现代传感器与执行器(SA)工程学(上)
传感器与执行器基础课程课件
2012-10
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课程目标
完成本次课程后，学员能够：
➢ 解释传感器的工作原理，并检测其性能； ➢ 解释执行器的工作原理，并检测其性能。
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课程内容
➢ 传感器的工作原理和诊断 ➢ 执行器工作原理与诊断
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第一章：传感器的工作原理和诊断 第二章：执行器的工作原理和诊断
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温度传感器的特点
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温度传感器工作原理
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温度传感器的应用
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温度传感器的检测
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实操练习二
温度传感器的检测
➢ 实操目标：
– 能够进行温度传感器的性能检测
➢ 操作时间：
– 30min
➢ 注意事项：
– 强调安全注意事项，如：车辆的使用注意事项，万用表的使用 ，设备的维护，连接器的测量
➢ 实操准备：
– 车辆，开关，电路图，拆装工具 – 万用表，探针，三件套
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滑动电阻式传感器工作原理
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滑动电阻式传感器的应用
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滑动电阻式传感器的检测
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实操练习三
滑动电阻式传感器的检测
➢ 实操目标：
– 能够进行滑动电阻式传感器的性能检测
– 强调安全注意事项，如：车辆的使用注意事项，万用表的使用 ，设备的维护，连接器的测量
➢ 实操准备：
– 车辆，开关，电路图，拆装工具 – 万用表，探针，三件套
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机械设计中的传感器与执行器技术
机械设计中的传感器与执行器技术机械设计中的传感器与执行器技术在现代工业中起着至关重要的作用。
随着科技的不断发展，传感器和执行器的应用越来越广泛。
本文将介绍机械设计中传感器和执行器的定义、原理、应用以及未来的发展趋势。
一、传感器与执行器的定义与原理1. 传感器的定义与原理传感器是一种能够将物理量（如温度、压力、光线强度等）转换为电信号或其他可识别的信号的装置。
它具有感受物理量的能力，并将其转化为可以被机械系统或电子设备处理的信号。
传感器的原理通常基于电磁、压阻、光电等物理效应。
2. 执行器的定义与原理执行器是根据输入信号完成某种特定动作的装置。
它接收控制信号并将其转化为机械工作能力。
执行器的原理有很多种，包括电磁、液压、气动等。
二、传感器与执行器在机械设计中的应用1. 传感器在机械设计中的应用传感器在机械设计中应用广泛，它可以实时监测和测量各种物理量。
以下是几个典型的应用示例：（1）温度传感器：用于测量机械设备的温度，以保证设备正常运行。
（2）压力传感器：常用于测量液压、气压等系统的压力，以保证系统工作正常。
（3）位移传感器：用于检测物体的位置变化，常用于机器人、自动化生产线等领域。
（4）光电传感器：用于接收光信号，常用于自动化设备的检测、定位等。
2. 执行器在机械设计中的应用执行器在机械设计中承担着控制和驱动的功能，以下是几个常见的应用示例：（1）电动执行器：用于控制机械系统的运动，如电机、电动推杆等。
（2）液压执行器：通过液压传动系统实现力的放大和运动控制，常用于工程机械、航空航天等领域。
（3）气动执行器：通过气压传动系统实现力的传递和控制，常用于自动化设备、机械手臂等。
三、传感器与执行器技术的发展趋势随着科技的不断进步，传感器与执行器技术也在不断发展。
以下是未来传感器与执行器技术的一些发展趋势：1. 智能化与网络化传感器与执行器将趋向于智能化和网络化。
