机械电子工程原理第六章测量与感知

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。2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。3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。在机械和仪器制造工业中，在同一规格的一批零件或部件中，任取其一，不需任何挑选调整或附加修配（如钳工修理）就能进行装配，并能保证满足机械产品的使用性能要求的一种特性。4测量技术的历史21798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。一种量具,常用的有圆孔塞规和螺纹塞规它是比游标卡尺更精密的长度测量仪器。

具有一定形状，但不同尺寸大小之量规5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。6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。76.1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。8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。(a) (b) (c)准确性、重复性与精度9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。10输入输出特特性静态特性量程和测量量范围。通通常用可测测量上限与与可测量下下限的差来来表示量程程，而用区区间［可测测量上限，，可测量下下限］来表表示测量范范围。灵敏度。灵灵敏度是测测量系统在在稳定状态态下，测量量值增量与与引起该增增量的被测测量增量之之比，即输输入输出特特性曲线上上各点的斜斜率（导数数）。线性度。用用非线性误误差来度量量特性曲线线与拟合直直线之间的的偏差。滞环误差。。滞环误差差又称回差差、迟滞。。反映被测测量值增大大过程（正正行程）中中输出量值值与被测量量值减小过过程（反行行程）中输输出量值的的差异。过载能力：：测量系统统能够承受受的被测量量的最大值值。11静态特性非线性误差差滞环误差量程、测量量范围与灵灵敏度线性度滞环特性12动态特性测量系统的的动态特性性是衡量其其动态响应应的性能指指标，它表表示当被测测物理量随随时间变化化时，测量量系统的输输出是否能能及时、准准确地跟随随被测参量量变化。测量系统的的动态特性性通常用微微分方程来来描述，分分析动态系系统的频域域方法和时时域方法（（如传递函函数，或阶阶跃响应的的上升时间间和超调量量等各种时时域的指标标）均可用用于测量系系统的动态态性能描述述。136.2测量量方法测量方法指指测量原理理和测量方方式的组合合。测量方法的的分类形式式有多种。。按测量手段段分类有直直接法、间间接法；按测量方式式分类有偏偏差式、零零位式和微微差式等；；按测量系统统是否向被被测对象施施加能量作作用可分为为主动式和和被动式；；按敏感元器器件与被测测物体是否否有机械接接触可分为为接触式和和非接触式式；按被测量是是否随时间间变化可分分为静态测测量和动态态测量。14直接法、间间接法测量量使用能对被被测量做出出直接反映映的测量器器具对被测测量进行测测量，这种种方法称为为直接测量量法。在直接测量量中，除测测量器具之之外，参与与测量过程程的量只有有待测量本本身。如果已知待待测量与其其它量有确确定的函数数关系，可可以测其它它量，然后后再通过已已知的函数数关系求得得待测量值值，这种方方法称为间间接测量法法。已知的函数数关系可能能是某种物物理、化学学规律，也也可以是人人为定义某某种特定关关系。15联立测量法法或组合测测量法有时一个对对象的若干干个量值须须同时测量量，而已知知的函数关关系式数目目较少，这这种情形下下往往需要要直接、间间接方法联联合使用。。即用直接法法测出能测测的几个量量值，代入入已知函数数关系式中中求解出不不易直接测测的未知参参数值。例如直流电电功率的测测量，以往往是用间接接法测量，，直接测电电流和电压压，然后由由公式P=UI求功率。直接测量简简捷、迅速速、实时性性强，间接接测量费时时多、手续续繁，只是是在不便直直接测量的的情形下才才采用。随随着技术的的发展，越越来越多的的间接测量量手段可以以实现直接接化，使日日益增多的的对象能实实时测量。。16偏差式、零零位式、微微差式测量量法事先标定测测量器具的的起始点（（通常为零零点）。测测量中，测测量仪表对对待测量的的反映是仪仪表某个输输出量相对对于起始点点的偏差。。这种方法法称为偏差差式测量法法。零位式测量量法是将被被测量与一一个精度较较高的标准准量比较，，用指零仪仪表来指示示比较的结结果，如果果被测量与与标准量相相等，指零零仪表就指指向零，否否则指向正正和负。。微差式测量量法综合了了偏差式的的速度和零零位式的精精度的优点点。微差式式测量法先先将被测量量X与标准量N比较，并取取差值△＝X－N，然后用偏偏差式测量量法求得偏偏差值△，简单计算算X＝N＋△。如果N>>△，总的测量量结果准确确度会很高高。176.3测测量误差在任何测量量过程中，，都不可避避免地要产产生误差。。为了评估估测得值的的可靠程度度，必须正正确地估算算误差。测量误差是是测得值X与真值X0之差△X：△X＝X－X0实践中，被被测量真值值X0是不知道的的，所以只只能估算测测量误差。。