机械电子工程原理第六章测量与感知

机械工业出版社机械电子工程原理第六章测量与感知2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。外部环境感知感知执行驱动测量接口通讯软件处理器界面模块操作指令装配模块装配模块3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。4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。5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。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6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。7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。86.1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。9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tAtAtA10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。11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。12静态特性非线性误差滞环误差量程、测量范围与灵敏度线性度滞环特性灵敏度Sdydx可测上限可测下限Y(输出量）X（被测量）Y(输出量）X(被测量）maxYXYmaxεhmYdYcmaxlmax||100%YeD=?hdc||YYe=-13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。测量系统的动态特性通常用微分方程来描述，分析动态系统的频域方法和时域方法（如传递函数，或阶跃响应的上升时间和超调量等各种时域的指标）均可用于测量系统的动态性能描述。146.2测量方法测量方法指测量原理和测量方式的组合。测量方法的分类形式有多种。按测量手段分类有直接法、间接法；按测量方式分类有偏差式、零位式和微差式等；按测量系统是否向被测对象施加能量作用可分为主动式和被动式；按敏感元器件与被测物体是否有机械接触可分为接触式和非接触式；按被测量是否随时间变化可分为静态测量和动态测量。15直接法、间接法测量使用能对被测量做出直接反映的测量器具对被测量进行测量，这种方法称为直接测量法。在直接测量中，除测量器具之外，参与测量过程的量只有待测量本身。如果已知待测量与其它量有确定的函数关系，可以测其它量，然后再通过已知的函数关系求得待测量值，这种方法称为间接测量法。已知的函数关系可能是某种物理、化学规律，也可以是人为定义某种特定关系。16联立测量法或组合测量法有时一个对象的若干个量值须同时测量，而已知的函数关系式数目较少，这种情形下往往需要直接、间接方法联合使用。即用直接法测出能测的几个量值，代入已知函数关系式中求解出不易直接测的未知参数值。例如直流电功率的测量，以往是用间接法测量，直接测电流和电压，然后由公式P=UI求功率。直接测量简捷、迅速、实时性强，间接测量费时多、手续繁，只是在不便直接测量的情形下才采用。随着技术的发展，越来越多的间接测量手段可以实现直接化，使日益增多的对象能实时测量。17偏差式、零位式、微差式测量法事先标定测量器具的起始点（通常为零点）。测量中，测量仪表对待测量的反映是仪表某个输出量相对于起始点的偏差。这种方法称为偏差式测量法。零位式测量法是将被测量与一个精度较高的标准量比较，用指零仪表来指示比较的结果，如果被测量与标准量相等，指零仪表就指向零，否则指向正和负。微差式测量法综合了偏差式的速度和零位式的精度的优点。微差式测量法先将被测量X与标准量N比较，并取差值△＝X－N，然后用偏差式测量法求得偏差值△，简单计算X＝N＋△。如果N△，总的测量结果准确度会很高。186.3测量误差在任何测量过程中，都不可避免地要产生误差。为了评估测得值的可靠程度，必须正确地估算误差。测量误差是测得值X与真值X0之差△X：△X＝X－X0实践中，被测量真值X0是不知道的，所以只能估算测量误差。19绝对误差和相对误差绝对误差为│△X│＝│X－X0│实用中往往指出△X的最小值，记为△min，称为极限误差，从而有X－△min≤X0≤X＋△min相对误差为相对误差用于不同数量级、不同类型量的测量结果之间精确程度的比较。而绝对误差只能用于判断对同一被测量的测量精确程度。0100%100%XXXX20工具误差和方法误差工具误差是由所使用的器具、仪表等工具不完善而造成的误差。器具、仪表等越简陋，引起的工具误差越大。方法误差是由于测量方法不当或所依赖的理论有缺陷导致的误差。例如把非线性特性当作线性特性对待、或线性化处理不当等。21系统误差、随机误差和粗大误差系统误差是在相同测量条件下多次测量同一被测量所呈现的有规律的误差。工具误差和方法误差都属于系统误差。重新选择测量方法、改用较高精度的工具可以减小工具误差。随机误差是由一系列不易控制的偶然因素引起的测量误差，故又称为偶然误差。系统误差决定了测量准确性；随机误差决定了测量重复性。粗大误差是指测量结果中出现的明显不符合事实或由于重大误操作引起的误差。226.4信号处理和信息管理在信号处理方面，由于现代计算机的出现，除了计算外，还增加了存贮等功能，因此使过去的数据计算变为今天的信号处理。由于传感器能够实现低成本的现场处理功能，使得各种补偿得以实现。现场处理功能还可以把测得的信号变换成便于在通讯线路上传输的形式，以便传输给主机进行进一步处理。有现场处理能力的传感器和换能器还可以作常规的自检和自校。主机甚至可以下放一些决策权给传感器和换能器。由于应用了先进的信号数据处理技术，发展出了所谓“传感器融合”和“数据融合”的概念，即用来自多个信息源的信息构成复杂系统的整体图解。236.5测量系统的设计机械电子系统中的测量系统大多是自动测量系统，它把检测、数据处理和显示、故障诊断和报警、校验等技术结合在一起。往往是多个传感器、多路信号有机地构成一个测量系统，而不是若干台仪器仪表的简单合并。自动测量系统往往是在线、实时、动态、自动测量。另外，测量系统不应对被测对象造成任何明显的影响，为此常把尽量减少了体积的传感器置于测量现场，用某种连接方式在一定距离以外接收传感器输出的信号。24连接方式信号处理电路处理传感器控制器传感器接口接口接口接口接口接口接口接口a)直接联结b)链式联结接口3传感器1接口1接口2传感器2接口3传感器3接口4传感器4控制器接口4接口2c)星形联结d)总线联结接口1传感器1接口1接口2传感器2接口3传感器3接口4传感器425测量系统总体设计需要的因素确定所需的信息，同时确定为提供所需信息而测量的系统物理参数。用诸如线性度、精度、分辨率等指标来衡量测量系统的特征、质量及性能。确认所能容许的最差效果。测算漂移对系统性能的影响，特别是零漂。分析影响传感器和换能器工作特性的环境因素，如温度、干扰等。成本预算。信息传送的形式和性质。系统的可靠性。人机界面、测量模块与其它模块的界面。26信息过多或信息不足第一种情况（即提供过多信息）是由于不断提高测量系统的测量水平和不断扩大测量范围所致，从而形成了一种以过分的高精度和高分辨率采集所有可以得到的信息的趋势。结果使有用的数据混在大量无关的信息中，且由于这些无关数据的存在，给系统的数据处理带来了沉重的负担。第二种情况（即提供信息不足）大多因为对测量在整个系统中的功能和目的考虑不周所致。这种不能提供所需要全部信息的缺点会导致系统整体功能的显著下降。27测量系统的详细设计要考虑的因素根据性能要求选择测量方法。选择适当的传感器和换能器。考虑所需的现场处理功能。与传感器、换能器相配合的硬件和机械、电器装置的规格及专用器材的制造。有关的软件及软件编制。整个测量系统的设计过程中，必须认识到测量系统和整个系统的联系，包括和其它子系统的联系。28一个实例——运货卡车悬挂系统测量系统的任务是测出每个车轮相对于车身在垂直方向的位置、速度和加速度以及汽车行驶速度和转向角度。这些信号都要送到微处理器中，并由此