机电一体化产品.ppt

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机电一体化产品,电子照相机电子手表电子化洗衣机电子秤,电子照相机一、传统的照相机结构,单镜头反光式照相机原理示意图,焦距调整,光圈,电子照相机,传统的照相机是一个光学机械装置，其主要的部件有：

直接取景式照相机原理示意图,

（1）镜头（包括光圈机构）

（2）调焦机构（3）快门机构（4）取景器（5）输片系统（包括卷片机构和倒片机构）（6）机身,其中光圈机构、调焦机构、快门机构、输片系统属于机械装置，而镜头（其中的光圈机构除外）、取景器基本上属于光学系统。

电子照相机,二、照相机的基本性能要求若要获得一张理想的照片，摄影时必须采用：

正确的曝光量准确的焦距调整相应的光圈大小,正确的曝光量使得照片的影像层次丰富；,准确的焦距调整确保照片上的影像清晰；,光圈大小调节可以改变摄影的景深范围，满足摄影技巧的要求。

电子照相机,因此，照相机应该具备的控制功能为：

曝光量控制（包括光圈控制和快门控制）焦距控制光圈控制,显然，对于照相机来说，光圈控制、快门控制和焦距控制是其最基本的性能。

在传统的光学机械式照相机上：

准确地调整焦距和选择相应的光圈大小（手动方式）,曝光量的确定凭经验或借助其它检测手段,电子照相机,三、自动曝光控制技术能够对曝光量实施控制的照相机出现于七十年代。

当时，日本的一些厂家开始生产有自动曝光（控制）功能的照相机。

根据其控制方式方面的差别，可分为：

自动光圈（快门先决或快门优先）式自动快门（光圈先决或光圈优先）式程序式,电子照相机,1自动光圈控制技术自动光圈式照相机在使用时，根据被摄物的状况和拍摄目的，先用手动方式将快门速度调好，然后通过测光量和胶片的感光度自动控制光圈大小。

