機(jī)械電子工程原理第六章測(cè)量與感知

機(jī)械電子工程原理第六章測(cè)量與感知測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的任務(wù)是獲得機(jī)械電子系統(tǒng)內(nèi)部各種需要的狀態(tài)信息，并根據(jù)這些信息來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。2感知獲取機(jī)械電子系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)信息只是測(cè)量的一部分，有些系統(tǒng)，尤其是自主型或智能型機(jī)械電子系統(tǒng)（如自主型機(jī)器人系統(tǒng)等），還需要獲取系統(tǒng)的外部的環(huán)境信息，并要求“理解”環(huán)境，這部分功能稱為“感知”。有時(shí)，除了“獲取”環(huán)境信息外，還要“理解”環(huán)境。測(cè)量與感知都是系統(tǒng)的測(cè)量部分，只是兩者對(duì)測(cè)量對(duì)象、測(cè)量范圍和測(cè)量的要求不同，在本書(shū)中測(cè)量模塊主要指的傳統(tǒng)測(cè)量方式，針對(duì)機(jī)械電子內(nèi)部狀態(tài)信息的測(cè)量，感知模塊則是指采用傳統(tǒng)測(cè)量方式和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)對(duì)機(jī)械電子外部信息的測(cè)量。3測(cè)量技術(shù)的歷史1測(cè)量技術(shù)并不是一門新的技術(shù)，它可以追溯到開(kāi)始有商品交換的年代。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了更多的專用測(cè)量?jī)x器以滿足人們對(duì)自然界研究的需要。在機(jī)械制造的手工時(shí)期，加工質(zhì)量（尺寸、幾何形狀、精度和表面粗糙度等）主要是保證尺寸合格。到了簡(jiǎn)單機(jī)械時(shí)期，由于蒸汽動(dòng)力的機(jī)床可以進(jìn)行小批量生產(chǎn)，因此提出了互換性的精密度要求。機(jī)械工業(yè)進(jìn)一步的發(fā)展對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出了更高的要求，為了監(jiān)測(cè)一個(gè)機(jī)械裝置或一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，要求測(cè)量的物理量日益增多，如位移、速度、加速度、力、力矩、應(yīng)變、溫度、壓力、流量和液位等。在機(jī)械和儀器制造工業(yè)中，在同一規(guī)格的一批零件或部件中，任取其一，不需任何挑選調(diào)整或附加修配（如鉗工修理）就能進(jìn)行裝配，并能保證滿足機(jī)械產(chǎn)品的使用性能要求的一種特性。4測(cè)量技術(shù)的歷史21798年美國(guó)技師兼工業(yè)家惠特尼（E.Whitney）為了完成萬(wàn)支來(lái)復(fù)槍的生產(chǎn)要求，提出了互換性的概念，并進(jìn)行了互換性零件的生產(chǎn)；1851和1852年英國(guó)的惠特沃思(J.B.Whitworth)展出了他制造的塞規(guī)和螺旋測(cè)微裝置；1851年和1867年，美國(guó)人布朗(J.R.Brown)先后發(fā)明了游標(biāo)卡尺和千分尺（其精度為0.025毫米），并開(kāi)始成批地生產(chǎn)；1898年瑞典人約翰遜(C.E.Johansson)制成了塊規(guī)，1907年他進(jìn)一步將塊規(guī)同巴黎米原器的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來(lái)。一種量具,常用的有圓孔塞規(guī)和螺紋塞規(guī)它是比游標(biāo)卡尺更精密的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器。

具有一定形狀，但不同尺寸大小之量規(guī)5測(cè)量技術(shù)的歷史3最早的儀器本質(zhì)上都采用模擬方法，提供一些關(guān)于過(guò)程動(dòng)作的簡(jiǎn)單物理參數(shù)，而反饋則是由操作者完成的，操作者根據(jù)儀表讀數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，保持過(guò)程正常運(yùn)行。進(jìn)一步的發(fā)展是自動(dòng)反饋控制機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，儀表逐漸與過(guò)程統(tǒng)一于一體，儀表把信息反饋到控制器，而控制過(guò)程只需很少的人工干預(yù)就可調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作。