生相应的变化。从而 导致线圈电感的变化。 只要测出这种电感量 的变化，就能确定衔 铁（被测体）位移量 的大小和方向。
应变片单臂电桥测量电路
KU
Uo R4
E
(1
n n)
2
R1
R2 化简公式 R4
E
V
R4 R3
根据P27的推算得到电桥电压灵敏度(输出电压与电阻变化率的比)KU的公 式,公式表明:KU与桥臂比n有关,与E成正比 当n=1（R1=R3）时,KU=E/4,比如E=4V时,应变片每变化1%,电压变化
温度稳定性差：可以从两方面理解 1.半导体器件的温度一般不能超过焊接温度很多 2.之前讲过的二极管正向电压随温度变化，LM35 温度集成电路，以及后续半导体热敏电阻
问题：下表中，哪几个型号是半导 体应变片，依据是什么?
应变片的主要参数
1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 b×L表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值
半导体应变片是直接用单晶锗或单 晶硅等半导体材料进行切割、研磨、切 条、焊引线、粘贴一系列工艺制作过程 完成的。
半导体式电阻应变片 • 优点：灵敏度大（比金属式大100倍）;体积小; • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
灵敏度大：从半导体三极管的放大作用理解半导 体的电阻很容易发生很大的变化
• 一、变隙式 • 结构：如图所示，由线圈、铁芯、衔铁等组成。
3.电感式传感器
变隙式传感器
工作原理：传感器工 作时，衔铁与被测体 连接。当被测体产生 ±δ 的 位 移 时 ， 衔 铁 与其同步移动，引起 磁路中气隙的磁阻发 生相应的变化。从而 导致线圈电感的变化。 只要测出这种电感量 的变化，就能确定衔 铁（被测体）位移量 的大小和方向。
第3章 传感器及其成像方式
平面上的曲线，在中心投影上的像片仍为曲线。
面状物体的中心投影相对于各种线投影的组合。水平面的投影仍 为一平面。垂直面的投影依其所处的位置而变化，当位于投影中心 时，投影所反映的是其顶部形状，呈一直线；在其他位置时，除其 顶部为一直线外，其侧面投影成不规则梯形。 返回
像片比例尺
像片比例尺：像片上两点之间的距离与地面上相应两点的实际距 离之比。
系统来说的，是衡量卫星系统成像能力和成像特点的一个重
要指标。 时间分辨率和卫星的回归周期（重访周期），是既有联 系又有区别的两个概念。 遥感卫星以一定的时间分辨率，在不同时间获取的同一 地区的一组遥感图像称之为多时相图像（ Multi-Temporal Image）。多时相遥感图像对地表事物的动态监测具有重要 意义。
3.1 传感器概述 3.2 摄影成像系统
3.3 扫描成像系统
3.1 传感器概述
1 传感器的分类 2 传感器的组成 3 传感器的性能
传感器是收集、探
测、记录地物电磁波
辐射信息的装置。 它的性能决定遥感 的能力，即传感器对 电磁波段的响应能力、
传感器的空间分辨率
及图像的几何特征、 传感器获取地物信息 量的大小和可靠程度。
高，其对地物反射或发射能量的微小变化的探测能力 越强，所获取图像的层次就越丰富。
辐射分辨率一般用灰度的分级数来表示，即最暗—
最亮灰度值（亮度值）间分级的数目（量化级数）也 称为灰度分辨率。灰度一般按2n来分级。
4.时间分辨率：指卫星对同一地点重复成像的时间间隔，
即采样的时间频率。显然，时间分辨率主要是针对遥感卫星
返回
3.1.1 传感器的分类
按电磁波的 辐射来源 按成像原理
• 主动式传感器 • 被动式传感器
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设有一根长度为l,截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的 电阻R可用下式表示:
当金属丝受轴向应力σ作用被拉伸时，由于应变效应其电阻值 将发生变化，当长度变化△ l ，面积变化△A，电阻率变化为△ ρ 时，则其电阻相对变化可表示为:
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3. 2电阻应变式传感器
对于直径为d的圆形截面的电阻丝，因为A = πd2/4，所以有: 由力学中可知横向收缩和纵向伸长的关系可用泊松比μ表示: 所以
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3. 2电阻应变式传感器
式中，ε为应变， ε=△l / l 这样，式(3 返回
3. 2电阻应变式传感器
3. 2. 2电阻应变片的种类与结构
1.电阻应变片的种类 电阻应变片的种类繁多，形式多样，常用的分类方法是按照
应变片构造的材料、工作温度范围以及用途来进行分类。 (1)按应变片敏感栅的材料分类，可分为金属应变片和半导体应变片
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3. 1电位器式传感器
电位器式加速度传感器的优点是:结构简单，价格低廉，性能 稳定，能在较恶劣的环境条件下工作，输出信号大。因此它得到 应用。但它的测量精度不高，动态响应较差，不适合于测量快速 变化量。
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3. 2电阻应变式传感器
3. 2.1电阻应变片的工作原理
导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值 也相应发生变化的物理现象称为电阻应变效应。
电位器式传感器的设计主要是根据实际需要选择合适的电阻 丝、电刷和骨架。
3. 1. 2电位器式传感器的应用
电位器式传感器主要用来测量位移，通过其他敏感元件(如膜 片、膜盒、弹簧管等)进行转换，也可测量压力、加速度等物理量。
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3. 1电位器式传感器
