现代传感器与执行器(S_A)工程学(上)

汽车课件下载现代传感器与执行器工程学主讲：孙宝元2006.3汽车课件下载“现代传感器与执行器（S&A）工程学”目录与编写大纲第一篇总论第一章现代传感器与执行器(以下简称S&A)的概念、定义、分类；1.1S&A的概念与定义1.2S&A的分类1.3S&A的统一性汽车课件下载第二章S&A的统一理论及其物理基础2.1S&A的物性效应的可逆性2.2S&A的物性效应的相似性2.3双向可逆换能器原理2.4二次效应与多次感生效应2.5机电耦合、模拟与变换2.5.1机电模拟2.5.2机电耦合与变换2.5.3典型S&A的应用实例2.6S&A的集成与一体化汽车课件下载第三章A&S的多种能量间的物性效应及其模型3.1三种能量间的物性效应模型3.2四种能量间的物性效应模型3.3六种能量间的物性效应模型3.4主要能量间典型的物性效应第四章S&A的物理基础-物理四大定律的应用4.1能量守恒定律的应用4.2空间场定律的应用4.3统计定律的应用4.4物资特性规律的应用(1)热平衡现象;(2)传输现象;(3)量子现象汽车课件下载第五章A&S的构成法5.1传感器的构成法5.2执行器的构成法5.3S&A的信号变换与数学模型5.4S&A的信号选择方式第六章A&S的技术现状与发展趋势6.1传感器的技术现状与发展趋势6.2执行器的技术现状与发展趋势汽车课件下载第二篇典型传感器与执行器第七章力学量S&A原理与设计7.1压电效应与压电方程(机电换能器的可逆性)7.2二次压电效应7.3三次压电效应(史丽萍论文部分)7.4典型力学量传感器(压电式力、压力、加速度等)7.5典型压电执行器（压电双晶、叠堆、弯曲、扭转、复合等执行器）汽车课件下载7.6自感知传感执行器(SSA)自感知执行器原理与技术关键基于电桥电路的自感知执行器基于观测器的自感知执行器第八章电学量S&A原理与设计8.1X/电S&A的可逆性8.2压阻效应8.3压阻式压力传感器8.4压阻式加速度传感器汽车课件下载第九章磁学量S&A原理与设计9.1X/磁S&A(换能器)的可逆性9.2机磁偶合与机磁效应9.3压磁式传感器9.4磁致伸缩与超磁致伸缩执行器第十章热学量传感器S&A原理与设计10.1X/热S&A的可逆性10.2热电效应和热释电效应10.3热电偶传感器刀杆式测温仪薄膜热电偶传感器汽车课件下载10.4热敏电阻传感器10.5热驱动执行器(多晶硅微泵等)10.6电热微执行器第十一章光学量S&A11.1X/光的效应的可逆性11.2光S&A的基本效应(以光电效应为主)11.3光电传感器11.4CCD器件及检测电路11.5激光与光导纤维传感器11.6光执行器与激光武器汽车课件下载第十二章声学量S&A12.1X/声效应的统一性与可逆性12.2超声波传感器与换能器12.3超声波执行器12.4超声波微电机及其应用12.5声发射（AE）传感器12.6声表面波传感器及其应用第十三章化学量传感器第十四章仿声传感器与执行器第十五章微S&A及其系统汽车课件下载第一章现代传感器与执行器(S&A)的概念、定义与分类1.1S&A的概念\定义传感器与执行器都是自动化系统中的重要组成部分。如果把电子计算机称为电脑，传感器称为“电五官”，那么，执行器就应该是“电手足”了。其各自都承担着重要和不可替代的任务。关于执行器的概念详见文献[1]。汽车课件下载1.1.1传感器的定义过去一机部、七机部、国标等对传感器都有各自的定义。“为测量目的将感受到的物理量（一般为非电量）按照相应的关系转化成另一种物理量（一般为电量）输出的装置叫传感器。在传感器中直接感受被测物理量部分叫做敏感元件。”（QJ30-81标准）“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。”（GB7665-87）。该定义同美国仪表协会（ISA）的定义相似。汽车课件下载1.1.2执行器的定义目前国内外尚未发现有关执行器的统一定义。根据与参考传感器定义的国家标准(GB7665-87)，可以对执行器定义为：在控制信号作用下，按照一定规律产生某种运动的器件或装置。上述定义只是执行器的狭义定义，其广义定义应为：凡是利用物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应，以便达到对对象物的驱动、控制、操作和改变其状态的目的的装置与器件均可称谓执行器。所谓现代执行器，是在上述定义基础上，利用先进理论、原理与先进的制造技术利用物性效应做成的执行元器件。主要应用在国防与民用的高新技术领域和产业部门以及3A（办公自动化、家庭自动化、工厂自动化）设备与装置上。汽车课件下载的定义可以看出:对于物性型S&A动作原理与运行过程正式互逆的。所以，有人将这种S&A称为“双向传感器”。