6測(cè)量技術(shù)的歷史4在20世紀(jì)60年代后期，人們認(rèn)識(shí)到分散控制的優(yōu)點(diǎn)，并將繼電器用于生產(chǎn)過(guò)程控制。有一段時(shí)間，計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)共同使用，計(jì)算機(jī)主要作為中央單元依次接收來(lái)自各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，起監(jiān)視作用。后來(lái)出現(xiàn)了帶有微處理器的可編程控制器和采用嵌入式微處理器的分布式控制系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使處理器的性能價(jià)格比大大提高。在許多情況下，現(xiàn)有的傳感器和換能器已不能滿足要求，從而導(dǎo)致新型傳感器和換能器的發(fā)展。今天人們往往把具有現(xiàn)場(chǎng)處理能力的敏感器件和信號(hào)處理電路甚至微處理器集成在一個(gè)硅片上。76.1測(cè)量系統(tǒng)的基本性能將傳感器配合某些特定功能的電路，可以構(gòu)成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。在測(cè)量系統(tǒng)中，由于測(cè)量的范圍不同，而且測(cè)量系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)（包括傳感器與各級(jí)電路）都可能存在內(nèi)部的噪聲或受到外界的干擾，使測(cè)量系統(tǒng)的性能受到影響，因此需要用一些指標(biāo)來(lái)表示一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能。8精度精度用三個(gè)指標(biāo)來(lái)說(shuō)明，即：準(zhǔn)確性、重復(fù)性和精度。準(zhǔn)確性描述測(cè)量器具測(cè)得值與被測(cè)量真值的偏差程度。重復(fù)性描述測(cè)得值的分散程度。精度是準(zhǔn)確性與重復(fù)性的綜合。(a) (b) (c)準(zhǔn)確性、重復(fù)性與精度9穩(wěn)定性穩(wěn)定性有兩個(gè)指標(biāo)。一是穩(wěn)定度，它表示在某一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)輸出值的變化；二是影響量，它表示外部環(huán)境和工作條件的變化所引起的測(cè)量系統(tǒng)輸出值的不穩(wěn)定。穩(wěn)定度指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（通常有每小時(shí)、每月、每年）工作環(huán)境條件不變的情況下，測(cè)量系統(tǒng)輸出值的變化程度。影響量指溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)、電源電壓和電源頻率等環(huán)境因素變化所引起的測(cè)量系統(tǒng)輸出值的變化程度。10輸入輸出特特性靜態(tài)特性量程和測(cè)量量范圍。通通常用可測(cè)測(cè)量上限與與可測(cè)量下下限的差來(lái)來(lái)表示量程程，而用區(qū)區(qū)間［可測(cè)測(cè)量上限，，可測(cè)量下下限］來(lái)表表示測(cè)量范范圍。靈敏度。靈靈敏度是測(cè)測(cè)量系統(tǒng)在在穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)下，測(cè)量量值增量與與引起該增增量的被測(cè)測(cè)量增量之之比，即輸輸入輸出特特性曲線上上各點(diǎn)的斜斜率（導(dǎo)數(shù)數(shù)）。線性度。用用非線性誤誤差來(lái)度量量特性曲線線與擬合直直線之間的的偏差。滯環(huán)誤差。。滯環(huán)誤差差又稱回差差、遲滯。。反映被測(cè)測(cè)量值增大大過(guò)程（正正行程）中中輸出量值值與被測(cè)量量值減小過(guò)過(guò)程（反行行程）中輸輸出量值的的差異。過(guò)載能力：：測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)能夠承受受的被測(cè)量量的最大值值。11靜態(tài)特性非線性誤差差滯環(huán)誤差量程、測(cè)量量范圍與靈靈敏度線性度滯環(huán)特性12動(dòng)態(tài)特性測(cè)量系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)特性性是衡量其其動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)的性能指指標(biāo)，它表表示當(dāng)被測(cè)測(cè)物理量隨隨時(shí)間變化化時(shí)，測(cè)量量系統(tǒng)的輸輸出是否能能及時(shí)、準(zhǔn)準(zhǔn)確地跟隨隨被測(cè)參量量變化。