2023年机电一体化知识点

1、机电一体化的概念：
机电一体化又称机械电子学，它是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、计算机信息技术、自动控制技术等在系统工程的基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最优化而建立起来的一门的科学技术。

机电一体化涉及机电一体化技术和机电一体化系统两方面的内容。

典型的机电一体化系统有数控机床、工业机器人、汽车等。

2、机和电的关系：
在机电一体化系统中，“机”指机械部分，涉及结构、执行机构、传感器机构等。

“电”指电子部分，涉及控制电路和电气连线等。

两者关系是，“机”是基础，“电”是核心。

机电系统在电的控制下，协调各机械部件(传感器、电机、结构等)完毕各种指令及功能。

3、机电一体化的范畴：凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术互相结合而形成的各种技术、产品以及系统都属于机电一体化的范畴
4、机电一体化的发展趋势：
1）性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展。

2）功能上，向小型化、轻型化、多功能化方向发展。

3）层次上，向系统化、复合集成化的方向发展。

系统结构采用采用开放式和模式化的总线结构，并具有强大的通讯功能，如RS232、RS485、CAN等。

4）机电一体化单元向模块化方向发展，运用标准模块解决系统集成中的不匹配、不兼容问题。

5）机电一体化产品向网络化方向发展，基于网络的各种远程控制和监视意义重大。

6、机电一体技术的重要特性
1）整体结构最优化。

在设计机电一体化系统时，综合运用机械、电子、硬件、软件等各种知识和理论，实现系统优化。

2）系统控制智能化。

机电一体化系统具有自动控制、自动检测、自动信息解决、自动诊断、自动记录、自动显示等功能。

3）操作性能柔性化。

通过软件和程序实现对系统机构的控制和协调。

操作流程通过软
件设定，灵活、方便。

7、机电一体化的目的功能：
任何一种机电一体化产品或系统都是为满足人们某种需要而开发生产的，都具有相应的目的功能。

概括起来必须具有三大目的功能：1）变换(加工、解决)功能；2）传递(移动、输送)功能；3）存储(保存、记录)功能。

17、机电一体化系统开发工程路线重要分为以下几个阶段：可行性论证、初步设计、具体设计、实行和测试、运营和维护。

39、电平检测电路概述
功能：实现对两个输入模拟量进行比较，并输出逻辑电平，根据逻辑电平可以指示两输入模拟量的大小关系。

组成：电压比较器、二极管、逻辑器件等。

应用：温度、液位等上下限检测等。

10、可变磁阻式自感型电感传感器工作原理
1）可变磁阻式自感型电感传感器由线圈、铁芯、衔铁、气隙组成。

2）传感器磁路的自感L由公式拟定。

式中：W为线圈的匝数、μ0 为空气导磁率。

公式表白，自感L与气隙σ的大小成反比，与气隙的导磁截面积S0成正比。

3）当固定S0不变而改变σ时，L与σ呈非线性关系。

通过测量自感的变化，我们就可以得到气隙间距的变化，这就是该传感器的工作原理。

56、信号的滤波电路概述
1、滤波器的分类
滤波器是具有频率选择作用的电路或运算解决系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。

简朴理解就是，有用频率信号通过，无用频率信号被克制的电路。

按传递函数的微分方程阶数分：零阶、一阶、二阶、高阶滤波器。

按滤波器的选频作用分：低通、高通、带通和带阻滤波器。

带通滤波器可由高通滤波器和低通滤波器串联组成。

带阻滤波器可由高通滤波器和低通滤波器并联组成。

根据构成滤波器的元件类型分：RC、LC或晶体谐振滤波器。

根据构成滤波器的电路性质分：有源滤波器和无源滤波器。

有源滤波器采用RC网络和运算放大器组成，其中运算放大器具有极间隔离和信号放大的作用，RC网络通常作为运算放大器的负反馈网络
根据滤波器所解决的信号性质分：模拟滤波器与数字滤波器。