1.测量位移 如图3 -2所示为电位器式位移传感器。在推杆式位移传感器
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3. 3电感式传感器
(4)差动电感传感器。在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共 用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵 敏度，减少测量误差。 如图3一20所示是变间隙型、变面积型及螺管型3种类型的差 动式电感传感器。
2.差动变压器 差动变压器是互感式电感传感器，它将被测量变化转换为互
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3. 2电阻应变式传感器
(3)半导体应变片。半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制 成的一种纯电阻性元件。对一块半导体材料的某一轴向施加一定 的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称 之为压阻效应。
半导体应变片有以下几种类型: ①体型半导体应变片。其结构如图3一6所示。 ②薄膜型半导体应变片。这种变应片是利用真空沉积技术将半导体
两大类。其中，金属应变片又分为体型(箔式、丝式)和薄膜式;半 导体应变片又分为体型、薄膜型、扩散型、PN结型及其他型。 (2)按应变片的工作温度分类，可分为低温应变片(低于一30 ℃ )、常 温应变片(一30 ~60℃)、中温应变片(60~300℃)、高温应变片 (300℃以上)等。 (3)按应变片的用途分类，可分为一般用途应变片和特殊用途应变片 (水下、疲劳寿命、裂纹扩展以及大应变测量等)。
材料沉积在带有绝缘层的试件上面制成，其结构示意图如图3-7 (a) 所示。 ③扩散型半导体应变片。将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成 一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形 成了扩散型半导体应变片。如图3 -7(b)所示为扩散型半导体应变 片示意图。这是一种应用很广的半导体应变片。
自感式传感器可以分为变间隙型，变面积型和螺管型3种。 1.自感式电感传感器的工作原理 (1)变间隙型电感传感器。变间隙型电感传感器的结构示意图如图3一
17所示。传感器由线圈、铁芯和衔铁组成。工作时衔铁与被测物 体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气 隙磁阻的变化，导致了线圈电感的变化。 (2)变面积型电感传感器。由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不 变，铁芯与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化而改变，从而 导致线圈的电感发生变化，这种形式称之为变面积型传感器，其 结构示意图如图3一18所示。
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3. 2电阻应变式传感器
2.应变式称量传感器 如图3一14所示是插入式测容器内液体质量的传感器示意图。 3.应变式位移传感器 如图3一15所示为一种组合式位移传感器。 4.应变式加速度传感器 如图3一16所示是应变片式加速传感器的结构示意图。
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3. 3电感式传感器
3. 3.1自感式传感器与差动式变压器式传感器
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3. 3电感式传感器
(3)螺管型电感式传感器。如图3一19所示为螺管型电感式传感器的结 构图，螺管型电感式传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线 路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化，线圈电感量 的大小与衔铁插入线圈的深度有关。
通过对以上3种形式的电感式传感器的分析，可以得出以下几点结论: ①变间隙型灵敏度高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难。 ②变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大，使用比较广 泛。 ③螺管型灵敏度较小，但量程大且结构简单易于制作和批量生产， 是使用最广泛的一种电感式传感器。
3. 2. 4电阻应变式传感器的应用
电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性 敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变，而粘贴 在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变， 因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电 阻应变片的电阻变化，就可以确定被测量的大小了。
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3. 2电阻应变式传感器
电阻应变式传感器用来测量压力、扭矩、位移、质量和加速 度等物理量 1.应变式压力传感器
应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力， 如动力管道设备的进出口气体或液体的压力，发动机内部的压力、 枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等 (1)膜片式压力传感器。如图3一12所示为膜片式压力传感器。 (2)筒式压力传感器。测量较大压力时，大多采用简式压力传感器(如 图3一13所示)。
