现代传感器与执行器(S_A)工程学

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单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,现代传感器与执行器工程学,主讲:孙宝元,2006.3,“现代,传,传感器,与,与执行,器,器(S&A),工,工程学,”,”目录与,编,编写大,纲,纲,第一篇,总论,第一章,现代传,感,感器与,执,执行器(以下,简,简称S&A),的,的概念,、,、定义,、,、分类,;,;,1.1S&A的,概,概念与,定,定义,1.2S&A的,分,分类,1.3S&A的,统,统一性,第二章S&A的统,一,一理论,及,及其物,理,理基础,2.1S&A的物,性,性效应,的,的可逆,性,性,2.2S&A 的,物,物性效,应,应的相,似,似性,2.3,双,双,向,向可逆,换,换能器,原,原理,2.4,二,二,次,次效应,与,与多次,感,感生效,应,应,2.5,机,机,电,电耦合,、,、模拟,与,与变换,2.5.1机,电,电模拟,2.5.2,机,机电耦,合,合与变,换,换,2.5.3,典,典型S&A的,应,应用实,例,例,2.6S&A的集,成,成与一,体,体化,第三章A&S的,多,多种能,量,量间的,物,物性效,应,应及其,模,模型,3.1,三,三种,能,能量间,的,的物性,效,效应模,型,型,3.2,四,四种,能,能量间,的,的物性,效,效应模,型,型,3.3,六,六种,能,能量间,的,的物性,效,效应模,型,型,3.4,主,主要,能,能量间,典,典型的,物,物性效,应,应,第四章S&A的,物,物理基,础,础-物,理,理四大,定,定律的,应,应用,4.1,能,能量,守,守恒定,律,律的应,用,用,4.2,空,空间,场,场定律,的,的应用,4.3,统,统计,定,定律的,应,应用,4.4,物,物资,特,特性规,律,律的应,用,用(1)热,平,平衡现,象,象;(2)传,输,输现象;(3)量子,现,现象,第五章A&S的构,成,成法,5.1,传,传感,器,器的构,成,成法,5.2,执,执行,器,器的构,成,成法,5.3 S&A的信,号,号变换与数,学,学模型,5.4 S&A的信,号,号选择方式,第六章A&S的技术,现,现状与发展,趋,趋势,6.1 传,感,感器的技术,现,现状与发展,趋,趋势,6.2 执,行,行器的技术,现,现状与发展,趋,趋势,第二,篇,典型传感器,与,与执行器,第七章,力学量S&A原理与设,计,计,7.1 压,电,电效应与压,电,电方程(机,电,电换能器的,可,可逆性),7.2 二,次,次压电效应,7.3三次,压,压电效应(,史,史丽萍论文,部,部分),7.4典型,力,力学量传感,器,器(压电式,力,力、压力、,加,加速度等),7.5典型,压,压电执行器,(,(压电双晶,、,、叠堆、弯,曲,曲、扭转、,复,复合等执行,器,器),7.6 自,感,感知传感执,行,行器(SSA),自感知执行,器,器原理与技,术,术关键,基于电桥电,路,路的自感知,执,执行器,基于观测器,的,的自感知执,行,行器,第八章 电,学,学量S&A,原,原理与设计,8.1 X/电S&A,的,的可逆性,8.2压阻,效,效应,8.3压阻,式,式压力传感,器,器,8.4压阻,式,式加速度传,感,感器,第九章磁学量S&A原理与设,计,计,9.1 X/磁S&A(换能器),的,的可逆性,9.2 机,磁,磁偶合与机,磁,磁效应,9.3 压,磁,磁式传感器,9.4 磁,致,致伸缩与超,磁,磁致伸缩执,行,行器,第十章,热学量传感,器,器S&A原,理,理与设计,10.1X/热S&A的可逆性,10.2,热电效应和,热,热释电效应,10.3,热电偶传感,器,器,刀杆式测温,仪,仪,薄膜热电偶,传,传感器,10.4,热,热敏电阻传,感,感器,10.5,热驱动执行,器,器,(,多晶硅微泵,等,等,),10.6,电,电热微执行,器,器,第十一章,光,光学量S&A,11.1X/光的效,应,应的可逆性,11.2,光,光S&A的,基,基本效应(,以,以光电效应,为,为主),11.3,光,光电传感器,11.4CCD器件,及,及检测电路,11.5,激,激光与光导,纤,纤维传感器,11.6,光,光执行器与,激,激光武器,第十二章,声,声学量S&A,12.1X/声 