现代传感器和执行器SA工程学下

1、现代传感器和执行器SA工程学下 大家知道，在密封的管子里，非粘性液体流的守恒定律是用伯努利方程来表示的。对于水平流动的液体，假如是不可能压缩的，则可表示为 （3.1） 式中， 是流体的密度，v是流速，p是压力。 图3.1空速管（Pitot） 如图3.1所示，空速管是由对着流向封口的管子与侧面开孔的管子所组成。对于A点（v=0，p=pt）和B点（v=v，p=ps），伯努利方程都适用，因而有 （3.2） 也就是说，通过这个方程，可将流速变换成压力差。这就是作为流速传感器的空速管的变换原理。 使用能量守恒定律时，必须把与现象有关的一切能量形式都考虑在内。例如空速管如果考虑流体的粘度和可压缩性，式（3

2、.2）严格来说是不成立的，所以必须采用修正系数。 2.5.2 场的规律 这是一个关于物质作用的定律，如运动定律和电磁场定律等，其作用与物体在空间的位置以及分布状态有关。与这些定律或法则有关的物理参数，象质量和电荷那样，与具体物质的内部结构无关。 如图3.2（a）所示，在由永久磁铁构成的磁场中，放一个线圈，如果线圈做与磁力线方向相垂直的运动时，线圈中便产生感生电动势。其大小，根据电磁感应定律，与穿过线圈磁力增减速度成比例。不管是铜线圈还是铝线圈，其感应电动势的大小是不变的，而与单位长度线圈的圈数有关。将这种线圈装在欲测速度的物体上时，根据上述原理，就能得到与速度成比例的电压，这就是动电式速度传感

3、器的原理。此原理也被应用在振动传感器上（参阅第二篇1.3.2节）。动电式传感器的变换特性， 主要是由线圈的形状、尺寸和圈数决定的，而与构成元件的成分和材质关系不大。另外，如图3.2（b）所示代替线圈的是具有导电性的液体流，根据同样的定律，也能产生感应电动势。在这种情况下，变换特性主要取决于磁场强度和筒管的直径。 像这样主要以形状尺寸左右传感器性能的称之为构造型传感器的特点是：被测范围（量程）与灵敏度只取决于形状尺寸，所以设计的自由度较大，而受材料选择的制约较小，容易获得稳定的性能。 图3.3所示为将两枚平板电极平行相对放置，其电容量C为 （3.3） 式中，d是电极平板间的距离，S为有效面积，

4、为电极间电介质的电容率（介电常数）。此时，若仅使d产生一个 变化时，则C便相应产生一 的变化时。如果 ，则此种结构便可以作为位移型传感器来应用。这时，如果d越小，而S越大，则C的变化量也就越大。很显然，为要达到高精度， 的范围要有一定限制。因此必须根据量程来确定极板间的距离。当然，距离的允许范围还是较宽的。此外，电极板所用的材料当然以导体为好。 也有许多利用波动现象的构造传感器被开发出来。特别是将被测的量变成光的强度（光量）的方法，有调整方便，且能利用各种光电传感器的优点，因而被广泛应用。 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

5、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 光量将产生变化。如果增加孔或槽的数目，还可以提高灵敏度，并能使线性关系更好。 如果平板的移动量超过孔或槽的间距时，则其透光量便以此间距为周期进行周期性增减变化。这样，如果数一下周期数，那么就可以孔或槽的间距为单位，进行长度的数字测量了。这种情况并非是光量本身的增减，而是借助其周期性变化传递情报，这种周期与光量的时间变化并无关系，而是决定与孔或槽的间距，所以说多孔（槽）板便成为把光量变换成空间位置的调幅元件。 利

6、用光的干涉现象制成了各种干涉仪器。用来测量长度的麦克尔逊干涉仪上所呈现的干涉条纹与用光源波长来决定间距的多孔（槽）板是等效的。干涉条纹间的距离并非只是根据波长来决定的，它还与光路中的介质的折射率有关，因而距离也取决于气体的压力和成分， 所以也可以用于测定长度以外的量，即使在这种场合情况也未改变。 图3.4所示为透光部分与遮光部分宽度相等的多孔板，如果让它在与光束垂直方向上移动时，透光量便作为周期性的变化，由于其周期与运动速度成反比，所以可把它作为速度传感器来应用。如果将长孔沿圆周方向均匀 配置，便成为角速度传感器了。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

7、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。2.5.3 统计定律 物质是由微小粒子集合而构成的，它能反映出围观的 性质。例如，波义耳查理定律本来可以说是统计的定律。可是，在分子数非常多的状态下，与平均值的偏差小到可以忽视的程度，通常其统计性质就不加考虑了。 与传感器有关的统计法则是重要的奈奎斯特定理。根据这个定理，在电阻R两端产生的热噪声电压