通过集成更多的智能算法和通信技术，传感器和执行器能够与其他设备进行互联，实现智能控制和监测。
传感器与执行器重点
1. 本专业人才培养目标与定位 本专业培养德、智、体、美全面发展，具有良好的 政治素质与道德修养，掌握本专业必备的基础理论和 专门知识，具有一定英语和计算机技术应用能力，了 解电气自动化控制系统的组成、工作原理，熟悉自动 化仪表、设备的使用，具备自动化设备及系统的安装、 调试、运行与维护技能，能从事自动控制产品营销与 售后服务、技术支持，自动化设备及系统的安装、调 试、运行与维护等工作，具有创新精神和不断学习、 持续发展的能力，面向生产、建设、服务、管理等一 线岗位需要的高素质高技能创新型人才。
4.主要教学内容安排（一）
第一章 传感器与自动检测技术基本概念 1.传感器简述 2.自动检测系统 3.测量误差 4.弹性元件 第二章 参量传感器 1．电阻应变式传感器 2.热电阻传感器 3．气敏、湿敏电阻传感器 4. 差分变压器传感器 5. 电涡流传感器 6. 电容传感器 第三章 发电传感器1.热电偶 2霍学生与本科学生相比其理论基础不够扎实， 但更加务实，从几年来的教学实践可以看出，高 职学生对传感器的理论掌握普遍存在一定的困难， 但对传感器的实际应用普遍较感兴趣，掌握得也 教好。特别是某些物理量可以用不同种类的传感 器进行测量，一种传感器可以测量不同的物理量， 通过实验的验证，学生的学习热情大增。 • 针对学生学习主动性不强等特点，在教学过程中 要积极引导，对学有余力的学生可以提出一些更 高的要求，更好地满足他们的求知欲。如增加实 验项目和难度，并提出应用系统设计的要求。
4．课程开发、设计的理念与思路
本课程将控制系统的输入和输出集中在一门课 程终学习，就是要学生更深刻理解传感器与执行器 在自动控制中的重要性。传感器部分主要学习常用 传感器的工作原理、主要技术指标，侧重常用传感 器的应用，对传感器的选择、安装、调试方法作为 重点学习内容。执行器部分主要针对学生毕业后就 业企业的特点，选择步进电机、气动控制为主要执 行器，侧重安装调试。以项目课程的形式，将传感 器和执行器的应用有机集合起来。在项目选择上， 既考虑由简到繁、由易到难，又要考虑传感器和执 行器选择的经济性，做到合理选择。
现代(S&A)(第四章 压电式执行器)
2. 压电陶瓷
主要包括钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PbZrTiO3，简写为PZT)压电陶瓷，都需要经过人工极化才具 有压电性。PZT比BaTiO3的压电系数大。压电陶瓷的特点是：压电常数大（约为石英晶体的50 倍），灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和参杂等人工控制来达到所要求的性能；成 型工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。但是压电陶瓷的绝缘性能和机械强度不如石英晶体， 所以压电陶瓷多用于做执行器，不做传感器。 压电执行器与传统电动、液动执行器相比，具有体积小，分辨率高，响应速度快，不发热，低 能耗，无电磁干扰等优点。其应用涉及到精密光学、微型机械、激光通讯、生物遗传工程、超 大规模集成电路芯片制造等重要高新技术领域。
3、采用高压运放的桥式驱动电路 高压运算放大器，如PA41和3583，共同特点是高电压操作、高输 出电流。PA41的电源范围为±50V~±175V，输出电流60mA；3583 的电源范围为±50V~±150V，输出电流75mA。高压运算放大器可 用于压电变换驱动器、可编程电压源和高压电流源等。图示电路 可实现峰-峰660V压电驱动，若只要求驱动范围为峰-峰300V，则可 以只取一半电路。
•压电陶瓷根据极化方式和极化方向的不同，也可具有纵 向效应、横向效应以及剪切效应。象石英晶体一样，也可 根据不同效应作成不同的传感器和执行器。陶瓷的正压电 效应用作传感器，逆压电效应用作执行器。 •压电陶瓷之所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在无 序的自发极化；经人工极化处理后，陶瓷内部具有了有序 的剩余极化强度。当外界的作用（如压力或电场的作用） 使极化强度改变，陶瓷就表现出正压电效应或逆压电效应。 •陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，不是自由电荷，这些束 缚电荷不能自由移动，所以发生在陶瓷中的充电和放电现 象，完全是内部极化强度的变化引起电极表面上自由电荷 的释放和补充的结果。
传感器与执行器的解析
传感器与执行器的解析什么是传感器?甲传感器监视环境条件，例如流体的水平，温度，振动，或电压。