螺旋型和非线性型等几种类型。不管哪种类型，其工作原理都是 通过改变电位器的滑动壁触头的位置，将线位移、角位移等位移 量转换为电阻的变化或电压的变化。如对于直线位移型，输出电 压为。
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3. 1电位器式传感器
即输出电压和线位移x成比例。而对于角位移型，输出电压则为
即输出电压与角位移α成比例。 2.电位器式传感器的结构与材料
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3. 2电阻应变式传感器
2.几种常用应变片及结构 (1)丝式应变片 ①回线式应变片。图3-4 (a)所示为常见的回线式应变片构造图。 ②短接式应变片。这种应变片是将敏感栅平行安放，两端用直径比 栅径直径大5一10倍的镀银丝短接而构成，如图3-4 (b)所示。 (2)箔式应变片。这类应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将 电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形而成的应变片，箔材厚度为0. 001一0. 01 mm，所用材料以康铜和镍铬合金为主。基底可用环氧 树醋、酚醛或酚醛树醋等。利用光刻技术，可以制成适用各种需 要的、形状美观的称为应变花的应变片。如图3一5所示为常见的 几种箔式应变片的构造形式 箔式应变片的优点:可根据需要制成任意形状的敏感栅;表面 积大、散热性能好，可以通过较大的工作电流;敏感栅弯头横向效 应可以忽略;蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高等。
式(3. 6)为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂 电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。 2.电压灵敏度
R1 为电阻应变片， R2, R3及R4为电桥固定电阻，这就构成了 单臂电桥。应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电 压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻 抗比桥路输出阻抗高很多，所以在此时仍视电桥为开路情况。当 受应变时，若应变片电阻变化为△R，其他桥臂固定不变，电桥输 出电压U0 ≠ 0 ，则电桥不平衡，输出电压为:
中被测位移通过带齿条的推杆1及齿轮2, 3, 4组成的齿轮传动系统 将直线位移转换成旋转运动，再经离合器5传送到电位器轴6上， 带动电刷7滑动，从而输出电信号。 2.测量加速度
如图3一3所示为电位器式加速度传感器。惯性质量块1在被 测加速度的作用下，使片状弹簧2产生与加速度成正比的位移，从 而引起电刷4在电阻元件3上滑动，输出与加速度成比例的电压信 号。
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3. 2电阻应变式传感器
3. 2. 3电阻应变片的测量电路
1.直流电桥平衡条件 电桥电路如图3 -8所示，图中E为电源电压，R1 , R2, R3及R4为
桥臂电阻， RL为负载电阻。 当RL →∞时，电桥输出电压为
当电桥平衡时，U0 = 0，则有
（3.6）
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3. 2电阻应变式传感器
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3. 2电阻应变式传感器
(3)弹性模量补偿。弹性元件承受一定载荷且温度升高时，弹性模量 要减小。因此导致了传感器输出灵敏度变大，使电桥输出增加。 补偿的方法可在电桥输人端接人铜丝或镍丝制成的补偿电阻RE， 当温度升高时， RE变大，降低了桥压，致使电桥输出随温度升高 而减小。通常将RE /2分别接入桥路两个输入端，以保证桥路对称， 如图3一11所示。
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3. 2电阻应变式传感器
(2)温度补偿。环境温度的变化也会影响电桥的零点漂移。产生漂移 的原因有:电阻应变片的电阻温度系数不一致;应变片材料与被测试 件材料间的膨胀率不一致;电阻应变片的粘贴情况不一致 温度补偿的方法一般采用补偿片法和热敏元件法 所谓补偿片法即用一个应变片做工作片，贴在试件上测应变。 在另一块和被测试件结构材料相同而不受应力的补偿块上贴上和 工作片规格完全相同的补偿片，使补偿块和被测试件处于相同的 温度环境，工作片和补偿片分别接入电桥的相邻两臂，如图3一10 所示。
当金属丝受轴向应力σ作用被拉伸时，由于应变效应其电阻值 将发生变化，当长度变化△ l ，面积变化△A，电阻率变化为△ ρ 时，则其电阻相对变化可表示为:
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3. 2电阻应变式传感器
对于直径为d的圆形截面的电阻丝，因为A = πd2/4，所以有: 由力学中可知横向收缩和纵向伸长的关系可用泊松比μ表示: 所以
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3. 2电阻应变式传感器
式中，ε为应变， ε=△l / l 这样，式(3 返回
3. 2电阻应变式传感器
3. 2. 2电阻应变片的种类与结构
1.电阻应变片的种类 电阻应变片的种类繁多，形式多样，常用的分类方法是按照
应变片构造的材料、工作温度范围以及用途来进行分类。 (1)按应变片敏感栅的材料分类，可分为金属应变片和半导体应变片
