机械电子学总结

计
量
光
其中一块称为主光栅(标尺光栅),它必须大于等于被测位移的大小；
栅
另一块称为付光栅(指示光栅),它主要是与主光栅形成莫尔条纹,只
须大于所用光电元件尺寸即可；
线纹短：8～12mm 线纹数：25～100线/mm
黑白光栅：用光刻法或复制法制作的黑白相间的刻线，黑线为不透光部分，白线为 透光部分。


传感器可以类比成人的五官，是用来感知外界信息的重要部件。传感器主要有位置传感器、位移传感器、 速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器。传感器属于前向通道的一部分。 前向通道体现了被测对象与控制系统互相联系的信号输入通道，即原始数据输入通道。主要是传感器和与 传感器有关的原始信号处理（包括信号分离、信号放大、信号调节和信号变换），也陈伟传感器接口通道。 中央处理器通常与协处理器、储存器、驱动器、输入/输出、接口等电路和芯片构成一个功能完整的“中 央处理系统”。 后向通道在机电一体化系统中，把计算机对执行机构和机械主体的控制部分，即计算机进行运算处理后 对上述控制对象的控制输出部分称为后向通道。 执行机构部分可以类比于人的四肢。执行机构是运动部件，一般采用机械、液压和电气等传动形式。机电系统 中目前使用最为广泛的执行机构是电动机。
Ucc
Ucc
Ucc
±
R2 Ut
R1±Δ1
±
R2 ΔR2 Ut
R1±ΔR1
±
R1±ΔR1 R3 ΔR3
ASIC技术 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)专用集成电路 ASIC(专用集成电路) 是指应特定用户要求或特定电子系统的需要而设计、制 造的集成电路。ASIC是集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合 的产物
PLC与PLD
PLC 在 早 期 是 一 种 开 关 逻 辑 控 制 装 置 ， 被 称 为 可 编 程 序 逻 辑 控 制 器 (Programmable Logic Controller)，简称PLC。按PLC的I/O点数，一般可将其 分为小型PLC、中型PLC和大型PLC。
相装置； 还加上其他因素使它对环境的要求不高，且适应范围广，精度也可以达到
0.24μ/m。
1
2
3
f1 f2
f1
4
f2
f2
f1
11
12
5
f1 f2
8
f1
f 1 f 2±Δf 2
f 2±Δf 2
9
f1
f1
f2 f 2±Δf 2
6
±l
10
整形
整形
7
+N
相减
-N
脉冲当 量转换
可逆 计数器
1—激光器 2—磁钢 3—λ /4波片 4—分光镜 5—偏振分光棱镜 6、7—角锥棱镜 8—分光镜 9、11—分析器 10—接收器 12—光电元件
机械电子学总结
机械电子学概述
机械电子学是以机械技术、电子技术、计算机技术、 传感器技术、自动化控制技术等为主的多种学科在 相互渗透、互相结合的过程中逐渐形成和发展起来 的一门新兴技术学科。
机械电子学与机电一体化
欧洲经济共同体EEC 机电一体化是指在设 计机械产品和生产过 程的初始阶段就考虑 将精密机械技术和电 子控制系统有机地结 合的科学。