当这些环境条件发生变化时，它们会向传感器发送电信号，然后传感器可以将数据或警报发送回中央计算机系统，或调整特定设备的功能。
例如，如果电动机达到过热温度点，它将自动关闭。
什么是执行器？另一方面，致动器引起运动。
它接收电信号并将其与能源结合以产生物理运动。
致动器可以是气动的，液压的，电动的，热的或磁性的。
例如，电脉冲可以驱动资产中电动机的功能。
传感器和执行器之间的6个主要区别传感器和执行器跟踪不同的信号，通过不同的方式进行操作，并且必须协同工作才能完成任务。
它们还物理上位于不同的区域，并且经常用于单独的应用程序中。
传感器负责跟踪进入机器的数据，而执行器则执行动作。
输入和输出传感器查看来自环境的输入，这些输入触发特定的动作。
另一方面，执行器跟踪系统和机器的输出。
电信号传感器通过电子信号读取特定的环境条件并执行分配的任务。
但是，执行器会测量热量或运动能以确定所产生的作用。
依赖传感器和执行器实际上可以相互依赖来执行特定任务。
如果两者都存在，则执行器将依靠传感器来完成其工作。
如果一个或两个都无法正常工作，则系统将无法运行。
转换方向传感器倾向于将物理属性转换为电信号。
执行器的作用相反：将电信号改变为物理动作。
位置如果同时存在传感器和执行器，则个位于输入端口，而后者位于输出端口。
应用传感器通常用于测量资产温度，振动，压力或液位。
执行器的工业应用包括操作风门，阀门和联轴器。
执行器和传感器示例在工业领域，执行器和传感器都有许多用途。
它们都有助于关键资产更有效地工作，从而有助于减少停机时间并提高生产率。
5种不同类型的执行器1、手动执行器这些执行器需要员工控制齿轮，杠杆或车轮。
尽管它们便宜且易于使用，但适用性有限。
2、气动执行器这些执行器利用气压为阀门提供动力。
压力推动活塞影响阀杆。
3、液压执行器这些执行器使用流体产生压力。
液压执行器不使用气压，而是使用液压来操作阀门。
现代传感器与执行器(S_A)工程学(上).pptx
逆压电效应：S j
Ei
d
' ji
,
(i
1,2,3；j
1,2,...6)
（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
电磁效应：Bk Em mkm 磁电效应：Dm H k mmk
（2－34）
d’，m’分别为d，m的转置矩阵。
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。
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。”（GB766587）。该定义同美国仪表协会（ISA）的定义相似。
第十二章 声学量S&A
12.1 X/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
2-10压电传感器与位移执行器（逆效应）
现代传感器介绍PPT课件
引言
• 传感器技术是仿生学的一部分，向大自然以及人类自身学习是仿生学永恒 的主题，也是仿生传感技术的发展方向。传感器技术正式问世是在 20 世 纪中期，其大体经历结构型传感器、固体传感器、智能传感器三个历程。 传感器作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，已经 成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。传感器技术与通信技术和 计算机技术已成为现代信息技术的三大支柱，是信息产业的重要基础。
• 抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反 应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上 进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电 极极性随ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电 荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的 变化，可测知抗体的附量。
3室注入含有 抗体的盐水
抗体与固定化抗原 膜上的抗原相结合
便携式超声波 探鱼器
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超声波测量液位和物位原理
在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波 的往返时间，就可测得液体的液面。
多普勒效应
前进方向的 频率升高!
