《智能机电系统设计与开发》课件 第五章-感知系统设计与开发

5.1概述5.2常用传感器种类5.3传感器基本特性与工作原理5.4智能机电系统常用传感器及选择5.5传感器数据采集接口设计5.6传感器项目化应用实践第五章感知系统设计与开发1.感知系统组成和基本要求5.1概述

感知系统的组成

感知系统是智能机电系统的关键组成部分，通常由传感器、信号处理单元和输出接口等组成。在智能机电系统中，感知系统的主要功能是通过信号处理单元提取的有用信息，为系统的决策和控制提供依据。1.感知系统组成和基本要求5.1概述

感知系统的基本要求

智能机电系统对感知系统的基本要求应包括以下几个方面：准确性实时性鲁棒性可靠性适应性集成性……1.感知系统组成和基本要求5.1概述

感知系统设计的原则及内容

感知系统设计与开发通常应着重考虑以下几点：（1）需求分析：确定系统的测量范围、精度和响应时间等要求。（2）传感器选择：选择合适的传感器类型，包括位移、力、温度、速度、压力等各类传感器。（3）信号处理与算法优化：信号处理单元对原始电信号进行初步处理，如放大、滤波、去噪等，以便进行后续的处理和分析。1.感知系统组成和基本要求5.1概述

（4）接口设计：设计传感器与主控系统之间的接口，以便对感知数据进行快速准确采集。（5）多传感器信息融合：在多传感器系统中，设计信息融合算法，整合来自不同传感器的数据。（6）智能处理：集成微处理器或人工智能算法，对采集到的数据进行智能处理。此外，设计中为了确保感知系统的稳定性、可靠性和安全性，还需要考虑增加冗余设计、故障检测和诊断机制等。5.2

常用传感器种类

传感器由敏感元件、转换元件及信号调理电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。（1）敏感元件：直接响应被测量物理量或化学量的部分。（2）转换元件：将感受到的非电量直接转换为有确定对应关系电学量的器件。（3）信号调理电路：将转换元件输出的电学量通过适当处理，生成便于后续处理、传输等动作。5.2

常用传感器种类

传感器通常具有以下特征：（1）作为一种测量器件或装置，能完成一定的检测任务；（2）输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；（3）输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等。（4）输入与输出之间存在对应关系，且应有一定的精确度和响应速度。1.传感器的基本特性5.3

传感器基本特性与工作原理

传感器的基本特性是指输入－输出关系特性，是传感器内部结构参数作用关系的外部特性表现，主要包含静态特性和动态特性。a.静态特性：静态特性是指被测物理量不随时间变化或随时间变化极其缓慢时，输出与其输入之间的关系。通常可将其描述为：式中，a0为传感器零位输出，a1为传感器静态增益（灵敏度）。1.传感器的基本特性5.3

传感器基本特性与工作原理

一般地，传感器静态特性指标包括如下：（1）测量范围（或量程）：所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围，即（2）灵敏度：输出变化量与相应的输入变化量之比，或者说是单位输入下所能得到的输出，即（3）精确度：反映测量系统中系统误差和随机误差的综合评定指标。与精确度有关的指标有精密度、准确度和精确度。1.传感器的基本特性5.3

传感器基本特性与工作原理

（4）线性度：传感器的输出量与输入量之间的关系曲线（可通过实验测定的办法获取，也叫校准曲线）偏离理想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，线性度通常采用端基直线或拟合直线与校准曲线的最大偏差与满量程输出的百分比表示。1.传感器的基本特性5.3

传感器基本特性与工作原理

（5）分辨力：传感器能检测到的最小输入增量，用绝对值表示。（6）迟滞：传感器输入量在正（增大）、反（减小）行程期间其输出--输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。（7）重复性：在同一个工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。1.传感器的基本特性5.3

