前　　言
完全版的主題是感知和驅(qū)動(dòng)。乍一看，似乎沒有什么比這更簡單了我們可能認(rèn)為自己知道什么是傳感器，也理所當(dāng)然地知道什么是執(zhí)行器。但我們是否會(huì)自認(rèn)為對它們了如指掌，以至于實(shí)際生活中忽視了它的存在？實(shí)際上，我們周圍有成千上萬的設(shè)備屬于這兩大類。在第1章中，僅在汽車一個(gè)例子中就列出了許多傳感器和執(zhí)行器，大約是200個(gè)，并且這僅僅是部分列表！此處采用的方法是將所有設(shè)備分為三類：傳感器、執(zhí)行器和處理器（接口）。傳感器是為系統(tǒng)提供輸入的設(shè)備，執(zhí)行器是作為輸出的設(shè)備。在它們之間，處理器起到連接、接口、處理和驅(qū)動(dòng)的作用。換句話說，完全版主張的觀點(diǎn)是一種普遍的感知和驅(qū)動(dòng)。從這個(gè)意義上講，墻上的開關(guān)是一個(gè)傳感器（力傳感器），而由其打開的燈泡是一個(gè)執(zhí)行器（它進(jìn)行了操作）。在兩者之間，有一個(gè)處理器導(dǎo)線束，或者，如果使用調(diào)光器，那么處理器就會(huì)作為一個(gè)實(shí)際的電子電路它解釋輸入數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理。在這種情況下，處理器可能僅僅是導(dǎo)線束，而在其他情況下，它可能是微處理器或整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
挑戰(zhàn)
感知和驅(qū)動(dòng)過程貫穿了整個(gè)科學(xué)和工程領(lǐng)域。感知和驅(qū)動(dòng)的原理來源于人類知識所涉及的各個(gè)方面，有時(shí)除了最專業(yè)的專家外，其他人對此都不了解，并且感知與驅(qū)動(dòng)的原理是相融合的。一個(gè)傳感器跨越兩個(gè)或更多學(xué)科的情況并不少見。以紅外傳感器為例，它的制造方法可能多種多樣，其中一種方法是測量紅外輻射產(chǎn)生的溫升。因此，生產(chǎn)紅外傳感器需要制造多個(gè)半導(dǎo)體熱電偶，并測量它們相對于參考溫度的溫升。這不是一個(gè)特別復(fù)雜的傳感器，但如果要完全理解它，人們至少需要借助傳熱學(xué)、光學(xué)和半導(dǎo)體的理論。此外，還必須考慮使其工作所需的電子設(shè)備與控制器（例如微處理器）的接口。因此，想要詳盡地涵蓋所有原理和理論是十分困難的。所以我們以一種務(wù)實(shí)的方法介紹傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用，并適時(shí)地對某些問題給出適當(dāng)?shù)慕忉�。也就是說，我們常常將設(shè)備視為具有輸入和輸出的黑盒，并對其輸入和輸出進(jìn)行操作，而不關(guān)注黑盒內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)和詳細(xì)操作。然而，完全忽略黑盒也不行：用戶必須足夠詳細(xì)地了解其所涉及的原理、所使用的材料以及傳感器和執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。完全版足夠詳細(xì)，可以使讀者對原理有適度的了解。
為了彌合傳感器和執(zhí)行器理論與其應(yīng)用之間的鴻溝，并深入了解感知和驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，我們注意到大多數(shù)傳感器都有電輸出，而大多數(shù)執(zhí)行器都有電輸入。實(shí)際上，傳感器和執(zhí)行器中的所有接口問題本質(zhì)上都是電氣問題。這意味著要理解和使用這些設(shè)備，尤其是要將它們連接起來并集成到一個(gè)系統(tǒng)中，需要電氣工程方面的知識。相反，感知量涉及工程的各個(gè)方面，電氣工程師會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)械、生物和化學(xué)工程問題必須與電氣工程問題一起考慮。完全版是為所有工程師和所有對感知和驅(qū)動(dòng)感興趣的人編寫的。