18绝对误差和和相对误差差绝对误差为为│△X│＝│X－X0│实用中往往往指出△X的最小值，，记为△min，称称为极限误误差，从而而有X－△min≤X0≤X＋△min相对误差为为相对误差用用于不同数数量级、不不同类型量量的测量结结果之间精精确程度的的比较。而而绝对误差差只能用于于判断对同同一被测量量的测量精精确程度。。19工具误差和和方法误差差工具误差是是由所使用用的器具、、仪表等工工具不完善善而造成的的误差。器器具、仪表表等越简陋陋，引起的的工具误差差越大。方法误差是是由于测量量方法不当当或所依赖赖的理论有有缺陷导致致的误差。。例如把非非线性特性性当作线性性特性对待待、或线性性化处理不不当等。20系统误差、、随机误差差和粗大误误差系统误差是是在相同测测量条件下下多次测量量同一被测测量所呈现现的有规律律的误差。。工具误差差和方法误误差都属于于系统误差差。重新选选择测量方方法、改用用较高精度度的工具可可以减小工工具误差。。随机误差是是由一系列列不易控制制的偶然因因素引起的的测量误差差，故又称称为偶然误误差。系统误差决决定了测量量准确性；；随机误差差决定了测测量重复性性。粗大误差是是指测量结结果中出现现的明显不不符合事实实或由于重重大误操作作引起的误误差。216.4信信号处理和和信息管理理在信号处理理方面，由由于现代计计算机的出出现，除了了计算外，，还增加了了存贮等功功能，因此此使过去的的数据计算算变为今天天的信号处处理。由于传感器器能够实现现低成本的的现场处理理功能，使使得各种补补偿得以实实现。现场处理功功能还可以以把测得的的信号变换换成便于在在通讯线路路上传输的的形式，以以便传输给给主机进行行进一步处处理。有现场处理理能力的传传感器和换换能器还可可以作常规规的自检和和自校。主机甚至可可以下放一一些决策权权给传感器器和换能器器。由于应用了了先进的信信号数据处处理技术，，发展出了了所谓“传传感器融合合”和“数数据融合””的概念，，即用来自自多个信息息源的信息息构成复杂杂系统的整整体图解。。226.5测测量系统的的设计机械电子系系统中的测测量系统大大多是自动动测量系统统，它把检检测、数据据处理和显显示、故障障诊断和报报警、校验验等技术结结合在一起起。往往是是多个传感感器、多路路信号有机机地构成一一个测量系系统，而不不是若干台台仪器仪表表的简单合合并。自动测量系系统往往是是在线、实实时、动态态、自动测测量。另外外，测量系系统不应对对被测对象象造成任何何明显的影影响，为此此常把尽量量减少了体体积的传感感器置于测测量现场，，用某种连连接方式在在一定距离离以外接收收传感器输输出的信号号。23连接方式24测量系统总总体设计需需要的因素素确定所需的的信息，同同时确定为为提供所需需信息而测测量的系统统物理参数数。用诸如线性性度、精度度、分辨率率等指标来来衡量测量量系统的特特征、质量量及性能。。确认所能容容许的最差差效果。测算漂移对对系统性能能的影响，，特别是零零漂。分析影响传传感器和换换能器工作作特性的环环境因素，，如温度、、干扰等。。成本预算。。信息传送的的形式和性性质。系统的可靠靠性。人机界面、、测量模块块与其它模模块的界面面。25信息过多或或信息不足足第一种情况况（即提供供过多信息息）是由于于不断提高高测量系统统的测量水水平和不断断扩大测量量范围所致致，从而形形成了一种种以过分的的高精度和和高分辨率率采集所有有可以得到到的信息的的趋势。结结果使有用用的数据混混在大量无无关的信息息中，且由由于这些无无关数据的的存在，给给系统的数数据处理带带来了沉重重的负担。。第二种情况况（即提供供信息不足足）大多因因为对测量量在整个系系统中的功功能和目的的考虑不周周所致。这这种不能提提供所需要要全部信息息的缺点会会导致系统统整体功能能的显著下下降。26测量系统的的详细设计计要考虑的的因素根据性能要要求选择测测量方法。。选择适当的的传感器和和换能器。。考虑所需的的现场处理理功能。与传感器、、换能器相相配合的硬硬件和机械械、电器装装置的规格格及专用器器材的制造造。有关的软件件及软件编编制。整个测量系系统的设计计过程中，，必须认识识到测量系系统和整个个系统的联联系，包括括和其它子子系统的联联系。27一个实例——运货卡卡车悬挂系系统测量系统的的任务是测测出每个车车轮相对于于车身在垂垂直方向的的位置、速速度和加速速度以及汽汽车行驶速速度和转向向角度。这这些信号都都要送到微微处理器中中，并由此此确定各执执行机构的的动作。最佳的测量量方法是测测量位移和和加速度，，通过对加加速度计的的输出进行行积分而得得到速度。。最佳选择是是：将一个个可调直线线式电感传传感器安装装在轴上，，以把所需需行程减少少。因为传感器器易受灰尘尘、水和腐腐蚀性盐的的影响。因因此，需要要把传感器器安装在一一个封闭罩罩内，以充充分保护其其不受环境境的影响。。应在离悬挂挂系统较远远的地方安安装一个信信号处理器器，并用双双绞线屏蔽蔽电缆进行行通信。28另一个实例例——金属塑塑性成形过过程测量系统的的任务是实实时测量成成形过程中中的以下参参数：总变形力。。模具的的错移移力。。成形件件特殊殊部位位单位位压力力的大大小、、方向向。压力中中心的的位置置。相对应应的变变形速速度。。29金属塑塑性成成形过过程测测量系系统位移采采用差差动式式位移移传感感器或或光栅栅式位位移传传感器器来测测量。。通过对对位移移信号号微分分来得得到设设备的的加载载速度度信号号，然然后对对成形形件的的变形形量进进行实实时测测量，，最后后得到到对应应于每每一成