壓力傳感器---鉤

　　壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。

各種小巧的壓力傳感器

　　我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產(chǎn)生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應，這就是所謂的極化效應。科學家就是根據(jù)這個效應研制出了壓力傳感器。

　　壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應用。

　　在現(xiàn)在壓電效應也應用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

　　壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。

　　壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

　　壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。

　　除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應制造出來的壓阻傳感器，利用應變效應的應變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應和不同的材料，在不同的場合能夠發(fā)揮它們獨特的用途。

　　這種壓力變送器主要利用液體或氣體在檢測器件上形成的壓力來檢測液體或者氣體的流量或壓強。把這種壓力信號轉(zhuǎn)變成標準的0-10V或者4-20mA電信號。以便控制使用。

　　元件就是各種壓力傳感器的核心部件，壓力和電信號的轉(zhuǎn)化主要由它們完成。這種元件主要由壓力檢測體和放大電路組成。

　　溫度傳感器---叉

　　溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學會的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。五十年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

　　我們現(xiàn)在主要介紹常用的熱電偶溫度傳感器。比如兩種不同材質(zhì)的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差。這個電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點的溫度有關，和這兩種導體的材質(zhì)有關。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導體，所以稱之為“熱電偶”。不同材質(zhì)作出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1攝氏度時，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數(shù)值大約在5到40微伏每攝氏度之間。

　　由于構成熱電偶的金屬材料可以耐受很高的溫度，例如鎢錸熱電偶能夠工作在2000攝氏度以上的高溫，常常用來檢測高溫環(huán)境的熱物理參數(shù)，還有的材料能夠在低溫下工作，例如金鐵熱電偶能夠在液氮的溫度附近工作。可見熱電偶傳感器能夠在很廣泛的溫度范圍內(nèi)工作。

微小的溫度傳感器

　　熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程，如燃燒和爆炸過程等。對一般的工業(yè)應用來說，為了保護感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護套里面，外觀就顯得笨大，對于溫度場的反應也就遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環(huán)境溫度的波動對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補償器抵消這種影響。當測量點遠離儀表時，還需要使用熱點勢率和熱電偶相近的導線來傳輸信號，這種導線稱為補償導線。

　　溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領域中，也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。

　　超聲波傳感器---鞭

　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。

　　　以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。

　　超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。

　　超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括；

　　（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

　　（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。

　　（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

　　超聲波傳感技術應用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學應用是其最主要的應用之一，下面以醫(yī)學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。

　　在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現(xiàn)改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。

　　虛擬儀表---锏

　　計算機技術的發(fā)展，尤其是80年代初微機出現(xiàn)以來，以及近些年來的PC機和工作站的性能不斷提高，價格不斷降低，給各個行業(yè)帶來了新的機遇和活力。在儀器儀表測試領域也一樣，近幾年來，國際上出現(xiàn)的虛擬儀表就是一個典型的例子。虛擬儀表技術把計算機技術和儀表儀器技術完美地結合起來，為現(xiàn)代儀器技術掀開了嶄新的一頁。

　　在實驗室、工廠及野外作業(yè)，為完成某項測試和維修任務，通常需要許多儀器。如：信號源，示波器，頻率計，電壓表，頻譜分析儀，通常復雜的電路系統(tǒng)還需要邏輯分析儀，IC測試儀等。這么多的儀器不但價格昂貴、體積大、占用空間，而且互聯(lián)也十分麻煩。虛擬儀表的產(chǎn)生，徹底改變了這樣的狀況，只需要PC機或者工作站、儀器插件、計算機應用程序就可以完成上述的功能。虛擬儀表在某種程度上能夠替代現(xiàn)有的多數(shù)設備。

　　傳統(tǒng)的意思是自包含的，也就是本身帶有輸入輸出的能力，儀表上有按鈕、旋鈕、標度尺、圖形等功能。在儀器內(nèi)部包含有數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器、總線等，所有的電路都是固定的。儀器把信號輸入后，通過內(nèi)部的處理，得出結構，供技術人員參考。而虛擬儀表則是以計算機為核心，充分利用計算機強大的顯示、處理、存儲能力來模擬物理儀表的處理過程。　　虛擬儀表的關鍵是軟件的開發(fā)，通過應用軟件，根據(jù)不同的需要，可以實現(xiàn)不同測量儀表的功能。通常，用戶僅需要根據(jù)自己在儀表領域的專業(yè)知識，定義各種界面模式，設置測試方案和步驟，則該軟件平臺就可以迅速完成相應的測試任務，并給出非常直觀的分析結果。目前，虛擬儀表軟件開發(fā)以美國國家儀器公司（NI）開發(fā)的軟件產(chǎn)品LabView圖形編程環(huán)境和Lavwindows/CVI面向儀表的交互式C語言最為著名。NI自1976年創(chuàng)立以來，成為在這個領域中領先的供貨廠商。現(xiàn)在流行的虛擬儀表軟件的主要特點是：用戶自定義性能強、功能規(guī)范、用戶界面非常友好而實現(xiàn)的功能和實際的儀表不相上下，而且能夠增加傳統(tǒng)儀表無法實現(xiàn)的其他的功能。