每個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的讀者都會(huì)在其中找到熟悉的內(nèi)容和其他需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。實(shí)際上，當(dāng)今的工程師必須吸收各種學(xué)科知識或進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作以完成跨學(xué)科的任務(wù)。然而，并不是所有的傳感器或執(zhí)行器都是電動(dòng)的，有些是與電無關(guān)的。測定肉內(nèi)層溫度的溫度計(jì)能夠感測溫度（傳感器）并顯示溫度（執(zhí)行器），但不涉及任何電信號。雙金屬片的膨脹使表盤抵住彈簧，因此整個(gè)過程是機(jī)械式的。類似地，汽車中的真空電動(dòng)機(jī)能夠以完全機(jī)械的方式打開空調(diào)通風(fēng)口。
多學(xué)科方法
在每一章中，都會(huì)給出一些不同領(lǐng)域的示例，以強(qiáng)調(diào)所討論的問題。許多示例是基于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的，有些是基于仿真的，有些是處理理論問題的。在每一章的結(jié)尾都有一系列習(xí)題，進(jìn)一步擴(kuò)展該章的內(nèi)容，并探討與主題相關(guān)的細(xì)節(jié)和應(yīng)用。我已盡力使示例和習(xí)題真實(shí)、適用且相關(guān)，同時(shí)仍然保持每個(gè)習(xí)題的重點(diǎn)和獨(dú)立。由于該學(xué)科的獨(dú)特性，即涉及多學(xué)科內(nèi)容，學(xué)生將可能使用自己不熟悉的單位。為了緩解這種困難，我在第1章中用一節(jié)的篇幅來介紹單位。一些包含陌生單位的章節(jié)也會(huì)對這些單位及其之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行定義。通常的規(guī)則是使用國際單位制，但有時(shí)也會(huì)定義和使用常用單位（如PSI或電子伏特），因?yàn)樗鼈円脖粡V泛使用著。
內(nèi)容結(jié)構(gòu)
完全版首先揭示了感知和驅(qū)動(dòng)的一般特性和問題。然后，將七大類傳感器按檢測領(lǐng)域進(jìn)行分組。例如，將那些基于聲波的傳感器和執(zhí)行器從音頻麥克風(fēng)到聲表面波（SAW），包括超聲波設(shè)備組合在一起。同樣，將基于溫度和熱量的傳感器和執(zhí)行器組合在一起，這種分組方案不代表任何排他性。雖然光學(xué)傳感器可以很好地使用熱電偶進(jìn)行感知，但是它被歸類為光學(xué)傳感器，并與光學(xué)傳感器一起討論。類似地，輻射傳感器可以使用半導(dǎo)體進(jìn)行感知，但其功能是檢測輻射，因此將它按這種方式進(jìn)行分類和討論。之后介紹微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和智能傳感器的內(nèi)容。最后則專門討論接口和接口所需的電路，重點(diǎn)介紹作為通用控制器的微處理器。下面是各章的詳細(xì)內(nèi)容介紹。
完全版共12章。第1章是緒論。在簡短地回顧歷史之后，定義各種術(shù)語，包括傳感器、換能器和執(zhí)行器。然后，介紹傳感器的分類問題，并簡要討論感知和驅(qū)動(dòng)策略以及接口的一般要求。
第2章討論傳感器和執(zhí)行器的性能特征。我們將討論傳遞函數(shù)、量程、靈敏度和靈敏度分析、誤差、非線性以及頻率響應(yīng)、精度和其他特性，包括可靠性、響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍和遲滯問題。在這一點(diǎn)上，討論是具有一般性的，盡管給出的示例依賴于實(shí)際的傳感器和執(zhí)行器。
第3~9章介紹各種設(shè)備，從第3章中的溫度傳感器和熱執(zhí)行器開始討論。首先介紹熱阻式傳感器，包括金屬電阻溫度檢測器、硅電阻傳感器和熱敏電阻。接下來是熱電式傳感器和執(zhí)行器。我們將討論金屬結(jié)、半導(dǎo)體熱電偶以及佩爾捷電池，它們既是傳感器又是執(zhí)行器。然后介紹PN結(jié)溫度傳感器和熱機(jī)械器件，以及熱執(zhí)行器。溫度傳感器的一個(gè)有趣的方面是，在許多常見的應(yīng)用中，傳感器和執(zhí)行器是同一個(gè)，盡管這種二元性并不局限于熱設(shè)備。所有的雙金屬傳感器都是這種類型的，其應(yīng)用在恒溫器、溫度計(jì)和MEMS中，這一主題將在第10章中進(jìn)行擴(kuò)展。
