机电一体化期末考试试题及答案

1. 什么是“机电一体化”？以打夯机为例，内含机械与电器，问这是不是机电一体化产品？

答：机电一体化又称机械电子工程，是机械工程与自动化的一种，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。

打夯机不属于机电一体化产品。因为打夯机只是普通的机械加电器，它属于硬连接或者称为机械连接只能应用在就地或者小范围场合使用，不能满足大面积和远程控制。而机电一体化就不一样了，它不光有硬连接、机械连接还有软连接。机电一体化属于同时运用机械、电子、仪表、计算机和自动控制等多种技术为一体的一种复合技术。它不光可以就地操作，小范围应用，还可以大面积使用操作，远程监测、控制。

2.机电一体化的技术构成是什么？ 答：机械技术、微电子技术、信息技术

3.产品实现机电一体化后，可以取得那些成效？

答：产品实现机电一体化后可以取得的成效：产品性能提高、功能增强、结构简化、可靠性提高、节约能源、改善操作、提高灵活性等。 4.数字量传感具有哪三种类型？他们有什么区别？ 数字传感器按结构可分成三种类型：

1.直接式数字量传感器——其分辨率决定于数字量传感器的位数。 被测物理量→数字编码器→信息提取装置→数字量输出

2.周期计数式数字传感器

它的结构示意图如下图1所示。此种结构的位移分辨率对低精度的周期计数式数字传感器而言，仅由周期信号发生器的性质决定。例如，光栅当长1mm有100条刻线时，其分辨率即为0.01mm;对高精度的周期计数式数字传感器而言，还要考虑到电子细分数。如在100倍电子细分数下，此光栅的分辨率就是0.1μm。此种结构属于增量式结构，结构的特点(位移方向的要求)决定它不但备有辨向电路，而且周期计数器还具有可逆性质。

辨向电路被测物理量周期信号发生器周期计数器细分电路转换电路计数周期数字显示高位低位 图1 周期计数式数字量传感器的结构方框图 3.频率式数字传感器

其结构示意图如下图2所示。按振荡器的形式，可将此种数字传感器分成带有晶体谐振器的和不带晶体谐振器的两种。前者，按被测量的作甩点，又分作用在石英谐振器上的石英晶体谐振式数字传感器和作用在谐振器中储能元件上的带有

晶体谐振器的调频式数字传感器。按采用敏感元件的形式，又可分为简单的)和差动的两种。

被测输入量变频振荡器恒频振荡器差频倍频频率—数字变换器数字显示器+变频振荡器?f差频被测输入量_变频振荡器-?f倍频频率—数字变换器数字显示器 图2 频率式数字量传感器的结构方框图

从上述三种类型数字传感器的结构图可以看出，它们都具有抗干扰能力强以及数字量输出的特点。如考虑到对电源电压的波动，环境温度波动和非线性等因素的补偿，则精度还可提高。如果采用单片微型计算机去进行信息处理，诸如补偿、频倍(细分)和数字转换等硬件线路可软件化，不仅使线路简化，还可使分辨率，测量精度和工作可靠性进一步调高。

2. 数字检测方法有哪三种？三者有什么区别？

三种分别为： ① M法数字检测

② T法数字检测 ③ M/T法数字检测 区别：（1）M法数字检测测量装置的分辨率在不同的区段是不同的。在低段

的分辨率低（精度低），而在高段的分辨率高（精度高）。

（2）T法数值检测测量装置的分辨率在不同的区段是不同的，在低段

的分辨率高（精度高），而在高段的分辨率低（精度低）。

（3）M/T法数字检测测量装置的分辨率是一个常数，与转速的高低无

关。

3. 简述反射传感器的传感原理，为什么带偏振片的反射传感器在被测物体为反射体时不会产生误振动？ 传感原理：自带一个光源和一个光接收装置，光源发出的光经过待测物体的反射被光敏元件接收，再经过相关电路的处理得到所需要的信息。可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。

原因：偏振反射式光电传感器是把发射器和接收器装入同一个装置内，并加装偏振滤光系统，在其前方装一块棱镜反光板，以保证当光线遇偏振滤光片时，仅使偏振滤光片格栅平行方向上振动的光线能够通过，防止高反射率物体将光线反射回光电传感器的接收器造成传感器的误动作，从而使高反射率物体进入检测区域时能够被可靠检测

带偏振片的反射传感器：无论是否反射体在遮住光通路后就一定能被检出。与常规反射传感器的区别：

(1)在发射器与接收器的光通道上分别安装互成直角的偏振片； (2)采用三角反射镜，经它反射的偏振光其振荡面旋转90°。

图7 带偏振片的反射传感器工作原理及电气结构

4. 简述图2-8-2中四种相位调制型光纤传感器干涉系统的工作原理？

马赫泽德干涉仪如下图8所示，G1 G2是两块有半反射面A1 A2的平行平面玻璃板，M1 M2是两块反射镜四个反射面通常平行放置，并且各自中心位于一个平行四边形的四个角上，典型尺寸是1～2m。光源S置于透镜L1的焦点上，S发出的光束经L1准直后在A1上分为两束，他们分别由M1、A2反射和M2反射、A2透射，进入透镜L2。两束光的干涉图样可用于置于L2焦平面位置的照相机拍摄下来，如果采用短时间曝光技术，即可得到条纹的瞬间照相。未了解仪器所产生的干涉条纹性质，假设光源S是一个单色点光源，因而入射到半反射面A1的是单色平面波。设透过A1并经M1反射的平面波的波前为W1.，而经A1和M2反射的平面波的相应波前为W2；引入虚波前W1，它是W1在半反射A2中的虚像。一般情况下，W1和W2是互相倾斜的，形成一个空气楔，因此，在W2上将形成平行等距的直线条纹，条纹的走向与W2和W1所形成的空气楔的楔楞平行。如果使W2通过被研究的气流，W2将发生形变，因而干涉图样的变化就可以测量出所研究区域的折射率或密度的变化。

