5.1概述5.2常用傳感器種類5.3傳感器基本特性與工作原理5.4智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇5.5傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)5.6傳感器項(xiàng)目化應(yīng)用實(shí)踐第五章感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)1.感知系統(tǒng)組成和基本要求5.1概述

感知系統(tǒng)的組成

感知系統(tǒng)是智能機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通常由傳感器、信號(hào)處理單元和輸出接口等組成。在智能機(jī)電系統(tǒng)中，感知系統(tǒng)的主要功能是通過信號(hào)處理單元提取的有用信息，為系統(tǒng)的決策和控制提供依據(jù)。1.感知系統(tǒng)組成和基本要求5.1概述

感知系統(tǒng)的基本要求

智能機(jī)電系統(tǒng)對(duì)感知系統(tǒng)的基本要求應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：準(zhǔn)確性實(shí)時(shí)性魯棒性可靠性適應(yīng)性集成性……1.感知系統(tǒng)組成和基本要求5.1概述

感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則及內(nèi)容

感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)通常應(yīng)著重考慮以下幾點(diǎn)：（1）需求分析：確定系統(tǒng)的測量范圍、精度和響應(yīng)時(shí)間等要求。（2）傳感器選擇：選擇合適的傳感器類型，包括位移、力、溫度、速度、壓力等各類傳感器。（3）信號(hào)處理與算法優(yōu)化：信號(hào)處理單元對(duì)原始電信號(hào)進(jìn)行初步處理，如放大、濾波、去噪等，以便進(jìn)行后續(xù)的處理和分析。1.感知系統(tǒng)組成和基本要求5.1概述

（4）接口設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)傳感器與主控系統(tǒng)之間的接口，以便對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確采集。（5）多傳感器信息融合：在多傳感器系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)信息融合算法，整合來自不同傳感器的數(shù)據(jù)。（6）智能處理：集成微處理器或人工智能算法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理。此外，設(shè)計(jì)中為了確保感知系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，還需要考慮增加冗余設(shè)計(jì)、故障檢測和診斷機(jī)制等。5.2

常用傳感器種類

傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及信號(hào)調(diào)理電路三部分組成，有時(shí)還需要加輔助電源。（1）敏感元件：直接響應(yīng)被測量物理量或化學(xué)量的部分。（2）轉(zhuǎn)換元件：將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換為有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系電學(xué)量的器件。（3）信號(hào)調(diào)理電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學(xué)量通過適當(dāng)處理，生成便于后續(xù)處理、傳輸?shù)葎?dòng)作。5.2

常用傳感器種類

傳感器通常具有以下特征：（1）作為一種測量器件或裝置，能完成一定的檢測任務(wù)；（2）輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；（3）輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等。（4）輸入與輸出之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度和響應(yīng)速度。1.傳感器的基本特性5.3

傳感器基本特性與工作原理

傳感器的基本特性是指輸入－輸出關(guān)系特性，是傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部特性表現(xiàn)，主要包含靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。a.靜態(tài)特性：靜態(tài)特性是指被測物理量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化極其緩慢時(shí)，輸出與其輸入之間的關(guān)系。通?？蓪⑵涿枋鰹椋菏街?，a0為傳感器零位輸出，a1為傳感器靜態(tài)增益（靈敏度）。1.傳感器的基本特性5.3

傳感器基本特性與工作原理

一般地，傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)包括如下：（1）測量范圍（或量程）：所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍，即（2）靈敏度：輸出變化量與相應(yīng)的輸入變化量之比，或者說是單位輸入下所能得到的輸出，即（3）精確度：反映測量系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合評(píng)定指標(biāo)。與精確度有關(guān)的指標(biāo)有精密度、準(zhǔn)確度和精確度。1.傳感器的基本特性5.3

傳感器基本特性與工作原理

（4）線性度：傳感器的輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線（可通過實(shí)驗(yàn)測定的辦法獲取，也叫校準(zhǔn)曲線）偏離理想直線的程度。在非線性誤差不太大的情況下，線性度通常采用端基直線或擬合直線與校準(zhǔn)曲線的最大偏差與滿量程輸出的百分比表示。1.傳感器的基本特性5.3

傳感器基本特性與工作原理

（5）分辨力：傳感器能檢測到的最小輸入增量，用絕對(duì)值表示。（6）遲滯：傳感器輸入量在正（增大）、反（減小）行程期間其輸出--輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。（7）重復(fù)性：在同一個(gè)工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性。1.傳感器的基本特性5.3