第4章的主題是光學(xué)傳感中的重要問題。首先通過光導(dǎo)效應(yīng)以及硅基傳感器（包括光電二極管、晶體管和光伏傳感器）對熱傳感器和基于量子的傳感器進(jìn)行討論。光電池、光電倍增管和電荷耦合器件（CCD）傳感器是第二個(gè)重要的類別，其次是基于熱量的光學(xué)傳感器，包括熱電堆、紅外傳感器、熱釋電傳感器和輻射熱計(jì)。雖然人們很少想到光學(xué)執(zhí)行器，但它們確實(shí)存在，在本章的最后將介紹光學(xué)執(zhí)行器。
在第5章中，我們將介紹電磁傳感器和執(zhí)行器。很多設(shè)備都屬于這一類，因此，本章涉及的內(nèi)容相當(dāng)廣泛。首先將介紹電和電容設(shè)備，然后介紹磁性設(shè)備。我們將在這里討論各種傳感器和執(zhí)行器，包括位置、接近度和位移傳感器，以及磁力計(jì)、速度和流量傳感器。所涉及的原理包括霍爾效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)，并將其與更常見的效應(yīng)一起討論。本章對電動(dòng)機(jī)和螺線管的討論相當(dāng)廣泛，涵蓋許多磁驅(qū)動(dòng)原理，同時(shí)也討論了電容執(zhí)行器。
第6章專門介紹機(jī)械傳感器和執(zhí)行器。經(jīng)典應(yīng)變計(jì)是一種通用設(shè)備，用于檢測力以及應(yīng)變和應(yīng)力的相關(guān)量，但它也用于加速度計(jì)、稱重單元和壓力傳感器。加速度計(jì)、力傳感器、壓力傳感器和慣性傳感器占據(jù)了本章的大部分篇幅。機(jī)械執(zhí)行器的例子有波登管、波紋管和真空電動(dòng)機(jī)等。
第7章討論聲學(xué)傳感器和執(zhí)行器。我們所說的聲學(xué)傳感器和執(zhí)行器是指基于彈性的類聲波的傳感器和執(zhí)行器，其中包括基于磁性、電容及壓電原理的麥克風(fēng)和水聽器、經(jīng)典揚(yáng)聲器、超聲波傳感器和執(zhí)行器、壓電執(zhí)行器，以及SAW器件。因此，雖然聲學(xué)可能意味著聲波，但這里的頻率范圍是從接近零到幾吉赫（GHz）。
化學(xué)傳感器和執(zhí)行器是最常見、最普遍的，遺憾的是，它們也是大多數(shù)工程師最不了解的設(shè)備。因此，第8章將詳細(xì)討論這些內(nèi)容，重點(diǎn)對生物傳感器進(jìn)行介紹。本章對現(xiàn)有的化學(xué)傳感器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括電化學(xué)傳感器、電位傳感器、熱化學(xué)傳感器、光化學(xué)傳感器和質(zhì)量傳感器�；瘜W(xué)驅(qū)動(dòng)比通常人們所想象的要普遍得多，因此不容忽視。執(zhí)行器包括催化轉(zhuǎn)化、電鍍、陰極保護(hù)等。
第9章介紹輻射傳感器。除了經(jīng)典的電離傳感器，我們還將進(jìn)行更加廣泛的討論，包括非電離和微波輻射。本章，我們將討論反射傳感器、透射傳感器和諧振傳感器。因?yàn)槿魏翁炀�都可以輻射能量，所以它可以作為執(zhí)行器來影響特定的任務(wù)，如手術(shù)期間的燒灼、癌癥或低體溫癥的低頻治療，以及微波烹飪和加熱。
第10章的主題是MEMS傳感器和執(zhí)行器以及智能傳感器和執(zhí)行器。與前幾章有所不同，本章除了討論傳感器類別以外，還將討論傳感器的生產(chǎn)方法。本章將首先給出一些傳感器的生產(chǎn)方法，然后是一些常見類別的傳感器和執(zhí)行器，包括慣性與靜電傳感器和執(zhí)行器、光學(xué)開關(guān)、閥門等。在智能傳感器的背景下，本章強(qiáng)調(diào)與無線傳輸、調(diào)制、編碼、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及射頻識別（RFID）方法相關(guān)的問題。本章還將介紹一些納米傳感器的基礎(chǔ)知識，并對此類傳感器的未來和預(yù)期發(fā)展進(jìn)行展望。
