機械工程測控技術(shù)基礎(chǔ)及系統(tǒng)集成應(yīng)用

前言

先進的機電一體化產(chǎn)品及生產(chǎn)自動化系統(tǒng)是依靠檢測和控制系統(tǒng)來對各種物理量進行在線檢測和對執(zhí)行機構(gòu)進行反饋控制的。檢測系統(tǒng)用來精確獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)和結(jié)果；控制系統(tǒng)則根據(jù)檢測結(jié)果，按照預(yù)先設(shè)計的控制規(guī)律計算出控制量，實時地向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，使整個機電一體化系統(tǒng)能夠按照一定的品質(zhì)特征工作。在整個過程中，要求檢測和控制環(huán)節(jié)在時間和空間上相互銜接，在數(shù)據(jù)和指令上相互印證。正因如此，通常將檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組合后統(tǒng)稱為測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)好比一個人的感官、神經(jīng)和大腦，具備信息感知、傳遞和處理等功能。人的感官、神經(jīng)和大腦是在長期的進化過程中逐步形成、相得益彰的，人類信息獲取、處理、傳遞、反饋的協(xié)同工作機制堪稱完美。對于機械自動化裝置和系統(tǒng)來說，將信息獲取、處理、傳遞、反饋等內(nèi)容和環(huán)節(jié)系統(tǒng)加以考慮，達到優(yōu)化組合、完美結(jié)合的效果，也是從事機械自動化系統(tǒng)設(shè)計的工程技術(shù)人員追求的目標。然而，傳統(tǒng)的課程和教材，如信號和系統(tǒng)、機械工程測試技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機測控等往往以單元技術(shù)和單一目的為主，這對于因強調(diào)通識教學(xué)而減少專業(yè)課時后，再要著力強化工程實踐能力的機械自動化工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)尤感不足。這也正是作者不揣冒昧編寫此書的目的，希望能對從事相關(guān)工作的工程技術(shù)人員，以及機械自動化工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)有所裨益，同時真誠地期待更多的專家、學(xué)者有更好的教材和著作出版。本書以測控技術(shù)為基礎(chǔ)，以測控系統(tǒng)計算機集成應(yīng)用為目的，討論信號的獲取、傳感、處理和反饋控制、計算機集成應(yīng)用等問題，旨在形成一個較為完整系統(tǒng)的知識和能力體系。全書共6章，前3章為信號、傳感、處理等方面的技術(shù)基礎(chǔ)；第4章為系統(tǒng)及系統(tǒng)特性分析基礎(chǔ)；第5章為計算機集成應(yīng)用基礎(chǔ)，介紹機械自動化系統(tǒng)中常用的計算機軟硬件、通信、總線等基礎(chǔ)知識；第6章為測控系統(tǒng)應(yīng)用實例。本書基本涵蓋了機械工程測試技術(shù)、信號和傳感技術(shù)等傳統(tǒng)課程的教學(xué)大綱內(nèi)容，在這一基礎(chǔ)上強調(diào)系統(tǒng)集成應(yīng)用。因此，本書既可以作為機械工程及自動化、機械電子工程、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)和其他相近專業(yè)本科高年級的教材，也可作為高校推行素質(zhì)教學(xué)、工程教學(xué)改革的特色教材，也可供相關(guān)的工程技術(shù)人員參考。