測(cè)量系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)特性性通常用微微分方程來(lái)來(lái)描述，分分析動(dòng)態(tài)系系統(tǒng)的頻域域方法和時(shí)時(shí)域方法（（如傳遞函函數(shù)，或階階躍響應(yīng)的的上升時(shí)間間和超調(diào)量量等各種時(shí)時(shí)域的指標(biāo)標(biāo)）均可用用于測(cè)量系系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)性能描述述。136.2測(cè)量量方法測(cè)量方法指指測(cè)量原理理和測(cè)量方方式的組合合。測(cè)量方法的的分類形式式有多種。。按測(cè)量手段段分類有直直接法、間間接法；按測(cè)量方式式分類有偏偏差式、零零位式和微微差式等；；按測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)是否向被被測(cè)對(duì)象施施加能量作作用可分為為主動(dòng)式和和被動(dòng)式；；按敏感元器器件與被測(cè)測(cè)物體是否否有機(jī)械接接觸可分為為接觸式和和非接觸式式；按被測(cè)量是是否隨時(shí)間間變化可分分為靜態(tài)測(cè)測(cè)量和動(dòng)態(tài)態(tài)測(cè)量。14直接法、間間接法測(cè)量量使用能對(duì)被被測(cè)量做出出直接反映映的測(cè)量器器具對(duì)被測(cè)測(cè)量進(jìn)行測(cè)測(cè)量，這種種方法稱為為直接測(cè)量量法。在直接測(cè)量量中，除測(cè)測(cè)量器具之之外，參與與測(cè)量過(guò)程程的量只有有待測(cè)量本本身。如果已知待待測(cè)量與其其它量有確確定的函數(shù)數(shù)關(guān)系，可可以測(cè)其它它量，然后后再通過(guò)已已知的函數(shù)數(shù)關(guān)系求得得待測(cè)量值值，這種方方法稱為間間接測(cè)量法法。已知的函數(shù)數(shù)關(guān)系可能能是某種物物理、化學(xué)學(xué)規(guī)律，也也可以是人人為定義某某種特定關(guān)關(guān)系。15聯(lián)立測(cè)量法法或組合測(cè)測(cè)量法有時(shí)一個(gè)對(duì)對(duì)象的若干干個(gè)量值須須同時(shí)測(cè)量量，而已知知的函數(shù)關(guān)關(guān)系式數(shù)目目較少，這這種情形下下往往需要要直接、間間接方法聯(lián)聯(lián)合使用。。即用直接法法測(cè)出能測(cè)測(cè)的幾個(gè)量量值，代入入已知函數(shù)數(shù)關(guān)系式中中求解出不不易直接測(cè)測(cè)的未知參參數(shù)值。例如直流電電功率的測(cè)測(cè)量，以往往是用間接接法測(cè)量，，直接測(cè)電電流和電壓壓，然后由由公式P=UI求功率。直接測(cè)量簡(jiǎn)簡(jiǎn)捷、迅速速、實(shí)時(shí)性性強(qiáng)，間接接測(cè)量費(fèi)時(shí)時(shí)多、手續(xù)續(xù)繁，只是是在不便直直接測(cè)量的的情形下才才采用。隨隨著技術(shù)的的發(fā)展，越越來(lái)越多的的間接測(cè)量量手段可以以實(shí)現(xiàn)直接接化，使日日益增多的的對(duì)象能實(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量。。16偏差式、零零位式、微微差式測(cè)量量法事先標(biāo)定測(cè)測(cè)量器具的的起始點(diǎn)（（通常為零零點(diǎn)）。測(cè)測(cè)量中，測(cè)測(cè)量?jī)x表對(duì)對(duì)待測(cè)量的的反映是儀儀表某個(gè)輸輸出量相對(duì)對(duì)于起始點(diǎn)點(diǎn)的偏差。。這種方法法稱為偏差差式測(cè)量法法。零位式測(cè)量量法是將被被測(cè)量與一一個(gè)精度較較高的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)量比較，，用指零儀儀表來(lái)指示示比較的結(jié)結(jié)果，如果果被測(cè)量與與標(biāo)準(zhǔn)量相相等，指零零儀表就指指向零，否否則指向正正和負(fù)。。微差式測(cè)量量法綜合了了偏差式的的速度和零零位式的精精度的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。微差式式測(cè)量法先先將被測(cè)量量X與標(biāo)準(zhǔn)量N比較，并取取差值△＝X－N，然后用偏偏差式測(cè)量量法求得偏偏差值△，簡(jiǎn)單計(jì)算算X＝N＋△。如果N>>△，總的測(cè)量量結(jié)果準(zhǔn)確確度會(huì)很高高。176.3測(cè)測(cè)量誤差在任何測(cè)量量過(guò)程中，，都不可避避免地要產(chǎn)產(chǎn)生誤差。。為了評(píng)估估測(cè)得值的的可靠程度度，必須正正確地估算算誤差。測(cè)量誤差是是測(cè)得值X與真值X0之差△X：△X＝X－X0實(shí)踐中，被被測(cè)量真值值X0是不知道的的，所以只只能估算測(cè)測(cè)量誤差。。