機(jī)電一體化知識點(diǎn)

1、1 、機(jī)電一體化的概念： 機(jī)電一體化又稱機(jī)械電子學(xué)，它是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、 計算 機(jī)信息技術(shù)、 自動控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合， 實(shí)現(xiàn)整個機(jī)械系統(tǒng)最優(yōu) 化而建立起來的一門的科學(xué)技術(shù)。 機(jī)電一體化包括機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化系統(tǒng)兩方面 的內(nèi)容。典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)有數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、汽車等。2 、機(jī)和電的關(guān)系：電”在機(jī)電一體化系統(tǒng)中， “機(jī)”指機(jī)械部分，包括結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器機(jī)構(gòu)等。指電子部分，包括控制電路和電氣連線等。二者關(guān)系是，“機(jī)”是基礎(chǔ)， “電”是核心。機(jī)電系統(tǒng)在電的控制下，協(xié)調(diào)各機(jī)械部件（ 傳感器、電機(jī)、結(jié)構(gòu)等 ） 完成各種指令及功能。

2、3 、機(jī)電一體化的范疇： 凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械和電子技術(shù)相互結(jié)合而形 成的各種技術(shù)、產(chǎn)品以及系統(tǒng)都屬于機(jī)電一體化的范疇4 、機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢：1）2）3）性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向發(fā)展。 功能上，向小型化、輕型化、多功能化方向發(fā)展。 層次上，向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化的方向發(fā)展。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用采用開放式和模式化的總線RS232 RS485 CAN等。結(jié)構(gòu)，并具有強(qiáng)大的通訊功能，如4）機(jī)電一體化單元向模塊化方向發(fā)展，利用標(biāo)準(zhǔn)模塊解決系統(tǒng)集成中的不匹配、不兼容問 題。5）機(jī)電一體化產(chǎn)品向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視意義重大。6 、機(jī)電一體技術(shù)的主要特征1 ）

3、整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。在設(shè)計機(jī)電一體化系統(tǒng)時，綜合運(yùn)用機(jī)械、電子、硬件、軟件等 各種知識和理論，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。2 ）系統(tǒng)控制智能化。機(jī)電一體化系統(tǒng)具有自動控制、自動檢測、自動信息處理、自動 診斷、自動記錄、自動顯示等功能。3 ）操作性能柔性化。通過軟件和程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的控制和協(xié)調(diào)。操作流程通過軟 件設(shè)定，靈活、方便。7、機(jī)電一體化的目的功能： 任何一種機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)都是為滿足人們某種需要而開發(fā)生產(chǎn)的， 都具有相應(yīng)的 目的功能。概括起來必須具有三大目的功能：1）變換（加工、處理 ）功能； 2）傳遞 （移動、：可行性論證、初步設(shè)計、詳細(xì)輸送）功能； 3）存儲 （保存、記錄 ）功能。 17、機(jī)電

4、一體化系統(tǒng)開發(fā)工程路線主要分為以下幾個階段 設(shè)計、實(shí)施和測試、運(yùn)行和維護(hù)。39、電平檢測電路概述 功能：實(shí)現(xiàn)對兩個輸入模擬量進(jìn)行比較，并輸出邏輯電平，根據(jù)邏輯電平可 以指示兩輸入模擬量的大小關(guān)系。組成：電壓比較器、二極管、邏輯器件等。 應(yīng)用：溫度、液位等上下限檢測等。10、可變磁阻式自感型電感傳感器工作原理1）可變磁阻式自感型電感傳感器由線圈、鐵芯、銜鐵、氣隙組成。2）傳感器磁路的自感 L 由公式 確定。式中：W為線圈的匝數(shù)、卩0為空氣導(dǎo)磁率。公式表明，自感L與氣隙b的大小成反比，與氣隙的導(dǎo)磁截面積 S0成正比。3）當(dāng)固定S0不變而改變b時，L與b呈非線性關(guān)系。通過測量自感的變化，我們就可 以