W
黑白光栅
闪耀光栅
闪耀光栅：光栅截面成锯齿行，如上图，其中为光栅槽角，当光线由角方向如射以方向 衍射时，满足下列条件，干涉就加强：
W（sin -sin )=n
其中W是栅距， 是光波波长，n是整数。使用闪跃光栅时，能使特定级次的衍射光特 别增强 。
莫尔条纹
莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角θ 时，由于挡光效 应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，则在近
双频激光器是一种应用塞曼（Zeeman）效应的He-Ne气体激光器，所谓塞曼效应，即用一轴向磁 场把单模的氦氖激光器发出的主谱线分裂为两束强度相等、旋向相反的圆偏振光。图3-14所示为双 频激光干涉传感器的原理图，在单核氦氖气体激光器1的外部套有产生轴向磁场的环形磁钢2，根据 塞曼效应(塞曼效应是荷兰物理学家塞曼在1896年发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场 作用于发光体使光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应。)， 激光谱线被分裂成两束强度相等、旋向相反的圆偏振光f1和f2，光路通过偏振光干涉系统，即两个圆 偏振光通过λ/4波片3后，变为水平和垂直两个线偏振光，其中一部分从分光镜4反射，经分析器11 在光电元件12上取得频差（f1-f2）的拍频信号，另一部分透过4经偏振分光棱镜5，使偏振面垂直于 入射平面频率f1的线偏振光产生全反射，而让偏振面在入射平面内频率为f2的线偏振光全透过，两者 分别进入固定参考角锥棱镜7和置于工作台上的测量角锥棱镜6，又都被反射到偏振分光棱镜5的分光 面上。测量角锥棱镜6固定不动时，两线偏振光由镜8反射后，经分析器9在接受器10上得到与参考信 号相同频率的测量信号。当测量棱镜6移动时，光电元件10和12上得到两个拍频信号，经放大整形等 处理后送入减法器相减，输出脉冲数N，在电路中将累计的脉冲数N进行脉冲当量转换，变成具有长 度单位当量的脉冲数，由可逆计数器计数后显示器显示出被测位移值。
机电一体化的发展趋势可以概括为以下三个
发 方面：
展
性能上向高精度、高效率、智能化方向发展；
前
功能上向小型化、轻型化、多功能方向发展；
景
层次上向系统化、复合集成化方向发展。
SoC技术 SoC（System on Chip）片上系统 SoC技术是一个将微处理器或其他电子系统集成于单一芯片上的集成电路， 系统芯片可以处理数字信号、模拟信号、混合信号等，是一种高度集成化、 固件化的系统集成技术。
物理光栅——面积较宽节距细密的锯齿型光栅，经衍射和干涉后分散
为方向不同的光束,再经聚光镜2聚光后，在屏上显出光谱线。
特点：物理光栅是利用单块光栅的衍射现象来进行测量的。通常用于
物
光谱仪器，作色散元件。
理
光
栅
光栅衍射原理图
面积宽：100平方mm 线纹：500～2000线/mm
计量光栅——用两块光栅面对面叠在一起，利用它们形成 莫尔条纹来进行线位移或角位移的测量。
软件采用通用或实时操作系统、网络协议、数据库等，并为功能应用专 门设计的人机界面。IPC主要应用于工业过程测量、控制、数据采集等。
光栅 传感器
由等间距排列的直线族或曲线族所构成的周期结构统称光栅。光 栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的，它主要用于线位移和角位移 的测量。由于光栅传感器具有精度高、测量范围大、易于实现测量 自动化和数字化等特点，所以目前光栅传感器的应用已扩展到测量 与长度和角度有关的其他物理量，如速度、加速度、振动、质量、 表面轮廓等方面。
似垂直于栅线方向上显现出比栅距W 大的多的明暗相间的条纹，相邻的两明暗条纹 之间的距离B 称为莫尔条纹间距。
W
θ
a a
W b
当光栅之间的夹角θ 很小，且两
光栅的栅距都为W 时，莫尔条纹 间距B（a-a间距）为
B