8、V的均分值 ，可由下式确定： （3.4） 式中，kB为波尔兹曼常数（约为 ）,T为热力学温度，B为频带宽度。 热噪声混入信号中，对测试将产生不良影响，然而，用它可以测定热力学温度。在这种情况下，热噪声也就当然地被视为信号了。普通使用的温度传感器，与标准 温度计相比较如果不加以校正，就得不到正确的结果；与此相反，如果利用热噪声，从原理上，可以直接测的热力学的温度，也就是说绝对测量是这种测量方法的特征。之所以如此，是因为式（3.4）不含有与电阻材料个别特性有关的参数的缘故。实际上，因为带宽B的确定时困难的，还必须想一些别的办法。2.5.4 有关物质特性的规律 它是表示物质各种各样的物理性质的定律，

9、例如虎克定律、欧姆定律等。属于这种分类的定律中含有物质固有的物理常数。换句话说，定律是定义各种物理常数的公式。这种定律，一般来说是近似的，并不能严格的成立。 利用与不同种类能量之间相关联的物质定律，可以做成各种各样的传感器。把这种传感器称为物性型或材料型传感器。物性型传感器的性能，在很大程度上受相关物理常数大小的支配。 如图3.5所示，当在导体或半导体中有电流通过时， 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

10、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，对物性型传感器要进行较深入地讨论。 （1）热平衡现象 与物理常数相关的现象可分为三类：热平衡现象、传输现象与量子现象。 热平衡状态中，基本的物理量是能量。描述热平衡 状态中某系统的物理量叫做状态量。这种状态量具有以下两种性质：其一，如果把这个系统分割成若干分系统，该物理量的大小是确定的，而与分割的方法无关；其二，该状态量与分系统的大小（体积、面积等）成比例。把前者称为强度型状态量，后者称为容量型状态量。温度、压力、电场或磁场强度等是强度型状态量，能量、熵、位移、电气极化等是容量型状态量。 若干个容量型状态量xi的微小变化为dxi，则系统

11、的能量U的变化为 （3.5） 在这里， 是对应于xi的强度型状态量，xj角标表示除xi以外的容量型状态量保持固定不变的意思。 系统由能量U的状态变化到U+dU的状态时（两者都 处在热平衡状态），因其变化与所取的微分路径无关，所以下式成立。 从而可得 （3.6） 式（3.6）是麦克斯韦关系式，对于传感器技术这是个重要的公式。 值得指出的是，在式（3.5）中，是选择容量型状态量作为独立变量的，而实际上，由于强度型状态量容易测量，且其大小也容易调整，所以把它作为表达式中的独立变量使用是很方便的。为此，可采用勒让德变换方法。有关该法的一般论述参见文献2。下面仅举例说明。 例如，温度T对于熵S是强度型变

12、量（示强度量） 为了把它变成独立变量，可用F代替U，采用下式 F=U-TS （3.7） 所定义的亥姆霍兹自由能，于是便有 如果把压力P当作独立变量时，则采用下式 H=U+PV （3.8） 如果把温度和压力同时作为独立变量时，则采用下式 G=U-TS+PV （3.9） 所定义的吉姆斯自由能进行讨论。 这样一来，独立变量中如果有若干个强度型状态变量时，则麦克斯韦关系式的表达式可取如下形式。 如果在某种晶体上施加应力T1时，便在其表面上出现电荷P，显出正负极性，这时将 称为电压效率。由麦克斯韦关系式可知，对应于应力的容量型状态量是体积的变化 ，而对于极化电荷的强度型状态量是电场强度E，于是下列关系成

13、立，即 （3.10） 由式（3.10）可知：压电现象就是将机械量变换成电量，或反之把电量变换成机械量的一种量变换现象，不管是哪种变换，总是与压电效率有关的。这样把不同种类能 量所构成的关系称为一次效应。在传感器上所应用的一次效应的例子列于表3.1。由表可见，正效应与逆效应是成对出现的。 另一方面，弹性系数、感应系数、磁化率等均是属于同一种类能量的强度型状态量与容量型状态量微分之比，以 表示之。这些不能直接的应用在传感器上, 可是，利用这些状态量与其他状态量，例如温度、压力之间的依赖关系，便可以制成各种传感器，把这种变换称为二次效应，它们没有逆效应。 将强磁性体中的磁场强度H由0开始增大，初期磁