传感器基本特性与工作原理

b.动态特性：动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性。输入与输出间的差异称为动态误差，动态误差反映的是惯性延迟所引起的附加误差。动态特性可以从时域和频域两方面分析。在时域研究动态特性时，一般采用阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等作为输入，通过分析输出函数y(t)在时域上的波形获得。在频域内研究动态特性时，一般采用正弦函数作为输入，通过分析频率响应函数H(w)的幅值和相位获得。2.典型传感器工作原理5.3

传感器基本特性与工作原理

（1）电阻式传感器：电阻式传感器是一种能把非电量（如力、压力、位移、扭矩等）转换成与之有对应关系的电阻值，再经过测量电路（信号转换电路）把电阻值转换成便于传输和记录的电压（电流）信号的装置。电阻式传感器种类很多，主要有电位器式和电阻应变式等。2.典型传感器工作原理5.3

传感器基本特性与工作原理

（2）电容式传感器：电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的传感器，具有结构简单，灵敏度高，抗过载能力大，动态特性好、易实现非接触测量的特点，并且能够在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。2.典型传感器工作原理5.3

传感器基本特性与工作原理

（3）电感式传感器：电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测量(如位移、压力、流量、振动)转换成线圈自感或互感的变化，再通过测量电路转换为电压或电流等信号的变化，从而实现非电量到电量测量的一类传感器。主要包括利用自感原理的可变磁阻式传感器和利用互感原理的涡流式传感器和差动变压器式传感器。2.典型传感器工作原理5.3

传感器基本特性与工作原理

（4）压电式传感器：压电传感器是以某些电介质的压电效应为基础，通过外力作用下在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量的测量。由于压电传感元件是力敏感元件，所以能测量最终变换为力的物理量，例如压力、加速度等。压电传感器在工程力学、生物医学、石油勘探等许多技术领域中应用广泛。2.典型传感器工作原理5.3

传感器基本特性与工作原理

（5）热电式传感器：热电式传感器是工程上应用最广泛的温度传感器，可将热能直接转化成电量输出，利用敏感元件的电磁参数随温度变化的特性来实现对温度的测量。热电式传感器主要包括热电偶、热电阻（及热敏电阻），具有构造简单，使用方便，准确度、稳定性及复现性较高，温度测量范围宽等优点。1.位移（位置）传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择位移（位置）传感器在智能机电系统中必不可少，与位移测量相比，位置测量主要用来确定被测物体是否已经到达或接近某一位置，而非一段距离的变化量。因此，位置测量只需产生和输出能够反映某种状态的开关量信号，而位移传感器用于测量物体在一定时间内位置的变化量，需要输出与位移量成正比的连续变化信号。1.位移（位置）传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择光电开关

光电开关是一种用来检测物体的靠近或通过等状态的传感器。当开关中的光敏元件受到一定强度的光照射时，可将光强变化转化为开关信号的变化以达到探测或产生开关动作的目的。1.位移（位置）传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择光电编码器

光电编码器又称光电编码盘、光电脉冲发生器，是目前用得较多的一种光电式角位移传感器，伺服电机通常选用光电编码器作为位置反馈元件。光电编码器有绝对式和增量式两种基本类型。1.位移（位置）传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择光栅

光栅是一种光电式传感器，它利用光栅莫尔条纹现象实现检测，具有结构简单、测量精度高、量程大和抗干扰能力强等优点，在精密定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到广泛应用。2.力传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择在机电系统中，力和扭矩是常用的机械参量。近年来，各种高精度力（扭矩）传感器不断出现，按工作原理可分为电阻应变式、电感式、电容式和压电式等。其中，电阻应变式力传感器的工作原理是基于电阻应变效应，应用最为广泛。2.力传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择悬臂梁式力传感器

典型的悬臂梁式力传感器，一端固定而另一端自由，特点是结构简单、加工方便，在小力及微小力测量中应用普遍。根据梁的截面形状不同，可分为变截面梁（等强度梁）和等截面梁。2.力传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择六维力传感器

