機電一體化知識點

1、機電一體化的概念：機電一體化又稱機械電子學，它是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術、微電子技術、計算機信息技術、自動控制技術等在系統(tǒng)工程的根底上有機地加以綜合，實現(xiàn)整個機械系統(tǒng)最優(yōu)化而建立起來的一門的科學技術。機電一體化包括機電一體化技術和機電一體化系統(tǒng)兩方面的內容。典型的機電一體化系統(tǒng)有數(shù)控機床、工業(yè)機器人、汽車等。2、機和電的關系：在機電一體化系統(tǒng)中，“機”指機械局部，包括結構、執(zhí)行機構、傳感器機構等?！半姟敝鸽娮泳植浚刂齐娐泛碗姎膺B線等。二者關系是，“機”是根底，“電”是核心。機電系統(tǒng)在電的控制下，協(xié)調各機械部件(傳感器、電機、結構等)完成各種指令及功能。3、機電一體化的范疇：但凡由各種現(xiàn)代高新技術與機械和電子技術相互結合而形成的各種技術、產(chǎn)品以及系統(tǒng)都屬于機電一體化的范疇4、機電一體化的開展趨勢：1〕性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向開展。2〕功能上，向小型化、輕型化、多功能化方向開展。3〕層次上，向系統(tǒng)化、復合集成化的方向開展。系統(tǒng)結構采用采用開放式和模式化的總線結構，并具有強大的通訊功能，如RS232、RS485、CAN等。4〕機電一體化單元向模塊化方向開展，利用標準模塊解決系統(tǒng)集成中的不匹配、不兼容問題。5〕機電一體化產(chǎn)品向網(wǎng)絡化方向開展，基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視意義重大。6、機電一體技術的主要特征1〕整體結構最優(yōu)化。在設計機電一體化系統(tǒng)時，綜合運用機械、電子、硬件、軟件等各種知識和理論，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。2〕系統(tǒng)控制智能化。機電一體化系統(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。通過軟件和程序實現(xiàn)對系統(tǒng)機構的控制和協(xié)調。操作流程通過軟件設定，靈活、方便。7、機電一體化的目的功能：任何一種機電一體化產(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、輸送)功能；3〕存儲(保存、記錄)功能。17、機電一體化系統(tǒng)開發(fā)工程路線主要分為以下幾個階段：可行性論證、初步設計、詳細設計、實施和測試、運行和維護。39、電平檢測電路概述功能：實現(xiàn)對兩個輸入模擬量進行比擬，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系。組成：電壓比擬器、二極管、邏輯器件等。應用：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)、μ0為空氣導磁率。公式說明，自感L與氣隙σ的大小成反比，與氣隙的導磁截面積S0成正比。3〕當固定S0不變而改變σ時，L與σ呈非線性關系。通過測量自感的變化，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算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和別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)構成濾波器的元件類型分：RC、LC或晶體諧振濾波器。根據(jù)構成濾波器的電路性質分：有源濾波器和無源濾波器。有源濾波器采用RC網(wǎng)絡和運算放大器組成，其中運算放大器具有極間隔離和信號放大的作用，RC網(wǎng)絡通常作為運算放大器的負反響網(wǎng)絡根據(jù)濾波器所處理的信號性質分：模擬濾波器與數(shù)字濾波器。2、濾波器的根本參數(shù)濾波器的主要參數(shù)有截止頻率、帶寬、品質因數(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2時，所對應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)品質因數(shù)Q：中心頻率f0和帶寬之比稱為濾波器的品質因數(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)根本轉換電路輸出的微弱信號不失真地加以放大，以便于進一步加工和處理。2、信號放大電路的要求：傳感器輸出信號較弱，最小的達0.1μV，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、失調及漂移小、噪聲低、閉環(huán)增益穩(wěn)定性高等性能。現(xiàn)在使用最多的工業(yè)控制微機主要集中在PC總線工控機、STD總線工控機、單片機或單板機組成的微機系統(tǒng)和可編程控制器等幾大類10、單片機概念單片機全稱是單片微型計算機，英文為SingleChipMicrocomputer。