機(jī)電一體化知識(shí)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(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)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(gè)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： 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?！半姟敝鸽娮硬糠?，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。 3、機(jī)電一體化的

2、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(shì)：1）性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向發(fā)展。2）功能上，向小型化、輕型化、多功能化方向發(fā)展。3）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結(jié)構(gòu)，并具有強(qiáng)大的通訊功能，如RS232、RS485、CAN等。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）整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。在設(shè)計(jì)機(jī)電一

3、體化系統(tǒng)時(shí)，綜合運(yùn)用機(jī)械、電子、硬件、軟件等各種知識(shí)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(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)信息處理、自動(dòng)診斷、自動(dòng)記錄、自動(dòng)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(duì)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(dòng)、輸送)功能；3）存儲(chǔ)(保存、記錄)功能。17、機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)工程路線主要分為以下幾個(gè)階段：可行性論證、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)

4、施和測(cè)試、運(yùn)行和維護(hù)。 39、電平檢測(cè)電路概述 功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)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(cè)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)、0 為空氣導(dǎo)磁率。公式表明，自感L與氣隙的大小成反比，與氣隙的導(dǎo)磁截面積S0成正比。 3）當(dāng)固定S0不變而改變時(shí)，L與呈非線性關(guān)系。通過測(cè)量自感的變化，我們就可以得到氣隙間距的變化，這就是該傳感器的工作原理。56、信號(hào)的

5、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(hào)的功能。簡單理解就是，有用頻率信號(hào)通過，無用頻率信號(hào)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。 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RC網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成，其中運(yùn)算放大器具有極間隔離和信號(hào)放大的作用，RC網(wǎng)絡(luò)通常作為運(yùn)算放大

6、器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò) 根據(jù)濾波器所處理的信號(hào)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) 濾波器的主要參數(shù)有截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)(Q值)和倍頻程選擇性等。(1)截止頻率：增益下降到通頻帶增益除以根號(hào)2時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。公式為 ，其中K為通頻帶增益。用分貝表示就是-3dB。(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B =f2-f1，單位為Hz。帶寬決定了濾波器的頻率分辨力，帶寬越小，分辨力越高。(3)品質(zhì)因數(shù)Q：中心頻率f0和帶寬之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。(4)倍頻程選擇性：是指在上截止頻率f2與2f2之間或在下截止頻率f1與f1/2之間增益的衰減

7、量，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量，以dB為單位。它決定了濾波器對(duì)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(hào)放大電路概述1、信號(hào)放大電路的作用：信號(hào)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(hào)不失真地加以放大，以便于進(jìn)一步加工和處理。 2、信號(hào)放大電路的要求：傳感器輸出信號(hào)較弱，最小的達(dá)0.1V，動(dòng)態(tài)范圍較寬，往往有很大的共模干擾電壓。測(cè)量放大電路的目的是檢測(cè)疊加在高共摸電壓上的微弱信號(hào)，因此要求測(cè)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

8、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(jì)算機(jī)，英文為Single Chip Microcomputer。就是在一個(gè)集成電路上集成了微型計(jì)算機(jī)的全部基本資源，包括中央處理器(CPU)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)器/計(jì)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）體積小、重量輕、功耗低、功能強(qiáng)、性價(jià)比高。 （2）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。 （3）結(jié)構(gòu)靈活，易于組成各種微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 （4）應(yīng)用廣泛，既可用于過程控制、機(jī)電一體化產(chǎn)品等場(chǎng)合，又可用

9、于測(cè)量儀器、醫(yī)療儀器、家用電器、計(jì)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(huì)，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(duì)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(jì)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(jià)比等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需要予以考慮。4、人機(jī)交互接口的作用：操作者通過輸入接口向計(jì)算機(jī)控制器輸入各種控制命令，

10、對(duì)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(shí)計(jì)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。7、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。P277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(shí)，高電平5V送給單片機(jī)采樣；3）當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，低電平0V送給單片機(jī)采樣。電阻選擇：1）阻值不能過大，阻值過大會(huì)降低傳輸?shù)母唠娖街担?）阻值不能過小，阻值過小會(huì)增大電路功耗；3）上拉電阻應(yīng)全面

11、考慮開關(guān)的觸點(diǎn)電流和整個(gè)電路的功耗再確定，通常10K左右。18、點(diǎn)亮LED數(shù)碼管有靜態(tài)和動(dòng)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(shí)，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(shí)，較小的電流能得到較高的亮度，所以可以由單片機(jī)IO口直接驅(qū)動(dòng)，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(shí)，用靜態(tài)顯示需要占用太多的IO口，所以，一般采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。所謂動(dòng)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間和掃描間隔時(shí)間有關(guān)。通過調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高亮度、高穩(wěn)定的顯示。動(dòng)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(dòng)電路。機(jī)械

