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