机械电子工程原理第六章测量与感知.ppt

机械电子工程原理 第六章 测量与感知 测量系统 测量系统的任务是获得机械电子系统内部各种需要的状态信息，并根据这些信息来控制系统的运行。 感知 获取机械电子系统内部的状态信息只是测量的一部分，有些系统，尤其是自主型或智能型机械电子系统（如自主型机器人系统等），还需要获取系统的外部的环境信息，并要求“理解”环境，这部分功能称为“感知”。 有时，除了“获取”环境信息外，还要“理解”环境。 测量与感知都是系统的测量部分，只是两者对测量对象、测量范围和测量的要求不同，在本书中测量模块主要指的传统测量方式，针对机械电子内部状态信息的测量，感知模块则是指采用传统测量方式和现代测量技术对机械电子外部信息的测量。 测量技术的历史1 测量技术并不是一门新的技术，它可以追溯到开始有商品交换的年代。随着科学技术的发展，产生了更多的专用测量仪器以满足人们对自然界研究的需要。 在机械制造的手工时期，加工质量（尺寸、几何形状、精度和表面粗糙度等）主要是保证尺寸合格。 到了简单机械时期，由于蒸汽动力的机床可以进行小批量生产，因此提出了互换性的精密度要求。 机械工业进一步的发展对测量系统提出了更高的要求，为了监测一个机械装置或一个生产过程，要求测量的物理量日益增多，如位移、速度、加速度、力、力矩、应变、温度、压力、流量和液位等。 测量技术的历史2 1798年美国技师兼工业家惠特尼（E. Whitney）为了完成万支来复枪的生产要求，提出了互换性的概念，并进行了互换性零件的生产； 1851和1852年英国的惠特沃思(J.B. Whitworth)展出了他制造的塞规和螺旋测微装置； 1851年和1867年，美国人布朗(J.R. Brown)先后发明了游标卡尺和千分尺（其精度为0.025毫米），并开始成批地生产； 1898年瑞典人约翰逊(C.E. Johansson)制成了块规， 1907年他进一步将块规同巴黎米原器的标准统一起来。 测量技术的历史3 最早的仪器本质上都采用模拟方法，提供一些关于过程动作的简单物理参数，而反馈则是由操作者完成的，操作者根据仪表读数进行必要的调节，保持过程正常运行。 进一步的发展是自动反馈控制机构的应用，仪表逐渐与过程统一于一体，仪表把信息反馈到控制器，而控制过程只需很少的人工干预就可调节系统动作。 测量技术的历史4 在20世纪60年代后期，人们认识到分散控制的优点，并将继电器用于生产过程控制。有一段时间，计算机监测系统与继电器控制系统共同使用，计算机主要作为中央单元依次接收来自各个检测点的信号，起监视作用。后来出现了带有微处理器的可编程控制器和采用嵌入式微处理器的分布式控制系统。 20世纪70年代中期以来，微电子和计算机技术的发展，使处理器的性能价格比大大提高。在许多情况下，现有的传感器和换能器已不能满足要求，从而导致新型传感器和换能器的发展。今天人们往往把具有现场处理能力的敏感器件和信号处理电路甚至微处理器集成在一个硅片上。 6.1测量系统的基本性能 将传感器配合某些特定功能的电路，可以构成一个测量系统。 在测量系统中，由于测量的范围不同，而且测量系统的任何一个环节（包括传感器与各级电路）都可能存在内部的噪声或受到外界的干扰，使测量系统的性能受到影响，因此需要用一些指标来表示一个测量系统的性能。 精度 精度用三个指标来说明，即：准确性、重复性和精度。 准确性描述测量器具测得值与被测量真值的偏差程度。 重复性描述测得值的分散程度。 精度是准确性与重复性的综合。 稳定性 稳定性有两个指标。一是稳定度，它表示在某一段时间内测量系统输出值的变化；二是影响量，它表示外部环境和工作条件的变化所引起的测量系统输出值的不稳定。 稳定度指在规定时间内（通常有每小时、每月、每年）工作环境条件不变的情况下，测量系统输出值的变化程度。 影响量指温度、湿度、气压、振动、电源电压和电源频率等环境因素变化所引起的测量系统输出值的变化程度。 输入输出特性 静态特性 量程和测量范围。通常用可测量上限与可测量下限的差来表示量程，而用区间［可测量上限，可测量下限］来表示测量范围。 灵敏度。灵敏度是测量系统在稳定状态下，测量值增量与引起该增量的被测量增量之比，即输入输出特性曲线上各点的斜率（导数）。 线性度。用非线性误差来度量特性曲线与拟合直线之间的偏差。 滞环误差。滞环误差又称回差、迟滞。反映被测量值增大过程（正行程）中输出量值与被测量值减小过程（反行程）中输出量值的差异。 过载能力：测量系统能够承受的被测量的最大值。 静态特性 非线性误差 滞环误差 动态特性 测量系统的动态特性是衡量其动态响应的性能指标，它表示当被测物理量随时间变化时，测量系统的输出是否能及时、准确地跟随被测参量变化。