2
W sin

W

KW
2
K为放大倍数。
由于θ值很小，条纹近似与 栅线方向垂直，因此称为横向莫 尔条纹。
PLD可编程逻辑器件的作用通常是作为嵌入式微处理器的逻辑能力扩展与作为数字式外部设备的 借口。目前应用最广泛当属现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和 复杂可编程器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）。 数字信号处理器 DSP（Digital Signal Processor）是专门用于数字信号处理方面的处理器，其 在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度，实时运 行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器。
单频激光干涉测距仪原理图：
12 滤聚 光光 片镜
激光器 稳频器
12 5
激光电源
4 物 镜
4
9
7 棱镜
7
ⅠⅠ
旋 转 移 相
板9
6Ⅱ
3
3
光
11
栏
6
10
分 光
镜
数字电路
8 反 光 棱镜
8
注意：1、3的作用是减少杂光干扰；9可改变光路Ⅰ和光路Ⅱ的光 程差；6处形成相干光。
图1.2-20是单频激光测长仪的原理图。单模稳频He-Ne激光器是干涉测长仪的光源，它发射出波长 λ=0.6328198μ的激光束，经过滤光片1和聚光片2后在光栏3的中心聚集成一个光点。滤光片只允许 λ=0.6328μ的激光通过。光栏3位于平行光管物镜的焦点上，因此激光通过此物镜后成为平行光束， 经分光镜6被分为两路。光路Ⅰ是经分光镜的反射光路，我们称它为参考光路，它射向固定于机座上 不动的三面直角棱镜7，再被反射回分光镜6的另一点上。光路Ⅱ是透过分光镜的可变光路，它射向 安装于仪器工作台上的三面直角棱镜8，经过8反射后又反回分光镜6与光束Ⅰ交汇于一处产生干涉。 旋转移相板9可以改变上述两路光程差以便得到较为理想的干涉带。光束Ⅰ和Ⅱ交汇于分光镜6和5以 后形成两路相干光，一路透过分光镜6照射到光电管10上，另一路经6和5反射后照射到光电管11上。 因为分光镜上镀有移相膜，可使透过它的光于由它反射的光在相位上相差45°，因而光电管10和11 上所接受的干涉带光电信号在相位上要相差90°，利用这一相位差便可判别工作台的位移方向和实现 电路细分。根据激光干涉的原理，工作台每移动一个半波长的距离，光电元件所感受的干涉条纹就 会产生一次明暗变化周期，因而经四倍频后记数电路就可以把工作台位移的变化以λ/8为单位进行计 数和显示出来。
电
机
热
磁
光
微型力/力矩传感器
Micro Force/Moments Sensor 微型力/力矩传感器
压阻效应（Piezoresistive Effect）是指单晶硅材料在受到应力作用时产生应变， 由于其原子结构内的能级改变，载流子迁移率及浓度发生变化，导致其电阻 率发生剧烈变化，结果单晶硅材料的电阻就有极大变化。
MEMS 传感器与普通传感器一样，都是根据各种物理、化学和生物效应 来感知被测参数并将其转换成电输出信号的器件。目前其工作原理主要有 压阻式、电容式、压电式、力平衡式、热对流式、谐振式等。
为与大规模集成电路的硅元件相配合，MEMS传感器是主要利用了硅微 基底材料的微机械加工技术，并结合微电子技术来制作的传感器。
可编程逻辑控制器定义
国际电工委员会（ IEC）于 1982年11月1985年1月对可编程序控制器 作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专 为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存 储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通 过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程 序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于 扩充功能的原则而设计。”
双频激光干涉传感器
双频激光器是一种应用塞曼效应He-Ne气体激光器。所谓塞曼效应,即用一轴向磁 场把单模的氦氖激光器发出的主谱线分裂为两束强度相等、旋向相反的圆偏振光。
双频激光与单频激光干涉传感器相比，最大的特点是： 光电元件接受的是拍频信号，不需要直流放大器，解决了影响干涉传感器可靠
的直流漂移问题； 其参考信号和测量信号直接相减就能辨别移动方向免去了为获90度相位差的移
我国
美国机械工程师协会
机电一体化是指在机械 机械电子学是由计算
的主功能、动力功能、 机信息网络协同与控
信息与控制功能上引进 制的，用于完成机械
了电子技术，并将机械 力、运动和能量流等
装置与电子设备等进行 动力学任务的机械和
有机结合而成系统的总 （或）机电部件相互
称。
联系的系统。
传感器与前向通道
机械电子学研究的主要研究内容包含了传感器、前向通道、中央处理器、后向通 道、执行机构、接口与通信等六个部分。
工业控制计算机（IPC）
工控机（Industrial Personal Computer）即工业控制计算机，简称工控 机，是基于PC总线的工业电脑 主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成， 如CPU卡、I/O卡、电机驱动卡等，并采取全钢机壳、机箱带有风扇和通 风过滤网，箱体内正压等设计。符合电磁兼容EMC（技术，以解决工业 现场的电磁干扰，震动，灰尘，高/低温等问题，具有工业级的CPU、硬 盘、内存、外设及接口