14、力线密度B与H成比例的增加，可是当H达到某种程度时，B便饱和了。也就是说，透磁率是H的函数。作为变压器使用时，设计要避免磁饱和，与此相反，有的传感器是积极的利用磁饱和现象。 如图3.6（b）所示，把一个强磁性体圆环放置在直流磁场H0（与纸面垂直）中，在圆环上绕两个线圈，如果在一个线圈上通过接近饱和的交流电流，则另一个线圈的输出电压（与H成比例），如图3.6（a）所示那样，将产生波形失真。这种波形含有激振频率偶数倍的高频分量，其振幅是直流磁场H0的函数。根据由输出线圈取出 第二高频成分，便可以作成磁场传感器。把这种方法称为磁调制，多用于测量的磁场等微弱磁场的传感器上。 图3.6磁调制方式的原理（

15、2）传输现象 电荷、热量、质量等容量型状态量随时间而变化及伴随有流动现象，把这称为传输现象。之所以能产生这些流，是因为在系统中存在着强度状态量的差或梯度的缘故，差或梯度可看作一般化的力，并称之为“亲和力”（或亲和势）。电流就是由于存在所谓电位差的亲和力而产生的。热流就是由于存在所谓温度差的亲和力而产生的，一种流可以由两种以上的亲和力而产生，利用这种现象可以制出传感器。 很早以来所使用的热电偶，其热流与电流是分别由于温度差和电位差而产生的。在这种热电现象中，当电流为零时的电位差则是由温度差产生的，这就是所谓塞贝克（Seebeck）效应。热电偶就是利用塞贝克效应做成的一种传感器。当电流通过没有温差

16、的两个导体或半导 体的接点处时，则产生热现象，这就是大家所熟悉的珀尔帖（Pelier）效应，很显然，可以把它视为塞贝克效应的逆效应。 不同种类的亲和力和流之间产生的效应成为一次效应。利用一次效应制成的传感器如表3.2所示。与此相对应的，是二次效应。例如象电阻那样，除受电压、电流的影响外，还受到如变形、压力、温度等的影响，这种现象称为二次效应。利用它可以制成各种传感器。这些都是属于二次效应传感器。对于二次效应不存在逆效应。与传输现象有关的二次效应见表3.3所示。（3）量子现象 对于构成物质的每个原子和分子来说，其能量只能取离散跳跃的数值，这是量子力学所阐述的内容。光电效应就是量子现象的一例。金属

17、内部的电子，受到光子的作用，从金属表面释放出来，这称为外光电效应；由于光的照射，晶体中的电子被激发，电子与空穴成对产生，这称为内光电效应。这两种光电效应分别地应用在传感器上。 原子和分子一旦被放入电场或磁场中，其稳定状态发生变化，使能级和谱线分裂，称为斯塔克(德Stark)效应或塞曼效应。在电、磁场作用下，从原子、分子中发出的光的波长随电、磁场的强度而变化。由于其变化量很小，直接应用到传感器上有些困难，但用在激光的激振频率稳定化方面还是可能的。 当把磁场加到原子、分子上，使其进行旋进运动时,用与其振动频率相等的频率使磁场发生变化，从而产生共振现象，这叫磁共振。其共振频率因为取决于磁场程度，所以

18、可用在磁力传感器上，此外也可当作温度传感器使用。 在极低温领域，有超导现象发生，电流变成永久电流在流动。在用超导材料作成的闭合电路上通过磁力线 ，根据量子力学效应，其值只取 的整数倍的值 ，叫做磁通量子。如果在这个回路上有约瑟夫逊结(用极薄的绝缘庭隔开的超导体对)时，使磁束量子周期化，从而得到周期性响应，故把磁束量子作为单位,就可以测量磁力线的变化了。把这种磁力线计量仪器称为量子干涉仪(SQUID)。第三章S&A的构成论与信号选择3.1传感器的构成法 传感器是由将输入量转换为与其不同的物理量的元件为主体构成的，输出量多是采用容易进行信号处理的 电学量（电压、电流、频率等）或力学量（压力等）。换

19、句话说，单独一个敏感元件还不能成为安全的传感器，而且也未必实用。 传感器的构成法的分类如图4.1所示。（a）是最基本的结构形式，只是由敏感元件构成的最简单形式，把它规定为P型。（b）仍然是利用敏感元件的基本构成形式,与（a）不同的是使用了电能等能源，可获得较高能量的输出信号。这种形式定为A型。为使A型敏感元件的工作点稳定，采用了能源。当然，也有不用能源而用磁铁，使磁的工作点稳定的形式。在这种情况下，磁铁并非是能源，可视其为一种偏压源。这种形式成为B型。（c）是利用输入信号进行阻抗变换的敏感元件的形式，若就这样原封不动的使用，因为得不到输出信号，所以要制作包含该敏感元件在内的变换电路，由能源向它