5、得到氣隙間距的變化，這就是該傳感器的工作原理。56、信號的濾波電路概述1濾波器的分類濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號 的功能。簡單理解就是，有用頻率信號通過，無用頻率信號被抑制的電路。按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：零階、一階、二階、高階濾波器。按濾波器的選頻作用分：低通、高通、帶通和帶阻濾波器。帶通濾波器可由高通濾波器和 低通濾波器串聯(lián)組成。帶阻濾波器可由高通濾波器和低通濾波器并聯(lián)組成。根據(jù)構(gòu)成濾波器的元件類型分：RC、LC或晶體諧振濾波器。RC網(wǎng)絡(luò)和RC網(wǎng)絡(luò)通常作為運(yùn)算根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)分：有源濾波器和無源濾波器。有源濾波器采用 運(yùn)算放大器組成

6、，其中運(yùn)算放大器具有極間隔離和信號放大的作用， 放大器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)根據(jù)濾波器所處理的信號性質(zhì)分：模擬濾波器與數(shù)字濾波器。2、濾波器的基本參數(shù)（Q值）和倍頻程選擇性等。帶寬、品質(zhì)因數(shù)G1）帶 B1濾波器的主要參數(shù)有截止頻率、（1）截止頻率：增益下降到通頻帶增益除以根號2時，所對應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。-3dB。B =f 2-f 1，單位為 Hz。帶公式為，其中K為通頻帶增益。用分貝表示就是（2）帶寬B:上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，即 寬決定了濾波器的頻率分辨力，帶寬越小，分辨力越高。Q。品質(zhì)因數(shù)Q中心頻率fo和帶寬之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)（4）倍頻程選擇性：是指在上截止頻率

7、f2與2f2之間或在下截止頻率 fi與fi/2之間增益的衰 減量，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量，以dB為單位。它決定了濾波器對帶寬外頻率成分的衰阻能力。濾波器的階數(shù)越高、衰減越快，選擇性越好。26、信號放大電路概述1、信號放大電路的作用：信號放大電路亦稱放大器，用于將傳感器或經(jīng)基本轉(zhuǎn)換電路輸出 的微弱信號不失真地加以放大，以便于進(jìn)一步加工和處理。2、信號放大電路的要求：傳感器輸出信號較弱，最小的達(dá)0.1卩V，動態(tài)范圍較寬，往往有很大的共模干擾電壓。測量放大電路的目的是檢測疊加在高共摸電壓上的微弱信號， 因此要求測量放大電路具有高輸入阻抗、共模抑制能力強(qiáng)、失調(diào)及漂移小、噪聲低、閉環(huán)增益穩(wěn)定性高

8、等性能?，F(xiàn)在使用最多的工業(yè)控制微機(jī)主要集中在PC總線工控機(jī)、STD總線工控機(jī)、單片機(jī)或單板機(jī)組成的微機(jī)系統(tǒng)和可編程控制器等幾大類10、單片機(jī)概念單片機(jī)全稱是單片微型計算機(jī)，英文為Single Chip Microcomputer。就是在一個集成電路上集成了微型計算機(jī)的全部基本資源，包括中央處理器（CPU）、只讀存儲器（ROM）、隨機(jī)存儲器（RAM）、定時器/計數(shù)器、串行通信及中斷系統(tǒng)和各種輸入輸出接口等多種資源。11、單片機(jī)的特點(diǎn)（1）（2）（3）（4）體積小、重量輕、功耗低、功能強(qiáng)、性價比高。數(shù)據(jù)大都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)

9、用廣泛，既可用于過程控制、機(jī)電一體化產(chǎn)品等場合，又可用于測量儀器、醫(yī)療 儀器、家用電器、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊等領(lǐng)域。此外在航空、航天等軍工領(lǐng)域，單片機(jī)應(yīng)用也 十分廣泛。當(dāng)今社會，單片機(jī)的應(yīng)用無所不在。12、單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路和 供電電源。3、 人機(jī)交互接口是操作者與機(jī)電一體化系統(tǒng) （主要是計算機(jī)控制器）之間進(jìn)行信息交換的接 口。按信息的傳遞方向， 人機(jī)接口可以分為兩大類：輸入接口與輸出接口。 人機(jī)交互接口具 有專用性、低速性、高性價比等 特點(diǎn)，設(shè)計時需要予以考慮。4