傳感器基本特性與工作原理

b.動(dòng)態(tài)特性：動(dòng)態(tài)特性是指傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性。輸入與輸出間的差異稱為動(dòng)態(tài)誤差，動(dòng)態(tài)誤差反映的是慣性延遲所引起的附加誤差。動(dòng)態(tài)特性可以從時(shí)域和頻域兩方面分析。在時(shí)域研究動(dòng)態(tài)特性時(shí)，一般采用階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等作為輸入，通過分析輸出函數(shù)y(t)在時(shí)域上的波形獲得。在頻域內(nèi)研究動(dòng)態(tài)特性時(shí)，一般采用正弦函數(shù)作為輸入，通過分析頻率響應(yīng)函數(shù)H(w)的幅值和相位獲得。2.典型傳感器工作原理5.3

傳感器基本特性與工作原理

（1）電阻式傳感器：電阻式傳感器是一種能把非電量（如力、壓力、位移、扭矩等）轉(zhuǎn)換成與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電阻值，再經(jīng)過測量電路（信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）把電阻值轉(zhuǎn)換成便于傳輸和記錄的電壓（電流）信號(hào)的裝置。電阻式傳感器種類很多，主要有電位器式和電阻應(yīng)變式等。2.典型傳感器工作原理5.3

傳感器基本特性與工作原理

（2）電容式傳感器：電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，抗過載能力大，動(dòng)態(tài)特性好、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量的特點(diǎn)，并且能夠在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。2.典型傳感器工作原理5.3

傳感器基本特性與工作原理

（3）電感式傳感器：電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測量(如位移、壓力、流量、振動(dòng))轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化，再通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流等信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量測量的一類傳感器。主要包括利用自感原理的可變磁阻式傳感器和利用互感原理的渦流式傳感器和差動(dòng)變壓器式傳感器。2.典型傳感器工作原理5.3

傳感器基本特性與工作原理

（4）壓電式傳感器：壓電傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過外力作用下在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測量。由于壓電傳感元件是力敏感元件，所以能測量最終變換為力的物理量，例如壓力、加速度等。壓電傳感器在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探等許多技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。2.典型傳感器工作原理5.3

傳感器基本特性與工作原理

（5）熱電式傳感器：熱電式傳感器是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器，可將熱能直接轉(zhuǎn)化成電量輸出，利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量。熱電式傳感器主要包括熱電偶、熱電阻（及熱敏電阻），具有構(gòu)造簡單，使用方便，準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性較高，溫度測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。1.位移（位置）傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇位移（位置）傳感器在智能機(jī)電系統(tǒng)中必不可少，與位移測量相比，位置測量主要用來確定被測物體是否已經(jīng)到達(dá)或接近某一位置，而非一段距離的變化量。因此，位置測量只需產(chǎn)生和輸出能夠反映某種狀態(tài)的開關(guān)量信號(hào)，而位移傳感器用于測量物體在一定時(shí)間內(nèi)位置的變化量，需要輸出與位移量成正比的連續(xù)變化信號(hào)。1.位移（位置）傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇光電開關(guān)

光電開關(guān)是一種用來檢測物體的靠近或通過等狀態(tài)的傳感器。當(dāng)開關(guān)中的光敏元件受到一定強(qiáng)度的光照射時(shí)，可將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為開關(guān)信號(hào)的變化以達(dá)到探測或產(chǎn)生開關(guān)動(dòng)作的目的。1.位移（位置）傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇光電編碼器

光電編碼器又稱光電編碼盤、光電脈沖發(fā)生器，是目前用得較多的一種光電式角位移傳感器，伺服電機(jī)通常選用光電編碼器作為位置反饋元件。光電編碼器有絕對(duì)式和增量式兩種基本類型。1.位移（位置）傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇光柵

光柵是一種光電式傳感器，它利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、量程大和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在精密定位或長度、速度、加速度、振動(dòng)測量等方面得到廣泛應(yīng)用。2.力傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇在機(jī)電系統(tǒng)中，力和扭矩是常用的機(jī)械參量。近年來，各種高精度力（扭矩）傳感器不斷出現(xiàn)，按工作原理可分為電阻應(yīng)變式、電感式、電容式和壓電式等。其中，電阻應(yīng)變式力傳感器的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，應(yīng)用最為廣泛。2.力傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇懸臂梁式力傳感器

典型的懸臂梁式力傳感器，一端固定而另一端自由，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，在小力及微小力測量中應(yīng)用普遍。根據(jù)梁的截面形狀不同，可分為變截面梁（等強(qiáng)度梁）和等截面梁。2.力傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇六維力傳感器

