机械电子工程管理原理测量与感知

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械电子工,程,程原理,第六章,测,测量与感知,测量系统,测量系统的,任,任务是获得,机,机械电子系,统,统内部各种,需,需要的状态,信,信息，并根,据,据这些信息,来,来控制系统,的,的运行。,2,感知,获取机械电,子,子系统内部,的,的状态信息,只,只是测量的,一,一部分，有,些,些系统，尤,其,其是自主型,或,或智能型机,械,械电子系统,（,（如自主型,机,机器人系统,等,等），还需,要,要获取系统,的,的外部的环,境,境信息，并,要,要求“理解,”,”环境，这,部,部分功能称,为,为“感知”,。,。,有时，除了,“,“获取”环,境,境信息外，,还,还要“理解,”,”环境。,测量与感知,都,都是系统的,测,测量部分，,只,只是两者对,测,测量对象、,测,测量范围和,测,测量的要求,不,不同，在本,书,书中测量模,块,块主要指的,传,传统测量方,式,式，针对机,械,械电子内部,状,状态信息的,测,测量，感知,模,模块则是指,采,采用传统测,量,量方式和现,代,代测量技术,对,对机械电子,外,外部信息的,测,测量。,3,测量技术的,历,历史1,测量技术并,不,不是一门新,的,的技术，它,可,可以追溯到,开,开始有商品,交,交换的年代,。,。随着科学,技,技术的发展,，,，产生了更,多,多的专用测,量,量仪器以满,足,足人们对自,然,然界研究的,需,需要。,在机械制造,的,的手工时期,，,，加工质量,（,（尺寸、几,何,何形状、精,度,度和表面粗,糙,糙度等）主,要,要是保证尺寸合格。,到了简单机,械,械时期，由,于,于蒸汽动力,的,的机床可以,进,进行小批量,生,生产，因此,提,提出了互换性的精密度要,求,求。,机械工业进,一,一步的发展,对,对测量系统,提,提出了更高,的,的要求，为,了,了监测一个,机,机械装置或,一,一个生产过,程,程，要求测,量,量的物理量,日,日益增多，,如,如位移、速,度,度、加速度,、,、力、力矩,、,、应变、温,度,度、压力、,流,流量和液位,等,等。,在机械和仪,器,器制造工业,中,中，在同一,规,规格的一批,零,零件或部件,中,中，任取其,一,一，不需任,何,何挑选调整,或,或附加修配,（,（如钳工修,理,理）就能进,行,行装配，并,能,能保证满足,机,机械产品的,使,使用性能要,求,求的一种特,性,性。,4,测量技术的,历,历史2,1798年,美,美国技师兼,工,工业家惠特,尼,尼（E.Whitney）为了,完,完成万支来,复,复枪的生产,要,要求，提出,了,了互换性的概,念,念，并进行了,互,互换性零件,的,的生产；,1851和1852年,英,英国的惠特,沃,沃思(J.B.Whitworth)展出,了,了他制造的塞规和螺旋,测,测微装置；,1851年,和,和1867,年,年，美国人,布,布朗(J.R.Brown)先,后,后发明了游标卡尺和,千,千分尺（其精度为0.025,毫,毫米），并,开,开始成批地,生,生产；,1898年,瑞,瑞典人约翰,逊,逊(C.E.Johansson)制成了块规，1907年他进一,步,步将块规同,巴,巴黎米原器,的,的标准统一,起,起来。,一种量具,常,常用的有圆,孔,孔塞规和螺,纹,纹塞规,它是比游标,卡,卡尺更精密,的,的长度测量,仪,仪器。,具有一定形,状,状，但不同,尺,尺寸大小之,量,量规,5,测量技术的,历,历史3,最早的仪器,本,本质上都采,用,用模拟方法,，,，提供一些,关,关于过程动,作,作的简单物,理,理参数，而,反,反馈则是由,操,操作者完成,的,的，操作者,根,根据仪表读,数,数进行必要,的,的调节，保,持,持过程正常,运,运行。