前　　言
完全版的主題是感知和驅動。乍一看，似乎沒有什么比這更簡單了我們可能認為自己知道什么是傳感器，也理所當然地知道什么是執(zhí)行器。但我們是否會自認為對它們了如指掌，以至于實際生活中忽視了它的存在？實際上，我們周圍有成千上萬的設備屬于這兩大類。在第1章中，僅在汽車一個例子中就列出了許多傳感器和執(zhí)行器，大約是200個，并且這僅僅是部分列表！此處采用的方法是將所有設備分為三類：傳感器、執(zhí)行器和處理器（接口）。傳感器是為系統(tǒng)提供輸入的設備，執(zhí)行器是作為輸出的設備。在它們之間，處理器起到連接、接口、處理和驅動的作用。換句話說，完全版主張的觀點是一種普遍的感知和驅動。從這個意義上講，墻上的開關是一個傳感器（力傳感器），而由其打開的燈泡是一個執(zhí)行器（它進行了操作）。在兩者之間，有一個處理器導線束，或者，如果使用調光器，那么處理器就會作為一個實際的電子電路它解釋輸入數(shù)據(jù)并對其進行處理。在這種情況下，處理器可能僅僅是導線束，而在其他情況下，它可能是微處理器或整個計算機系統(tǒng)。
挑戰(zhàn)
感知和驅動過程貫穿了整個科學和工程領域。感知和驅動的原理來源于人類知識所涉及的各個方面，有時除了最專業(yè)的專家外，其他人對此都不了解，并且感知與驅動的原理是相融合的。一個傳感器跨越兩個或更多學科的情況并不少見。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半導體熱電偶，并測量它們相對于參考溫度的溫升。這不是一個特別復雜的傳感器，但如果要完全理解它，人們至少需要借助傳熱學、光學和半導體的理論。此外，還必須考慮使其工作所需的電子設備與控制器（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。所以我們以一種務實的方法介紹傳感器和執(zhí)行器的應用，并適時地對某些問題給出適當?shù)慕忉�。也就是說，我們常常將設備視為具有輸入和輸出的黑盒，并對其輸入和輸出進行操作，而不關注黑盒內(nèi)部的物理結構和詳細操作。然而，完全忽略黑盒也不行：用戶必須足夠詳細地了解其所涉及的原理、所使用的材料以及傳感器和執(zhí)行器的結構。完全版足夠詳細，可以使讀者對原理有適度的了解。
為了彌合傳感器和執(zhí)行器理論與其應用之間的鴻溝，并深入了解感知和驅動的設計，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。實際上，傳感器和執(zhí)行器中的所有接口問題本質上都是電氣問題。這意味著要理解和使用這些設備，尤其是要將它們連接起來并集成到一個系統(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方面，電氣工程師會發(fā)現(xiàn)機械、生物和化學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動感興趣的人編寫的。每個學科領域的讀者都會在其中找到熟悉的內(nèi)容和其他需要學習的內(nèi)容。實際上，當今的工程師必須吸收各種學科知識或進行團隊合作以完成跨學科的任務。然而，并不是所有的傳感器或執(zhí)行器都是電動的，有些是與電無關的。測定肉內(nèi)層溫度的溫度計能夠感測溫度（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，因此整個過程是機械式的。類似地，汽車中的真空電動機能夠以完全機械的方式打開空調通風口。
多學科方法
在每一章中，都會給出一些不同領域的示例，以強調所討論的問題。許多示例是基于實際實驗的，有些是基于仿真的，有些是處理理論問題的。在每一章的結尾都有一系列習題，進一步擴展該章的內(nèi)容，并探討與主題相關的細節(jié)和應用。我已盡力使示例和習題真實、適用且相關，同時仍然保持每個習題的重點和獨立。由于該學科的獨特性，即涉及多學科內(nèi)容，學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)也會對這些單位及其之間的轉換進行定義。通常的規(guī)則是使用國際單位制，但有時也會定義和使用常用單位（如PSI或電子伏特），因為它們也被廣泛使用著。
內(nèi)容結構
完全版首先揭示了感知和驅動的一般特性和問題。然后，將七大類傳感器按檢測領域進行分組。例如，將那些基于聲波的傳感器和執(zhí)行器從音頻麥克風到聲表面波（SAW），包括超聲波設備組合在一起。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。雖然光學傳感器可以很好地使用熱電偶進行感知，但是它被歸類為光學傳感器，并與光學傳感器一起討論。類似地，輻射傳感器可以使用半導體進行感知，但其功能是檢測輻射，因此將它按這種方式進行分類和討論。之后介紹微機電系統(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，重點介紹作為通用控制器的微處理器。下面是各章的詳細內(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動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、精度和其他特性，包括可靠性、響應、動態(tài)范圍和遲滯問題。在這一點上，討論是具有一般性的，盡管給出的示例依賴于實際的傳感器和執(zhí)行器。
第3~9章介紹各種設備，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、半導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結溫度傳感器和熱機械器件，以及熱執(zhí)行器。溫度傳感器的一個有趣的方面是，在許多常見的應用中，傳感器和執(zhí)行器是同一個，盡管這種二元性并不局限于熱設備。所有的雙金屬傳感器都是這種類型的，其應用在恒溫器、溫度計和MEMS中，這一主題將在第10章中進行擴展。