根據(jù)測量維度，力傳感器可分為一維至六維傳感器。其中，三維力傳感器測定三個(gè)正交方向的力，力的方向隨機(jī)變化，但力的作用點(diǎn)保持不變并與傳感器的標(biāo)定參考點(diǎn)重合；六維力傳感器可在指定的直角坐標(biāo)系內(nèi)同時(shí)精確測量Fx、Fy、Fz三個(gè)方向的力信息和Mx、My、Mz三個(gè)方向的力矩信息，是維度最高的力覺傳感器。3.圖像傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇圖像傳感器（ImageSensor）是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。它是相機(jī)、攝像機(jī)和其他成像設(shè)備的核心組件，在機(jī)器視覺領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。圖像傳感器主要有CCD（電荷耦合器件，Charge-CoupledDevice）和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）兩種類型。其中，CCD型成像質(zhì)量高，噪聲低；CMOS型功耗較低、成本較低，但成像質(zhì)量較差，適合高速成像的應(yīng)用。4.智能傳感器5.4

智能機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器及選擇

智能傳感器是傳感器和通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。基本結(jié)構(gòu)由傳感器、微處理器（或微計(jì)算機(jī)）及相關(guān)電路組成。與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器的特點(diǎn)如下：具有自校正等功能，可以改善傳感器靜態(tài)性能，提高測量精度。具有自檢驗(yàn)、自診斷及判斷和決策功能。具有辨識(shí)微弱信號(hào)及消噪功能。具有數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)與信息處理功能。具有雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出及人機(jī)對(duì)話等功能。1.數(shù)據(jù)采集接口5.5

傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)接口

數(shù)字信號(hào)通常包括開關(guān)量和數(shù)字量兩種。限位開關(guān)等裝置的輸出信號(hào)只有開和關(guān)（1和0）兩種狀態(tài)，屬于開關(guān)量。編碼器等數(shù)字傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，屬于數(shù)字量。數(shù)字量傳感器通常無需進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，但需確保數(shù)據(jù)的同步采集和時(shí)序控制，以及可能的數(shù)字通信協(xié)議的兼容性。1.數(shù)據(jù)采集接口5.5

傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)模擬信號(hào)接口

在機(jī)電系統(tǒng)中，很多傳感器是以模擬量形式輸出信號(hào)，例如用于溫度檢測的熱電偶和熱電阻等。由于微處理器或計(jì)算機(jī)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，只能接收、處理和輸出數(shù)字量，這就要求信息采集接口能夠完成A/D轉(zhuǎn)換功能，將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，再輸入給微處理器或計(jì)算機(jī)。這一功能通常由A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。2.無線通信及網(wǎng)絡(luò)5.5

傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)

基于數(shù)字處理電路還可使傳感器實(shí)現(xiàn)無線通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信的方式形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。工作在無線傳感網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通常由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器、存儲(chǔ)器、無線通信（射頻）模塊和電源模塊等構(gòu)成。無線通信傳感器通常采用電池供電，為了節(jié)約用電，需要對(duì)電源的有效使用進(jìn)行管理和安排。2.無線通信及網(wǎng)絡(luò)5.5

傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)一般地，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，數(shù)據(jù)在輸過程中可能被多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后由匯聚節(jié)點(diǎn)通過互聯(lián)網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送到數(shù)據(jù)處理中心。信號(hào)的傳輸也可沿著相反的方向傳輸，即管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，或是管理節(jié)點(diǎn)發(fā)布監(jiān)測任務(wù)和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)等。3.抗干擾技術(shù)5.5

傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)測量過程中常會(huì)遇到各種各樣的干擾，不僅能造成邏輯關(guān)系混亂，使系統(tǒng)測量和控制失靈，以致降低產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至造成系統(tǒng)無法正常工作，造成損壞和事故。因此，如何有效地排除和抑制各種干擾，已是必需考慮并解決的問題。提高檢測系統(tǒng)抗干擾能力，首先應(yīng)分析干擾產(chǎn)生的原因、干擾的引入方式及途徑，才可有針對(duì)性地解決系統(tǒng)抗干擾問題。3.抗干擾技術(shù)5.5

傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)在電子測量裝置電路中出現(xiàn)的無用信號(hào)稱為噪聲。當(dāng)噪聲電壓影響電路正常工作時(shí)，該噪聲電壓稱為干擾電壓。衡量噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響，常用信噪比（S/N）來表示，即信號(hào)通道中有用信號(hào)功率Ps與噪聲功率Pn之比或者有用信號(hào)電壓Us與噪聲電壓Un之比。信噪比常用對(duì)數(shù)形式來表示（單位dB）。1.模擬式溫度傳感器應(yīng)用5.6

傳感器項(xiàng)目化應(yīng)用實(shí)踐NTC（NegativeTemperatureCoefficient）為一種熱敏電阻，NTC是指負(fù)溫度系數(shù)，即隨著溫度上升傳感器的電阻阻