现代传感器与执行器技术(研究生07)ppt课件

1、现代传感器与执行器工程学课程总体引见孙 宝 元2006. 2. 23主要内容前言:各位知道多少传感器与执行器？1 .现代传感器与执行器(S&A)的概念与定义2 .机械与电子工程常用的典型S&A3 .S&A的一致实际及其物理根底4 .S&A的多种能量间物性效应及其模型5 .S&A的技术现状与开展趋势结语让我们与S&A的结缘从国家计委(计军)78-264号国防科研谈起1977-2003(27年)的传感器的研发历程支撑现代文明与制造业信息化的S&A术: S&A与C的关系：“电脑电五官电手足 机电工程领域:CIMS,机器人 宇宙开发:天文1号卫星,阿破波罗10号:传感器集合体,火箭部2077个(温度5

2、59,信号501遥测142);飞船部1218个(离散信号392).耗资300亿美圆, 40万人参与。神5我校的奉献，25亿元；轨姿控火箭发动机推力测试系统 资源调查,环境维护,平安监控 根底科学领域:宏观上千光年宇宙微观10-13cm微粒,时间数十亿年天体演化10-24秒瞬变,温度1亿度等离子体0.01K超导体,超强超弱电、磁、能量场 生活领域等 从茫茫太空到浩瀚海洋,从各种工程系统到人们衣食住行,几乎每种现代工程,都离不开S&A。1.现代S&A概念与定义传感器定义:(已讲过?)“为丈量目的将感遭到的物理量普通为非电量按照相应的关系转化成另一种物理量普通为电量输出的安装叫传感器。在传感器中直接

3、感受被测物理量部分叫做敏感元件。QJ30-81规范“能感受或呼应规定的被丈量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或安装。传感器通常由直接呼应于被丈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的定义类似。执行器定义:凡是利用物性物理、化学、生物法那么、定理、定律、效应等进展能量转换与信息转换，并且输出与输入严厉一一对应，以便到达对对象物的驱动、控制、操作和改动其形状的目的的安装与器件均可称谓执行器。所谓现代执行器，是在上述定义根底上，利用先进实际、原理与先进的制造技术利用物性效应做成的执行元器件。主要运用在国防与民用的高新技术

4、领域和产业部门以及3A办公自动化、家庭自动化、工厂自动化设备与安装上。由上述S&A的定义可以看出:对于物性型S&A动作原理与运转过程正式互逆的。所以，有人将这种S&A称为“双向传感器。S&A的可逆四端网络2 .机械与电子工程常用的典型S&A现代传感器与执行器:力学量、电学量、光学量、声学量、热学量、磁学量、化学量、生物量、放射线、微传感器与执行器2.1 我校研发的力学量传感器普通刀杆式测力仪可换刀头车削测力仪铣削测力仪整体式磨削测力仪无定心钻削测力仪生物测力平台切削力测力系统搭建图示“高尔夫轿车撞击实验用各种传感器假人近影胸部和膝部装有位移传感器2.2 现代执行器例如(1)(2) 扫描电镜3-

5、D扫描微执行器(3) 微操作系统执行器的作用与功能：1) 动或致动作用;2) 施加载荷力、力矩、扭矩等作用;3) 控制与调理作用;4) 能量与信息转换功能;5)物质形状与成分的控制功能，根据珀耳帖效应制造的温差电致冷器固态热泵、半导体致冷器、以及微型节流致冷器等都是控制温度形状的执行器，这种执行器在宏观上并没有挪动景象。又如控制物质酸碱度PH值的化学执行器，是属于控制物质成分的执行器。 (4) 微夹钳-柔性构件的拓扑优化(5)我校研发的执行器 a)b) 磁场与位移感知型超磁致伸缩系统外观图c) 外形记忆合金执行器(1)外形记忆合金执行器2d) 硅基TiNi薄膜微夹持器构造设计及任务原理e微小管

6、道机器人挪动机构压电执行器的模型6微执行器： 微马达 微型泵 微型阀(6) 微机器人及其执行器图10-4管内无线监测系统图10-5运用多层PZT双晶片执行器的挪动机构运动机理图10-4管内无线监测系统清华大学研制了一种全自动直线跟踪微机器人见图10-2134。它经过光电探测器获得机器人的形状，要实现的目的是跟踪白色地面上的一条黑线。日本Kagawa大学研制了一种多自在度的水下机器人见图10-2235。该机器人利用ICPF离子导电的聚合物薄膜执行器作为伺服执行器实现了三自在度的游泳动作。水下微机器人的外形像一条鱼，尺寸为45mm10mm4mm图10-21直线跟踪型微机器人3. S&A的一致实际及

7、其物理根底 提要 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。许多传感器实际对执行器也将是适宜的。将两者合在一同进展研讨，将有助于对执行器的认识与了解。实践上，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，而在其相反方向那么为执行器。 3.1 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，两者的任务原理一样，只是各自所利用效应互为逆效应。假设把S&A比喻成四端网络的话图2-9，两者的传送方向完全相反。 见前“可逆四端网络，不再阐明3.2 A&S的物质效应及

8、其模型(1)三种能量间物性效应模型(2) 四种能量间物性效应新模型11(3) 六种能量间物性效应新模型晶体六种能量关系式假设从晶体热力学角度来思索，该模型全面的反映能量势函数间的内在关系。由前述的吉布斯自在能公式5可扩展为六种能量间的物性效应模型，每一物性参量包括一切广义力和广义位移与其它参量之间的本构关系，其通用表达式唯象方程在一级近似情况下为3.3 物性效应研讨的新进展:(1)压电二次和二次以上的感生效应 二次效应的证明与实验方法;(2)压电改动效应的开发 改动效应的实验证明; 晶片的切型优化 新型改动传感器的研发(3)压电弯曲效应的开发(4)基于晶体变形的压电效应分类体系5 .S&A的技术现状与开展趋势功能资料的新开展：半导体资料；功能复合资料、有机高聚物；功能陶瓷；功能金属资料光纤资料；纳米资料等。多功能与复合化：“气敏湿敏，“湿敏热敏，“力敏温敏，复合血液离子传感器等。集成化固体化：构造集成与信息集成。集