现代传感器与执行器技术(研究生).pptVIP

现代传感器与执行器工程学（课程总体介绍） 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(SA)的概念与定义 2 .机械与电子工程常用的典型SA 3 .SA的统一理论及其物理基础 4 .SA的多种能量间物性效应及其模型 5 .SA的技术现状与发展趋势 结语 ★让我们与SA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SA术: ▲SA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559,信号501遥测142);飞船部1218个(离散信号392).耗资300亿美元, 40万人参与。神5我校的贡献，25亿元；轨姿控火箭发动机推力测试系统 ▲资源调查,环境保护,安全监控 ▲基础科学领域:宏观上千光年宇宙→微观10-13cm微粒,时间数十亿年天体演变→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,几乎每种现代项目,都离不开SA。 1.现代SA概念与定义 传感器定义:(已讲过?) 执行器定义: 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SA的定义可以看出:对于物性型SA动作原理与运行过程正式互逆的。所以，有人将这种SA称为“双向传感器”。 SA的可逆四端网络 2 .机械与电子工程常用的典型SA 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 现代执行器示例(1) (2) 扫描电镜3-D扫描微执行器 (3) 微操作系统 执行器的作用与功能： (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) 形状记忆合金执行器(1) 形状记忆合金执行器（2） d) 硅基TiNi薄膜微夹持器结构设计及工作原理 e）微小管道机器人移动机构（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 清华大学研制了一种全自动直线跟踪微机器人（见图10-21）[34]。它通过光电探测器获得机器人的状态，要实现的目标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由度的水下机器人（见图10-22）[35]。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由度的游泳动作。水下微机器人的形状像一条鱼，尺寸为45mm×10mm×4mm 3. SA的统一理论及其物理基础 （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。 3.1 SA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SA比喻成四端网络的话（图2-9），两者的传递方向完全相反。 （ 见前“可逆四端网络”，不再说明） 3.2 AS的物质效应及其模型(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如果从晶体热力学角度来考虑，该模型全面的反映能量（势函数）间的内在关系。由前述的吉布斯自由能公式（5）可扩展为 六种能量间的物性效应模型，每一物性参量（包括所有广义力和广义