根据测量维度，力传感器可分为一维至六维传感器。其中，三维力传感器测定三个正交方向的力，力的方向随机变化，但力的作用点保持不变并与传感器的标定参考点重合；六维力传感器可在指定的直角坐标系内同时精确测量Fx、Fy、Fz三个方向的力信息和Mx、My、Mz三个方向的力矩信息，是维度最高的力觉传感器。3.图像传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择图像传感器（ImageSensor）是一种将光信号转换为电信号的装置。它是相机、摄像机和其他成像设备的核心组件，在机器视觉领域获得了广泛的应用。图像传感器主要有CCD（电荷耦合器件，Charge-CoupledDevice）和CMOS（互补金属氧化物半导体，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）两种类型。其中，CCD型成像质量高，噪声低；CMOS型功耗较低、成本较低，但成像质量较差，适合高速成像的应用。4.智能传感器5.4

智能机电系统常用传感器及选择

智能传感器是传感器和通信技术结合的产物。基本结构由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成。与传统传感器相比，智能传感器的特点如下：具有自校正等功能，可以改善传感器静态性能，提高测量精度。具有自检验、自诊断及判断和决策功能。具有辨识微弱信号及消噪功能。具有数据的自动采集、存储与信息处理功能。具有双向通信、标准化数字输出及人机对话等功能。1.数据采集接口5.5

传感器数据采集接口设计数字信号接口

数字信号通常包括开关量和数字量两种。限位开关等装置的输出信号只有开和关（1和0）两种状态，属于开关量。编码器等数字传感器产生脉冲信号，属于数字量。数字量传感器通常无需进行信号转换，但需确保数据的同步采集和时序控制，以及可能的数字通信协议的兼容性。1.数据采集接口5.5

传感器数据采集接口设计模拟信号接口

在机电系统中，很多传感器是以模拟量形式输出信号，例如用于温度检测的热电偶和热电阻等。由于微处理器或计算机是一个数字系统，只能接收、处理和输出数字量，这就要求信息采集接口能够完成A/D转换功能，将传感器输出的模拟量转换成相应的数字量，再输入给微处理器或计算机。这一功能通常由A/D转换器实现。2.无线通信及网络5.5

传感器数据采集接口设计

基于数字处理电路还可使传感器实现无线通信。无线传感器网络是由多个微型传感器节点，通过无线通信的方式形成一个多跳自组织网络系统。工作在无线传感网中的传感器节点通常由传感器、信号调理电路、A/D转换器、处理器、存储器、无线通信（射频）模块和电源模块等构成。无线通信传感器通常采用电池供电，为了节约用电，需要对电源的有效使用进行管理和安排。2.无线通信及网络5.5

传感器数据采集接口设计一般地，无线传感器网络系统包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点采集的数据通过其他传感器节点逐跳地在网络中传输，数据在输过程中可能被多个传感器节点处理，经过多跳后由汇聚节点通过互联网或其他网络系统传送到数据处理中心。信号的传输也可沿着相反的方向传输，即管理节点对传感器节点进行管理，或是管理节点发布监测任务和收集监测数据等。3.抗干扰技术5.5

传感器数据采集接口设计测量过程中常会遇到各种各样的干扰，不仅能造成逻辑关系混乱，使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，甚至造成系统无法正常工作，造成损坏和事故。因此，如何有效地排除和抑制各种干扰，已是必需考虑并解决的问题。提高检测系统抗干扰能力，首先应分析干扰产生的原因、干扰的引入方式及途径，才可有针对性地解决系统抗干扰问题。3.抗干扰技术5.5

传感器数据采集接口设计在电子测量装置电路中出现的无用信号称为噪声。当噪声电压影响电路正常工作时，该噪声电压称为干扰电压。衡量噪声对有用信号的影响，常用信噪比（S/N）来表示，即信号通道中有用信号功率Ps与噪声功率Pn之比或者有用信号电压Us与噪声电压Un之比。信噪比常用对数形式来表示（单位dB）。1.模拟式温度传感器应用5.6

传感器项目化应用实践NTC（NegativeTemperatureCoefficient）为一种热敏电阻，NTC是指负温度系数，即随着温度上升传感器的电阻阻