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1、机电一体化系统,机械工程学科 李伟波,机电一体化Mechatronics,机电一体化一词（Mechatronics）最早（1971年）起源于日本，它取英语Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成，字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，在我国通常称为机电一体化或机械电子学。,日本机械振兴协会经济研究所于1983年对“机电一体化”的解释，即：“机电一体化乃是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”。,a)人的五大要素 b)机电一体化系统的要素 c)机电一体化系统的功能,a,
2、b,c,组成及工作原理,STRUCTURE,机电一体化系统数控机床的构成实例,信息处理技术,1系统总体技术,2伺服驱动技术,3自动控制技术,4机械设计技术,5传感检测技术,机械原理机械零件液压气压技术 机电传动控制 自动控制原理 机电系统设计 机电一体化系统机械制造技术基础,机电一体化相关技术,TECHNOLOGY,测量概论Overview of Measurement,测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。所以,测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。,测量结果,1,x：被测量值；u：标准量，即测量单位；n：比值（纯数），含有测量误差,由测量
3、所获得的被测量的量值叫测量结果,测量结果仅仅是被测量的最佳估计值，并非真值！,还应给出测量结果的质量，即测量结果的可信程度。这个可信程度用测量不确定度表示，测量不确定度表征测量值的分散程度。,测量结果的完整表述应包括估计值、测量单位及测量不确定度。,测量误差,2,测量误差是测得值减去被测量的真值。,真值往往不知道！,在实际中，有时用约定真值代替真值，常用某量的多次测量结果来确定约定真值；或用精度高的仪器示值代替约定真值。,测量结果的准确程度，应与测量的目的与要求相适应，要有技术与经济兼顾的意识！,2.1 测量误差的表示方法,（1）绝对误差可用下式定义：=x-L绝对误差；x测量值；L真值。绝对误
4、差是有正、负并有量纲的。,在实际测量中，有时要用到修正值，修正值是与绝对误差大小相等、符号相反的值，即,C=-,式中，c为修正值，通常用高一等级的测量标准或标准仪器获得修正值。利用修正值可对测量值进行修正，从而得到准确的实际值,修正后的实际测量值x为,x=x+c,修正值给出的方式，可以是具体的数值，或一条曲线或公式。,采用绝对误差表示测量误差，不能很好说明测量质量的好坏。Why？,例如，在温度测量时，绝对误差=1，对体温测量来说是不允许的，而对钢水温度测量来说是极好的测量结果，所以用相对误差可以比较客观地反映测量的准确性。,（2）实际相对误差的定义由下式给出：,实际相对误差，一般用百分数给出；
5、绝对误差；L真值。由于被测量的真值L无法知道，实际测量时用测量值x代替真值L进行计算，这个相对误差称为标称相对误差，即,（3）引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对于仪表满量程的一种误差，又称满量程相对误差，一般也用百分数表示。即,引用误差；绝对误差。仪表精度等级是根据最大引用误差来确定的。例如，0.5级表的引用误差的最大值不超过0.5%；1.0级表的引用误差的最大值不超过1%。,例：某电压表的精度等级S为1.5级，试算出它在0V100V量程的最大绝对误差。,解：电压表的量程是：xm=100V0V=100V精度等级S=1.5 即引用误差为：1.5可求得最大绝对误差：m=xm=100V
6、(1.5)=1.5V 故该电压表在0V100V量程的最大绝对误差是1.5V。,例：某1.0级电流表，满度值xm=100uA，求测量值分别为x1=100uA，x2=80uA，x3=20uA时的绝对误差和相对误差。,解：精度等级S=1.0即引用误差为：1.0可求得最大绝对误差：m=xm=100uA(1.0)=1.0uA三个测量值处的绝对误差为：x1=x2=x3=m=1.0uA三个测量值处的相对误差为：,例：要测量100的温度，现有0.5级、测量范围0300 和1.0级、测量范围0100 的两种温度计，试分析各自产生的相对误差。问选用哪一个温度计更合适？,（4）基本误差是指传感器或仪表在规定的标准条
7、件下所具有的误差。例如，某传感器是在电源电压(2205)V、电网频率(502)Hz、环境温度(205)、湿度65%5%的条件下标定的。如果传感器在这个条件下工作，则传感器所具有的误差为基本误差。仪表的精度等级就是由基本误差决定的。（5）附加误差是指传感器或仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。例如，温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差等。,2.2 测量误差的性质,根据测量数据中的误差所呈现的规律及产生的原因可将其分为系统误差、随机误差和粗大误差。,（1）随机误差 在同一测量条件下，多次测量被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。,随机误差,注意：由于重复测
8、量实际上只能测量有限次，因此实用中的随机误差只是一个近似估计值。,（2）系统误差 在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规律）变化的误差称为系统误差。前者为恒值系统误差，后者为变值系统误差。,式中,L为被测量的真值。,因为真值不能通过测量获知，所以通过有限次测量的平均值x与L的约定真值近似地得出系统误差，称之为系统误差的估计，得出的系统误差可对测量结果进行修正。,它可用下式表示：,（3）粗大误差 超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，粗大误差又称疏忽误差。这类误差的发生是由于测量者疏忽大意，测错、读错或环境条件的突然