10、、人機(jī)交互接口的作用： 操作者通過輸入接口向計算機(jī)控制器輸入各種控制命令，對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求完成的各項(xiàng)功能及任務(wù)；同時計算機(jī)控制器通過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及結(jié)果等信息。4、常用的輸入設(shè)備：按鈕、開關(guān)、撥碼盤、鍵盤、觸摸屏等。5、 常用的輸出設(shè)備： 狀態(tài)指示燈、揚(yáng)聲器、數(shù)碼管顯示器、LCD顯示器等。P 2777、結(jié)合簡單開關(guān)輸入電路原理圖，說明電路功能及如何選擇上拉電阻的大小。 電路功能：1）實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)向邏輯電平的轉(zhuǎn)換，供單片機(jī)采樣；2）當(dāng)開關(guān)斷開時，高電平 5V送給單片機(jī)采樣；3）當(dāng)開關(guān)閉合時，低電平 0V送給單片機(jī)采樣。 電阻選擇：1）阻值不能過大，阻

11、值過大會降低傳輸?shù)母唠娖街担?）阻值不能過小，阻值過小會增大電路功耗；10K左右。/?=上拉電陽OFF：尚電平ON：低電平3）上拉電阻應(yīng)全面考慮開關(guān)的觸點(diǎn)電流和整個電路的功耗再確定，通常18、點(diǎn)亮LED數(shù)碼管有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示就是數(shù)碼管顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。靜態(tài)顯示時，較小的電流能得到較高的亮度，所以可以由單片機(jī)10 口直接驅(qū)動，靜態(tài)顯示方法適合與顯示位數(shù)少的情況。當(dāng)位數(shù)較多時，用靜 態(tài)顯示需要占用太多的10 口，所以，一般采用動態(tài)顯示的方法。所謂動態(tài)顯示就是一位一 位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，即掃描點(diǎn)亮。數(shù)碼管的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和掃描

12、間隔時間有關(guān)。 通過調(diào)整電流和時間參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高亮度、高穩(wěn)定的顯示。動態(tài)顯示需要電流較大，一般需要在單片機(jī)和數(shù)碼管之間增加驅(qū)動電路。機(jī)械有觸點(diǎn)開關(guān)常用的三種變換方式：控制系統(tǒng)自帶電源方式、外接電源方式、恒流源方式。29、 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：1）轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換時間是A/D 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間的BCD 碼位數(shù)表示。 12倒數(shù)即為轉(zhuǎn)換速率。2）分辨率。 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率習(xí)慣上用輸出二進(jìn)制位數(shù)或位AD的分辨率為1/2X2。3）A/D 轉(zhuǎn)換精度。 A/D 轉(zhuǎn)換精度定義為一個實(shí)際 A/D 轉(zhuǎn)換器與一個理想 A/D 轉(zhuǎn)換 器在量化值上的差值，可用絕對誤差和相對誤

13、差表示。）?？刂葡到y(tǒng)檢測的信號概括起來有三種： 開關(guān)信號 （如限位開關(guān)、 時間繼電器等 ）、模擬信號 （如 熱敏電阻、應(yīng)變片等 ）、頻率信號 （如霍爾速度傳感器、超聲波無損探傷等1、檢測系統(tǒng)的定義：檢測系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的一個重要組成部分，用于檢測有關(guān)外界環(huán)境及自身 狀態(tài)的各種物理量 （如力、溫度、距離、變形、位置、功率等 ） 及其變化，并將這些信號轉(zhuǎn)換 成電信號，然后再通過相應(yīng)的變換、放大、調(diào)制與解調(diào)、濾波、運(yùn)算等電路將所需要的信號 檢測出來， 反饋給控制裝置并顯示。 實(shí)現(xiàn)上述功能的傳感器及其信號處理電路就構(gòu)成了機(jī)電 一體化系統(tǒng)中的檢測系統(tǒng)。 檢測系統(tǒng)由于使用的傳感器不同分為模擬式傳感器