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3. 1电位器式传感器
电位器式加速度传感器的优点是:结构简单，价格低廉，性能 稳定，能在较恶劣的环境条件下工作，输出信号大。因此它得到 应用。但它的测量精度不高，动态响应较差，不适合于测量快速 变化量。
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3. 2电阻应变式传感器
3. 2.1电阻应变片的工作原理
导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值 也相应发生变化的物理现象称为电阻应变效应。
电位器式传感器的设计主要是根据实际需要选择合适的电阻 丝、电刷和骨架。
3. 1. 2电位器式传感器的应用
电位器式传感器主要用来测量位移，通过其他敏感元件(如膜 片、膜盒、弹簧管等)进行转换，也可测量压力、加速度等物理量。
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3. 1电位器式传感器
1.测量位移 如图3 -2所示为电位器式位移传感器。在推杆式位移传感器
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3. 3电感式传感器
(4)差动电感传感器。在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共 用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵 敏度，减少测量误差。 如图3一20所示是变间隙型、变面积型及螺管型3种类型的差 动式电感传感器。
2.差动变压器 差动变压器是互感式电感传感器，它将被测量变化转换为互
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3. 2电阻应变式传感器
(3)半导体应变片。半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制 成的一种纯电阻性元件。对一块半导体材料的某一轴向施加一定 的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称 之为压阻效应。
半导体应变片有以下几种类型: ①体型半导体应变片。其结构如图3一6所示。 ②薄膜型半导体应变片。这种变应片是利用真空沉积技术将半导体
两大类。其中，金属应变片又分为体型(箔式、丝式)和薄膜式;半 导体应变片又分为体型、薄膜型、扩散型、PN结型及其他型。 (2)按应变片的工作温度分类，可分为低温应变片(低于一30 ℃ )、常 温应变片(一30 ~60℃)、中温应变片(60~300℃)、高温应变片 (300℃以上)等。 (3)按应变片的用途分类，可分为一般用途应变片和特殊用途应变片 (水下、疲劳寿命、裂纹扩展以及大应变测量等)。
材料沉积在带有绝缘层的试件上面制成，其结构示意图如图3-7 (a) 所示。 ③扩散型半导体应变片。将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成 一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形 成了扩散型半导体应变片。如图3 -7(b)所示为扩散型半导体应变 片示意图。这是一种应用很广的半导体应变片。
自感式传感器可以分为变间隙型，变面积型和螺管型3种。 1.自感式电感传感器的工作原理 (1)变间隙型电感传感器。变间隙型电感传感器的结构示意图如图3一
17所示。传感器由线圈、铁芯和衔铁组成。工作时衔铁与被测物 体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气 隙磁阻的变化，导致了线圈电感的变化。 (2)变面积型电感传感器。由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不 变，铁芯与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化而改变，从而 导致线圈的电感发生变化，这种形式称之为变面积型传感器，其 结构示意图如图3一18所示。
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3. 2电阻应变式传感器
2.应变式称量传感器 如图3一14所示是插入式测容器内液体质量的传感器示意图。 3.应变式位移传感器 如图3一15所示为一种组合式位移传感器。 4.应变式加速度传感器 如图3一16所示是应变片式加速传感器的结构示意图。
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3. 3电感式传感器
3. 3.1自感式传感器与差动式变压器式传感器
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3. 3电感式传感器
(3)螺管型电感式传感器。如图3一19所示为螺管型电感式传感器的结 构图，螺管型电感式传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线 路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化，线圈电感量 的大小与衔铁插入线圈的深度有关。
通过对以上3种形式的电感式传感器的分析，可以得出以下几点结论: ①变间隙型灵敏度高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难。 ②变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大，使用比较广 泛。 ③螺管型灵敏度较小，但量程大且结构简单易于制作和批量生产， 是使用最广泛的一种电感式传感器。
3. 2. 4电阻应变式传感器的应用