內(nèi)容概要

　　《機械工程測控技術(shù)基礎(chǔ)及系統(tǒng)集成應(yīng)用》以測控技術(shù)為基礎(chǔ)，以測控系統(tǒng)計算機集成應(yīng)用為目的，討論信號的獲取、傳感、處理和反饋控制、計算機集成應(yīng)用等問題，旨在形成一個較為完整系統(tǒng)的知識和能力體系。全書共6章，前3章為信號、傳感、處理等方面的技術(shù)基礎(chǔ)；第4章為系統(tǒng)及系統(tǒng)特性分析基礎(chǔ)；第5章為計算機集成應(yīng)用基礎(chǔ)，介紹機械自動化系統(tǒng)中常用的計算機軟硬件、通信、總線等基礎(chǔ)知識；第6章為測控系統(tǒng)應(yīng)用實例。　　《機械工程測控技術(shù)基礎(chǔ)及系統(tǒng)集成應(yīng)用》基本涵蓋了機械工程測試技術(shù)、信號和傳感技術(shù)等傳統(tǒng)課程的教學(xué)大綱內(nèi)容，在這一基礎(chǔ)上強調(diào)系統(tǒng)集成應(yīng)用。因此，《機械工程測控技術(shù)基礎(chǔ)及系統(tǒng)集成應(yīng)用》可作為機械工程及自動化、機械電子工程、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)和其他相近專業(yè)本科高年級的教材，也可作為高校推行素質(zhì)教學(xué)、工程教學(xué)改革的特色教材，也可供相關(guān)的工程技術(shù)人員參考。

作者簡介

屠大維，1987、1989、1993在浙江大學(xué)分別獲學(xué)士、碩士、博士學(xué)位。現(xiàn)為上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院執(zhí)行院長、教授、博士生導(dǎo)師。從事傳感檢測及信號處理、光機電一體化精密機械及儀器、機器視覺及機器智能等方面的教學(xué)、科研工作。擔(dān)任國務(wù)院學(xué)位委員會機械工程學(xué)科評議組成員、中國儀器儀表學(xué)會精密機械分會常務(wù)理事、機械工業(yè)教育協(xié)會機械設(shè)計制造及自動化分委員會委員等學(xué)術(shù)職務(wù)。先后主持國家自然科學(xué)基金項目3項，負責(zé)完成省部及企事業(yè)項目30余項。并取得較好的經(jīng)濟社會效益。已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊及會議上發(fā)表論文80余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利3項，合作出版專著1本。曾榮獲上海市高校優(yōu)秀青年教師、王寬誠育才獎、上海大學(xué)十佳杰出青年、上海市政府重大工程“上?？萍拣^”建設(shè)立功競賽個人記功等榮譽。入選上海市科委科技“啟明星”人才計劃。兼任民革中央委員、上海市政協(xié)委員等社會職務(wù)。