如果波源和观察者 之间有相对运动，那么 观察者接收到的频率和 波源的频率就不相同了， 这种现象叫做多普勒效 应。测出f 就可得到运 动速度。
传感器的能量转换过程
敏感元件
敏感元件
转换器件
电学量
转换电路
目录
• 一、光纤传感器 • 二、生物传感器 • 三、超声波传感器 • 四、红外线传感器
五、微波传感器 六、智能传感器 七、超导传感器
光纤传感器
• 光纤——光导纤维，是由石英、 玻璃、塑料等光折射率高的介 质材料制成的极细的纤维，是 一种理想的光传输线路。
现代传感器与执行器(S&A)工程学
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）
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Ft S v jc S
0 E 1 I 0 S
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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。
图2-9 可逆四端网络
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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
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第五章 A &S的构成法
5.1 5.2 5.3 5.4 传感器的构成法 执行器的构成法 S& A的信号变换与数学模型 S &A的信号选择方式
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按结构、材料分类：
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按使用要求（被测量）分类：
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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。
现代传感器与执行器(S&A)工程学(下)
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例如，如果用不透明物体将光束遮断，那么透过物 体的光量变为零或极其微弱，据此可以作为最简单的判 断物体存在的传感器。用这种方法当然只能得到 1bit 的 情报（信息）。如果在两块不透明的平板上开出同样形 状和尺寸的孔或槽，并使其重合在一起，将一块固定， 另一块则在其平面上移动，随着两者相对位移的变化透
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2.5物理定律与S&A
传感器必须具备将输入的物理量转换为其他种类物理量 的机能，而这种机能之所以能够实现，是由于应用了各种物 理定律和法则的缘故。换句话说，由于传感器的工作受物理 准则所支配，所以非物理的特性是不能实现的。因而，从物 理量变换的观点，将物理定律分类，不仅能加深理解，且对 传感器开发与使用也是非常必要的。 为此，将物理定律（法则）分为以下四种类型。 2.5.1守恒定律 这是表示能量、动量、电荷量等守恒特性的定律。从原 理上讲，这是个最基本的定律。作为应用能量守恒定律的传 感器的例子，可以推举空速管（Pitot管）。
若在与电流垂直的方向上加上磁场，则在与两者垂直的 方向上产生感生电势。把这种现象称作霍尔效应。半导 体与金属相比，最大的不同点是，它可以得到很大的电 动势。因此可以使用霍尔系数大的半导体制作出使用的 磁场传感器。 应用半导体技术，已开发出各种各样的物性型传感 器。今后也势必得到进一步发展。因此，对物性型为角速度传感器了。虽然这种情况并不是以 光量本身的增减，而是由于与长孔在空间配置无关，所 以是把光量按时间进行调制的。 不限于光，作为一般的波动，所共有的效应当推多 普勒效应。该效应表达了下述事实：从正在运动的物体 中发射出来的波，通过静止的检测器接收时，接收信号 的频率取决于波源的速度；如果将波射向运动物体时， 产生的散射波的频率也同样取决于物体速度。 利用这种现象，已开发出各种速度传感器和流速传 感器。
《现代传感技术与系统》课件第四章
智能传感器的外围技术
4.1 微机电系统结构与元器件
01
01
02
03
4.2 智能传感器的通信
4.3 智能传感器的标准
02
03
第四章
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4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
引言
1
面向微机电系统的微结构
2
微机电系统的常用元器件
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其他微机械结构
4
微执行器的应用
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
第四章
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4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