,进一步的发,展,展是自动反,馈,馈控制机构,的,的应用，仪,表,表逐渐与过,程,程统一于一,体,体，仪表把,信,信息反馈到,控,控制器，而,控,控制过程只,需,需很少的人,工,工干预就可,调,调节系统动,作,作。,6,测量技术的,历,历史4,在20世纪60年代后,期,期，人们认,识,识到分散控,制,制的优点，,并,并将继电器,用,用于生产过,程,程控制。有,一,一段时间，,计,计算机监测,系,系统与继电,器,器控制系统,共,共同使用，,计,计算机主要,作,作为中央单,元,元依次接收,来,来自各个检,测,测点的信号,，,，起监视作,用,用。后来出,现,现了带有微,处,处理器的可,编,编程控制器,和,和采用嵌入,式,式微处理器,的,的分布式控,制,制系统。,20世纪70年代中期,以,以来，微电,子,子和计算机,技,技术的发展,，,，使处理器,的,的性能价格,比,比大大提高,。,。在许多情,况,况下，现有,的,的传感器和,换,换能器已不,能,能满足要求,，,，从而导致,新,新型传感器,和,和换能器的,发,发展。今天,人,人们往往把,具,具有现场处,理,理能力的敏,感,感器件和信,号,号处理电路,甚,甚至微处理,器,器集成在一,个,个硅片上。,7,6.1测量,系,系统的基本,性,性能,将传,感,感器,配,配合,某,某些,特,特定,功,功能,的,的电,路,路，,可,可以,构,构成,一,一个,测,测量,系,系统,。,。,在测,量,量系,统,统中,，,，由,于,于测,量,量的,范,范围,不,不同,，,，而,且,且测,量,量系,统,统的,任,任何,一,一个,环,环节,（,（包,括,括传,感,感器,与,与各,级,级电,路,路）,都,都可,能,能存,在,在内,部,部的,噪,噪声,或,或受,到,到外,界,界的,干,干扰,，,，使,测,测量,系,系统,的,的性,能,能受,到,到影,响,响，,因,因此,需,需要,用,用一,些,些指,标,标来,表,表示,一,一个,测,测量,系,系统,的,的性,能,能。,8,精度,精度,用,用三,个,个指,标,标来,说,说明,，,，即,：,：准,确,确性,、,、重,复,复性,和,和精,度,度。,准确,性,性描,述,述测,量,量器,具,具测,得,得值,与,与被,测,测量,真,真值,的,的偏,差,差程,度,度。,重复,性,性描,述,述测,得,得值,的,的分,散,散程,度,度。,精度,是,是准,确,确性,与,与重,复,复性,的,的综,合,合。,(a)(b)(c),准确,性,性、,重,重复,性,性与,精,精度,9,稳定,性,性,稳定,性,性有,两,两个,指,指标,。,。一,是,是稳,定,定度,，,，它,表,表示,在,在某,一,一段,时,时间,内,内测,量,量系,统,统输,出,出值,的,的变,化,化；,二,二是,影,影响,量,量，,它,它表,示,示外,部,部环,境,境和,工,工作,条,条件,的,的变,化,化所,引,引起,的,的测,量,量系,统,统输,出,出值,的,的不,稳,稳定,。,。,稳定,度,度指,在,在规,定,定时,间,间内,（,（通,常,常有,每,每小,时,时、,每,每月,、,、每,年,年）,工,工作,环,环境,条,条件,不,不变,的,的情,况,况下,，,，测,量,量系,统,统输,出,出值,的,的变,化,化程,度,度。,影响,量,量指,温,温度,、,、湿,度,度、,气,气压,、,、振,动,动、,电,电源,电,电压,和,和电,源,源频,率,率等,环,环境,因,因素,变,变化,所,所引,起,起的,测,测量,系,系统,输,输出,值,值的,变,变化,程,程度,。,。,10,输入,输,输出,特,特性,静态,特,特性,量程,和,和测,量,量范,围,围。,通,通常,用,用可,测,测量,上,上限,与,与可,测,测量,下,下限,的,的差,来,来表,示,示量,程,程，,而,而用,区,区间,可,测,测量,上,上限,，,，可,测,测量,下,下限,来,表,表示,测,测量,范,范围,。