　　通過虛擬儀表，工業(yè)設備變得越來越簡單，但是功能越來越強，這個趨勢將在未來的工業(yè)發(fā)展中起到主導的作用。加強虛擬儀器的研發(fā)已經(jīng)成為了工業(yè)發(fā)展的一個不可忽視的方面。

　　步進電機---錘

　　步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。

步進電機樣品

　　上個世紀就出現(xiàn)了步進電動機，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，動作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在本世紀初，由于資本主義列強爭奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時也使得步進電動機的技術得到了長足的進步。到了80年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。計算機則通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出電動機的潛力。因此，用計算機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨勢。

　　步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。步進電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進式的轉(zhuǎn)動，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關。

　　現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。其中反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)階段，反應式步進電機獲得最多的應用。

　　步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點，步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術相結合。不過步進電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進電機，步進電機可以發(fā)揮其結構簡單、可靠性高和成本低的特點。使用恰當?shù)臅r候，甚至可以和直流伺服電動機性能相媲美。

　　步進電機廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領域。它最大的應用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構的驅(qū)動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中。

　　步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。

　　變頻調(diào)速與自動化控制---撾

　　在科技飛速發(fā)展的今天，變頻調(diào)速已經(jīng)廣泛應用到各個生產(chǎn)的領域，其中變頻調(diào)速器是變頻調(diào)速技術實際應用的具體體現(xiàn)。交流變頻調(diào)速器采用領先的邊緣電子技術，以專業(yè)的數(shù)字處理芯片為核心。因此，能夠適用于各種場合的電機拖動控制，為機電控制提供了靈活方便的選擇余地。

變頻器

　　圖中所示為通用型的變頻器，主要用來對電機進行轉(zhuǎn)速控制，紅色文字顯示的就是變頻器工作的頻率。該頻率對應不同的電機轉(zhuǎn)速。

　　變頻器要想對電機的轉(zhuǎn)速進行精確控制，就要和旋轉(zhuǎn)編碼器一起使用，旋轉(zhuǎn)編碼器同電機的軸一起轉(zhuǎn)動，測出電機的轉(zhuǎn)數(shù)，反饋給變頻器。

　　變頻調(diào)速器可以作為自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，也可以作為控制單元。作為執(zhí)行單元的時候，變頻調(diào)速器接收來自調(diào)節(jié)單元的控制信號，根據(jù)控制單元改變輸出電源的頻率；作為控制單元時，變頻調(diào)速器本身兼有調(diào)節(jié)單元的功能，單獨完成控制調(diào)節(jié)作用。其作用是通過改變電動機電源的頻率來調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。

　　電動機是現(xiàn)代社會不可缺少的動力設備，傳統(tǒng)的電動機只有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和靜止三種狀態(tài)，不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)速的變化，應用了變頻調(diào)速器之后，使得電動機能夠轉(zhuǎn)速變化自如，賦予了自動控制系統(tǒng)新的活力，過去自動控制中被視為難以解決的難題變得異常簡單。

　　變頻調(diào)速器有電源輸入和輸出回路，使用時將變頻調(diào)速器直接串接在電動機電源的輸入回路中，其接法如圖所示。

　　電源輸入回路將輸入的電源信號進行整流變成直流信號；電源輸出回路，根據(jù)控制單元發(fā)來的指令再將整流后的直流電源信號調(diào)制成某種頻率的交流電源信號輸出給電動機。輸出頻率可在0到50HZ之間變化。電源頻率降低，電源電壓也隨之降低，使得電動機的瞬時功率下降，從而減少了電源消耗。控制單元以CPU為核心，對有關運行數(shù)據(jù)進行檢測、比較和運算，發(fā)出具體的指令，控制電源輸出回路調(diào)整輸出回路電源頻率。

　　在傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)中引入變頻調(diào)速器改變了原來的控制模式，使運行更加平穩(wěn)、可靠，并能夠提高系統(tǒng)控制精度。

　　以常見的鍋爐燃燒時的爐膛壓力自動控制系統(tǒng)為例。大型鍋爐運行時，爐膛內(nèi)的壓力基本都是一個常數(shù)，壓力過高或者過低都會給鍋爐的正常運行帶來不良的影響或者煤質(zhì)的變化，常常需要調(diào)整鼓風量而使得鍋爐能夠處于最佳的運行狀態(tài)。

　　爐膛壓力控制系統(tǒng)的作用就是隨時發(fā)出爐膛壓力檢測的指令，然后與給定的定值進行比較發(fā)出調(diào)節(jié)信號，控制執(zhí)行單元根據(jù)調(diào)節(jié)信號調(diào)整送風量，而此時風機照常以額定的轉(zhuǎn)數(shù)運行。應用變頻調(diào)速器后，控制系統(tǒng)發(fā)生了變化。

　　與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，變頻調(diào)速器取代了控制執(zhí)行單元，其物理位置各不相同，控制方式也不相同。從這個例子可以看出，變頻器嚴格來說是一個電氣控制裝置，由于它具有多種控制輸入方式，能夠很方便與自動控制儀表相結合而組成電子控制系統(tǒng)，因此在自動化領域的應用前景十分廣闊。