3. 微控制阀 微控制阀是MEMS元器件中目 前为数不多的已经正式投产的产 品之一。右图是其结构示意。一 个硅流体驱动微阀门的规格大约 是5.5mm 6.5mm 2mm。顶端的 体型微加工空腔内充满了控制液体。在未被激活的状态，气体通过阀门流动。将电压施加于隔膜上的加热元件，将引起液体的充分膨胀而使隔膜偏移靠近阀座而阻断气流。阀门的动态范围从100,000到1，在20 psi的压力下，控制气流从每分钟4微升到每分钟4升。
第四章
*
4.1 微机电系统结构与元器件
智能传感器的外围技术
1、 冷却通道 在高性能集成电路底部的由平行微通道创建的微热管道能为最大限度地减少过热点提供冷却功能，改善性能，增加可靠性。图4.1.6是一个可行方案。当通道被蚀刻后，复合金属层真空沉积于通道边线上且将顶部密封。加热芯片位于一个流动浴槽中，填充大约占20%容积的流体，然后将顶端密封以保持流体不外溢。微热管的操作引起流体在高温区域蒸发，在低温区域冷凝，导致穿过集成电路的更加一致性的温度分布。对于更高性能的MPU和MCU，要增加到更高的操作频率，而这种形式的冷却可能要求避免封装尺寸和外部散热量的增加。
传感器与执行器的解析
传感器与执行器的解析传感器和执行器是自动化系统中的两个重要组成部分，它们通过感知和控制物理量来实现系统的自动化控制。
传感器负责将现实世界的物理量转化为可测量的电信号，而执行器则负责将电信号转化为控制信号，控制相应的物理设备。
下面将详细解析传感器和执行器。
一、传感器1.定义：传感器是指将机械量、热量、光量、电量、化学量等非电信号的物理量转化为与之对应的电信号输出的设备。
2.分类：按信号类型可分为模拟传感器和数字传感器；按工作原理可分为电磁式传感器、电容式传感器、电阻式传感器、光电传感器、温度传感器、压力传感器等。
3.工作原理：不同类型的传感器工作原理各不相同，但大致上可以分为以下几种基本原理：(1)电磁感应原理：利用电磁感应现象将非电信号转化为电信号，如电压互感器、电流互感器等。
(2)变压原理：利用物理量与电阻、电容、电感等电性质之间的关系，将非电信号转化为电信号，如温度传感器、压力传感器等。
(3)光电效应原理：利用半导体光敏材料对光能的吸收和光电效应的特性，将光信号转化为电信号，如光敏电阻、光电二极管等。
(4)化学反应原理：利用化学反应或物理变化的特性，实现非电信号到电信号的转化。
4.应用：传感器广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗设备、智能家居、机器人等领域，用于测量温度、湿度、压力、流量、光强等物理量，并将其转化为电信号供系统分析和控制。
二、执行器1.定义：执行器是指将电信号转化为机械位移、转动力矩、流量等物理作用的设备。
2.分类：按功能可分为执行力、执行位移和执行速度三种类型的执行器；按工作原理可分为阀门、电动机、泵、液压缸、气缸等。
3.工作原理：不同类型的执行器工作原理各不相同，但大致上可以分为以下几种基本原理：(1)电动执行原理：利用电动机将电能转化为机械能，实现力、位移或速度的控制，如直流电动机、交流电动机等。
(2)液压执行原理：利用液体的流动和压力变化实现力、位移或速度的控制，如液压缸、液压马达等。
控制系统中的传感器与执行器
控制系统中的传感器与执行器传感器和执行器是控制系统中不可或缺的两个组成部分。
传感器用于探测环境中的物理量、化学量或其他信息，并将其转化为可用的电信号；执行器则用于接受来自控制系统的指令，并执行相应的动作或操作。
它们共同协作，实现了控制系统对外界的感知和对物理世界的控制。
本文将重点探讨控制系统中传感器与执行器的作用和特点。
一、传感器的作用与特点传感器作为控制系统中的输入设备，其主要作用是将外界的物理量转化为电信号，以便供控制系统进行处理和判断。
传感器能够实时感知环境中的各种物理信息，如温度、湿度、压力、光照等，为控制系统提供了对外界环境的感知能力。
传感器的特点主要包括以下几个方面：1. 准确性：传感器需要具备高准确性，确保所传递的信息与实际环境相符。
通过采用合适的物理原理和工艺，传感器能够精确地测量各种物理量，并将其转化为相应的电信号。
2. 灵敏性：传感器对外界环境的微小变化能够做出及时反应，以保证控制系统对环境变化的快速感知。
良好的灵敏性可提高传感器的响应速度和控制系统的实时性。
3. 可靠性：传感器需要具备高可靠性，能够在长时间运行中保持稳定的性能，并具备一定的抗干扰能力。
传感器的可靠性直接影响到控制系统的稳定性和可操作性。
4. 多样性：传感器的种类繁多，涵盖了光学、电磁、声学、化学等多个领域。
每种传感器都有着适用的范围和特点，可以针对特定的应用场景进行选择和使用。
二、执行器的作用与特点执行器作为控制系统中的输出设备，其主要作用是接受来自控制系统的指令，将其转化为相应的物理动作或操作。
执行器能够将控制系统的输出信号转化为力、位移、速度等物理量，从而控制物理世界中的各种设备和系统。
执行器的特点主要包括以下几个方面：1. 动力性：执行器需要具备一定的动力输出，能够实现对物理世界的控制。
其输出能力取决于其驱动方式和机构设计，可以实现不同程度的力、位移或速度输出。
2. 灵活性：执行器能够根据控制系统的指令做出相应的动作，并适应不同的工作环境和工况需求。
信息与通信第7讲传感器与执行器课件
[信息与通信]第7讲 传感器与执行
2024/4/3
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6.2 汽车中的传感器（续）
霍尔位置传感器：利用半导体的磁电转换原理进行工作。霍 尔元件是一种半导体四端薄片。
霍尔式曲轴位置传感器有两个部件，一个是由导磁材料 制成的触发叶轮，另一个是霍尔信号发生器。触发叶轮上 的叶片数与发动机的气缸数相同，触发叶轮由分电器带动。
[信息与通信]第7讲 传感器与执行