,。,灵敏,度,度。,灵,灵敏,度,度是,测,测量,系,系统,在,在稳,定,定状,态,态下,，,，测,量,量值,增,增量,与,与引,起,起该,增,增量,的,的被,测,测量,增,增量,之,之比,，,，即,输,输入,输,输出,特,特性,曲,曲线,上,上各,点,点的,斜,斜率,（,（导,数,数）,。,。,线性,度,度。,用,用非,线,线性,误,误差,来,来度,量,量特,性,性曲,线,线与,拟,拟合,直,直线,之,之间,的,的偏,差,差。,滞环,误,误差,。,。滞,环,环误,差,差又,称,称回,差,差、,迟,迟滞,。,。反,映,映被,测,测量,值,值增,大,大过,程,程（,正,正行,程,程）,中,中输,出,出量,值,值与,被,被测,量,量值,减,减小,过,过程,（,（反,行,行程,）,）中,输,输出,量,量值,的,的差,异,异。,过载,能,能力,：,：测,量,量系,统,统能,够,够承,受,受的,被,被测,量,量的,最,最大,值,值。,11,静态,特,特性,非线,性,性误,差,差,滞环,误,误差,量程,、,、测,量,量范,围,围与,灵,灵敏,度,度,线性,度,度,滞环,特,特性,12,动态,特,特性,测量,系,系统,的,的动,态,态特,性,性是,衡,衡量,其,其动,态,态响,应,应的,性,性能,指,指标,，,，它,表,表示,当,当被,测,测物,理,理量,随,随时,间,间变,化,化时,，,，测,量,量系,统,统的,输,输出,是,是否,能,能及,时,时、,准,准确,地,地跟,随,随被,测,测参,量,量变,化,化。,测量,系,系统,的,的动,态,态特,性,性通,常,常用,微,微分,方,方程,来,来描,述,述，,分,分析,动,动态,系,系统,的,的频,域,域方,法,法和,时,时域,方,方法,（,（如,传,传递,函,函数,，,，或,阶,阶跃,响,响应,的,的上,升,升时,间,间和,超,超调,量,量等,各,各种,时,时域,的,的指,标,标）,均,均可,用,用于,测,测量,系,系统,的,的动,态,态性,能,能描,述,述。,13,6.2测,量,量方,法,法,测量,方,方法,指,指测,量,量原,理,理和,测,测量,方,方式,的,的组,合,合。,测量,方,方法,的,的分,类,类形,式,式有,多,多种,。,。,按测,量,量手,段,段分,类,类有,直,直接,法,法、,间,间接,法,法；,按测,量,量方,式,式分,类,类有,偏,偏差,式,式、,零,零位,式,式和,微,微差,式,式等,；,；,按测,量,量系,统,统是,否,否向,被,被测,对,对象,施,施加,能,能量,作,作用,可,可分,为,为主,动,动式,和,和被,动,动式,；,；,按敏,感,感元,器,器件,与,与被,测,测物,体,体是,否,否有,机,机械,接,接触,可,可分,为,为接,触,触式,和,和非,接,接触,式,式；,按被,测,测量,是,是否,随,随时,间,间变,化,化可,分,分为,静,静态,测,测量,和,和动,态,态测,量,量。,14,直接,法,法、,间,间接,法,法测,量,量,使用,能,能对,被,被测,量,量做,出,出直,接,接反,映,映的,测,测量,器,器具,对,对被,测,测量,进,进行,测,测量,，,，这,种,种方,法,法称,为,为直,接,接测,量,量法,。,。,在直接,测,测量中,，,，除测,量,量器具,之,之外，,参,参与测,量,量过程,的,的量只,有,有待测,量,量本身,。,。,如果已,知,知待测,量,量与其,它,它量有,确,确定的,函,函数关,系,系，可,以,以测其,它,它量，,然,然后再,通,通过已,知,知的函,数,数关系,求,求得待,测,测量值,，,，这种,方,方法称,为,为间接,测,测量法,。,。,已知的,函,函数关,系,系可能,是,是某种,物,物理、,化,化学规,律,律，也,可,可以是,人,人为定,义,义某种,特,特定关,系,系。,15,联立测,量,量法或,组,