集成技术思考题参考答案 第5稿.docx
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集成技术思考题参考答案第5稿
第一章绪论
1.请叙述系统集成的概念、目的以及所涉及关键技术。
所谓系统集成，就是通过结构化的综合布线系统和网络技术，将各个分离的产品、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，发挥整体效益，以达到整体性能最优。
系统集成优点是使所要达到的目标-整体性能最优，所有部件和成分合在一起后不但能工作，而且所组成全系统具有低成本的、高效率的、性能匀称的、可扩充性和可维护的特点。
系统集成是一种新兴技术与服务方式，是近年来国际信息服务业中发展势头最猛的一个行业。
系统集成包括功能集成、网络集成、软件界面集成等多种集成技术。
具体涉及到不同信息在集成系统各层次上的融合、各不同层次的总体配置、信息流的分配与控制、系统的优化及多目标优化与决策、系统的建模、系统接口和操作系统的设计以及系统的可靠性等关键技术。
2.什么是负载效应？
如何消除测量系统的负载效应？
负载效应广义概念是指某一系统（或环节）后接另一系统（或环节），由于其相互作用和影响而产生的种种现象。
两个环节连接，系统前后环节之间发生能量交换会产生如下现象：
两系统连接处甚至整个系统的状态和输出都发生变化；
两系统共同构成一个新系统，会保留原两系统的主要特征，但与原系统直接串联或并联后的特征不一致。
负载效应狭义概念是由于负载变化而引起输出稳定量变化的效应。
测量系统的负载效应指测量系统与被测对象之间、测量系统内部各环节之间互相联接相互作用而产生的现象。
接入测量装置，形成被测对象负载，故尽量采用非接触传感方式减少负载效应；后接环节总是成为前面环节的负载，并对前面环节的工作状态产生影响。
减少其负载效应措施包括：
后接环节提高后续环节（负载）输入阻抗；
在原来两个相联接的环节中，插入高输入阻抗、低输出阻抗放大器，减小吸取前面环节能量，减小承受后一环节后电压输出变化，减轻总的负载效应;
使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不从前环节吸取能量。
第二章集成系统传感器选择
3.如何理解传感器发展的微型化、智能化、多功能化、集成化特点？
传感器微型化指传感器尺寸极度缩小，如敏感元件的尺寸从微米级到毫米级、甚至达到纳米级，主要采用精密加工、微电子以及微机电系统技术。
微型化使得传感器不仅具有体积小、功耗低等常规传感器不具有特点，而且由于尺度效应的作用，呈现许多新物理性质。
集成微传感器是指将微小的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上；微传感器系统是指传感系统中不但包括微传感器，还包括微执行器，可以独立工作，甚至由多个微传感器组成传感器网络，或者可实现异地联网。
传感器智能化指传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理。
“IntelligentSensor”是英国人对智能传感器的称谓，“SmartSensor”是美国人对智能传感器的俗称。
具体地讲，智能传感器具备数据采集、数据处理、数据存储、自诊断、自补偿、在线校准、逻辑判断、双向通讯、数字输出/模拟输出等功能，极大地提高了传感器的准确度、稳定性和可靠性。
由于采用标准的数字接口，智能化传感器有着很强的互换性和兼容性。
传感器多功能化是指将原本多个传感器执行的功能集成在一个传感器中，使之具有更强的功能。
由若干种敏感元件组成的多功能传感器是一种体积小巧且多种功能兼备的新一代探测系统，多功能传感器具有高度综合化、小型化和降低成本等优点，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。
传感器集成化指单一功能的传感器，借助于微电子和MENS技术中的微细加工技术，与其他传感器或执行器、信号处理元件及电路集成在一个系统中，而且往往是集成在一个芯片上，使之形成全固体化的功能器件。
集成化技术包括传感器与IC的集成制造技术以及多参量传感器的集成制造技术，主要进行硬件与软件两方面的集成。
集成化使得传感器体积缩小、可靠性提高、并有效地增强了抗干扰能力。
4.在系统集成中，如何理解传感器的选择与在系统中的配置十分关键？
在仪器仪表的系统集成中，需要解决以下关键问题，即针对系统的总体功能，要选择适用于测量任务的传感器种类、信息传递的方式、传感器的大小和尺寸、配置的方式和同系统各部分的协调关系。
然而由于针对需要测量和控制的不同物理量，传感器所依据的物理原理不尽相同，因此将多个传感器组合在一起用于监测某个大范围区域的不同运作状况时，存在着如何将这些传感器有机集成为一个监测系统的问题，因此必须针对不同监测状况的参数选择不同的传感器。
同时，必须将这些传感器按照某种确定的协议来进行配置，以便实现监测数据的最优传输和对被监测状况的最优控制。
因此，根据测量任务来合理进行传感器的选择，对实现仪器仪表系统的配置至关重要，并且是首当其冲要解决的技术问题。
