现代传感器与执行器(SA)工程学

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现代传感器与执行器(SA)工程学
第一篇 总论
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现代传感器与执行器(SA)工程学
第一章 现代传感器与执行器(S&A)的 概念、定义与分类
l 1.1 S&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]。
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按结构、材料分类：
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按使用Leabharlann Baidu求（被测量）分类：
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l 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……。
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l 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）
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
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（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。
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l 第十二章 声学量S&A
l 12.1 X/声 效应的统一性与可逆性 l 12.2 超声波传感器与换能器 l 12.3 超声波执行器 l 12.4 超声波微电机及其应用 l 12.5 声发射（AE）传感器 l 12.6 声表面波传感器及其应用
l 第十三章 化学量传感器 l 第十四章 仿声传感器与执行器 l 第十五章 微S&A及其系统
现代传感器与执行器 (S_A)工程学
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2020/11/23
现代传感器与执行器(SA)工程学
“现代传感器与执行器（S&A）工程学” 目录与编写大纲
l 第一篇 总论
l 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；
l 1.1 S&A的概念与定义 l 1.2 S&A的分类 l 1.3 S&A的统一性
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）。
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2-10压电传感器与位移执行器（逆效应）
现代传感器与执行器(SA)工程学
(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。
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l 第九章 磁学量S&A原理与设计
l 9.1 X/磁S&A(换能器)的可逆性 l 9.2 机磁偶合与机磁效应 l 9.3 压磁式传感器 l 9.4 磁致伸缩与超磁致伸缩执行器
l 第十章 热学量传感器S&A原理与设计
l 10.1 X/热S&A的可逆性 l 10.2 热电效应和热释电效应 l 10.3热电偶传感器
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l 第三章 A &S的多种能量间的物性效应及其模 型
l 3.1 三种能量间的物性效应模型 l 3.2 四种能量间的物性效应模型 l 3.3 六种能量间的物性效应模型 l 3.4 主要能量间典型的物性效应
l 第四章 S& A的物理基础-物理四大定律的应用
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由上述S&A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”。
l 1.2 S&A的分类
l 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。
复合等执行器）
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l 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
l 第八章 电学量S&A原理与设计
l 8.1 X/电S&A的可逆性 l 8.2压阻效应 l 8.3压阻式压力传感器 l 8.4压阻式加速度传感器
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。
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图2-11 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。
l 第六章A &S的技术现状与发展趋势
l 6.1 传感器的技术现状与发展趋势 l 6.2 执行器的技术现状与发展趋势
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第二篇 典型传感器与执行器
l 第七章 力学量S&A原理与设计
l 7.1 压电效应与压电方程(机电换能器的可逆性) l 7.2 二次压电效应 l 7.3三次压电效应(史丽萍论文部分) l 7.4典型力学量传感器(压电式力、压力、加速度等) l 7.5典型压电执行器（压电双晶、叠堆、弯曲、扭转、
l 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。
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。
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第二章 S&A的统一理论及其物理基础
刀杆式测温仪 薄膜热电偶传感器
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l 10.4 热敏电阻传感器 l 10.5 热驱动执行器(多晶硅微泵等) l 10.6 电热微执行器
l 第十一章 光学量S&A
l 11.1 X/光的效应的可逆性 l 11.2 光S&A的基本效应(以光电效应为主) l 11.3 光电传感器 l 11.4 CCD器件及检测电路 l 11.5 激光与光导纤维传感器 l 11.6 光执行器与激光武器
“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 。 ” （ GB766587）。该定义同美国仪表协会（ISA）的定义相似。
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l 4.1 能量守恒定律的应用 l 4.2 空间场定律的应用 l 4.3 统计定律的应用 l 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
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l 第五章 A &S的构成法
l 5.1 传感器的构成法 l 5.2 执行器的构成法 l 5.3 S& A的信号变换与数学模型 l 5.4 S &A的信号选择方式
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l 2.1 S&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。
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图2-9 可逆四端网络
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l 2.3 A&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 换的根据与基础。传感器与执行器研究者的任务就是如 何认识以发现的效应，如何去探索发现的新效应，以及 如何将自然界的各种效应有效的应用于传感器与执行器 上。本节主要通过各种能量间的物质效应及其描述的图 示模型和数学模型，去揭示物质的各种能量间的内在联 系，即它们的本构关系。旨在与使读者从理论上理解各 种物质效应的本质，力图提供一种研究思路与研究方法。
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。
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l 2.2 A&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。
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l 第二章 S&A的统一理论及其物理基础
2.1 S & A的物性效应的可逆性 2.2 S & 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 2.6 S & A的集成与一体化
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b.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：
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式中各符号同图2-12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。