書籍目錄

前言緒論0.1 現(xiàn)代機械系統(tǒng)中的測控技術(shù)和系統(tǒng)集成0.2 本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法第1章 信號及信號分析1.1 概述1.2 信號分類與描述1.2.1 信號的分類1.2.2 信號的時域描述和頻域描述1.3 信號的時域分析1.3.1 信號分析中的常用函數(shù)1.3.2 信號的時域運算1.3.3 信號的時域分解1.3.4 周期信號的強度1.4 周期信號及其頻域分析1.4.1 傅里葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式1.4.2 傅里葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開式1.4.3 周期信號的功率及功率譜1.5 非周期信號及其頻域分析1.5.1 傅里葉變換1.5.2 能量譜1.5.3 傅里葉變換的主要性質(zhì)1.5.4 典型功率信號的頻譜1.6 隨機信號及其分析1.6.1 概述1.6.2 隨機信號的主要特征參數(shù)1.6.3 相關(guān)分析及其應(yīng)用1.6.4 功率譜分析及其應(yīng)用參考文獻第2章 傳感技術(shù)基礎(chǔ)2.1 概述2.2 傳感器分類及其基本特性2.2.1 傳感器的分類2.2.2 傳感器的基本特性2.3 機械式傳感器2.4 電阻式傳感器2.4.1 電位器式傳感器2.4.2 電阻應(yīng)變式傳感器2.5 電感式傳感器2.5.1 可變磁阻式電感傳感器2.5.2 渦流式電感傳感器2.5.3 差動變壓器式電感傳感器2.6 電容式傳感器2.6.1 工作原理2.6.2 類型2.6.3 電容式傳感器的特點及等效電路2.6.4 電容傳感器測量電路2.6.5 電容傳感器的應(yīng)用2.7 壓電式傳感器2.7.1 壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)2.7.2 壓電式傳感器簡介2.7.3 壓電式傳感器的等效電路2.7.4 壓電晶片的并聯(lián)和串聯(lián)2.7.5 壓電式傳感器的測量電路2.7.6 壓電式傳感器的應(yīng)用2.8 磁電傳感器2.8.1 磁電感應(yīng)式傳感器2.8.2 霍爾傳感器2.9 光電傳感器2.9.1 光電效應(yīng)2.9.2 光電器件及其特征2.9.3 測量電路及應(yīng)用2.10 熱電式傳感器2.10.1 熱電阻2.10.2 熱敏電阻2.10.3 熱電偶2.11 計數(shù)編碼類傳感器2.11.1 感應(yīng)同步器2.11.2 光柵傳感器2.11.3 磁柵傳感器2.11.4 光電編碼器2.12 圖像傳感器2.12.1 CCD芯片2.12.2 CMOS芯片2.12.3 圖像傳感器的應(yīng)用2.13 微型、智能及網(wǎng)絡(luò)傳感器2.13.1 微型傳感器2.13.2 智能傳感器2.13.3 網(wǎng)絡(luò)傳感器參考文獻第3章 信號處理基礎(chǔ)3.1 信號處理概述3.2 模擬信號處理基礎(chǔ)3.2.1 模擬信號處理概述3.2.2 信號放大3.2.3 調(diào)制解調(diào)3.2.4 濾波3.3 數(shù)字信號處理基礎(chǔ)3.3.1 數(shù)字信號處理概述3.3.2 數(shù)字信號處理的基本步驟3.3.3 A／D、D／A轉(zhuǎn)換器3.3.4 采樣定理3.3.5 泄漏與加窗處理3.3.6 離散傅里葉變換3.3.7 柵欄效應(yīng)3.3.8 常見數(shù)字信號處理參考文獻第4章 系統(tǒng)及系統(tǒng)特性分析基礎(chǔ)4.1 線性系統(tǒng)與常微分方程4.1.1 系統(tǒng)分類和特點4.1.2 定常線性系統(tǒng)4.2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)4.2.1 傳遞函數(shù)的定義4.2.2 環(huán)節(jié)的串聯(lián)、并聯(lián)和反饋4.2.3 一些典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)4.2.4 傳遞函數(shù)框圖及其等價變換4.3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)4.4 系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)4.5 一階、二階典型系統(tǒng)特性分析4.5.1 一階、二階系統(tǒng)的動態(tài)特性4.5.2 一階、二階系統(tǒng)對典型激勵的響應(yīng)4.6 系統(tǒng)對任意輸入的響應(yīng)4.7 系統(tǒng)不失真條件4.8 系統(tǒng)負載效應(yīng)4.9 系統(tǒng)校正4.10 系統(tǒng)的干擾源和抗干擾性設(shè)計4.10.1 系統(tǒng)干擾源4.10.2 供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾4.10.3 信道干擾及其抗干擾4.10.4 接地設(shè)計參考文獻第5章 