2、滤波器的基本参数
滤波器的重要参数有截止频率、带宽、品质因数(Q值)和倍频程选择性等。

(1)截止频率：增益下降到通频带增益除以根号2时，所相应的频率称为滤波器的截止频率。

公式为，其中K为通频带增益。

用分贝表达就是-3dB。

(2)带宽B：上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，即B =f2-f1，单位为Hz。

带宽决定了滤波器的频率分辨力，带宽越小，分辨力越高。

(3)品质因数Q：中心频率f0和带宽之比称为滤波器的品质因数Q。

(4)倍频程选择性：是指在上截止频率f2与2f2之间或在下截止频率f1与f1/2之间增益的衰减量，即频率变化一个倍频程时的衰减量，以dB为单位。

它决定了滤波器对带宽外频率成分的衰阻能力。

滤波器的阶数越高、衰减越快，选择性越好。

26、信号放大电路概述
1、信号放大电路的作用：信号放大电路亦称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的薄弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和解决。

2、信号放大电路的规定：传感器输出信号较弱，最小的达0.1μV，动态范围较宽，往往有很大的共模干扰电压。

测量放大电路的目的是检测叠加在高共摸电压上的薄弱信号，因此规定测量放大电路具有高输入阻抗、共模克制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环
增益稳定性高等性能。

现在使用最多的工业控制微机重要集中在PC总线工控机、STD总线工控机、单片机或单板机组成的微机系统和可编程控制器等几大类
10、单片机概念
单片机全称是单片微型计算机，英文为Single Chip Microcomputer。

就是在一个集成电路上集成了微型计算机的所有基本资源，涉及中央解决器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、定期器/计数器、串行通信及中断系统和各种输入输出接口等多种资源。

11、单片机的特点
（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。

（2）数据大都在单片机内部传送，运营速度快，抗干扰能力强，可靠性高。

（3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统。

（4）应用广泛，既可用于过程控制、机电一体化产品等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器、家用电器、计算机网络及通讯等领域。

此外在航空、航天等军工领域，单片机应用也十分广泛。

当今社会，单片机的应用无所不在。

12、单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应当涉及：单片机、晶振电路、复位电路和供电电源。

3、人机交互接口是操作者与机电一体化系统(重要是计算机控制器)之间进行信息互换的接口。

按信息的传递方向，人机接口可以分为两大类：输入接口与输出接口。

人机交互接口具有专用性、低速性、高性价比等特点，设计时需要予以考虑。

4、人机交互接口的作用：操作者通过输入接口向计算机控制器输入各种控制命令，对系统运营进行控制，实现系统规定完毕的各项功能及任务；同时计算机控制器通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运营参数及结果等信息。

4、常用的输入设备：按钮、开关、拨码盘、键盘、触摸屏等。

5、常用的输出设备：状态指示灯、扬声器、数码管显示器、LCD显示器等。

7、结合简朴开关输入电路原理图，说明电路功能及如何选择上拉电阻的大小。

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电路功能：1）实现开关状态向逻辑电平的转换，供单片机采样；
2）当开关断开时，高电平5V送给单片机采样；
3）当开关闭合时，低电平0V送给单片机采样。

电阻选择：
1）阻值不能过大，阻值过大会减少传输的高电平值；
2）阻值不能过小，阻值过小会增大电路功耗；
3）上拉电阻应全面考虑开关的触点电流和整个电路的功耗再拟定，通常10K左右。

18、点亮LED数码管有静态和动态两种方法。

所谓静态显示就是数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。

静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度，所以可以由单片机IO口直接驱动，静态显示方法适合与显示位数少的情况。