就是在一個集成電路上集成了微型計算機的全部根本資源，包括中央處理器(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機存儲器(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、單片機的特點〔1〕體積小、重量輕、功耗低、功能強、性價比高。〔2〕數(shù)據(jù)大都在單片機內部傳送，運行速度快，抗干擾能力強，可靠性高?！?〕結構靈活，易于組成各種微機應用系統(tǒng)?！?〕應用廣泛，既可用于過程控制、機電一體化產(chǎn)品等場合，又可用于測量儀器、醫(yī)療儀器、家用電器、計算機網(wǎng)絡及通訊等領域。此外在航空、航天等軍工領域，單片機應用也十分廣泛。當今社會，單片機的應用無所不在。12、單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路和供電電源。3、人機交互接口是操作者與機電一體化系統(tǒng)(主要是計算機控制器)之間進行信息交換的接口。按信息的傳遞方向，人機接口可以分為兩大類：輸入接口與輸出接口。人機交互接口具有專用性、低速性、高性價比等特點，設計時需要予以考慮。4、人機交互接口的作用：操作者通過輸入接口向計算機控制器輸入各種控制命令，對系統(tǒng)運行進行控制，實現(xiàn)系統(tǒng)要求完成的各項功能及任務；同時計算機控制器通過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運行參數(shù)及結果等信息。4、常用的輸入設備：按鈕、開關、撥碼盤、鍵盤、觸摸屏等。5、常用的輸出設備：狀態(tài)指示燈、揚聲器、數(shù)碼管顯示器、LCD顯示器等。7、結合簡單開關輸入電路原理圖，說明電路功能及如何選擇上拉電阻的大小。P277電路功能：1〕實現(xiàn)開關狀態(tài)向邏輯電平的轉換，供單片機采樣；2〕當開關斷開時，高電平5V送給單片機采樣；3〕當開關閉合時，低電平0V送給單片機采樣。電阻選擇：1〕阻值不能過大，阻值過大會降低傳輸?shù)母唠娖街担?〕阻值不能過小，阻值過小會增大電路功耗；3〕上拉電阻應全面考慮開關的觸點電流和整個電路的功耗再確定，通常10K左右。18、點亮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，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止。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IO口直接驅動，靜態(tài)顯示方法適合與顯示位數(shù)少的情況。當位數(shù)較多時，用靜態(tài)顯示需要占用太多的IO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亮各位數(shù)碼管，即掃描點亮。數(shù)碼管的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和掃描間隔時間有關。通過調整電流和時間參數(shù)，可以實現(xiàn)高亮度、高穩(wěn)定的顯示。動態(tài)顯示需要電流較大，一般需要在單片機和數(shù)碼管之間增加驅動電路。機械有觸點開關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轉換器的主要技術指標：1)轉換時間和轉換速度。轉換時間是A/D完成一次轉換所需要的時間。轉換時間的倒數(shù)即為轉換速率。2)分辨率。A/D轉換器的分辨率習慣上用輸出二進制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。12位AD的分辨率為1/2^12。3〕A/D轉換精度。A/D轉換精度定義為一個實際A/D轉換器與一個理想A/D轉換器在量化值上的差值，可用絕對誤差和相對誤差表示?？刂葡到y(tǒng)檢測的信號概括起來有三種：開關信號(如限位開關、時間繼電器等)、模擬信號(如熱敏電阻、應變片等)、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)是機電一體化系統(tǒng)中的一個重要組成局部，用于檢測有關外界環(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，并將這些信號轉換成電信號，然后再通過相應的變換、放大、調制與解調、濾波、運算等電路將所需要的信號檢測出來，反響給控制裝置并顯示。實現(xiàn)上述功能的傳感器及其信號處理電路就構成了機電一體化系統(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，及各局部的作用1〕系統(tǒng)組成：模擬傳感器、根本轉換電路、量程切換電路、放大電路、調制解調電路、濾波電路、運算電路、模數(shù)轉換電路、計算中心、顯示執(zhí)行機構、電源等。