18絕對(duì)誤差和和相對(duì)誤差差絕對(duì)誤差為為│△X│＝│X－X0│實(shí)用中往往往指出△X的最小值，，記為△min，稱稱為極限誤誤差，從而而有X－△min≤X0≤X＋△min相對(duì)誤差為為相對(duì)誤差用用于不同數(shù)數(shù)量級(jí)、不不同類型量量的測(cè)量結(jié)結(jié)果之間精精確程度的的比較。而而絕對(duì)誤差差只能用于于判斷對(duì)同同一被測(cè)量量的測(cè)量精精確程度。。19工具誤差和和方法誤差差工具誤差是是由所使用用的器具、、儀表等工工具不完善善而造成的的誤差。器器具、儀表表等越簡(jiǎn)陋陋，引起的的工具誤差差越大。方法誤差是是由于測(cè)量量方法不當(dāng)當(dāng)或所依賴賴的理論有有缺陷導(dǎo)致致的誤差。。例如把非非線性特性性當(dāng)作線性性特性對(duì)待待、或線性性化處理不不當(dāng)?shù)取?0系統(tǒng)誤差、、隨機(jī)誤差差和粗大誤誤差系統(tǒng)誤差是是在相同測(cè)測(cè)量條件下下多次測(cè)量量同一被測(cè)測(cè)量所呈現(xiàn)現(xiàn)的有規(guī)律律的誤差。。工具誤差差和方法誤誤差都屬于于系統(tǒng)誤差差。重新選選擇測(cè)量方方法、改用用較高精度度的工具可可以減小工工具誤差。。隨機(jī)誤差是是由一系列列不易控制制的偶然因因素引起的的測(cè)量誤差差，故又稱稱為偶然誤誤差。系統(tǒng)誤差決決定了測(cè)量量準(zhǔn)確性；；隨機(jī)誤差差決定了測(cè)測(cè)量重復(fù)性性。粗大誤差是是指測(cè)量結(jié)結(jié)果中出現(xiàn)現(xiàn)的明顯不不符合事實(shí)實(shí)或由于重重大誤操作作引起的誤誤差。216.4信信號(hào)處理和和信息管理理在信號(hào)處理理方面，由由于現(xiàn)代計(jì)計(jì)算機(jī)的出出現(xiàn)，除了了計(jì)算外，，還增加了了存貯等功功能，因此此使過(guò)去的的數(shù)據(jù)計(jì)算算變?yōu)榻裉焯斓男盘?hào)處處理。由于傳感器器能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)低成本的的現(xiàn)場(chǎng)處理理功能，使使得各種補(bǔ)補(bǔ)償?shù)靡詫?shí)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)處理功功能還可以以把測(cè)得的的信號(hào)變換換成便于在在通訊線路路上傳輸?shù)牡男问?，以以便傳輸給給主機(jī)進(jìn)行行進(jìn)一步處處理。有現(xiàn)場(chǎng)處理理能力的傳傳感器和換換能器還可可以作常規(guī)規(guī)的自檢和和自校。主機(jī)甚至可可以下放一一些決策權(quán)權(quán)給傳感器器和換能器器。由于應(yīng)用了了先進(jìn)的信信號(hào)數(shù)據(jù)處處理技術(shù)，，發(fā)展出了了所謂“傳傳感器融合合”和“數(shù)數(shù)據(jù)融合””的概念，，即用來(lái)自自多個(gè)信息息源的信息息構(gòu)成復(fù)雜雜系統(tǒng)的整整體圖解。。226.5測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)機(jī)械電子系系統(tǒng)中的測(cè)測(cè)量系統(tǒng)大大多是自動(dòng)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)，它把檢檢測(cè)、數(shù)據(jù)據(jù)處理和顯顯示、故障障診斷和報(bào)報(bào)警、校驗(yàn)驗(yàn)等技術(shù)結(jié)結(jié)合在一起起。往往是是多個(gè)傳感感器、多路路信號(hào)有機(jī)機(jī)地構(gòu)成一一個(gè)測(cè)量系系統(tǒng)，而不不是若干臺(tái)臺(tái)儀器儀表表的簡(jiǎn)單合合并。自動(dòng)測(cè)量系系統(tǒng)往往是是在線、實(shí)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)態(tài)、自動(dòng)測(cè)測(cè)量。另外外，測(cè)量系系統(tǒng)不應(yīng)對(duì)對(duì)被測(cè)對(duì)象象造成任何何明顯的影影響，為此此常把盡量量減少了體體積的傳感感器置于測(cè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，，用某種連連接方式在在一定距離離以外接收收傳感器輸輸出的信號(hào)號(hào)。23連接方式24測(cè)量系統(tǒng)總總體設(shè)計(jì)需需要的因素素確定所需的的信息，同同時(shí)確定為為提供所需需信息而測(cè)測(cè)量的系統(tǒng)統(tǒng)物理參數(shù)數(shù)。用諸如線性性度、精度度、分辨率率等指標(biāo)來(lái)來(lái)衡量測(cè)量量系統(tǒng)的特特征、質(zhì)量量及性能。。