由于七十年代的电子技术和集成电路制造水平还不高，早期的自动光圈控制是用表头控制实现的。

表头控制方式的测光元件采用硫化镉（CdS）光敏电阻，其阻值随照射光强度增加而减小。

由于外界光线强度不同，外电源通过光敏电阻所产生的电流与光线强度成正比。

此电流流过一个灵敏的小型电流表，表针的偏转角度与电流大小成正比，即表针的偏转角度与光线强度成正比。

电子照相机,光线，R，电流，表针摆动角度光线，R，电流，表针摆动角度,电子照相机,摄影时，硫化镉光敏电阻进行测光，电流表的指针R随光线强度发生偏转。

如果被摄物较暗，指针偏转角度就小（偏A端），梯级定位板与指针相遇时的位移量较小。

当被摄物较亮时，指针偏转角度较大，梯级定位板的位移量也较大。

电子照相机,2自动快门控制技术自动快门式照相机在摄影时，首先手动设定光圈大小，然后通过测光量和胶片的感光度自动控制快门速度。

这种自动曝光方式的特点是能够满足摄影时对景深的要求。

自动控制快门也被称为电子快门。

电子快门一般是由机械快门机构和电子延时器组成。

快门运动的动力是机械弹簧的拉力或扭力，快门的最高速度仍受弹簧动力和机械传动的限制，而电子延时器只是在低于快门最高速度的范围以内控制曝光时间长短的作用。

电子照相机,3程序式自动曝光技术只要摄影者确定了摄影方式，通过程序式自动曝光控制就可自动优先选定光圈大小或快门速度，然后再进行自动曝光控制。

通常程序式自动曝光的摄影方式有：

（1）人像方式采用大光圈（小景深）,自动快门控制；,

（2）风景方式采用小光圈（大景深），自动快门控制；,（3）运动方式采用较高的快门速度，保证得到动作停顿的清晰照片，自动光圈控制。

电子照相机,四、自动调焦控制技术,1光电式自动调焦用于柯尼卡C35AF照相机的自动调焦机构是一种微型光电式自动调焦组件，其工作原理见下图。

电子照相机,这种自动调焦方式的缺点主要是：

（1）不能对线条结构重复而又有一定规律的景物（如砖墙、铁丝网等）进行自动调焦；,

（2）自动调焦必须在光线充足的条件下进行，如果光线较暗，调焦精度明显下降。

电子照相机,2超声波式自动调焦这种自动调焦方式主要用在美国宝丽来（Polaroid）公司生产的一次成像照相机上。

在这种照相机上装有声纳测距系统，工作时主动发射超声波，再根据回波的延时来测定被摄物到照相机的距离。

电子照相机,主动式超声波自动调焦方式在黑暗环境下也不会失灵，因此这种照相机可以在夜间用闪光灯拍摄出清晰的照片。

这种自动调焦方式的缺点是：

玻璃和雨水等会反射超声波，因此在透过玻璃、雨水摄影时，调焦效果较差。

电子照相机,3红外线（主动）自动调焦,近年来，在自动调焦的照相机中，大多装备了红外线自动调焦机构。

这类照相机通过红外发射管发出红外线，然后由光电元件接收被摄物反射回来的光束，测量被摄物到照相机的距离。

较多的红外线自动调焦照相机采用电荷耦合器件CCD（ChargeCoupleDevice）传感器作为光电元件，其原理如下图所示。

通过照相机的红外发光二极管发出红外光，经镜片聚焦后射向前方。

由于被摄物到照相机的距离不同，反射到CCD上的红外线照射位置不同。

根据反射回来的红外线光点在CCD上的位置，确定被摄物与照相机之间的距离。

电子照相机,电子照相机,固态图像传感器固态图像传感器的功能是把传感器受光面的光像分解成许多像元，并将它们转换为电信号，然后顺序地输送出去。

大部分固态图像传感器的核心部分是CCD（ChargeCoupleDevice，电荷耦合器），其原理如下图所示。

CCD作为读出移位寄存器，顺序地将电信号在输出端串行输出。

电子照相机,根据光敏二极管的排列方式，CCD可分为：

线阵CCD和面阵CCD。

线阵CCD已能达到4096像素；面阵CCD已能达到20482048像素。

由于光敏二极管排列整齐、尺寸和位置精确，每个光敏二极管的光电荷量不仅含有光照度的信息，而且还含有位置信息。

电子照相机,固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好和寿命高等优点，并且以光为媒介进行非接触测量，可以达到危险地点，因而得到广泛应用。

其主要用途为：

（1）物位、尺寸、形状、表面质量、表面温度等；

（2）作为光学信息处理的输入环节，例如电视摄像、传真、扫描仪、数字化的复印机等。

电子照相机,五、傻瓜照相机对于生活照片，一般人只要求画面清晰，曝光正确。

此外，大多数业余摄影者要求照相机的结构越简单越好，操作越简便越好，价钱越低越好。

因此，随着自动曝光技术、自动调焦技术的出现和发展，照相机生产厂家根据市场的需要，生产出一种使用简便、价格低廉、室内外拍摄均可的照相机，俗称傻瓜照相机。

这类照相机有一些共同的特点：

（1）小型化

（2）操作简便（3）内藏闪光灯（4）适于抓拍和快拍（5）价格低廉（6）可靠性高，故障率低,电子照相机,超焦距调焦方式,傻瓜照相机虽然几乎不用摄影者进行调节和控制就可完成拍摄，但傻瓜照相机不属于真正意义上的自动照相机，它们一般只采用了自动光圈控制技术。

