机电一体化系统设计习题

3.1 求图3.55所示电路网络的传递函数

RfCR1uiuo

（a）

解：电路绘制成s域形式

RfR1ui1sCuo

∴传递函数为：

1sCsRfC1R1sR1CUosUisRf CRfR1uiuo

（b）

解：电路绘制成s域形式

1sCRfR1Ui(s)Uo(s)

∴传递函数为：

RfRCs1Uo(s)Rf1Rf1Ui(s)R1R1sC1R1sC1CsR1 LuiC1RC2uo

解：电路绘制成s域形式

sLui1sC1R1uosC2

2

∴传递函数为：

1sC21RUo(s)sC211Ui(s)sLRsC1sC2Ls2C1C2R11sLRRLC1C2s2C1C2LsRC1C2sC1sC2 RLR2uouiC1R1C2

解：电路绘制成s域形式:

sLR21uosC2ui1sC1R1

1R1R2sC211R1R2Uo(s)sC2sC21Ui(s)11RR1R22sLsC2sCsC1211R1R2sLsC2sC1

3

3.2 求图3.56所示机械平移系统和电路系统的传递函数和系统方程，并画出它们的结构方框图。

vf1vmf2mk

（a）

解：机械平移系统的微分方程为：

dvmtdt

f1vtvmtf2vmtkvmtdtm拉氏变换得：

kVmsmsVmss

f1VsVmsf2Vms∴传递函数为：

Vmsf1s2Vsmsf1f2sk

系统方框图：

4

V(s)f1s1ms2Vm(s)(f1+f2)s+k

R1ViCR2LVo

（b）

解：电路绘制成s域形式：

R1Vi(s)1sCR2sLVo(s)

易求传递函数为：

1LsVo(s)R1Vi(s)(11)Ls1R1R2

系统方框图为：

5

Vi(s)Ls1/R1Vo(s)1+R1/R2

思考题与习题

4.1 传感器利用信息变换方式有哪些？试举例说明测量传感器的变换原理。

解：传感器利用信息变换方式有：

⑴ 开关量信号变换

举例：微动开关（接触型）；光电开关（非接触型）。转换成“０”，“１”二值信号输出。

⑵ 模拟量信号变换

举例：电阻型（电位器、电阻应变片），电压、电流型（热电耦、光电电池、压电开关）

转换成连续变化的模拟量输出。

⑶ 数字量信号变换

举例：数字型（计数器、编码器）

转换成数字量输出。

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4.2 试问信号基本转换电路形式有哪些？试述这些形式转换电路的基本原理。

解：信号基本转换电路形式有：

① 分压转换电路

② 差分转换电路

③ 非差分桥式转换电路

④ 调频电路

⑤ 脉冲调宽电路

基本原理：

① 分压转换电路

将传感器的阻抗变化转换成输出电压的变化。

② 差分转换电路

利用差分电桥（4个桥臂）上串联阻抗变化转换成输出电压的变化。

③ 非差分桥式转换电路

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原理同②。分为阻抗非差分转换电路、阻容相位电桥、阻感相位电桥。

④ 调频电路

由传感器电容Ｃ和标准电感Ｌ构成谐振电路并接入振荡器中，振荡器输出信号的频率

f12LC。

⑤ 脉冲调宽电路

将传感器的电容Ｃ或电阻Ｒ的变化转换成输出信号Uo脉冲宽度的变化。

4.3 在机电一体化系统中，有哪几种常用的传感器信号放大器？其特点？

解：

常用的传感器信号放大器有：

① 测量放大器

② 隔离放大器

③ 可编程增益放大器

④ 电荷放大器

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其特点：

① 测量放大器

共模抑制比很高，增益高，噪声低，输入阻抗很高，输出阻抗很小。适用于微弱信号放大。

② 隔离放大器

具有一般测量放大器的特点，但无需提供偏流回路，具有电气隔离性能，保护系统元器件免受高共模电压损坏。

③ 可编程增益放大器

根据输入信号的强度，改变量程，能保持接收电路输出电平基本恒定或在一个允许的小范围内变化。

④ 电荷放大器

用于压电式传感器的信号调理电路，将压电式传感器产生的电荷转换成电压信号，开环增益很高。

4.4 传感器模拟信号采样中应该注意哪些问题？怎样使传感器与计算机结合使用？

解：

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传感器模拟信号采样中应该注意以下问题：

① 保证A/D转换器的输入信号有足够的信噪比

② Ａ/D转换器的量程要符合所选器件的输入范围要求

③ 采样过程至少fs2fmax,有时为保证采样精度，取fs7~10fmax，对多通道数据采集，fs7~10fmaxN。转换速度和精度之间的矛盾及取舍。

④ 孔径误差

⑤ 系统通过率

⑥ 转换精度

使传感器与计算机结合使用的方法：

① 对开关型信号没有必要进行数字转换，可直接与计算机相连，用三态门作接口电路，直接与数据总线端口连接。

② 对于脉冲信号也无需进行A/D转换，可直接送入I/O口或中断源输入，计数输入。

③ 集成多路模拟开关的应用。

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