当位数较多时，用静态显示需要占用太多的IO口，所以，一般采用动态显示的方法。

所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位数码管，即扫描点亮。

数码管的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和扫描间隔时间有关。

通过调整电流和时间参数，可以实现高亮度、高稳定的显示。

动态显示需要电流较大，一般需要在单片机和数码管之间增长驱动电路。

机械有触点开关常用的三种变换方式：控制系统自带电源方式、外接电源方式、恒流源方式。

29、A/D转换器的重要技术指标：
1)转换时间和转换速度。

转换时间是A/D完毕一次转换所需要的时间。

转换时间的倒数即为转换速率。

2)分辨率。

A/D转换器的分辨率习惯上用输出二进制位数或BCD码位数表达。

12位
AD的分辨率为1/2^12。

3）A/D转换精度。

A/D转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个抱负A/D转换器在量化值上的差值，可用绝对误差和相对误差表达。

控制系统检测的信号概括起来有三种：开关信号(如限位开关、时间继电器等)、模拟信号(如热敏电阻、应变片等)、频率信号(如霍尔速度传感器、超声波无损探伤等)。

1、检测系统的定义：
检测系统是机电一体化系统中的一个重要组成部分，用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、温度、距离、变形、位置、功率等)及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将所需要的信号检测出来，反馈给控制装置并显示。

实现上述功能的传感器及其信号解决电路就构成了机电一体化系统中的检测系统。

检测系统由于使用的传感器不同分为模拟式传感器检测系统和数字式传感器检测系统。

2、模拟式传感器检测系统的组成，及各部分的作用
1）系统组成：模拟传感器、基本转换电路、量程切换电路、放大电路、调制解调电路、滤波电路、运算电路、模数转换电路、计算中心、显示执行机构、电源等。

2）各部分的作用：
模拟传感器负责将被测的位移、温度等非电物理量转换成电阻、电容、电感等电参量或直接转换成电压、电流等模拟信号。

基本转换电路负责将电阻、电容、电感等电参量转换成电压、电流等模拟信号。

量程切换电路：根据信号的不同测量范围，切换量程，实现高精度测量。

模数转换电路负责将模拟信号转换为数字信号供CPU解决
振荡器实现信号的调制与解调。

3、数字式传感器检测系统的组成，及各部分的作用
1）系统组成：数字传感器、放大电路、整形电路、分频电路、辩向电路、计数电路、寄存电路、计算机和显示执行机构组成。

2）各部分的作用：
数字传感器负责将检测的物理量转换成数字式的脉冲信号，脉冲频率表达物理量的大小。

放大电路和整形电路负责将不规则的脉冲信号调整成标准的数字脉冲信号，幅度和上升下降沿适合后续测量。

分频电路也叫细分电路，目的是提高计数精度。

辩向电路辨认信号是增大还是减小。

计数器负责脉冲计数。

计算机根据计数结果控制和显示。

4、机电一体化对检测系统在性能方面的规定：精度、灵敏度和分辨率高；线性、稳定
性和反复性好；抗干扰能力强，静、动态特性好。

此外，某些系统对传感器及其检测系统提出了一些特殊规定，如体积小、重量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。