电子照相机,六、数码照相机数码照相机也被称为数字式照相机。

数码照相机在测光方式、曝光方式和对焦方式的控制技术方面与普通照相机基本相同，但在影像的记录方式上截然不同。

数码照相机采用CCD器件代替胶卷，把影像的光信号转变为模拟电信号，经过A/D转换后，存入存储器（主要为半导体存储器）。

数码照相机一般都带有液晶显示，在摄像时可作为取景器，在摄像后及时观看摄取的影像，有选择地存储影像。

电子照相机,数码照相机上有与计算机的接口（USB接口），可把存储的影像信息输入到计算机，进行影像显示、编辑、修改、存储和打印输出，还可以通过网络传输照片。

有些数码照相机还有视频输出插口，可接到电视机显示影像。

电子照相机,七、小结1外部因素往往是机电一体化技术发展的原因和动力。

2了解产品的应用背景和技术要求是机电一体化产品开发的基础。

3当产品或系统内的信息以数字量形式存在时，机电一体化技术可以充分发挥其作用。

4产品的使用方法应尽量简单，尽可能使之傻瓜化。

5产品和系统的自动化程度应适度。

电子照相机,电子照相机电子手表电子化洗衣机电子秤,电子手表手表是一种计时仪器，分为机械手表和电子手表两大类。

一、机械手表的结构机械手表是以发条为动力，通过一系列的机构带动指针实现计时的，右图为其机构示意图。

普通机械手表的基本结构可以分成六个系统：

电子手表,2原动系统原动系统由发条等零件组成，是手表工作的动力源，对于手表走时是否准确有直接的关系。

3传动系统传动系统是将原动系统的动力传递到擒纵系统的中间环节。

1上条拨针系统该系统要实现两个功能：

（1）上紧发条，为手表走时提供动力；

（2）拨动时针和分针，调整时间。

电子手表,4擒纵系统通过擒纵齿轮与叉瓦之间的运动，使手表传动件的运动由圆周运动（擒纵轮）转变为往复运动（擒纵叉），给调速系统的摆轮游丝补充能量。

电子手表,5调速系统调速系统的主要机件是摆轮和游丝，用来控制传动系统的转动速度，使传动系统按照计时要求的转速转动。

6指针系统其作用是通过秒针、分针和时针转动，显示时间。

电子手表,二、机械手表的缺点从机械结构来说，机械手表已达到较完善的程度，但在使用中还存在一些不足之处：

1对于普通机械手表，需要人工每24小时左右上一次发条。

2等时性较差，即当上足发条时走时偏快，发条不足时走时偏慢。

3结构比较复杂，零部件较多，普通的机械手表由140150个零件组成。

4走时精度较差。

按照我国国家标准（GB4033）规定，机械一级手表的每日走时误差允许在55秒之内，这是目前机械手表标准的最高精度。

电子手表,机械手表走时精度不高主要是由其调速系统采用摆轮游丝机构所决定的。

钟表的走时误差可用下式来确定,式中t日差，秒/日；f调速系统（振荡器）的频率偏差，Hz；f调速系统（振荡器）的固有（振荡）频率，Hz。

由上式可知，日差与调速系统的振荡频率误差成正比，与调速系统的振荡频率成反比。

振荡频率误差越小，振荡频率越高，则日差越小。

电子手表,但是，在技术上减小振荡频率误差比较困难。

因此，为了提高机械手表的走时精度必须提高摆轮游丝的振荡频率。

解决问题的主要思路：

提高计时装置的振荡频率来减小计时误差。

电子手表,三、晶体管摆轮游丝式电子手表（结构改进型）这种手表的调速系统仍采用摆轮游丝系统，只是在摆轮上装有永久性磁钢。

在靠近磁钢处有一线圈，用晶体管作为线圈电流的换向开关。

线圈形成的变化的磁场不断变换对磁钢的作用力，使摆轮保持持续不断的往复运动，以保障手表能够准确地计时。

这种电子手表的优点是用电池作为能源，可以：

免去上发条走时的等时性好走时误差约为15秒/日,由于这种电子手表仍采用摆轮游丝系统，其最高振荡频率只能达到10Hz，因而走时精度难以进一步提高。

电子手表,四、音叉式电子手表（原理改进型）,这种电子手表是根据物理学上的音叉谐振原理，在音叉的两个叉头绕上线圈，当输入换向电流时，两个线圈产生吸引力或排斥力，以此不断地输入能量，使音叉持续不停地振动。

这种电子手表省去了摆轮游丝机构，简化了机械结构，并且把振荡频率提高到400Hz，走时误差为5秒/日。

这种电子手表存在的主要问题是：

制造困难,（棘轮直径为3mm，有200个齿）,机械磨损,（棘轮采用铍青铜）,抗震性能差（棘轮的齿高为0.10mm）,电子手表,五、指针式石英电子手表（原理改进型）,这种电子手表利用石英晶体在两端受到电压作用产生的压电效应，使石英晶体成为振荡源（振荡频率215Hz），经分频电路的16次分频，获得一个0.5Hz频率的信号，再经过放大、整形后，去驱动步进电机，带动传动齿轮和指针齿轮来计时。