效,应,应的统一性,与,与可逆性,12.2,超声波传感,器,器与换能器,12.3,超声波执行,器,器,12.4,超,超声波微电,机,机及其应用,12.5,声,声发射(,AE,)传感器,12.6,声表面波传,感,感器及其应,用,用,第十三章,化,化学量传感,器,器,第十四章,仿,仿声传感器,与,与执行器,第十五章,微,微S&A及,其,其系统,第一篇 总,论,论,第一章 现,代,代传感器与,执,执行器(S&A)的概,念,念、定义与,分,分类,1.1S&A的概,念,念定义,传感器与执,行,行器都是自,动,动化系统中,的,的重要组成,部,部分。如果,把,把电子计算,机,机称为电脑,,,,传感器称,为,为“电五官,”,”,那么,,执,执行器就应,该,该是“电手,足,足”了。其,各,各自都承担,着,着重要和不,可,可替代的任,务,务。关于执,行,行器的概念,详,详见文献1。,1.1.1,传,传感器的,定,定义,过去一机部,、,、七机部、,国,国标等对传,感,感器都有各,自,自的定义。,“为测量目,的,的将感受到,的,的物理量(,一,一般为非电,量,量)按照相,应,应的关系转,化,化成另一种,物,物理量(一,般,般为电量),输,输出的装置,叫,叫传感器。,在,在传感器中,直,直接感受被,测,测物理量部,分,分叫做敏感,元,元件。”(QJ30-81标准),“,能,能,感,感,受,受,(,(,或,或,响,响,应,应,),),规,规,定,定,的,的,被,被,测,测,量,量,并,并,按,按,照,照,一,一,定,定,规,规,律,律,转,转,换,换,成,成,可,可,用,用,信,信,号,号,输,输,出,出,的,的,器,器,件,件,或,或,装,装,置,置,。,。,传,传,感,感,器,器,通,通,常,常,由,由,直,直,接,接,响,响,应,应,于,于,被,被,测,测,量,量,的,的,敏,敏,感,感,元,元,件,件,和,和,产,产,生,生,可,可,用,用,信,信,号,号,输,输,出,出,的,的,转,转,换,换,元,元,件,件,以,以,及,及,相,相,应,应,的,的,电,电,子,子,线,线,路,路,所,所,组,组,成,成,。,。,”,”,(,(GB7665-87,),),。,。,该,该,定,定,义,义,同,同,美,美,国,国,仪,仪,表,表,协,协,会,会,(,(ISA,),),的,的,定,定,义,义,相,相,似,似,。,。,1.1.2,执,执,行,行,器,器,的,的,定,定,义,义,目,前,前,国,国,内,内,外,外,尚,尚,未,未,发,发,现,现,有,有,关,关,执,执,行,行,器,器,的,的,统,统,一,一,定,定,义,义,。,。,根,据,据,与,与,参,参,考,考,传,传,感,感,器,器,定,定,义,义,的,的,国,国,家,家,标,标,准,准(GB7665-87),,,,,可,可,以,以,对,对,执,执,行,行,器,器,定,定,义,义,为,为,:,:,在,在,控,控,制,制,信,信,号,号,作,作,用,用,下,下,,,,,按,按,照,照,一,一,定,定,规,规,律,律,产,产,生,生,某,某,种,种,运,运,动,动,的,的,器,器,件,件,或,或,装,装,置,置,。,。,上,述,述,定,定,义,义,只,只,是,是,执,执,行,行,器,器,的,的,狭,狭,义,义,定,定,义,义,,,,,其,其,广,广,义,义,定,定,义,义,应,应,为,为,:,:,凡,凡,是,是,利,利,用,用,物,物,性,性,(,(,物,物,理,理,、,、,化,化,学,学,、,、,生,生,物,物,),),法,法,则,则,、,、,定,定,理,理,、,、,定,定,律,律,、,、,效,效,应,应,等,等,进,进,行,行,能,能,量,量,转,转,换,换,与,与,信,信,息,息,转,转,换,换,,,,,并,并,且,且,输,输,出,出,与,与,输,输,入,入,严,严,格,格,一,一,一,一,对,对,应,应,,,,,以,以,便,便,达,达,到,到,对,对,对,对,象,象,物,物,的,的,驱,驱,动,动,、,、,控,控,制,制,、,、,操,操,作,作,和,和,改,改,变,变,其,其,状,状,态,态,的,的,目,目,的,的,的,的,装,装,置,置,与,与,器,器,件,件,均,均,可,可,称,称,谓,谓,执,执,行,行,器,器,。