1.2S&A的分类1.2.1传感器的分类其分类方法有多种多样:如按结构和材料可分为结构型(空间型)和物性型(材料型)两大类;按能量关系可分为有源型与无源型,能量控制型与能量转换型等传感器;按输出量又可分为模拟量和数字量等传感器;其中物性型传感器又可按物性效应再分类……。一般常用的多是按工作原理和使用要求（被测量）分类或者将两者合起来进行综合分类。汽车课件下载按结构、材料分类：汽车课件下载按使用要求（被测量）分类：汽车课件下载1.2.2执行器的分类象传感器一样，执行器也可以按照能源种类、工作机理（作用原理）、使用要求、技术水平等进行分类的。按能量种类分为机、电、热、光、声、磁等6种能量执行器；按工作机理可分为：结构型（空间型）和物性型（材料型）两大类，其中各类又可细分；按使用要求可分为位移、振动、力、压力、温度执行器等等。按技术水平又可分为普通型与先进型两大类……。为了对执行器的种类有个宏观的掌握，下面提供一种按综合分类的方法。可见,传感器与执行器的分类方法和体系也是很相似的。汽车课件下载汽车课件下载的统一理论及其物理基础现代执行器和传感器都是利用某种物性效应或者规律实现对被测控对象的检测与控制的，所以，两者在利用物质效应和规律方面有许多共同的性质和规律，许多传感器理论对执行器也将是适合的。将两者合在一起进行研究，将有助于对执行器的认识与了解。实际上，许多机电变换、电磁变换、热电变换等器件都具有双向可逆特性，在一个方向变换为传感器时，而在其相反方向则为执行器。汽车课件下载2.1S&A的效应的可逆性利用同一种物性效应的传感器与执行器，两者的工作原理相同，只是各自所利用效应互为逆效应。如果把S&A比喻成四端网络的话（图2-9），两者的传递方向完全相反。图2-9可逆四端网络汽车课件下载例如可以把机－电系统像分析电的四端网络一样，表示为如下图（2－10）所示（式（2－15）为传递矩阵）。2-10压电传感器与位移执行器（逆效应）汽车课件下载(2-15)式中S为压电灵敏度系数，C为极间电容利用正压电效应，输入为，输出为E，则为力传感器。反过来，如果输入为E时，利用逆压电效应，则输出为或位移，则为执行器。又如电感式位移传感器合执行器也是如图2-11所示，相应的可逆传递矩阵如式（2-16）所示。(2-16)式中－激磁电流，L－电感，d－磁隙。010IESScjSvFt0'''0IEIdjLIddjIvFt汽车课件下载电感传感器位移执行器一般传感器尽管输入信号不同，但输出信号大多为电信号；执行器输入一般为电信号而输出则为不同的信号（其中主要是位移、力、温度等），从这里又一次说明两者的可逆性。如果把输入输出只看作是信号（也不管是电信号还是位移信号），根据双向可逆效应，（也有人称为双向传感器的概念，从本质上来讲，这种利用物质的效应的执行器，从广义上来讲也是属于传感器），相对于同一效应的传感器只是其逆向传感而已。A与S如前所述，两者具有同一图示模型和数学模型（传递矩阵），只是信号与能量种类与传递的方向不同而已。汽车课件下载2.2A&S的物质效应的相似性2.2.1机电效应与电磁效应地相似性机械系统与电系统它们既是相互独立的又是相互联系的。它们的相互联系主要表现在机与电微分方程的相似性和机与电参量之间的一一对应关系。机与电是通过机电耦合效应相互转化的。由图2-15可以看出，机电耦合（压电）效应与电磁效应也有许多相似与相关之处。a.它们都具有本系统的主效应和相关系统的交叉效应。机、电、磁系统的主效应分别为汽车课件下载（2－32）（2－33）交叉效应分别为压电正逆效应与电磁正逆效应，而且都是双向可逆，互为正逆效应。其矩阵表达式分别为（2－34）d’，m’分别为d，m的转置矩阵。)3,2,1,(,)3,2,1,(,,)3,2,1,,,(,jiHjiEDlkjiTSSjiijjiijklijijklB导磁率介电系数柔顺系统)6,...2,13,2,1(,)6,...2,13,2,1('jidESjidTDjiijijji；逆压电效应：；正压电效应：mkkmkmmkmHDmEB磁电效应：电磁效应：汽车课件下载既然是双向可逆效应，除一次效应外都存在着二次、三次…感生效应。电磁场效应早已为麦克斯韦电磁感应定律所证明，即变动的磁场产生电场，变动的电场产生磁场。同理，压电效应也应存在二次、三次…感生效应。压电效应与电磁效应的相关性，根据以下的能量（热平衡）守恒和麦克斯韦关系式也可说明。2.2.2各种效应之间的定量关系—麦克斯韦关系式麦克斯韦关系式可由系统热平衡状态下的量变化推导出来。对于机、电、热三种能量间的麦克斯韦关系式可组成如下6组系数表达式：汽车课件下载和相关公式所示。由上式可见，各效应变量之间都是有着固定的数量关系的；通过系数变换，可将不能测得的量转化为可以测量的量。jjmkkmmmmmmjjmmjjmSSTEBHDHSBHSDHTSBETSD,,,,)3,2,1,;62,1,(mkji汽车课件下载2.3A&S的物质效应及其模型各种物质效应（物理效应、化学效应、生物效应等），是物性型传感器与执行器进行信息变化与能量变换的根据