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6.1 概述（续）
动态特性：指输入变化时，传感器的输出特性。 实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入 信号的响应来表示。 对标准输入信号的响应与对任意输入信号的响应之间存 在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。 最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所 以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
[信息与通信]第7讲 传感器与执行
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6.3 汽车中的执行器（续）
步进电机
将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下， 电机的转速、停止的位 置只取决于脉冲信号的 频率和脉冲数，而不受 负载变化的影响，即给 电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。
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6.1 概述（续）
按工作原理 电学式传感器 磁学式传感器 光电式传感器 电势型传感器（热电效应、光电效应、霍尔效应） 电荷传感器 半导体传感器 谐振式传感器 电化学传感器
按输出信号的性质 开关型传感器
[信息与通信]第7讲 传感器与执行
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6.1 概述（续）
有些发动机上专门设汽油泵ECU，通过控制加到汽油泵电动 机上的不同电压来实现对汽油泵转速和泵油量的控制。
(完整word版)汽车传感器与执行器
2. 传感器与执行器2.1 传感器有了形式各样的传感器，车载控制模块才能监控整个电气系统的工作状况，获得它想要得到的信息，并对系统的工作状况进一步作出有必要的调整。
传感器可以用来监测不同的物理属性值，比如：位置、速度、压力、温度等。
这些属性值最终均以电信号的形式与其他数据流一起，传送至控制网络。
2.1.1 信号1.信号的类型1）按照信号的波形图特征，传感器信号可以分为数字信号（Digital Signal）和模拟信号（Analog Signal）。
（1）数字信号 Digital Signal图2-1 数字信号波形图由于车载控制单元的基础是单片机，所有能接受的数字信号也是二进制信号，如图2-1所示。
二进制信号是电压信号，也叫方波信号，最大的特点是，随着时间的变化，电压值只在两个域值之间瞬间切换，并不存在过渡区，每一个电压值代表着一种状态。
（例如：Vmax表示开，Vmin表示关）。
虽然开关并不属于传感器，但开关信号是最简单的数字信号的例子，开关的状态无非有两种，打开和关闭；对应的电压信号值，就是12V（或5V）和0V。
（2）模拟信号 Analog Signal图2-2 模拟信号波形图模拟信号与电压信号最大的不同在于，随着时间的变化，输入的电压值是连续变化的，如图2-2所示。
在某一时刻的电压值，具体指的是什么状态，控制单元无法识别出来。
最简单的例子就是温度传感器：测量的时间不同，物体不同，那么测量的结果就是电压值在0―5V之间的任意值。
2）按照传感器类型的不同，传感器信号可以分为：电阻信号（Resistive Signal）、开关信号（Switches Signal）、和感应电压信号（Voltage Generating）。
（1）电阻信号 Resistive Signal随着机械位置发生改变，电阻值也跟着变化，这一类的传感器称为电阻传感器。
传感器的阻值发生变化，那么传感器上的电压也会随之变化。
控制模块通过监测传感器上的电压值变化，并与参考标志电压相比较，就可以知道测量值所代表的状态。
控制系统的传感器与执行器
控制系统的传感器与执行器传感器与执行器是控制系统中至关重要的组成部分，它们的作用是将现实世界的物理量转化为电信号，并通过控制器的指令实现对系统的控制。
本文将介绍传感器与执行器的定义、分类以及在控制系统中的作用。
一、传感器的定义与分类传感器是一种可以感知并转换物理量的设备，它们可以将光、电、热、声、力等物理量转化为电信号，从而供控制系统使用。
根据测量原理和应用领域的不同，传感器可以分为多种类型，如：1. 光传感器：能够感知光的强度、颜色和方向，常用于光电测量、光控制等领域；2. 温度传感器：用于测量环境或物体的温度变化，广泛应用于工业、医疗等领域；3. 压力传感器：用于测量液体或气体的压力变化，常见于液压系统、天气预报等领域；4. 加速度传感器：能够检测物体的加速度变化，用于汽车安全系统、智能手机等设备中；5. 湿度传感器：用于测量环境中的湿度信息，常用于气象预报、农业等领域。
二、传感器在控制系统中的作用传感器在控制系统中发挥着至关重要的作用，它们可以实时地感知外部环境或系统内部的物理量，并将其转化为电信号，供控制器进行处理和判断。
传感器在控制系统中的作用主要体现在以下几个方面：1. 实时监测：传感器可以实时地监测系统中的各种物理量，如温度、湿度、压力等，确保系统运行的安全和稳定。
2. 反馈信号：传感器可以将感知到的物理量变化转化为电信号反馈给控制器，控制器再根据反馈信号进行判断和调节，实现对系统运行的控制。
3. 故障检测：传感器还可以用于系统故障的检测，通过监测系统中的各个部件是否正常工作，发现故障并及时报警，保证设备的安全和可靠性。
