现代传感器与执行器(S_A)工程学

1、 l第一章第一章 现代传感器与执行器现代传感器与执行器( (以下简称以下简称S&A)S&A)的的概念、定义、分类；概念、定义、分类；l1.1 S&A的概念与定义l1.2 S&A的分类l1.3 S&A的统一性 l第二章第二章 S&A S&A的统一理论及其物理基础的统一理论及其物理基础l2.1 S & A的物性效应的可逆性l2.2 S & A 的物性效应的相似性l2.3 双向可逆换能器原理l2.4 二次效应与多次感生效应l2.5 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

2、用实例l2.6 S & A的集成与一体化l第三章第三章 A &S A &S的多种能量间的物性效应及其模的多种能量间的物性效应及其模型型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第四章第四章 S& A S& A的物理基础的物理基础- -物理四大定律的应用物理四大定律的应用l4.1 能量守恒定律的应用l4.2 空间场定律的应用l4.3 统计定律的应用l4.4 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l第五章第五章 A &

3、SA &S的构成法的构成法l5.1 传感器的构成法l5.2 执行器的构成法 l5.3 S& A的信号变换与数学模型l5.4 S &A的信号选择方式l第六章第六章A &SA &S的技术现状与发展趋势的技术现状与发展趋势 l6.1 传感器的技术现状与发展趋势 l6.2 执行器的技术现状与发展趋势 l第七章 力学量力学量S&AS&A原理与设计原理与设计 l7.1 压电效应与压电方程(机电换能器的可逆性)l7.2 二次压电效应l7.3三次压电效应(史丽萍论文部分)l7.4典型力学量传感器(压电式力、压力、加速度等)l7.5典型压电执行器（压电双晶

4、、叠堆、弯曲、扭转、复合等执行器）l7.6 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第八章第八章 电学量电学量S&AS&A原理与设计原理与设计 l8.1 X/电S&A的可逆性 l8.2压阻效应l8.3压阻式压力传感器 l8.4压阻式加速度传感器 l第九章第九章 磁学量磁学量S&A原理与设计原理与设计l9.1 X/磁S&A(换能器)的可逆性l9.2 机磁偶合与机磁效应l9.3 压磁式传感器l9.4 磁致伸缩与超磁致伸缩执行器 l第十章 热学量传感器热学量传感器S&AS&A

5、原理与设计原理与设计l10.1 X/热S&A的可逆性l10.2 热电效应和热释电效应l10.3热电偶传感器 刀杆式测温仪 薄膜热电偶传感器l10.4 热敏电阻传感器l10.5 热驱动执行器(多晶硅微泵等)l10.6 电热微执行器l第十一章第十一章 光学量光学量S&AS&Al11.1 X/光的效应的可逆性l11.2 光S&A的基本效应(以光电效应为主)l11.3 光电传感器l11.4 CCD器件及检测电路l11.5 激光与光导纤维传感器l11.6 光执行器与激光武器l第十二章第十二章 声学量声学量S&AS&A l12.1 X/声 效应的统一性与可逆

6、性l12.2 超声波传感器与换能器l12.3 超声波执行器l12.4 超声波微电机及其应用l12.5 声发射（AE）传感器l12.6 声表面波传感器及其应用l第十三章第十三章 化学量传感器化学量传感器 l第十四章第十四章 仿声传感器与执行器仿声传感器与执行器 l第十五章第十五章 微微S&AS&A及其系统及其系统 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。 l1.1.1 1.1.1 传感器的定义传感器的定义 过去一机部、七机部、国标

7、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。 l1.1.2 1.1.2 执行器的定义执行器的定义 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

8、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。 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

9、的。所以，有人将这种S&A称为“双向传感器”。l1.2.1 1.2.1 传感器的分类传感器的分类 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。 按结构、材料分类： 按使用要求（被测量）分类： l1.2.2 1.2.2 执行器的分类执行器的分类 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

10、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

11、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。 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 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（210）所示（式（215）为传递矩阵）。 2-10压电传感器与位移执行器（逆效应） (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

12、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。 010IESScjSvFt00IEIdjLIddjIvFt 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