由于石英谐振器频率很高，可达到32768Hz，因而走时精度可大大提高，走时误差为0.5秒/日。

与机械式手表相比，这种手表多了一种功能：

停秒功能。

电子手表,六、数字式石英电子手表（原理改进型）这是一种全电子化的手表，表中没有运动的机械构件。

这种手表的石英振荡器的振荡频率也是32768Hz。

这一振荡频率经集成电路中的分频电路15次分频后，输出1Hz的标准电信号，送入计数器进行“时、分、秒”和“月、日、星期”的计数，并存入寄存器中。

电子手表,注意：

数字式石英电子表走时精度与指针式石英电子表处于同一等级（走时误差0.5秒/日）。

由于数字式石英电子表的关键元器件是集成电路，随着电子技术的飞速发展，集成电路的功能不断增强，为开发数字式石英电子表的功能提供了便利条件。

因此，具有各种新功能的数字式石英电子表层出不穷，已远远超过手表的功能范畴。

目前已出现的新产品有：

双显示手表、计算器手表、报时器手表、收音机手表、电视机手表、传呼机手表、血压计手表、脉搏计手表、温度计手表、字典手表等。

电子手表,七、高精度电子手表电子手表发展非常迅速，新型电子手表不断涌现。

这里仅介绍一种超高频石英手表和一种电波钟。

1.超高频石英手表这种石英手表的原理与指针式石英手表基本相同，差别仅在于前者的石英谐振器具有更高的振荡频率和更多级次的分频电路，从而进一步提高手表的走时精度。

这种手表采用4000kHz的超高频振荡源，走时精度为5秒/年。

电子手表,2.电波钟电波钟是通讯装置与石英钟表结合的产物。

电波钟利用石英钟表实现计时的基本功能，使用无线电接收装置接收标准报时台发出的标准时间信号，用来校准石英钟表。

一般电波钟在一天内多次校准时间，因而电波钟的计时精度与标准报时台的原子钟的计时精度相同。

目前，原子钟的计时精度为30万年误差1秒。

电子手表,世界电子手表生产情况统计,世界手表市场上，最昂贵的手表是机械手表（最多达120钻）。

世界电子手表市场上，高档手表全部是指针式石英电子表。

电子手表,八、小结1要从某些关键性的因素入手提高产品或系统的功能和质量。

2产品的功能要与其性能匹配。

3.在线校准技术对提高计量和测试精度是一种行之有效的方法。

4产品的开发应充分考虑使用者的习惯和爱好。

电子手表,电子照相机电子手表电子化洗衣机电子秤,电子化洗衣机本节仅以桶式洗衣机为例，介绍机电一体化技术在洗衣机方面的应用。

一、机电式洗衣机1普通单缸式和双缸式洗衣机,普通的单缸和双缸洗衣机的功能较少，一般都是采用机械式定时器来控制洗衣机波轮的转动和换向，以及甩干桶的转动。

这类洗衣机不属于机电一体化产品！

电子化洗衣机,2机械控制式全自动洗衣机早期的全自动洗衣机大都采用机械式的控制器来实现多种洗涤方式的程序（顺序）控制。

这类洗衣机通过人工设定控制器的洗涤方式，能够自动地完成指定的洗涤全过程。

但这类洗衣机也不属于机电一体化产品！

机电一体化洗衣机,电子化洗衣机,二、机电一体化洗衣机1采用微机控制的全自动洗衣机,采用微机（单片机）控制的全自动洗衣机的功能比机械控制式全自动洗衣机更多，同时控制方面更为灵活。