4. 自动化控制：传感器与执行器的组合可以实现自动化控制，当传感器检测到特定物理量的变化时，可以通过执行器自动地调节系统的状态，实现自动化的控制。
三、执行器的定义与分类执行器是一种能够根据控制信号进行输出的装置，它们的作用是将控制系统发出的电信号转化为运动、力或其他形式的输出效果，从而实现对系统或设备的控制。
自动控制系统的传感器与执行器
自动控制系统的传感器与执行器自动控制系统在现代工业生产中扮演着至关重要的角色，它可以准确地控制各种设备和机械的运行，以提高生产效率和产品质量。
而传感器和执行器作为自动控制系统的核心组成部分，发挥着关键的作用。
本文将探讨传感器和执行器在自动控制系统中的重要性，并介绍一些常见的传感器和执行器类型。
一、传感器的作用与分类传感器是自动控制系统中的感知器官，通过感知环境中的各种物理量，并将其转换成电子信号，以便控制系统对环境做出相应的反应。
传感器在自动控制系统中起到了收集信息的作用，它通过将现实世界的物理信息转化为控制系统能够理解的信号，为自动控制系统提供了必要的输入。
根据所感知的物理量不同，传感器可以分为多种类型。
常见的传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光敏传感器等。
温度传感器可以感知环境的温度变化；湿度传感器可以感知环境的湿度变化；压力传感器可以感知环境中的压力变化；光敏传感器可以感知环境光线的强度变化。
通过这些传感器，自动控制系统可以获得关于环境的详细信息，以便做出相应的调控。
二、执行器的功能与种类与传感器不同，执行器是自动控制系统中的行动器官，它根据控制系统的信号，将电子信号转换为物理行动，从而实现对设备和机械的控制。
执行器可以根据控制系统的要求进行启动、停止、加速、减速等操作，以实现自动化的生产过程。
常见的执行器包括马达、电磁阀、液压缸、气缸等。
马达是执行器的一种常见形式，它通过将电能转化为机械能，驱动设备的运转。
电磁阀可以根据控制信号开关流体的通路，实现对流体的控制。
液压缸和气缸则可以通过液压或气压的作用，推动机械部件进行运动。
三、传感器和执行器的协调作用传感器和执行器在自动控制系统中密切协作，彼此之间的作用是相辅相成的。
传感器通过感知环境的改变，向控制系统提供准确的反馈信号，控制系统根据传感器提供的信息做出相应的控制决策，并将控制指令传递给执行器。
执行器则根据控制系统的指令，将电子信号转化为物理行动，对设备和机械进行精确的控制。
现代传感器与执行器技术研究生
02 传感器技术概述
传感器定义与分类
传感器定义
传感器是一种能够感知和响应外部刺激的装置，能够将物理、化学或生物量转 换成电信号或数字信号，以便于测量、处理和控制。
传感器分类
根据不同的分类标准，传感器可以分为多种类型。例如，按工作原理可分为电 阻式、电容式、电感式、压电式等；按输入量可分为位移、速度、加速度、温 度、压力等。
深入研究新材料
进一步探索新型敏感材料和 执行器材料，以提高传感器 的精度和稳定性以及执行器 的性能。
跨学科合作
智能化与网络化
加强与其他学科领域的合作， 如物理学、化学、生物学等， 以促进传感器与执行器技术 的创新发展。
深入研究物联网和人工智能 技术在传感器与执行器中的 应用，提升其远程监控和智 能控制能力。
现代传感器与执行器技术研究生
目录
• 引言 • 传感器技术概述 • 执行器技术概述 • 现代传感器技术发展 • 现代执行器技术发展 • 传感器与执行器的未来展望 • 结论
01 引言
主题简介
现代传感器与执行器技术是现代工业自动化和智能制造领域 的关键技术之一，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。
该主题涉及传感器与执行器的原理、设计、制造、测试和应 用等多个方面，需要综合运用物理学、化学、材料科学、电 子工程和计算机科学等多个学科的知识。
执行器改进
在执行器方面，我们通过对现有执行器的结构和 材料进行优化，提高了其响应速度、调节精度和 使用寿命，满足了复杂工业过程的控制需求。
应用领域拓展
本研究不仅在传统的工业控制领域取得了显著成 果，还成功应用供了技术支持 。
对未来研究的建议
05 现代执行器技术发展
新型执行器技术
智能材料执行器
传感器与执行器
第五章传感器与执行器一、传感器概述传感器的概念：指能感受规定的物理量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
简单的说，传感器即使把非电量转换成电量的装置。
汽车传感器的工作条件极为恶劣，因此，传感器能否精确可靠地工作至关重要。
在该领域中，理论研究及材料应用发展迅速，半导体和金属膜技术研究及材料应用技术发展迅速，半导体和金属膜技术、陶瓷烧结技术等得到迅猛发展。
智能化、集成化和数字化将是传感器的未来发展趋势。
传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成。
敏感元件是指能直接感受被测量的部分。
转换元件是指能将非电量转换成电量的部分。
有些敏感元件可以直接输入电量。
测量电路是指将转换元件输入的电量经过处理，以便进行显示、记录和控制的部分。
测量电路中较多的使用电桥电路。
比如后面要讲到的热线式空气流量计。
传感器的种类比较多，像我们一般碰到的传感器一般有：温度传感器（冷却水温度传感器THW，进气温度传感器THA）；流量传感器（空气流量传感器，燃油流量传感器）；进气压力传感器MAP节气门位置传感器TPS发动机转速传感器车速传感器SPD曲轴位置传感器（点火正时传感器）氧传感器爆震传感器（KNK）传感器的特征参数也有很多，且不同类型的传感器，其特征参数的定义和要求也各有差异。