計算機集成應(yīng)用基礎(chǔ)5.1 概述5.2 單片微控制器5.2.1 單片微控制器的硬件結(jié)構(gòu)5.2.2 單片微控制器的指令系統(tǒng)5.2.3 單片微控制器的特點及應(yīng)用5.3 數(shù)字信號處理器5.3.1 DSP算法的特點及其硬件要求5.3.2 DSP處理器的基本結(jié)構(gòu)組成5.3.3 DSP應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)點及其應(yīng)用5.4 嵌入式微處理器5.4.1 嵌入式系統(tǒng)的概念5.4.2 嵌人式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)5.4.3 嵌入式系統(tǒng)的特點5.5 可編程序控制器5.5.1 PLC概述5.5.2 PLC結(jié)構(gòu)組成及工作原理5.5.3 PLC指令及其程序設(shè)計5.6 系統(tǒng)集成中的計算機接口技術(shù)5.6.1 系統(tǒng)集成中接口技術(shù)的作用5.6.2 系統(tǒng)集成中計算機接口5.7 計算機通信原理與人機接口5.7.1 計算機通信原理5.7.2 人機接口5.8 計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議5.8.1 計算機網(wǎng)絡(luò)5.8.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議5.9 計算機測控系統(tǒng)集成體系結(jié)構(gòu)5.9.1 計算機測控系統(tǒng)集成體系5.9.2 管控一體化集成體系5.10 現(xiàn)場總線技術(shù)5.10.1 現(xiàn)場總線簡介5.10.2 現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)特點與優(yōu)點5.10.3 幾種典型現(xiàn)場總線參考文獻第6章 測控系統(tǒng)應(yīng)用實例6.1 物料自動分揀系統(tǒng)中的傳感和系統(tǒng)集成6.1.1 概述6.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.1.3 系統(tǒng)集成6.2 智能焊接機器人焊縫跟蹤測控系統(tǒng)6.2.1 概述6.2.2 智能焊接機器人的主要子系統(tǒng)及其功能6.2.3 智能焊接機器人的計算機集成6.2.4 基于視覺的焊縫跟蹤測量與控制6.2.5 基于視覺的焊縫跟蹤軟件流程6.3 虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用6.3.1 概述6.3.2 虛擬儀器技術(shù)與基本構(gòu)成6.3.3 虛擬儀器的應(yīng)用參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：2．信道的抗干擾措施信號通道通常采用下列一些抗干擾措施：1)合理選用元器件和設(shè)計方案。如盡量采用低噪聲材料、放大器采用低噪聲設(shè)計、根據(jù)測量信號頻譜合理選擇濾波器等。2)印制電路板設(shè)計時元器件排放要合理。小信號區(qū)與大信號區(qū)要明確分開，并盡可能地遠離；輸出線與輸入線避免靠近或平行；有可能產(chǎn)生電磁輻射的元器件（如大電感元件、變壓器等)盡可能地遠離輸入端；合理地接地和屏蔽。3)在有一定傳輸長度的信號輸出中，尤其是數(shù)字信號的傳輸可采用光耦合隔離技術(shù)、雙絞線傳輸。雙絞線可最大可能地降低電磁干擾的影響。對于遠距離的數(shù)據(jù)傳送，可采用平衡輸出驅(qū)動器和平衡輸入的接收器。4．10．4接地設(shè)計系統(tǒng)電路中地線是所有電路公共的零電平參考點。理論上，地線上所有位置的電平應(yīng)該相同。然而，由于各個地點之間必須用具有一定電阻的導(dǎo)線連接，一旦有地電流流過時，就有可能使各個地點的電位產(chǎn)生差異。同時，地線是所有信號的公共點，所有信號電流都要經(jīng)過地線。這就可能產(chǎn)生公共地電阻的耦合干擾。地線的多點相連也會產(chǎn)生環(huán)路電流。環(huán)路電流會與其他電路產(chǎn)生耦合。所以，認真設(shè)計地線和接地點對于系統(tǒng)的穩(wěn)定是十分重要的。常用的接地方式有下列幾種可供選擇。1．單點接地各單元電路的地點接在一點上，稱為單點接地。其優(yōu)點是不存在環(huán)形地回路，因而不存在環(huán)路地電流。各單元電路地點電位只與本電路的地電流及接地電阻有關(guān)，相互干擾較小。2．串聯(lián)接地各單元電路的地點順序連接在一條公共的地線上，稱為串聯(lián)接地。每個電路的地電位都受到其他電路的影響，干擾通過公共地線相互耦合。雖然接法不合理，但因接法簡便，還是常被采用。

編輯推薦

《機械工程測控技術(shù)基礎(chǔ)及系統(tǒng)集成應(yīng)用》：普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材。

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