第11章和第12章主要介紹接口的相關(guān)內(nèi)容。第11章介紹許多適用于接口的常見電路。首先是運(yùn)算放大器及其廣泛的應(yīng)用，然后是與執(zhí)行器配合使用的功率放大器和脈寬調(diào)制電路，接著是關(guān)于數(shù)字電路的介紹，包括基本原理和一些有用的電路。在討論電橋電路和數(shù)據(jù)傳輸方法之前，A/D和D/A轉(zhuǎn)換的各種形式，包括電壓到頻率和頻率到電壓的轉(zhuǎn)換器，都遵循這些原理。11.8節(jié)將討論線性電源、開關(guān)電源、電流源、參考電壓和振蕩器。11.9節(jié)將介紹能量收集的思想和需求，能量收集是某些感知和驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的核心。本章最后將討論噪聲和干擾。第12章介紹微處理器及其在連接傳感器和執(zhí)行器中的作用。雖然重點(diǎn)放在8位微處理器上，但所討論的問題具有一般性，適用于所有微處理器。在這最后一章中，我們將討論微處理器的架構(gòu)、存儲器和外圍設(shè)備、接口的一般要求，以及信號、分辨率和誤差的特性。
局限性
我們并沒有過多地討論系統(tǒng)，而是將傳感器/執(zhí)行器作為獨(dú)立組件進(jìn)行重點(diǎn)討論，這些設(shè)備對于工程師來說是有用的基本構(gòu)建模塊。例如，磁共振成像是一種非常有用的系統(tǒng)，用于醫(yī)療診斷和化學(xué)分析，這類診斷和化學(xué)分析依賴于感知體內(nèi)或溶液中分子（通常是氫）的進(jìn)動(dòng)。但是，該系統(tǒng)非常復(fù)雜，并且它的操作與這種復(fù)雜性有著十分內(nèi)在的聯(lián)系，以至于進(jìn)動(dòng)原理不能真正在低水平上使用。討論這種類型的系統(tǒng)需要討論輔助問題，包括超導(dǎo)性、均勻強(qiáng)磁場的產(chǎn)生、DC和脈沖、高頻磁場之間的相互作用，以及原子級的激發(fā)和進(jìn)動(dòng)問題。所有這些都很有趣也很重要，但它們超出了本書的范圍。另一個(gè)例子是雷達(dá)。一個(gè)無處不在的系統(tǒng)，但又需要許多額外的部件才能運(yùn)行和使用，盡管在較低的層次上它與手電筒以及我們的眼睛沒有什么不同，手電筒發(fā)出光束（執(zhí)行器），眼睛接收反射（傳感器）。我們將根據(jù)類似雷達(dá)的電磁波反射原理來討論傳感器，而無須討論雷達(dá)如何工作。
總結(jié)
完全版已經(jīng)出版多年，我收到了來自電氣、機(jī)械、土木、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生和研究生的大量反饋。第1版的大部分文字是在2009年秋季、2010年夏季和2011年夏季期間每天往返于法國巴黎和里爾的火車（行程230km，速度超過300km/h）上完成的。第2版在第1版的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，例如，補(bǔ)充了仿真、RFID及其與感知的關(guān)系、生物傳感器、適合于感知和驅(qū)動(dòng)的能量收集、關(guān)于納米傳感器及其未來發(fā)展前景的討論，以及許多其他內(nèi)容。此外，增加了更多的示例和章末習(xí)題，并進(jìn)行了大量修訂以更好地反映各章的主題以及自第1版出版以來發(fā)生的變化。
我利用了各種各樣的資源，但大部分材料，包括所有的示例、習(xí)題、電路和圖片，都來自我自己和我的學(xué)生在傳感器和執(zhí)行器方面的工作。書中提及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處，均已進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)是專門為給定的示例或非常接近的問題而收集的。仿真是工程各個(gè)方面的重要課題，基于這個(gè)原因，一些示例和習(xí)題依賴于或假設(shè)了仿真配置，特別是在第11章中。在示例和習(xí)題中，我盡可能地從實(shí)際出發(fā)，而不是不必要地使問題復(fù)雜化，在某些情況下，還不得不采取簡化措施。然而，許多示例和習(xí)題可以作為更復(fù)雜的開發(fā)的起點(diǎn)，甚至也可以作為在實(shí)驗(yàn)室或擴(kuò)展項(xiàng)目中實(shí)施的起點(diǎn)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Nathan Ida