机械电子技术与设计第一章(1)

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1、机械电子技术与设计,主讲：撒潮,北京林业大学工学院,办公室：森工楼 307,办公电话： 62338143,Email：,引 言,课程的性质与教学目的,课程性质： 面向机械工程领域的以检测技术、电子技术为主的一门技术基础课。主要研究：工业测控系统中相关电子电路的分析、设计方法。相关技术-传感器技术、电子技术、通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术、信息处理技术等； 教学目的：理解工业测控系统中、有关测量知识、传感器技术、检控电路等理论、知识，为相关课程学习、工作储备技能。,工业测控系统一般结构,（模/数控制电路、单片机、PLC、DSP、FPGA、计算机、工控机等）,传感器,被测量,信号调理,控

2、制器,检测系统,（光隔、驱动、D/A等）,（电机、电磁阀等）,（放大、滤波、调制解调、转换、运算、细分辨向等）,将被测量转换 为有信号,课程的主要内容,第二章传感器与接口电路,第三章信号处理电路,第四章功率驱动电路,第五章数字信号处理*,目录.,第一章测控电路概论,第六章计算机测控系统*,主要参考书： 测控电路 张国雄 机械工业出版社 电子技术基础 康华光 高等教育出版社测控电路及装置 孙传友等 北京航空航天大学出版社,课程在现代化建设中的应用,现代生产中提高产品质量与生产效率都离不开测量与控制技术,当今时代是信息时代，测量是获取信息，控制是最后的落实。,门德列耶夫：“科学是从测量开始的，没有

3、测量就没有科学。至少没有真正的科学” 测量是“新技术革命”的先导和基础，也检验的标准,应用实例,1.科研方面： 仪器仪表 （哈勃望远镜）,2.国民经济建设 宝钢建设仪器测控装备 占总投资1/3 （柔性制造系统）,3.国防建设先进武器,4.人们生活家电,课程的特点 与要求,课程特点：,学时少，内容多，理论系统实践性强，应用广泛,先修课程：电路、电子技术；或电工学课程,教学对象：本课程是控制理论与控制工程、机械电子工程等学科的专业研究生的一门学位课；也是工科相关专业研究生的选修课。,实验、作业：实验理论联系实际，掌握常用仪器、仪表的使用方法，验证与探索相结合。独立完成作业。,本课程结课考试：一般以

4、半开卷考试为主，可以看书。看笔记，平时成绩占1030（以作业、出勤情况为主）,希望和要求:,意见要求及时反馈,希望踊跃发言,衷 心 祝 愿 大 家,学 有 所 成,+,理 论,实 践,谢谢合作!,第一章测控电路概论,2、测量的误差与精度,3、传感器及接口电路简介,1、测控系统结构,要点: 理解系统评价指标,了解常用传感器原理及接口电路,1、测控系统结构,简单测控系统架构,传感器：将被测量（非电量）转换为有用量（电信号）。 测量控制电路：对电信号进行调理和数据处理。 执行器：将电信号变成控制动作，对被控对象进行控制。,对测控电路的要求:,精度高、响应快、转换灵活、可靠性与经济性,低噪声，抗干扰；

5、低漂移，高稳定；失真小，线性好,响应速度快，频率特性,模数、标度、量程、电量转换,重复稳定，安全可靠、经济适用,测控系统结构,具体电路的形式、结构与信号和与使用要求有关。 测控电路的信号主要有：,1、模拟式信号(1) 非调制信号,（2）调制信号,2、数字式信号 （1）增量码信号 （2）绝对码信号 （3）开关信号,输出脉冲（数码）与状态一一对应,输出脉冲反映变化量,输出只有、通断、高低、01两种状态,模拟式测量电路的基本组成,2018/9/4,模拟式测量电路的基本组成,数字式测量电路的基本组成,2018/9/4,增量码数字式测量电路的基本组成,开环控制系统基本组成,开环控制系统的基本组成,闭环控

6、制系统基本组成,设定 电路,比较 电路,校正 电路,转换 电路,给定 机构,执行 机构,被控 对象,输出,传感器,扰动,放大 电路,控制电路,闭环控制系统的基本组成,智能测控系统的基本构成,前向通道：信号输入,后向通道：信号输出,2.测量误差与精度,2.1检测与测量、计量 2.2误差的表示 2.3误差的来源及分类 2.4误差数字特征及处理 2.5测量精度,2.1检测与测量、计量,一般指获取信息的过程,1）狭义测量 测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。 在测量过程中，人们借助专门的设备、技术，把被测对象直接或间接地与同类已知标准单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。,检测过

7、程：,信息提取、信号转换、存储与传输、显示记录、分析处理,检测技术：,信号检测方法、检测系统结构及实现、检测信号具体处理,计量学基础知识,是将被测量与标准量进行比较，获得被测量对比标准量的倍数的过程。,测量:,检测：,21,一般有：测量结果测量数值测量单位。,2）广义测量广义上，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位（属性）的测量。,广义测量,含有信息获取过程，包括信息的感知和信息识别两个环节。,例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。,检测广义测量,测量结果一般表示为 X=AX0 X被测量； X0标准量；A测量数值（比值）