图8 马赫泽德干涉仪 迈克耳逊干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出相干光的光程

差位置分布的函数。

若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度L发生变化，或是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化。

G2是一面镀上半透半反膜，G1为补偿板，M1、M2为平面反射镜，M1是固定的，M2和精密丝相连，使其可以向前后移动，最小读数为10-4mm，可估计到10-5mm, M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。当M2和M1’严格平行时，M2会移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“吞进”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”。M2和M1’不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，在M2移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M2平移距离 d 与条纹移动数 N 的关系满足：d=Nλ/2，λ为入射光波长。

经M2反射的光三次穿过G2分光板，而经M1反射的光通过G2分光板只一次。G1补偿板的设置是为了消除这种不对称。在使用单色光源时，可以利用空气光程来补偿，不一定要补偿板；但在复色光源时，由于玻璃和空气的色散不同，补偿板则是不可或缺的。

如果要观察白光的干涉条纹，臂基本上完全对称，也就是两相干光的光程差要非常小，这时候可以看到彩色条纹；假若M1或M2有略微的倾斜，就可以得到等厚的交线处（d=0）的干涉条纹为中心对称的彩色直条纹，中央条纹由于半波损失为暗条纹。

图9 迈克尔逊干涉仪示意图

萨格纳克干涉仪：1913年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，这就是萨格纳克效应。

萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。 萨格纳克效应已经得到广泛的应用，由萨格纳克效应研制出的光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。

定义1：

这一在惯性空间中,由光敏感转动的效应称为SAGNAC效应.光纤陀螺工作原

理框图如图1所示.由光源发出的光,经藕合器传输到Y一波导调制器.Y一波导调制器将其输入光分成顺时针和逆时针传输的两束,进人保偏光纤环圈,以实现SAGNAC效应

定义2：

这种现象称为Sagnac效应,光纤陀螺仪实质上就是一种Sagnac干涉仪.对于光纤陀螺仪的性能测试主要涉及以下几个技术参数:标度因数K(scalefactor)陀螺仪输出量与输入角速率的比值

图10 萨格纳克干涉仪图

法布里-珀罗干涉仪：光谱分辨率极高的多光束干涉仪。由法国物理学家C.法布里和A.珀罗于1897 年发明 。其结构如下左图，M和M'是两块具有很小楔角的平板玻璃，相对两面互相平行，并涂有高反射率涂层，两板间用殷钢环隔离并固定。这种间距固定不变的干涉仪常称作标准具。入射光在相对两面上反复反射和折射后产生多束相干反射光和透射光，透射光束在透镜 L′的焦面上叠加，形成等倾圆环状干涉条纹。

图11 法布里-珀罗干涉仪图

5. 接近传感器共有几种类型？简述感应式接近传感器与电容式接近传感器测量原理的共同点与不同点？ 三种类型，分别为感应式接近传感器，电容式接近传感器，及电磁式接近传感器。 共同点：都是通过使振荡器停振来检测金属物体。

不同点：感应式接近传感器的振荡器在探头端部产生磁场作用区，当金属进入该作用区时，引起振荡器停振，而电容式接近传感器是测量加电后，两极间产生电场，当与大地连接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。

9. 常用的图像传感器有几种？，传真中用的是什么图像传感器？，机器人用什么图像传感器，简述其工作原理。

有CCD图像传感器和红外线图像传感器。CCD图像传感器又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，面型CCD图像传感器适用于工业监视及工业机器人。

工作原理：CCD图像传感器是通过将光学信号转换为数字电信号来实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。光学信号转化为数字信号主要由CCD感光片完成。CCD感光片由三部分组成，即镜片，彩色滤镜和感应电路，如下图。镜片和彩色滤镜主要是对接受的光线（即图像）进行一定的预处理，感应电路为CCD传感器的核心，它又可分为光敏元件阵列和电荷转移器件两部分。

过程：成像在CCD上的景物 → 感光部电信号 → 电子图像 → CCD移位寄存器 → 放大器 → 输出

图12 CCD图像传感器工作原理图

线阵CCD图像传感器：中间是一列感光单元（光电二极管阵），两侧分别设置了CCD移位寄存器。感光单元按位置的奇偶性，分别把其所存储的电荷向两侧移位寄存器传送，最后在输出部汇合输出。在其感光部和两侧CCD移位寄存器之间设有转移栅。移位寄存器停顿时，转移栅开放，光电二极管所积累的电荷可以送到两侧的CCD移位寄存器中。接着转移栅关闭，感光部的光电二极管开始进行下一次读出的电荷积累。线阵CCD图像传感器广泛应用于传真等场合。

面阵CCD图像传感器：400×500像素和800×500像素的面阵CCD图像传感器适用于工业监视及工业机器人。 在帧传送方式垂直消影期中，感光部所积累的信号电荷快速转送到存储部，然后由输出寄存器顺次读出。在行间传送方式中积累的电荷一次转送到邻接的垂直移位寄存器，以后从输出移位寄存器中读出信号。

图 13位线阵CCD图像传感器结构

图14 帧传送面阵CCD图像传感器的结构 图15 行间传送面阵CCD图像传感器的结构

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