5.比较几种（电阻型、电感型、电容型、涡流型、压电型、磁电型、光电型）传感器的基本工作原理、分类、特点（包括信号处理难度）、量程、灵敏度、体积大小与安装方式，以及在集成系统中的应用特点。
A、电阻型传感器：
电阻型传感器是将位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化，再经过转换电路变成电量输出的传感器。
电位器式传感器
电阻应变式传感器
半导体压阻式传感器
工作原理
把机械的线位移和角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻和电压输出
特点
优点是结构简单、尺寸小、精度高、重量轻、输出性号大、性能稳定；
缺点是要求输入能量大、电刷与电阻元件之间容易磨损；
优点是精度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化；
缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施
优点是频率响应高,适于动态测量;体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；精度高，可达0.1～0.01%；灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境；
缺点是温度影响较大（有时需进行温度补偿）、工艺较复杂和造价高；
量程
电位器式位移传感器通常用于测量几毫米到几十米的位移和几度到360°的角度
一般满量程输出最多在15mV左右
一般满量程输出为100mV左右
灵敏度
以典型的YHD型电位式位移传感器为例，其灵敏度可达0.01mm
0.02mm
灵敏度高，能测出十几帕斯卡的微压
体积大小与安装方式
该类型传感器体积相对较大，根据现场安装需要进行螺纹式等安装
该类传感器易于实现小型化，常采用表面粘贴的方式安装。
根据现场的安装需要，可选用投入式、法兰式、直杆式或螺纹式等安装方式得压阻式传感器
在集成系统中的应用特点
电位器式传感器可将机械的直线位移或角位移输入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
它除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用于测量压力、加速度、液位等物理量。
电位器式传感器的电阻元件与电刷间由于存在摩擦及分辨率有限，故其精度一般不高，动态响应较差，主要适合于测量变化较缓慢的量。
该类型传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。
它是基于电阻应变效应制造的一种测量微小机械变量的传感器。
应变式电阻传感器采用测量电桥，把应变电阻的变化转换成电压或者电流变化。
应变片的温度补偿不可忽略。
主要用于测量压力、加速度和载荷等。
B、电感型传感器：
电感型传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量的输出的传感器。
变磁阻式传感器
差动变压器式传感器
电涡流式传感器
工作原理
将位移、转速、加速度等非电物理量转换为磁阻变化的传感器。
它包括电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器
利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。
由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。
通过电涡流效应的原理，准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面的相对位置。
特点
优点是结构简单：
工作中没有活动电接触点，因而比电位器工作可靠，寿命长；传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输与放大；重复性好线信度优良：
在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁组式传感器，非线性误差仅0.1%；
缺点是存在交流零位信号，不易于高频动态测量；
优点是测量精度高，可达0.1μm；线性范围大，可到±100mm；稳定性好，使用方便。
因而被广泛应用于直线位移，或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量；
优点是长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单，能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量；
缺点是对被测材料敏感性强。
被测体厚度不能太薄，对一般钢材来说，其厚度要大于0.2mm；
量程
测量频率范围0~10KHz
1mm～100mm
0-25mm
灵敏度
灵敏度高分辨率大：
能测出0.01um甚至更小的机械位移变化，能感受小到0.1的微小角度变化。
0.1μm
0.64mm-16mm