5、传感器的概念
传感器是一种以一定精度将被测物理量转换为与之有拟定相应关系的、易于测量的某种电参数物理量的测量部件或装置。

被测物理量可以是力、温度、位移、速度、位置等。

电参数物理量可以是电阻、电容、电感、电压、电流等。

一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。

6、传感器的分类
按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、温度传感器等。

按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、光电式等等。

7、传感器的静态特性
所谓静态特性是指当被测量处在稳定状态时，传感器的输出与输入的关系特性。

衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞、反复性、分辨力、零漂、精度等。

8、传感器的动态特性
动态特性反映了被测量快速变化时，传感器的性能。

在运用传感器测量动态压力、振动等随时间快速变化的参数时，需要考察传感器的动态特性。

衡量传感器动态特性
的重要指标有时域指标和频域指标。

2、计算机接口技术概括起来一般分为如下几种：
⏹ 人机交互接口技术。

一般涉及键盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术等。

⏹ 计算机过程输入接口技术。

一般涉及AD 转换接口技术、频率量输入接口技术、开
关量输入接口技术等。

⏹ 计算机过程输出接口技术。

一般涉及DA 转换接口技术、频率量输出接口技术、开
关量输出接口技术等。

⏹ 系统间通信接口技术。

一般涉及CAN 通信技术、RS232、RS485通信技术等。

10、机电一体化构成要素
任何一种机电一体化产品或系统都是由控制单元、检测单元、执行单元、机械本体和动力源等五个要素构成。

各要素之间的关系如下图所示。

21、结合下图说明光电式转速传感器工作原理：
1）光电式转速传感器由安装在被测轴上的带缝隙圆盘、光源、光电接受器件和指示缝隙盘组成，如图所示。

2）光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲。

3）根据测量时间t 内的脉冲数N ，可得转速为n=60N/(Zt)。

其中，t 为测量时间(s)，Z 为圆盘上的缝隙数。

一般取Zt=60×10m (m=0,1,2,…)。

控制信息
动力源 能 量
28、下图为典型的同相输入高阻抗放大器，运用虚短和虚断的原则分析其差模增益？
30、下图为典型的高共模克制比差动放大器，运用虚短和虚断的原则分析其差模增益？
36、下图是双电源差分电路原理图，分析其工作原理及传递函数。

1）电路采用对称的双直流电源供电，传感器的一对差分阻抗构成分压器的两臂。

2）在平衡时，Z1=Z2=Z0，电路输出为0；
3）当被测量发生变化时，传感器的阻抗也随之双向变化，设变化量为ΔZ，则Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ。

4）于是可得阻抗变化与输出电压的关系，如公式(2.47)所示。

输出电压反映被测量的变化。

37、下图是桥式差分电路原理图，分析其工作原理及传递函数。

1）电路采用单直流电源供电，两个阻抗元件Z的中点接地，构成对称供电形式。

2）传感器的一对差分阻抗构成桥式差分电路的此外两臂，在平衡时，Z1=Z2=Z0，电路输出为0；
3）当被测量发生变化时，传感器的阻抗也随之双向变化，设变化量为ΔZ，则Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ。

4）于是可得阻抗变化与输出电压的关系，如公式(2.48)所示。

输出电压反映被测量的变
化。

41、下图中，VS1和VS2为5V稳压管，试说明电路的名称、功能，并绘制输入输出电压关系图。

1）名称：反相输入过零比较器
2）功能：当输入信号Ui>0时，比较器输出信号Uo<0，且由于VS1、VS2和R的限幅作用，使得比较器的输出为Uo=-5.7V；当Ui<0时，比较器输出信号Uo>0，且Uo=5.7V。

3）输入输出电压关系图如图所示，其中UZ=5V，UD=0.7V。

15、设计一个基于三极管的状态指示灯控制电路，并说明电路的工作原理。

1）三极管的作用是电流放大，电阻的作用是限定电流，使流过LED的电流刚好大于点亮电流；
2）当单片机输出高电平时，三极管截止，LED灯不亮；
3）当单片机输出低电平时，三极管导通，LED灯点亮。

17、对于共阳极数码管，若a、b、c、d、e、f、g、dp控制引脚的状态依次为00000011,则显示值为数字“0”；对于共阴极数码管，若a、b、c、d、e、f、g、dp控制引脚的状态依次为10011110,则显示值为字符“E”。

38、下图为开关量整形与电平变换的典型电路图，试说明电路中各元件的作用及功能。

1、FB5、CT5、C17的作用：去除毛刺尖峰；
2、R1、WD1的作用：运用稳压管WD1设立导通门限电压为30V，大于30V，导通，小于30V截止，提高抗干扰能力；
3、光耦TLP1的作用：电气隔离与电平转换；
4、斯密特触发器U10的作用：波形整形，转换成标准方波信号；。