20、供能量, 从而获得输出信号。将这种结构形式的传感器称为C型传感器。 传感器的特性，由于受到周围环境和条件的影响，在很多情况下要发生变化。当影响不可忽略时，则必须采取某种解决的办法。（d）以下，就是针对这种情况提出卓有成效的结构形式。（d）是采用了原理相同，性能一致的两个敏感元件。其中之一收输入信号，而另外一个虚设，作为补偿用，环境条件的改变使得两个敏感元件性质变化是相同的，以此达到消除环境干扰的影响。多数情况下，需要能源。这种构成法为D型。（e）是比D型更为完善的敏感元件的活用方式。输入信号是同时加到原理相同、性能一致的两个敏感元件上，但对于输入信号，两个传感器的参数变化是相反方向的；而对环境

21、变化则是成相同方向的。这样，便可以小环境变动的 影响，这种构成方式称为E型。（f）是除了采用对输入量响应的敏感元件外，采用了对环境相应的敏感元件。对输入量响应的敏感元件的环境特性要预先清楚，使用时，用有关环境信息来补偿敏感元件的性能变化，这就是F型的传感器构成法。图4.1传感器的构成法 为了获得有价值的输出信号，从构成法的角度，可将传感器从P型到E型进行进行分类。为了得到输出信号, 其中P型和B型，能量是从被测对象上获得的，这一点是和传感器不同的。热电偶和压电元件是P型的典型例子。这类敏感元件因不需内部电源，所以称为被动型（Passive）或无源性。如果利用热平衡或传输现象中的一次效应时可构成

22、P型传感器。 如第3章所述，一次效应存在逆效应，对P型传感器一旦加上输入信号，则由输出端所产生的反作用便又立即返回到输入端。可以说这是一种相当于作用力与反作用力间的效应，因而对被测对象施加反力是不可避免的.再有，由输出端所输出的能量不能大于向被测对象输入的能量。 A型是带有内装能源结构的基本型，因此称为能动(active)或主动型。C也是能动型，属于这种类型的传感器被大量的使用着。利用热平衡或传输现象中的二次效应 的传感器都是C型。以两个物理量之比表示物质常数的值取决于第三个物理量的大小。对于应用这个规律的物理性型传感器来说，为了求得物质常数，推动敏感元件的能源是必要的。根据所用能量的大小，决

23、定敏感元件的工作点。当输入信号一加上，动作点就变化了，可以把它作为输出信号取出来。因此，从广义上来看，能动型传感器是一个放大器。故而输出的能量有可能远大于从被测对象输入的能量。 构造型传感器几乎都是作为能动型传感器构成的。 利用霍尔效应的传感器内装有能源或偏压源，不属于上述分类，但是可以把这种传感器看成是B型和A型或者和C型的复合型。还有一种传感器，不是把输入量直接变换成作为测量目的的输出量，而是把输入量先变换成别的物理量，然后再把这个物理量变换成输出量。采用 这种变换方式的传感器也在广泛使用，可以把它看成P型与A型或与C型的复合型。这样就有可能得到各种各样构成形式的传感器。3.2 执行器的构

24、成法 这里主要是指物性型执行器的构成要素和构成方法。已抛开具体的或个别执行器的特殊性，是从执行器的共性出发研究与处理问题的。 （a）基本型 对于一般执行器，基本上都是由输入量经过信息转换后变成输出量。输入量一般是作为控制信号的电学量，而输出量多为力学量（力、位移、速度、加速度），当然也有一部分热学量。中间部分为变换元件。将这种执行器 称为基本型结构。如图21所示。这也是最简单的结构形式。输入可为单输入或多输入，输出可为单输出或多输出。 图2-1执行器的基本构成 这种结构最典型的例子便是压电式执行器：输入为电信号，中间的变换元件为压电元件，通过逆压电效应而转 换为位移量（变形）输出。输入能量等于输出能量。 在基本构成形式的基础上，又出现以下几种常见的构成类型。 （b）放大型 又分为有源放大与无源放大。见图22。 图2-2 带放大器的执行器构成 如压电叠堆式执行器。如果位移量过小，可以通过机械杠杆放大，使位移量增大（但此时输出力相应减少）。如（a）情况一样输入能量等于输出能量。 如果再加上能源或偏压源，则能使输出能量远大于输入能量。如电磁执行器，加上较大的磁场（偏压源），就能获得较大能量的输出。 （c）补偿型 为了对执行器变换元件的非线性或对环境的影响进行补偿，往往采用补偿型结构。采