体积大小与安装方式
安装时通常采用机壳或支架形式、径向安装于测速齿盘上。
如果必须安装于正对测速齿盘时，应注意与齿顶的间隙。
典型的SWY系列差动变压式位移传感器为回弹式和拉杆式，长度为180-2400（A±2mm）
典型的YDYT9800系列电涡流传感器安装时应保证探头的头部与安装面之间不小于一定的距离，工程塑料头部体要完全露出安装面，否则应将安装面加工成平底孔或倒角。
探头直径范围为5-50mm
在集成系统中的应用特点
变磁阻式传感器的三种基本类型，电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器都可制成转速传感器。
电感式转速传感器利用磁通变化而产生感应电势。
开磁路式转速传感器结构比较简单，输出信号较小，不宜在振动剧烈的场合使用。
差动变压器式传感器可直接用于位移的测量，也可以测量与位移有关的任意机械量，如振动、加速度、应变、比重和厚度等。
对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测，可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及预维修
C、电容型传感器：
电容型传感器是把被测量（如尺寸、压力等）的变化转换为电容量变化的传感器。
变极距型电容传感器（d）
变面积型电容传感器（A）
变介质型电容传感器（ε）
工作原理
两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则由容量随极距按非线性关系变化。
变面积型电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。
变介质型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。
特点
可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高（可达nm级），适应于较小位移（1nm~1um）的精度测量。
但是存在原理是的非线性误差，线路杂散电容（如电缆电容、分布电容等）的影响显著。
它的输出时线性的，灵敏度K是常数；电容的相对变化与位移的大小成正比，但方向相反，因为面积变化总是在减小。
一般都具有较好的线性特性，但也有输入/输出呈非线性关系。
动态响应好。
由于极板间的静电引力很小，可动部分做得很小很薄，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量，如测量振动、瞬时压力等。
量程
测量精度约为2%
测量精度可达0.3um
位移测量范围在1um—10mm之间
在集成系统中的应用
面积变化型电容传感器用于各种压力、加速度等物理量的测量。
介质变化型电容传感器用于对不同材料如纸、塑料膜、合成纤维等的厚度测量，以及用于对非导电液体和松散物料的液位或填充高度的测量。
极距变化型电容传感器用于微小极距变化的测量。
D、涡流型传感器：
电涡流式传感器是利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。
工作原理
根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。
而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
分类
高频反射式电涡流传感器
低频透射式电涡流传感器
特点
其特点是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响；
主要的缺点是不能够在带电的环境中工作，对被测物体的材料也有着非常严格的要求。
量程
0-25mm（可扩量程）
灵敏度
特殊定制系列灵敏度为16mA/mm~0.64mA/mm，平均灵敏度误差：
≤±5%
体积大小与安装方式
采用螺孔安装时,适当长度的无螺纹部分可以减少需要旋入螺孔的长度。
最小壳体长度20mm，最大壳体长度250mm。
在集成系统中的应用
常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测，可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及预维修。
电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速。
E、压电型传感器：
外力作用型
惯性力作用型
片式
悬臂梁式
片式
圆筒剪切式
工作原理
在外力作用下，压电片变形并产生电荷，由电极和内引线引出，q=DF与力成正比。
为了在较小的力F的情况下，得到较大的电荷量q，采用悬臂梁结构。
当传感器受到加速度作用时，质量块的惯性力使压电晶片变形，由此产生的的电荷量与加速度成正比。
圆筒型压电元件的内外圈镀有电极，并分别与质量块和底座牢固粘接。
当质量块的惯性力使压电元件产生剪切变形时，产生与加速度成正比的电荷，由引线引出。
特点
可采用双片或多片串或并联以提高灵敏度。
为提高灵敏度，一般采用双片串或并联结构。
多用于测量微小位移。
