压力传感器---钩
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
各种小巧的压力传感器
我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。
这种压力变送器主要利用液体或气体在检测器件上形成的压力来检测液体或者气体的流量或压强。把这种压力信号转变成标准的0-10V或者4-20mA电信号。以便控制使用。
元件就是各种压力传感器的核心部件，压力和电信号的转化主要由它们完成。这种元件主要由压力检测体和放大电路组成。
温度传感器---叉
温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
我们现在主要介绍常用的热电偶温度传感器。比如两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质作出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1摄氏度时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5到40微伏每摄氏度之间。
由于构成热电偶的金属材料可以耐受很高的温度，例如钨铼热电偶能够工作在2000摄氏度以上的高温，常常用来检测高温环境的热物理参数，还有的材料能够在低温下工作，例如金铁热电偶能够在液氮的温度附近工作。可见热电偶传感器能够在很广泛的温度范围内工作。
微小的温度传感器
热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程，如燃烧和爆炸过程等。对一般的工业应用来说，为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损，总是装在厚厚的护套里面，外观就显得笨大，对于温度场的反应也就迟缓得多。使用热电偶的时候，必须消除环境温度的波动对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿器抵消这种影响。当测量点远离仪表时，还需要使用热点势率和热电偶相近的导线来传输信号，这种导线称为补偿导线。
温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。
超声波传感器---鞭
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括；
（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。
虚拟仪表---锏
计算机技术的发展，尤其是80年代初微机出现以来，以及近些年来的PC机和工作站的性能不断提高，价格不断降低，给各个行业带来了新的机遇和活力。在仪器仪表测试领域也一样，近几年来，国际上出现的虚拟仪表就是一个典型的例子。虚拟仪表技术把计算机技术和仪表仪器技术完美地结合起来，为现代仪器技术掀开了崭新的一页。
在实验室、工厂及野外作业，为完成某项测试和维修任务，通常需要许多仪器。如：信号源，示波器，频率计，电压表，频谱分析仪，通常复杂的电路系统还需要逻辑分析仪，IC测试仪等。这么多的仪器不但价格昂贵、体积大、占用空间，而且互联也十分麻烦。虚拟仪表的产生，彻底改变了这样的状况，只需要PC机或者工作站、仪器插件、计算机应用程序就可以完成上述的功能。虚拟仪表在某种程度上能够替代现有的多数设备。
传统的意思是自包含的，也就是本身带有输入输出的能力，仪表上有按钮、旋钮、标度尺、图形等功能。在仪器内部包含有数模、模数转换器、微处理器、存储器、总线等，所有的电路都是固定的。仪器把信号输入后，通过内部的处理，得出结构，供技术人员参考。而虚拟仪表则是以计算机为核心，充分利用计算机强大的显示、处理、存储能力来模拟物理仪表的处理过程。 虚拟仪表的关键是软件的开发，通过应用软件，根据不同的需要，可以实现不同测量仪表的功能。通常，用户仅需要根据自己在仪表领域的专业知识，定义各种界面模式，设置测试方案和步骤，则该软件平台就可以迅速完成相应的测试任务，并给出非常直观的分析结果。目前，虚拟仪表软件开发以美国国家仪器公司（NI）开发的软件产品LabView图形编程环境和Lavwindows/CVI面向仪表的交互式C语言最为著名。NI自1976年创立以来，成为在这个领域中领先的供货厂商。现在流行的虚拟仪表软件的主要特点是：用户自定义性能强、功能规范、用户界面非常友好而实现的功能和实际的仪表不相上下，而且能够增加传统仪表无法实现的其他的功能。
通过虚拟仪表，工业设备变得越来越简单，但是功能越来越强，这个趋势将在未来的工业发展中起到主导的作用。加强虚拟仪器的研发已经成为了工业发展的一个不可忽视的方面。
步进电机---锤
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机样品
上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。
步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。
步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。
步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
变频调速与自动化控制---挝
在科技飞速发展的今天，变频调速已经广泛应用到各个生产的领域，其中变频调速器是变频调速技术实际应用的具体体现。交流变频调速器采用领先的边缘电子技术，以专业的数字处理芯片为核心。因此，能够适用于各种场合的电机拖动控制，为机电控制提供了灵活方便的选择余地。
变频器
图中所示为通用型的变频器，主要用来对电机进行转速控制，红色文字显示的就是变频器工作的频率。该频率对应不同的电机转速。
变频器要想对电机的转速进行精确控制，就要和旋转编码器一起使用，旋转编码器同电机的轴一起转动，测出电机的转数，反馈给变频器。
变频调速器可以作为自动控制系统中的执行单元，也可以作为控制单元。作为执行单元的时候，变频调速器接收来自调节单元的控制信号，根据控制单元改变输出电源的频率；作为控制单元时，变频调速器本身兼有调节单元的功能，单独完成控制调节作用。其作用是通过改变电动机电源的频率来调整电动机转速。
电动机是现代社会不可缺少的动力设备，传统的电动机只有正转、反转和静止三种状态，不能产生转速的变化，应用了变频调速器之后，使得电动机能够转速变化自如，赋予了自动控制系统新的活力，过去自动控制中被视为难以解决的难题变得异常简单。
变频调速器有电源输入和输出回路，使用时将变频调速器直接串接在电动机电源的输入回路中，其接法如图所示。
电源输入回路将输入的电源信号进行整流变成直流信号；电源输出回路，根据控制单元发来的指令再将整流后的直流电源信号调制成某种频率的交流电源信号输出给电动机。输出频率可在0到50HZ之间变化。电源频率降低，电源电压也随之降低，使得电动机的瞬时功率下降，从而减少了电源消耗。控制单元以CPU为核心，对有关运行数据进行检测、比较和运算，发出具体的指令，控制电源输出回路调整输出回路电源频率。
在传统的自动控制系统中引入变频调速器改变了原来的控制模式，使运行更加平稳、可靠，并能够提高系统控制精度。
以常见的锅炉燃烧时的炉膛压力自动控制系统为例。大型锅炉运行时，炉膛内的压力基本都是一个常数，压力过高或者过低都会给锅炉的正常运行带来不良的影响或者煤质的变化，常常需要调整鼓风量而使得锅炉能够处于最佳的运行状态。
炉膛压力控制系统的作用就是随时发出炉膛压力检测的指令，然后与给定的定值进行比较发出调节信号，控制执行单元根据调节信号调整送风量，而此时风机照常以额定的转数运行。应用变频调速器后，控制系统发生了变化。
与传统的控制系统相比，变频调速器取代了控制执行单元，其物理位置各不相同，控制方式也不相同。从这个例子可以看出，变频器严格来说是一个电气控制装置，由于它具有多种控制输入方式，能够很方便与自动控制仪表相结合而组成电子控制系统，因此在自动化领域的应用前景十分广阔。
(审核编辑: 小王子)