12、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(shí)間和轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換時(shí)間是A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(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BCD碼位數(shù)表示。12位AD的分辨率為1/212。 3）A/D轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換精度定義為一個(gè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器與一個(gè)理想A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值，可用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差表示。 控制系統(tǒng)檢測(cè)的信號(hào)概括起來有三種：開關(guān)信號(hào)(如限位開關(guān)、時(shí)間繼電器等)、模擬信號(hào)(如熱敏電阻、應(yīng)變片等)、頻率信號(hào)(如霍爾速度傳感器、超聲波無損探傷等)

13、。1、檢測(cè)系統(tǒng)的定義： 檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，用于檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(hào)檢測(cè)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(hào)處理電路就構(gòu)成了機(jī)電一體化系統(tǒng)中的檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)由于使用的傳感器不同分為模擬式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)字式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。 2、模擬式傳感器檢測(cè)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、

14、計(jì)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(cè)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(hào)。 基本轉(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(hào)。 量程切換電路：根據(jù)信號(hào)的不同測(cè)量范圍，切換量程，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供CPU處理 振蕩器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。 3、數(shù)字式傳感器檢測(cè)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(jì)數(shù)電路、寄存電路、計(jì)算機(jī)和顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。 2）各部分的作用： 數(shù)字傳感器負(fù)責(zé)將檢測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換

15、成數(shù)字式的脈沖信號(hào)，脈沖頻率表示物理量的大小。 放大電路和整形電路負(fù)責(zé)將不規(guī)則的脈沖信號(hào)調(diào)整成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字脈沖信號(hào)，幅度和上升下降沿適合后續(xù)測(cè)量。 分頻電路也叫細(xì)分電路，目的是提高計(jì)數(shù)精度。 辯向電路識(shí)別信號(hào)是增大還是減小。計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)脈沖計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果控制和顯示。 4、機(jī)電一體化對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)在性能方面的要求：精度、靈敏度和分辨率高；線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好；抗干擾能力強(qiáng)，靜、動(dòng)態(tài)特性好。此外，某些系統(tǒng)對(duì)傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)提出了一些特殊要求，如體積小、重量輕、價(jià)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(cè)物理量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于測(cè)量的

16、某種電參數(shù)物理量的測(cè)量部件或裝置。被測(cè)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(cè)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(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性反映了被測(cè)量快速變化時(shí)，傳感器的性能。在利用傳感器

17、測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)等隨時(shí)間快速變化的參數(shù)時(shí)，需要考察傳感器的動(dòng)態(tài)特性。衡量傳感器動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)有時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)。2、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)概括起來一般分為如下幾種：n 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)、打印接口技術(shù)等。n 計(jì)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)、頻率量輸入接口技術(shù)、開關(guān)量輸入接口技術(shù)等。n 計(jì)算機(jī)過程輸出接口技術(shù)。一般包括DA轉(zhuǎn)換接口技術(shù)、頻率量輸出接口技術(shù)、開關(guān)量輸出接口技術(shù)等。n 系統(tǒng)間通信接口技術(shù)。一般包括CAN通信技術(shù)、RS232、RS485通信技術(shù)等。 10、機(jī)電一體化構(gòu)成要素任何一種機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)都是由控制單元、檢測(cè)單元、執(zhí)行單元

18、、機(jī)械本體和動(dòng)力源等五個(gè)要素構(gòu)成。各要素之間的關(guān)系如下圖所示。執(zhí)行單元控制信息 控制單元?jiǎng)恿υ?檢測(cè)傳 感單元 機(jī)械本體參數(shù)變化信息驅(qū)動(dòng)力能 量檢測(cè)參數(shù)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(cè)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，當(dāng)縫隙圓盤隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(cè)量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，可得轉(zhuǎn)速為n=60N/(Zt)。其中，t為測(cè)量時(shí)間(s)，Z為圓盤上的縫隙數(shù)。一般取Zt=6010m (m=0,1,2,)。28、下圖為典型的

19、同相輸入高阻抗放大器，利用虛短和虛斷的原則分析其差模增益？30、下圖為典型的高共模抑制比差動(dòng)放大器，利用虛短和虛斷的原則分析其差模增益？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(duì)稱的雙直流電源供電，傳感器的一對(duì)差分阻抗構(gòu)成分壓器的兩臂。 2）在平衡時(shí)，Z1=Z2=Z0，電路輸出為0； 3）當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，傳感器的阻抗也隨之雙向變化，設(shè)變化量為Z，則Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z。 4）于是可得阻抗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(cè)量的變化。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(gè)阻抗元件Z的中點(diǎn)接地，構(gòu)成對(duì)稱供電形式。 2）傳感器的一對(duì)差分阻抗構(gòu)成橋式差分電路的另外兩臂，在平衡時(shí)，Z1=Z2=Z0，電路輸出為0； 3）當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，傳感器的阻抗也隨之雙向變化，設(shè)變化量為Z，則Z1