多用于测量加速度，其体积小，使用频带宽但不适合作缓变的加速度测量。
剪切式结构对横向加速度影响不敏感，性能优于片式结构，但制造工艺较复杂。
量程
以单向压电石英力传感器为例，可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力
以压电式加速度传感器HK9101-J为例，其量程为-100g~+100g，g为重力加速度
灵敏度
压电式测力传感器灵敏度可达3-10N
对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。
一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。
体积大小与安装方式
压电式测力传感器通常体积较小，可采用片式或悬臂梁式的安装方式。
压电式加速度传感器在测试时具有明显的方向性。
在集成系统中的应用
主要用于动态力，尤其是冲击力的测量
主要用于测量振动和振动参数
F、磁电型传感器：
磁电型传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器，不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种无源传感器。
磁电感应式传感器
霍尔式传感器
工作原理
以法拉第电磁感应定律为基础，将被测量的变化转变为感应电动势的输出，一般来说可以分为变磁通式和恒磁通式两种。
霍尔传感器是利用霍尔效应制作的传感器。
霍尔效应是指当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的平行于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差。
线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。
特点
优点是不需要外部供电电源，有较大的输出功率，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又有一定的频率响应范围（一般为10-1000Hz）；
缺点是传感器尺寸和重量都很大，只适用于动态测量。
优点是可以测量任意波形的电流和电压；在工作温度区内精度优于1%；线性度优于0.1%；宽带宽：
高带宽的电流传感器上升时间可小于1μs；结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、不怕污染或腐蚀；
缺点是互换性差，信号随温度变化，非线性输出。
量程
典型的磁电转速传感器SZMB-9测量范围为50～5000Hz。
霍尔传感器电流测量可达50KA，电压测量可达6400V，测量频率为0～100KHz；
灵
敏
度
磁电感应式传感器通常来说灵敏度较高。
典型的SZ-6、6C型磁电式速度传感器灵敏度为：
50mV/mm/s±5%；
霍尔式传感器灵敏度为
，
为电阻率，
为载流子迁移率，d为霍尔片厚度。
典型的SS49系列霍尔传感器灵敏度为3.125±0.094。
体积大小与安装方式
磁电感应式传感器SZMB-9体积一般都很大，典型的磁电转速传感器外形尺寸达到φ16×（L+32）。
霍尔式传感器的结构牢固、体积较小。
典型的SS49系列霍尔传感器尺寸小（约4mm×3mm），安装方式为贴片式。
在集成系统中的应用
一般用于振动、扭矩、转速的测量。
直接应用时可以用来测定速度，在信号调节电路中接积分电路或者微分电路就可以来测量位移或者加速度。
磁电感应式传感器主要用于测量低频振动参数。
霍尔式传感器应用非常的广泛，在测量领域，可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。
由于其体积小可以方便集成，可以测量磁物理量和电量、非电量，并且能够方便而准确地实现乘法运算，构成各种非线性运算部件。
G、光电型传感器：
光电型传感器是把被测量的变化转化为光信号的变化，然后通过光电转换元件将光信号转换成电信号输出的传感器，工作的基础是光电效应。
具有结构简单、可测参数众多、高可靠性和反应快等优点，可以实现非接触式的测量。
基于外光电效应的光电倍增管
基于光导电效应的光敏电阻
基于光生伏特效应的光电池
工作原理
光电倍增管是利用外光电效应制成的光电元件。
外光电效应是指在光照作用下物体内电子逸出物体表面，形成光电流。
光敏电阻是利用光导电效应制成的光电元件，光导电效应是指在光照作用下物体导电性能发生改变的现象。
光电池是利用光生伏特效应制成的光电元件光生伏特效应是指在光线的作用下使物体产生一定方向电动势的现象。
特点
优点是可以探测微弱的信号，光电特性的线性关系好，工作效率高，性能稳定、使用方便；
缺点是供电电压较高，抗震性差而且体积大、价格昂贵。
光敏电阻具有灵敏度高、体积小、质量轻、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长等优点。
缺点是受温度影响较大，响应速度不快，延迟时间受入射光的光照度影响。
光电池工作不需要外加电压，可靠稳定寿命长、安装维护简便而且频率特性好、噪声低。