第4章的主題是光學傳感中的重要問題。首先通過光導效應以及硅基傳感器（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）傳感器是第二個重要的類別，其次是基于熱量的光學傳感器，包括熱電堆、紅外傳感器、熱釋電傳感器和輻射熱計。雖然人們很少想到光學執(zhí)行器，但它們確實存在，在本章的最后將介紹光學執(zhí)行器。
在第5章中，我們將介紹電磁傳感器和執(zhí)行器。很多設備都屬于這一類，因此，本章涉及的內(nèi)容相當廣泛。首先將介紹電和電容設備，然后介紹磁性設備。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、速度和流量傳感器。所涉及的原理包括霍爾效應和磁致伸縮效應，并將其與更常見的效應一起討論。本章對電動機和螺線管的討論相當廣泛，涵蓋許多磁驅動原理，同時也討論了電容執(zhí)行器。
第6章專門介紹機械傳感器和執(zhí)行器。經(jīng)典應變計是一種通用設備，用于檢測力以及應變和應力的相關量，但它也用于加速度計、稱重單元和壓力傳感器。加速度計、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。機械執(zhí)行器的例子有波登管、波紋管和真空電動機等。
第7章討論聲學傳感器和執(zhí)行器。我們所說的聲學傳感器和執(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和水聽器、經(jīng)典揚聲器、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備。因此，第8章將詳細討論這些內(nèi)容，重點對生物傳感器進行介紹。本章對現(xiàn)有的化學傳感器進行了詳細介紹，包括電化學傳感器、電位傳感器、熱化學傳感器、光化學傳感器和質量傳感器�；瘜W驅動比通常人們所想象的要普遍得多，因此不容忽視。執(zhí)行器包括催化轉化、電鍍、陰極保護等。
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。因為任何天線都可以輻射能量，所以它可以作為執(zhí)行器來影響特定的任務，如手術期間的燒灼、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、光學開關、閥門等。在智能傳感器的背景下，本章強調與無線傳輸、調制、編碼、傳感器網(wǎng)絡以及射頻識別（RFID）方法相關的問題。本章還將介紹一些納米傳感器的基礎知識，并對此類傳感器的未來和預期發(fā)展進行展望。
第11章和第12章主要介紹接口的相關內(nèi)容。第11章介紹許多適用于接口的常見電路。首先是運算放大器及其廣泛的應用，然后是與執(zhí)行器配合使用的功率放大器和脈寬調制電路，接著是關于數(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轉換的各種形式，包括電壓到頻率和頻率到電壓的轉換器，都遵循這些原理。11.8節(jié)將討論線性電源、開關電源、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動應用的核心。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、存儲器和外圍設備、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)行器作為獨立組件進行重點討論，這些設備對于工程師來說是有用的基本構建模塊。例如，磁共振成像是一種非常有用的系統(tǒng)，用于醫(yī)療診斷和化學分析，這類診斷和化學分析依賴于感知體內(nèi)或溶液中分子（通常是氫）的進動。但是，該系統(tǒng)非常復雜，并且它的操作與這種復雜性有著十分內(nèi)在的聯(lián)系，以至于進動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，包括超導性、均勻強磁場的產(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)和進動問題。所有這些都很有趣也很重要，但它們超出了本書的范圍。另一個例子是雷達。一個無處不在的系統(tǒng)，但又需要許多額外的部件才能運行和使用，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)類似雷達的電磁波反射原理來討論傳感器，而無須討論雷達如何工作。
總結
完全版已經(jīng)出版多年，我收到了來自電氣、機械、土木、化學和生物醫(yī)學工程專業(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版的基礎上進行了擴展，例如，補充了仿真、RFID及其與感知的關系、生物傳感器、適合于感知和驅動的能量收集、關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題，并進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、習題、電路和圖片，都來自我自己和我的學生在傳感器和執(zhí)行器方面的工作。書中提及實驗數(shù)據(jù)處，均已進行了實驗，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。仿真是工程各個方面的重要課題，基于這個原因，一些示例和習題依賴于或假設了仿真配置，特別是在第11章中。在示例和習題中，我盡可能地從實際出發(fā)，而不是不必要地使問題復雜化，在某些情況下，還不得不采取簡化措施。然而，許多示例和習題可以作為更復雜的開發(fā)的起點，甚至也可以作為在實驗室或擴展項目中實施的起點。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Nathan Ida