,。,所,所,谓,谓,现,现,代,代,执,执,行,行,器,器,,,,,是,是,在,在,上,上,述,述,定,定,义,义,基,基,础,础,上,上,,,,,利,利,用,用,先,先,进,进,理,理,论,论,、,、,原,原,理,理,与,与,先,先,进,进,的,的,制,制,造,造,技,技,术,术,利,利,用,用,物,物,性,性,效,效,应,应,做,做,成,成,的,的,执,执,行,行,元,元,器,器,件,件,。,。,主,主,要,要,应,应,用,用,在,在,国,国,防,防,与,与,民,民,用,用,的,的,高,高,新,新,技,技,术,术,领,领,域,域,和,和,产,产,业,业,部,部,门,门,以,以,及,及3A,(,(,办,办,公,公,自,自,动,动,化,化,、,、,家,家,庭,庭,自,自,动,动,化,化,、,、,工,工,厂,厂,自,自,动,动,化,化,),),设,设,备,备,与,与,装,装,置,置,上,上,。,。,由上述S&A的,定,定义可以看出:,对,对于物性型S&A动作原理与运,行,行过程正式互逆,的,的。所以,有人,将,将这种S&A称,为,为“双向传感器,”,”。,1.2 S&A的分类,1.2.1 传,感,感器的分类,其分类方法有多,种,种多样:如按结,构,构和材料可分为,结,结构型(空间型)和物性型(材,料,料型)两大类;,按,按能量关系可分,为,为有源型与无源,型,型,能量控制型,与,与能量转换型等,传,感器;按输出量,又,又可分为模拟量,和,和数字量等传感,器,器;其中物性型,传,传感器又可按物,性,性效应再分类,。一般常用的,多,多是按工作原理,和,和使用要求(被,测,测量)分类或者,将,将两者合起来进,行,行综合分类。,按结构、材料分,类,类:,按使用要求(被,测,测量)分类:,1.2.2,执,执行器的分类,象传感器一样,,执,执行器也可以按,照,照能源种类、工,作,作机理(作用原,理,理)、使用要求,、,、技术水平等进,行,行分类的。按能,量,量种类分为机、,电,电、热、光、声,、,、磁等6种能量,执,执行器;按工作,机,机理可分为:结,构,构型(空间型),和,和物性型(材料,型,型)两大类,其,中,中各类又可细分,;,;按使用要求可,分,分为位移、振动,、,、力、压力、温,度,度执行器等等。,按,按技术水平又可,分,分为普通型与先,进,进型两大类,。,。,为了对执行器的,种,种类有个宏观的,掌,掌握,下面提供,一,一种按综合分类,的,的方法。可见,传,传感器与执行器,的,的分类方法和体,系,系也是很相似的,。,。,第二章,S&A,的统一理论及其,物,物理基础,现代执行器和传,感,感器都是利用某,种,种物性效应或者,规,规律实现对被测,控,控对象的检测与,控,控制的,所以,,两,两者在利用物质,效,效应和规律方面,有,有许多共同的性,质,质和规律,许多,传,传感器理论对执,行,行器也将是适合,的,的。将两者合在,一,一起进行研究,,将,将有助于对执行,器,器的认识与了解,。,。实际上,许多,机,机电变换、电磁,变,变换、热电变换,等,等器件都具有双,向,向可逆特性,在,一,一个方向变换为,传,传感器时,而在,其,其相反方向则为,执,执行器。,2.1 S&A,的效应的可逆性,利用同一种物性,效,效应的传感器与,执,执行器,两者的,工,工作原理相同,,只,只是各自所利用,效,效应互为逆效应,。,。如果把S&A
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