9、变化等引起的。含有粗大误差的测量值明显地歪曲了客观现象，故含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。在数据处理时，要采用的测量值不应该包含有粗大误差，即所有的坏值都应当剔除。所以进行误差分析时，要估计的误差只有系统误差和随机误差两类。,请指出图示弹着点示意图中各包含哪种误差?,课堂练习,2.3 测量（随机）误差的处理,随机误差的分布规律，可以在大量测量数据的基础上总结出来，就误差的总体来说是服从统计规律的。由于大多数随机误差服从正态分布，因而正态分布理论就成为研究随机误差的基础。,正态分布的概率分布密度曲线,随机误差一般具有以下几个性质：绝对值相等的正误差与负误差出现的次数大致相等，误差所具有的这
10、个特性称为对称性。在一定测量条件下的有限测量值中，其随机误差的绝对值不会超过一定的界限，这一特性称为有界性。绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的误差出现的次数多，这一特性称为单峰性。对同一量值进行多次测量，其误差的算术平均值随测量次数n的增加趋向于零，这一特性称为误差的抵偿性。,对被测量进行等精度的n次测量，得n个测量值x1,x2,xn，它们的算术平均值为,由于被测量的真值为未知，这时可用算术平均值代替被测量的真值进行计算，则有,式中,vi为xi的残余误差（简称残差）。,（1）算术平均值,标准偏差简称为标准差，又称均方根误差。标准差刻划总体的分散程度，L相同，不同（=0.5，=1，=1.5）的
11、正态分布曲线，值愈大，曲线愈平坦，即随机变量分散性愈大；反之，愈小，曲线愈尖锐（集中），随机变量分散性愈小。标准差由下式算得:,（2）标准偏差,不同的正态分布曲线,（3）标准差的估计值s,因为被测量是在重复性条件下进行有限次测量，用算术平均值代替真值，此时表征测量值（随机误差）分散性的量用标准差的估计值s表示，它是评定单次测量值不可靠性的指标，由贝塞尔公式计算得到，即：,（4）正态分布随机误差的概率计算,如随机变量符合正态分布，它出现的概率就是正态分布曲线下所包围的面积。因为全部随机变量出现的总的概率为1，所以曲线所包围的面积应等于1，即,随机变量落在任意区间（a，b）的概率为,式中,Pa为置
12、信概率。,不同置信区间的概率分布示意图,从图可知，测量结果中随机误差出现在-+范围内的概率为68.3%,而出现在-3+3范围内的概率是99.7%,因此可以认为绝对值大于3的误差是不可能出现的，通常把这个误差称为极限误差lim，即极限误差lim=3。,判断粗大误差：超过极限误差的为粗大误差！,【例】对某一温度进行10次精密测量，测量数据如表所示，设这些测得值已消除系统误差和粗大误差，求测量结果。,算术平均值,标准差的估计值,测量结果可表示为,或,测量方法,3,测量过程就是传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得被测量量值的过程。,被测量作用到实际物体上，使
13、其某些参数发生变化，参数承载了信息而成为信号。选择其中适当的参数作为测量信号。测量方法,（1）直接测量、间接测量,在使用仪表或传感器进行测量时，测得值直接与标准量进行比较，不需要经过任何运算，直接得到被测量的数值，这种测量方法称为直接测量。,被测量y不能直接测量求得，必须有测得值x或xi（i=1，2，n）及与被测量y的函数关系确定。间接测量手续较多，花费时间较长，一般用在直接测量不方便，或者缺乏直接测量手段的场合。,（2）偏差式测量、零位式测量,用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值，这种测量方法称为偏差式测量。应用这种方法测量时，仪表刻度事先用标准器具分度。在测量时，输入被测量按照仪表指
14、针在标尺上的示值，决定被测量的数值。偏差式测量，其测量过程简单、迅速，但测量结果的精度较低。,用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值，这种测量方法称为零位式测量。在零位测量时，已知标准量直接与被测量相比较，已知标准量应连续可调，指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。,测量系统,4,测量系统应具有对被测对象的特征量进行检测、传输、处理及显示等功能，一个测量系统是传感器、变送器（变换器）和其它变换装置等的有机组合。,传感器,单片机,传感器概述Introduction to Sensor,传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号
15、的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。,传感器概述,1,1.1 传感器定义：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。,定义的含义：测量装置；输入多模式；输出电量；函数关系；,定义的理解 一感二传,传感器组成=敏感元件+转换元件敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。,传感器组成方框图,氧传感器,信息技术的三大支柱产业,传感技术 五官通信技术 神经计算机技术大脑传感技术的先行官作用,1.2 传感器的作用,按感知外界信息所依据的基本效应分类,1.3 传感
16、器的分类,按传感器的构成原理分类,按作用原理分类,按能量关系分类,按传感器使用的敏感材料分类,按被测量分类,按输出信号分类,按与某种高新技术结合分类,按有源与无源工作分类,1.4 传感器的代号和图形符号,代号：依次为主称（传感器）被测量转换原理序号主称传感器 代号C被测量用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。转换原理用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。序号用一个阿拉伯数字标记，厂家自定。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）,例：应变式位移传感器：C WY-YB-20光纤压力传感器：C Y-GQ-2,传感器的