14、檢測系統(tǒng)和數(shù) 字式傳感器檢測系統(tǒng)。2、模擬式傳感器檢測系統(tǒng)的組成，及各部分的作用1 ）系統(tǒng)組成： 模擬傳感器、基本轉(zhuǎn)換電路、量程切換電路、放大電路、調(diào)制解調(diào)電 路、濾波電路、運(yùn)算電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、計算中心、顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源等。2 ）各部分的作用：模擬傳感器負(fù)責(zé)將被測的位移、 溫度等非電物理量轉(zhuǎn)換成電阻、 電容、 電感等電參量 或直接轉(zhuǎn)換成電壓、電流等模擬信號?；巨D(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將電阻、電容、電感等電參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等模擬信號。 量程切換電路：根據(jù)信號的不同測量范圍，切換量程，實(shí)現(xiàn)高精度測量。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供CPU處理振蕩器實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)。3 、數(shù)字式傳感

15、器檢測系統(tǒng)的組成，及各部分的作用1 ）系統(tǒng)組成： 數(shù)字傳感器、放大電路、整形電路、分頻電路、辯向電路、計數(shù)電路、 寄存電路、計算機(jī)和顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。脈沖頻率表示物理量的大小。幅度和上 辯向2 ）各部分的作用： 數(shù)字傳感器負(fù)責(zé)將檢測的物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字式的脈沖信號，放大電路和整形電路負(fù)責(zé)將不規(guī)則的脈沖信號調(diào)整成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字脈沖信號， 升下降沿適合后續(xù)測量。分頻電路也叫細(xì)分電路，目的是提高計數(shù)精度。電路識別信號是增大還是減小。計數(shù)器負(fù)責(zé)脈沖計數(shù)。計算機(jī)根據(jù)計數(shù)結(jié)果控制和顯示。穩(wěn)定4、機(jī)電一體化對檢測系統(tǒng)在性能方面的要求：精度、靈敏度和分辨率高；線性、性和重復(fù)性好；抗干擾能力強(qiáng)，靜、動態(tài)特性好。此外，

16、某些系統(tǒng)對傳感器及其檢測系統(tǒng)提出了一些特殊要求，如體積小、重量輕、價格 便宜、便于安裝與維修、耐環(huán)境性能好等。5、傳感器的概念 傳感器是一種以一定精度將被測物理量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于測量的某種電參數(shù)物理量的測量部件或裝置。被測物理量可以是力、溫度、位移、速度、位 置等。電參數(shù)物理量可以是電阻、電容、電感、電壓、電流等。一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換 元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。6、傳感器的分類按被測物理量分為：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感、力傳感器、溫度傳感器等。 按傳感器工作的物理原理分為：電阻式、電感式、電容式、光電式等等。7、傳感器的靜態(tài)特性所謂靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)

17、時，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、零漂、精度等。8、傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性反映了被測量快速變化時，傳感器的性能。在利用傳感器測量動態(tài)壓力、 振動等隨時間快速變化的參數(shù)時，需要考察傳感器的動態(tài)特性。指標(biāo)有時域指標(biāo)和頻域指標(biāo)。2、計算機(jī)接口技術(shù)概括起來一般分為如下幾種：人機(jī)交互接口技術(shù)。一般包括鍵盤接口技術(shù)、顯示接口技術(shù)、計算機(jī)過程輸入接口技術(shù)。 一般包括AD轉(zhuǎn)換接口技術(shù)、 量輸入接口技術(shù)等。計算機(jī)過程輸出接口技術(shù)。 量輸出接口技術(shù)等。系統(tǒng)間通信接口技術(shù)。一般包括CAN通信技術(shù)、RS23210、機(jī)電一體化構(gòu)成要素 任何一種機(jī)電一