单晶硅电池成本较高；非晶硅太阳电池转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害
体积大小与安装方式
最小有效尺寸8×24mm。
安装时使用中光电传感器的前端面与被检测的工件或物体表面必须保持平行，这样光电传感器的转换效率最高；光电传感器的前端面与反光板的距离保持在规定的范围内；光电传感器必须安装在没有强光直接照射处，因强光中的红外光将影响接收管的正常工作。
在集成系统中的应用
光电倍增管的直流工作方式适用于长时间或重复性测量弱光事件；脉冲工作方式适用于短时间或一次性测量弱光事件。
在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性。
用于检测如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等直接引起光量变化的非电量。
广泛应用于光电读出、光电耦合、光栅测距等领域内。
可用来检测如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等能转换成光量变化的其他非电量。
6.设计光电系统时如何选择光源与探测器。
设计光电系统时，对光源及探测器选择是非常重要的技术问题,主要选择原则有:
光源选择：
对光源发光光谱特性要求。
光谱特性包括光谱范围：
紫外、可见、红外；连续还是几个特定的光谱段；
对光源发光强度要求。
对探测器所需的最大、最小光通量进行正确的估计。
强度过低：
信号过小，无法正常检测；强度过高：
非线性，损坏系统、待测物或光电探测器，浪费能源；
对光源稳定性的要求。
满足使用精度要求。
交流量的测量（脉冲量、调制光相位）要求低；直流量的检测（强度）要求高。
稳定方法：
稳压，稳流，反馈控制。
光源要老化处理。
灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的材料、形状和均匀性；发光效率和空间分布。
探测器选择：
探测器输出电信号的大小与测量光信号大小的关系；
探测器的光谱响应范围与测量光信号光谱范围是否一致；
探测器能探测的最小信号功率；
探测调制信号或脉冲光信号时，探测器的响应时间；
探测光信号幅值时，探测器输出的信号幅度与光信号幅值是否成线性关系；
探测器噪声电平的大小。
第三章
测控系统的体系构架与建模仿真方法
7.系统需求分析中，技术要求包括哪些内容？
设计原则如何？
答：
系统需求分析中，技术要求主要包括系统功能、性能指标、使用条件、经济效益等四个方面，具体为：
系统功能：
系统都是提供给最终用户使用的，系统的功能是最终用户首要关心的问题，也是生产者预测市场需求的首要事项。
任何系统的功能要求，都要从市场需求出发，尊重最终用户的意见，结合技术上的可行性再作抉择；
性能指标：
性能指标是系统功能的定量标准，当系统功能决定后，每一项功能都应该满足一定的性能指标，这样才具有使用价值。
对于仪器仪表，性能指标一般有分辨率、灵敏度、尺寸精度、线性度、运行速度和工作范围等；
使用条件：
任何系统都在一定条件下运行的，其中包括客观的环境条件和主观的操作人员素质，使用必须满足可操作性、可维修性、安全性及可靠性等方面的要求；
经济效益：
经济效益应该从投资方和用户方考虑。
投资方考虑投入的经费、人力和时间，产品在市场上将占有的份额和预计收益；用户方分析费效比和经济承受能力。
系统的设计原则如下：
无论在概念设计阶段还是产品设计阶段，都必须始终贯彻系统总体优化的原则，着眼系统，着眼总体。
在整个系统设计的过程中需要考虑机械技术与电子控制技术的集成，创造出机械、电子以及软件等有机结合的新产品。
8.系统设计中，通常建立基于信息策略的框架结构，试论述这种思想有什么优点？
答：
系统的设计需要一种能建立和评价各种技术集成的框架结构，为达到该目的，通常建立基于信息策略的框架结构，系统结构方块图如图所示。
其优点如下：
基于信息策略的框架结构是一种自上而下的系统结构，它将整个系统分解为一系列的功能模块和方块，使整个系统用结构方块图表示出来；
完整的系统可以分成子系统和模块，模块化的设计仿真减少了研发和制作的复杂性。
在系统设计过程中的每一个阶段，都可以确定由基于信息策略的框架结构的独立模块所提供功能特性，以及被传递的信息特性；
在设计过程的较高阶段定义的模块，很可能本身就是一个系统，并在设计下一阶段进一步定义出一组模块。
系统结构模块相对而言，既可以适用于大系统结构，也可适用于子系统结构。
下图是一个功能的模块图。
如图所示的各功能模块作用如下：
环境模块：
涉及系统工作的外部参数，如温度、湿度、振动、冲击以及负载因素等，这些参数影响了整个系统的工作性能，它们在系统设计中构成了一系列的参数边界；
机械结构模块：
代表了系统的机械结构零部件的物理实现。
它的输入是驱动模块提供的运动变量，输出由测量模块接收，转换为相应的电信号；
测量模块：
采集有关系统状态和行为的信息，它的输入参数是确定机械结构模块性能的物理参数，输出参数是被测量的特征参数；
驱动模块：
在系统中的作用是改变系统的运行状态，产生所希望的
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