下面我们来介绍一些主要的、通用的静态特性参数指标的定义。
1、灵敏度概念：灵敏度是指温态时传感器输出量y与输入量x之比，或者是传感器输出量y的增量与输入量x的增量之比。
灵敏度用K表示为K=dy/dx，线性传感器的灵敏度为一常数，而非线性的传感器的灵敏度是随输入量变化的。
2、分辨率概念：传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量。
由于分辨率要受到嘈声的限制，我们就用相当于嘈声电平N若干倍C 的被测量表示分辨率，即M=CN/K，式中，M为最小检测量；C取1-5。
3、测量范围和量程在允许的误差范围内，被测量的下限到上限之间的范围称为测量范围。
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现代传感器与执行器(SA)工程学(上)
现代传感器与执行器(SA)工程学(上)
现代传感器与执行器(SA)工程学(上)
第二章 S&A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。
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
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第一篇 总论
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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]。
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
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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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。
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。
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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） “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 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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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。
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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。
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。
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l 2.3 A&S的物质效应及其模型
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按结构、材料分类：
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按使用要求（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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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、
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2020/11/23
现代传感器与执行器(SA)工程学(上)
“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
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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。
图2-9 可逆四端网络
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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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l 2.3.1 三种能量间的物质效应模型 所谓的三种能量是指机械能、电能与热能。三种能
量的物理参量间的耦合关系反映出各种物理效应。将这 种关系采用图形进行描述的是1925年G.Heckmann提出的 三 角 形 模 型 ， 见 图 2 － 12 ， 成 为 三 种 能 量 物 性 效 应 （G.Heckmann）模型。
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