2〕各局部的作用：模擬傳感器負責將被測的位移、溫度等非電物理量轉換成電阻、電容、電感等電參量或直接轉換成電壓、電流等模擬信號。根本轉換電路負責將電阻、電容、電感等電參量轉換成電壓、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，實現(xiàn)高精度測量。模數(shù)轉換電路負責將模擬信號轉換為數(shù)字信號供CPU處理振蕩器實現(xiàn)信號的調制與解調。3、數(shù)字式傳感器檢測系統(tǒng)的組成，及各局部的作用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、存放電路、計算機和顯示執(zhí)行機構組成。2〕各局部的作用：數(shù)字傳感器負責將檢測的物理量轉換成數(shù)字式的脈沖信號，脈沖頻率表示物理量的大小。放大電路和整形電路負責將不規(guī)那么的脈沖信號調整成標準的數(shù)字脈沖信號，幅度和上升下降沿適合后續(xù)測量。分頻電路也叫細分電路，目的是提高計數(shù)精度。辯向電路識別信號是增大還是減小。計數(shù)器負責脈沖計數(shù)。計算機根據(jù)計數(shù)結果控制和顯示。4、機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、穩(wěn)定性和重復性好；抗干擾能力強，靜、動態(tài)特性好。此外，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、價格廉價、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換為與之有確定對應關系的、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、轉換元件和根本轉換電路三局部組成。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)特性是指當被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出與輸入的關系特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標有線性度、靈敏度、遲滯、重復性、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。衡量傳感器動態(tài)特性的重要指標有時域指標和頻域指標。2、計算機接口技術概括起來一般分為如下幾種：人機交互接口技術。一般包括鍵盤接口技術、顯示接口技術、打印接口技術等。計算機過程輸入接口技術。一般包括AD轉換接口技術、頻率量輸入接口技術、開關量輸入接口技術等。計算機過程輸出接口技術。一般包括DA轉換接口技術、頻率量輸出接口技術、開關量輸出接口技術等。系統(tǒng)間通信接口技術。一般包括CAN通信技術、RS232、RS485通信技術等。10、機電一體化構成要素任何一種機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)都是由控制單元、檢測單元、執(zhí)行單元、機械本體和動力源等五個要素構成。各要素之間的關系如下列圖所示。執(zhí)行單元執(zhí)行單元控制信息控制單元動力源檢測傳感單元機械本體參數(shù)變化信息驅動力能量檢測參數(shù)21、結合下列圖說明光電式轉速傳感器工作原理：1〕光電式轉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，如下圖。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，當縫隙圓盤隨被測軸轉動時，圓盤每轉一周，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內的脈沖數(shù)N，可得轉速為n=60N/(Zt)。其中，t為測量時間(s)，Z為圓盤上的縫隙數(shù)。一般取Zt=60×10m(m=0,1,2,…)。28、下列圖為典型的同相輸入高阻抗放大器，利用虛短和虛斷的原那么分析其差模增益？30、下列圖為典型的高共模抑制比差動放大器，利用虛短和虛斷的原那么分析其差模增益？36、下列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成分壓器的兩臂。2〕在平衡時，Z1=Z2=Z0，電路輸出為0；3〕當被測量發(fā)生變化時，傳感器的阻抗也隨之雙向變化，設變化量為ΔZ，那么Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ。4〕于是可得阻抗變化與輸出電壓的關系，如公式(2.47)所示。輸出電壓反響被測量的變化。37、下列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的中點接地，構成對稱供電形式。2〕傳感器的一對差分阻抗構成橋式差分電路的另外兩臂，在平衡時，Z1=Z2=Z0，電路輸出為0；3〕當被測量發(fā)生變化時，傳感器的阻抗也隨之雙向變化，設變化量為ΔZ，那么Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-Δ