8、。,22,计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的检定证书。 计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。 计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。,计量：,用于进行比较的量值为1的基准物理量，称为单位。 单位是表征测量结果的重要组成部分， 又是对两个同类量值进行比较的基础,计量（测量）单位和单位制,被测量 基准量,单位,测量：,倍数（结果）,1960年第十一届国际计量大会正式通过国际单位制SI。 1984年2月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。 S

9、I有7个基本单位- 相互独立,1、国际单位制基本单位,2、单位增大或缩小， 使用词头表示倍数,mm、m、 nm （10-9m）； kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）,计量单位-国际单位制（SI）,(1)一级基准，又称主基准和国家基准，具有最高水平的基准。一个国家只有一个。 (2)二级基准，又称副基准。副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对 (3)三级基准，又称工作基准；工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。,基准的等级,2)标准,根据工作基准复制，便于经常使用的计量标准量具或仪器，简称标准。 计量标准

10、的准确度等级在工作基准之下，工作计量器具之上。 按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其量值的精确度大小。,计量基准：用于统一量值的最高标准的测量器（原器）。,如：1889年的第一界国际计量大会确定“米原器”为国际长度基准，它规定1米就是米原器在0摄氏度时两端的两条刻线间的距离。米原器的精度可以达到0.1 微米,计量的基准和标准,25,测量基准的权威性和相对性,1.基准的权威性 基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。 但基准原器自身也会随时间、地点、环境条件而变化，会损坏，甚至会失传。,一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科

11、学水平 例：在1960年第11界国际计量大会上，通过废除了米原器决议，规定了新的“米”的标准，是氪86同位素灯在规定条件下发出的橙黄色光在真空中的波长。1983年10月，联合国度量组织在巴黎举行会议，规定了新的“米”的定义，即把光在真空中299792458 分之一秒所走的距离定为一个标准米。,2.基准的相对性,26,计量标准器具：准确度低于计量基准，可进行量值传递，用于检定工作计量器具的计量器具。 工作计量器具：工作岗位上使用，直接用来测量被测对象量值的计量器具。 量值的传递： 指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过

12、程。 校准： 校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。 检定： 是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。,计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类。,计量器具的校准与检定：,2.2误差的表示,由于实际条件的限制，测量永远不可能无限精确，物理量的测量值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异，这种差异就是测量误差,误差的定义及表示法

13、,定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差:,x 绝对误差 x 测量值（结果） x0 真值,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法,1.绝对误差（Absolute Error）,绝对误差特点：,1) 绝对误差是一个具有确定的大小、符号、单位的量。可反映测量值偏离真值的程度 2) 绝对误差与测量值、真值的量纲（单位）相同。 3）真值指被测量的客观真实值(一般只能无限接近),x 绝对误差 x 测量值（结果） x0 真值,（1）理论真值（True Value）：,理论上存在、计算推导出来,如：三角形内角和180,实际测量中，人们通常用两种方法来近似确定真值,（2）约定真值(Conve

14、ntional True Value）：,(或称：相对真值、指定值、最佳估计值、约定值或参考值),约定真值：指真值的一个约定近似值，测量中，它与真值之差可忽略不计。,实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之算数平均值作为约定真值。,检测系统可采用校准与检定的方法测取约定真值。即：用相应的高一级精度的计量仪器或装置的测量结果作为近似真值。,国际上公认的最高基准值,如：基准米,1m=1 650 763.73 ,误差是针对真值而言的，真值一般都是指约定真值。,（3）修正值(Correction)：,为了消除固定的绝对误差（系统误差）用加到测量结果上的值。,修正值,真值x0,测量值x,=

15、,特点：,1) 与误差大小相等，但方向相反。修正值本身亦有误差 2)修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。 3）检测系统的修正值可以通过上一级标准的检定给出，通过修正值检测系统可以校正被测量示值。,=,误差x,例:,用某电压表测量电压，电压表的示值为226V，查该表的检定证书，得知该电压表在220V附近的误差为5V ，被测电压的修正值为5V ，则修正后的测量结果为226+(5V )=221V。,2.相对误差（Relative Error）,一般表示成百分分数的形式,特点：1）相对误差只有大小和符号，没有单位。2）相对误差不仅与它的绝对误差的大小有关，而且与这个量本身的大小有关。,依据真

16、值获取方式又有：,实际相对误差： 用实际值（相对真值）A代替真值x0 示值相对误差： 用特定值（相对特定标准）代替实际值x0,相对误差r ：绝对误差 x与被测量的(约定)真值x0之比,r =,绝对误差可以评定其测量值偏离真值的程度；但不能反映测量的质量（精度）。测量精度不仅与绝对误差有关，还与被测量的大小有关。,测量精度与误差,精度一般指：测量值与真值吻合程度,测量精度一般采用相对误差来评价。,例如：用米尺测量两个物体的长度分别是1000米和10米，两次测量的绝对误差都是1米，从绝对误差来看，对两次测量的评价是相同的，但是前者的相对误差为01%，后者则为10%，后者（精度低）的相对误差是前者的一百倍。,