13、。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。 2.2.1 2.2.1机电效应与电磁效应地相似性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 （232） （233） 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。

14、其矩阵表达式分别为 （234） 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： 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

15、、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 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： 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。 jjmkkmmmmmmjjmmjjmSSTEBHDHSBHSDHTSBETSD,) 3 , 2 , 1,; 62 , 1, (mkji 各种物质效应（物

16、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。 l2.3.1 三种能量间的物质效应模型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19

17、25年G.Heckmann提出的三角形模型，见图212，成为三种能量物性效应（G.Heckmann）模型。 三角形外层各顶点（T、E、Q）为示强变量，即自变量，亦称集中变量、约束变量、强度变量、广义力等；与之相对应的内层各顶点（S、D、S*）为示容变量，即因变量，亦称广延变量、响应变量、式量变量、广义位移等。内外三角形对应的顶点连线（T-S、E- D、Q-S*）为主效应，其余各顶点之间的连线称为交叉效应。各种主效应与交叉效应的名称均标注在图上。 电场E E应力T T温度电位移D D应变S S熵S S* * 机 机 电 电 效 效应应 弹 弹性性正正压压电电效效应应逆逆压压电电效效应应热弹效应热

18、弹效应电电 热 热 效 效 应 应热变形热变形 压压 电电 效效 应应压压热热效效应应热热膨膨胀胀效效应应热热释释电电效效应应热热容容量量电电热热效效应应极极化化热热图2-12 三种能量间物质效应G.Heckmann模型 这就是目前在固体物理学晶体物理学压电学传感器与执行器技术中广泛采用的物质效应模型。这个模型虽然看起来似乎简单，但它除了定性地全面反映了三种能量间地耦合关系（通过图中网络地关系），还给出了如下重要的事实：但物体（主要是晶体）受外界的某种作用或扰动时，同时会呈现多种响应，也就是说作用量只有一个，可响应量却同时出现好几个。真可谓“牵一发而动全身”。所以在认识和研究物质效应时要将物体

19、（晶体）作为一个体系，特别是热力学体系来把握，这样准确而全面的。当然在实际运作中，为了突出主要矛盾，简化问题，往往采用设定边界条件的办法加以限制。 该模型的定量表达形式-物质效应本构方程。模型中的六个参量，任何一个参量都是其余五个参量的函数，如： （217） 为了突出主要效应和简化问题，往往采用确定物理条件和设定边界条件加以限定办法，使本构简化。当我们确定系统是在绝热（等温等熵）条件下，则模型就变成了只描述机电效应的模型了。即图218中的梯形TSDE了。这是应力场T，应变场S，电场E以及电位移场D之间的耦合关系图形。与上同理，这四个参量中的任何 一个参量却是其余三个参量的函数。对于具体的传感器

20、和执行器的研究，是多变量的问题，仍然很繁琐，所以根据实际需要和可能，设定四个边界条件：机械自由机械夹持电学短路电学开路，在这种情况下，本构方程一个因变量只与两个自变量相对应，共给四组方程，以矩阵形式表示如下：约束条件（边界条件） 机械自由 (1a) 电学短路 (1b) 机械夹持 (2a) （2-18） 电学短路 (2b) EdTsSEEdTDTEeScTEEeSDS机械自由 (3a) 电学开路 (3b)机械夹持 (4a) 电学开路 (4b) 式中：E和D是一阶张量，T和S是二阶张量并可以转化为六阶矢量：故式中的两个变量之间的系数矩阵分别为33，36，66对称或外对称矩阵。其中 为短路柔顺常数矩阵（66）， 为开路柔顺常数矩阵（66），d为压电应变常数（通常称为压电常数）矩阵（36），为自由介电常数（33）， 为夹持介电常数矩阵（33）， 为短路刚度常数矩阵（66）， 为开路刚DgTsSDDgTETDhScTDDhsESEsDsTSEcDc 度常数矩阵（66），e为压电应力常数矩阵（36），g为压电电压常数矩阵（36），T为自由介电隔离率矩阵（33），S为夹持介电隔离率矩阵（33），h为压电刚度常数