確認(rèn)所能容容許的最差差效果。測(cè)算漂移對(duì)對(duì)系統(tǒng)性能能的影響，，特別是零零漂。分析影響傳傳感器和換換能器工作作特性的環(huán)環(huán)境因素，，如溫度、、干擾等。。成本預(yù)算。。信息傳送的的形式和性性質(zhì)。系統(tǒng)的可靠靠性。人機(jī)界面、、測(cè)量模塊塊與其它模模塊的界面面。25信息過(guò)多或或信息不足足第一種情況況（即提供供過(guò)多信息息）是由于于不斷提高高測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)的測(cè)量水水平和不斷斷擴(kuò)大測(cè)量量范圍所致致，從而形形成了一種種以過(guò)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趨勢(shì)。結(jié)結(jié)果使有用用的數(shù)據(jù)混混在大量無(wú)無(wú)關(guān)的信息息中，且由由于這些無(wú)無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)的的存在，給給系統(tǒng)的數(shù)數(shù)據(jù)處理帶帶來(lái)了沉重重的負(fù)擔(dān)。。第二種情況況（即提供供信息不足足）大多因因?yàn)閷?duì)測(cè)量量在整個(gè)系系統(tǒng)中的功功能和目的的考慮不周周所致。這這種不能提提供所需要要全部信息息的缺點(diǎn)會(huì)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)統(tǒng)整體功能能的顯著下下降。26測(cè)量系統(tǒng)的的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)要考慮的的因素根據(jù)性能要要求選擇測(cè)測(cè)量方法。。選擇適當(dāng)?shù)牡膫鞲衅骱秃蛽Q能器。?？紤]所需的的現(xiàn)場(chǎng)處理理功能。與傳感器、、換能器相相配合的硬硬件和機(jī)械械、電器裝裝置的規(guī)格格及專用器器材的制造造。有關(guān)的軟件件及軟件編編制。整個(gè)測(cè)量系系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)過(guò)程中，，必須認(rèn)識(shí)識(shí)到測(cè)量系系統(tǒng)和整個(gè)個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)聯(lián)系，包括括和其它子子系統(tǒng)的聯(lián)聯(lián)系。27一個(gè)實(shí)例——運(yùn)貨卡卡車懸掛系系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的的任務(wù)是測(cè)測(cè)出每個(gè)車車輪相對(duì)于于車身在垂垂直方向的的位置、速速度和加速速度以及汽汽車行駛速速度和轉(zhuǎn)向向角度。這這些信號(hào)都都要送到微微處理器中中，并由此此確定各執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的動(dòng)作。最佳的測(cè)量量方法是測(cè)測(cè)量位移和和加速度，，通過(guò)對(duì)加加速度計(jì)的的輸出進(jìn)行行積分而得得到速度。。最佳選擇是是：將一個(gè)個(gè)可調(diào)直線線式電感傳傳感器安裝裝在軸上，，以把所需需行程減少少。因?yàn)閭鞲衅髌饕资芑覊m塵、水和腐腐蝕性鹽的的影響。因因此，需要要把傳感器器安裝在一一個(gè)封閉罩罩內(nèi)，以充充分保護(hù)其其不受環(huán)境境的影響。。應(yīng)在離懸掛掛系統(tǒng)較遠(yuǎn)遠(yuǎn)的地方安安裝一個(gè)信信號(hào)處理器器，并用雙雙絞線屏蔽蔽電纜進(jìn)行行通信。28另一個(gè)實(shí)例例——金屬塑塑性成形過(guò)過(guò)程測(cè)量系統(tǒng)的的任務(wù)是實(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量成成形過(guò)程中中的以下參參數(shù)：總變形力。。模具的的錯(cuò)移移力。。成形件件特殊殊部位位單位位壓力力的大大小、、方向向。壓力中中心的的位置置。相對(duì)應(yīng)應(yīng)的變變形速速度。。29金屬塑塑性成成形過(guò)過(guò)程測(cè)測(cè)量系系統(tǒng)位移采采用差差動(dòng)式式位移移傳感感器或或光柵柵式位位移傳傳感器器來(lái)測(cè)測(cè)量。。通過(guò)對(duì)對(duì)位移移信號(hào)號(hào)微分分來(lái)得得到設(shè)設(shè)備的的加載載速度度信號(hào)號(hào)，然然后對(duì)對(duì)成形形件的的變形形量進(jìn)進(jìn)行實(shí)實(shí)時(shí)測(cè)測(cè)量，，最后后得到到對(duì)應(yīng)應(yīng)于每每一成