17、基本特性,2,2.1 静态特性,传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。如果被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性。这时传感器的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定对应关系，关系式中不含有时间变量。,对静态特性而言，传感器的输入量x与输出量y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示：,y=a0+a1x+a2x2+anxn,式中：a0输入量x为零时的输出量；a1，a2，an 非线性项系数。,各项系数决定了特性曲线的具体形式。,传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如线性度、重复性、迟滞、漂移和灵敏度等。,静态特性1：线性度,传感器的线性度
18、是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。,图 线性度,图 几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合,传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用L表示，即,静态特性2：重复性,重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值
19、Rmax计算，即,图 重复性,静态特性3：迟滞,迟滞现象是传感器正向特性曲线（输入量增大）和反正向特性曲线（输入量减小）的不一致程度。迟滞误差又称为回差或变差。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用H表示，即：,图 迟滞特性曲线,静态特性4：精确度,精确度，也称精度，它是线性度、重复性及迟滞三项指标的综合指数，反映了系统误差和随机误差的综合指标。它由最大基本误差与满量程输出值YFS之比表示，即,去掉百分比符号%就是仪表精度等级。它划分为若干等级，如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级。,静态特性5、6：漂移,传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传
20、感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。最常见的漂移是温度漂移，即环境温度变化而引起输出的变化。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20）时的输出值的变化量与温度变化量之比（）来表示，即,静态特性7：分辨力、分辨率和阈值,传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。分辨率是指以满量程输出的百分数形式表示分辨力。阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。,静态特性8、9：稳定性、测量范围和量程（自习）,静态特性10：灵敏度,灵敏度是传感器静态特性的一个重
21、要指标。其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。用K表示灵敏度，即,灵敏度存在界限的原因：输入的变化量通过传感器内部被吸收，反映不到输出端；传感器输出存在噪声，输出比噪声小，无法分辨；,图 传感器的灵敏度,2.2 动态特性,传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际传感器，输出信号不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是动态误差。,动态测温,传感器的时域动态性能指标 时间常数：一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间,称为时间常数。上升时间 tr：传感
22、器输出达到稳态值的90%所需的时间。峰值时间 tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。超调量：二阶传感器输出超过稳态值的最大值。衰减比 d：衰减振荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。,传感器的应用领域及发展趋势,3,传感器应用领域。传感器技术遍布各行各业、各个领域。如工业生产、科学研究、现代医学领域，现代农业生产、国防科技、家用电器、甚至儿童玩具也少不了传感器。传感器技术运用在自动检测和控制系统中，对系统运行的各项功能起重要作用。系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性就越强。,开发新型传感器,传感器的发展趋势,开发新材料,新工艺的采用,集成化、多功能化,智能化,
23、向高精度发展,向高可靠性、宽温度范围发展,向微型化发展,传感器的选用,4,与测量条件有关的因素(1)测量的目的；(2)被测试量的选择；(3)测量范围；(4)输入信号的幅值，频带宽度；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间。,传感器的选用,4,传感器技术指标(1)线性范围与量程；(2)灵敏度；(3)精度；(4)频率相应特性；(5)稳定性；,与使用环境条件有关的因素(1)安装现场条件及情况；(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；(3)信号传输距离；(4)所需现场提供的功率容量；,与购买与维修有关的因素(1)价格；(2)零配件的储备；(3)服务与维修制度，保修时间；(4)交货日期；,THE END！,机电学院机械工程学科 2015.9,