电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性 敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变，而粘贴 在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变， 因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电 阻应变片的电阻变化，就可以确定被测量的大小了。
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3. 2电阻应变式传感器
电阻应变式传感器用来测量压力、扭矩、位移、质量和加速 度等物理量 1.应变式压力传感器
应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力， 如动力管道设备的进出口气体或液体的压力，发动机内部的压力、 枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等 (1)膜片式压力传感器。如图3一12所示为膜片式压力传感器。 (2)筒式压力传感器。测量较大压力时，大多采用简式压力传感器(如 图3一13所示)。
螺旋型和非线性型等几种类型。不管哪种类型，其工作原理都是 通过改变电位器的滑动壁触头的位置，将线位移、角位移等位移 量转换为电阻的变化或电压的变化。如对于直线位移型，输出电 压为。
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3. 1电位器式传感器
即输出电压和线位移x成比例。而对于角位移型，输出电压则为
即输出电压与角位移α成比例。 2.电位器式传感器的结构与材料
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3. 2电阻应变式传感器
2.几种常用应变片及结构 (1)丝式应变片 ①回线式应变片。图3-4 (a)所示为常见的回线式应变片构造图。 ②短接式应变片。这种应变片是将敏感栅平行安放，两端用直径比 栅径直径大5一10倍的镀银丝短接而构成，如图3-4 (b)所示。 (2)箔式应变片。这类应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将 电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形而成的应变片，箔材厚度为0. 001一0. 01 mm，所用材料以康铜和镍铬合金为主。基底可用环氧 树醋、酚醛或酚醛树醋等。利用光刻技术，可以制成适用各种需 要的、形状美观的称为应变花的应变片。如图3一5所示为常见的 几种箔式应变片的构造形式 箔式应变片的优点:可根据需要制成任意形状的敏感栅;表面 积大、散热性能好，可以通过较大的工作电流;敏感栅弯头横向效 应可以忽略;蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高等。
式(3. 6)为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂 电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。 2.电压灵敏度
R1 为电阻应变片， R2, R3及R4为电桥固定电阻，这就构成了 单臂电桥。应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电 压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻 抗比桥路输出阻抗高很多，所以在此时仍视电桥为开路情况。当 受应变时，若应变片电阻变化为△R，其他桥臂固定不变，电桥输 出电压U0 ≠ 0 ，则电桥不平衡，输出电压为:
中被测位移通过带齿条的推杆1及齿轮2, 3, 4组成的齿轮传动系统 将直线位移转换成旋转运动，再经离合器5传送到电位器轴6上， 带动电刷7滑动，从而输出电信号。 2.测量加速度
如图3一3所示为电位器式加速度传感器。惯性质量块1在被 测加速度的作用下，使片状弹簧2产生与加速度成正比的位移，从 而引起电刷4在电阻元件3上滑动，输出与加速度成比例的电压信 号。
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3. 2电阻应变式传感器
3. 2. 3电阻应变片的测量电路
1.直流电桥平衡条件 电桥电路如图3 -8所示，图中E为电源电压，R1 , R2, R3及R4为
桥臂电阻， RL为负载电阻。 当RL →∞时，电桥输出电压为
当电桥平衡时，U0 = 0，则有
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3. 2电阻应变式传感器
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(3)弹性模量补偿。弹性元件承受一定载荷且温度升高时，弹性模量 要减小。因此导致了传感器输出灵敏度变大，使电桥输出增加。 补偿的方法可在电桥输人端接人铜丝或镍丝制成的补偿电阻RE， 当温度升高时， RE变大，降低了桥压，致使电桥输出随温度升高 而减小。通常将RE /2分别接入桥路两个输入端，以保证桥路对称， 如图3一11所示。
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(2)温度补偿。环境温度的变化也会影响电桥的零点漂移。产生漂移 的原因有:电阻应变片的电阻温度系数不一致;应变片材料与被测试 件材料间的膨胀率不一致;电阻应变片的粘贴情况不一致 温度补偿的方法一般采用补偿片法和热敏元件法 所谓补偿片法即用一个应变片做工作片，贴在试件上测应变。 在另一块和被测试件结构材料相同而不受应力的补偿块上贴上和 工作片规格完全相同的补偿片，使补偿块和被测试件处于相同的 温度环境，工作片和补偿片分别接入电桥的相邻两臂，如图3一10 所示。