18、體化產(chǎn)品或系統(tǒng)都是由控制單元、 等五個要素構(gòu)成。各要素之間的關(guān)系如下圖所示。衡量傳感器動態(tài)特性的重要打印接口技術(shù)等。頻率量輸入接口技術(shù)、 開關(guān)般包括DA轉(zhuǎn)換接口技術(shù)、頻率量輸出接口技術(shù)、開關(guān)RS485通信技術(shù)等。檢測單元、執(zhí)行單元、機(jī)械本體和動力源動力源感單元21、結(jié)合下圖說明光電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理：1）光電式轉(zhuǎn)速傳感器由安裝在被測軸上的帶縫隙圓盤、光源、光電接收器件和指示縫隙盤 組成，如圖所示。2）光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上， 圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖。3） 根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，可得轉(zhuǎn)速為n=60N/（Zt）。其中，t為測量時間（s

19、），Z為圓 盤上的縫隙數(shù)。一般取 Zt=60 X 10m （m=0,1,2,）汪于t刑-* 仃* esA當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時,（2）電路分析：根據(jù)運(yùn)放虛短和虛肝的粹性可以得到Ru + R： = R產(chǎn)磯；出+應(yīng) "” = b +厲"丿©為：保辻共模W申比，要求電路結(jié)祐對稱，取A/島二血/山苦入公弍 則放大器輸岀為：匕二（I+書-）5 - ®, S模增益41 +普-）30、下圖為典型的高共模抑制比差動放大器，禾U用虛短和虛斷的原則分析其差模增益?根攥運(yùn)放虛短和虛斷的特性可W；毎釗:I /a /?|(2.39)(2,40)將（2_40）帶入（2.39）得4

20、 =仃十仏為了保證共根抑制比，要求電路結(jié)構(gòu)對稱，若取 2巴& = &*£f由公式2. 42可知，電路的養(yǎng)模増益為用|/尺共饃增益為零共模抑制比（養(yǎng)模増益與井模增S之比）為無窮大. 在逮種放大器中若妾改變蚤樓增益必須同時改變申廟尼和尺菇則上式變?yōu)椋瑑|二上_fG242)36、下圖是雙電源差分電路原理圖，分析其工作原理及傳遞函數(shù)。1）電路采用對稱的雙直流電源供電，傳感器的一對差分阻抗構(gòu)成分壓器的兩臂。2）在平衡時，Z1=Z2=Z0，電路輸出為 0;3）當(dāng)被測量發(fā)生變化時，傳感器的阻抗也隨之雙向變化，設(shè)變化量為,貝U Z1=Z0+ Z, Z2=Z0- A Z。4）于是可得阻抗

21、變化與輸出電壓的關(guān)系，如公式（2.47）所示。輸出電壓反應(yīng)被測量的變化。+也Z,丄1m雙電源差分電路(Z 47)37、下圖是橋式差分電路原理圖，分析其工作原理及傳遞函數(shù)。1）電路采用單直流電源供電，兩個阻抗元件 Z的中點(diǎn)接地，構(gòu)成對稱供電形式。2）傳感器的一對差分阻抗構(gòu)成橋式差分電路的另外兩臂，在平衡時， 出為0;3）當(dāng)被測量發(fā)生變化時，傳感器的阻抗也隨之雙向變化，設(shè)變化量為AA Z , Z2=Z0- A Z。4）于是可得阻抗變化與輸出電壓的關(guān)系，如公式（2.48）所示。輸出電壓反應(yīng)被測量的變化。OZ1=Z2=Z0，電路輸Z,貝U Z1=Z0+(2. 48)41、下圖中，VS1和VS2為5V穩(wěn)壓管，試說明電路的名稱、功能，并繪制輸入輸出電壓 關(guān)系圖。1）名稱：反相輸入過零比較器2） 功能：當(dāng)輸入信號Ui>0時，比較器輸出信號 Uo<0，且由于VS1、VS2和R的限幅作用, 使得比較器的輸出為