以国产小天鹅洗衣机（XQB3382型）为例，除了设有“牛仔、羊毛、标准、轻柔、快速”五种设定的洗涤方式程序以外，还备有千余种自编程序供使用者选择。

这种洗衣机具有四种水流方式和两种波轮（电机）转速，可以显示洗涤剩余时间、自动报警、自动偏置调整。

电子化洗衣机,这种洗衣机的最大优点是给予使用者足够的自由操作的空间，使用者可以根据自己的习惯和要求来自编洗衣程序。

但是，如果使用者对自编洗衣程序的方法不熟悉，那么这种自编洗衣程序的功能则形同虚设。

问题：

能否研制一种类似于傻瓜照相机式的洗衣机？

2模糊控制洗衣机这类洗衣机采用单片机实现模糊控制。

理论上,模糊控制洗衣机上只需设一个控制键。

使用者只需按下这个控制键，洗衣机就可自动完成洗涤过程。

电子化洗衣机,

（1）模糊控制洗衣机的基本控制原理模糊控制洗衣机的基本控制原理为：

1）根据传感器检测到的布质、布量和衣物的脏污程度，通过模糊推理确定洗涤剂的投放量、水位、水流、脱水时间。

2）根据洗涤过程中桶内水的混浊度的变化，实时模糊控制洗涤时间。

3）根据漂洗后桶内水的混浊度确定是否结束漂洗。

电子化洗衣机,

（2）检测传感器1）混浊度传感器,混浊度传感器一般采用红外光电传感器。

混浊度传感器浸泡在洗衣桶的溶液内，主要由一个红外发射管和一个红外接收管组成。

红外发射管发出一定强度的红外光，红外接收管在溶液的另一侧接收红外光。

根据红外接收管接收到的红外光的强度，就可以确定溶液的混浊程度。

可以通过溶液的混浊度确定漂洗过程是否应该结束，通过溶液混浊度的变化率判断洗衣过程是否应该结束。

电子化洗衣机,2）布质布量传感器,布质布量的检测一般在洗涤之前进行。

在一定水位的前提下，布质布量不同，产生的布阻抗不同。

测量布质布量时，先向洗衣桶内加入一定量的水，起动电机带动波轮转动，然后突然切断电源。

电机靠惯性继续旋转，但此时电机处于发电状态，会产生一定的感应电势。

由于不同的布质布量会形成不同的布阻抗，而不同的布阻抗对电机产生不同的制动效果。

经过大量试验，归纳出模糊推理规则，就能根据感应电势的大小和持续时间长短，推断出布质布量。

为了减少推断误差，需反复检测几次，再进行数学处理。

电子化洗衣机,3）水位传感器水位测量采用LC水位传感器。

传感器内的电感电容与外电路构成LC振荡器，水位的高低影响电感值的大小，因而影响传感器的振荡频率。

由其振荡频率就可测得水位。

（3）模糊控制洗衣机的工作过程模糊控制洗衣机的工作过程如右图所示。

注意：

目前模糊控制洗衣机并非一键控制，并且洗涤剂由人工放入。

电子化洗衣机,三、小结1.机电式的控制装置也能够实现顺序控制度功能，但这类控制装置已很少应用。

2.机电一体化产品的设计和开发过程中要贯彻“把方便送给用户，将麻烦留给自己”的原则。

电子化洗衣机,电子照相机电子手表电子化洗衣机电子秤,电子秤电子秤是一种装备了电子元件的称重设备。

电子秤具有称量速度快、读数方便、适于在较恶劣的环境下工作等优点，并且便于与计算机技术结合而实现称重技术的自动化。

因此，电子秤在工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等部门得到广泛应用。

电子秤的种类繁多，这里只介绍一些应用较为广泛电子秤。

电子秤,一、电子秤的称重精度概念,1称重精度电子秤的称重精度一般用一个比例系数来表示：

FullScale,2四角误差对于案秤和台秤都存在由于被称重物在秤台上放置的位置差别造成的称重误差。

电子秤,二、案秤案秤是一种小型的秤，其最大称重量不超过25公斤，多用于商业贸易。

根据案秤的工作原理可分为机械式案秤和电子计价秤两大类。

1机械式案秤机械式案秤可分为杠杆式和弹簧式两种，下面介绍一种典型的杠杆式案秤单标尺游铊增铊并用案秤，其工作原理如图所示。

罗伯威尔机构,电子秤,2电子计价秤电子计价秤的量程一般在315公斤，并带有计价功能。

在电子计价秤上采用了以铝合金为弹性体材料的双复梁式结构的称重传感器。

这种型式的称重传感器精度高（非线性误差0.02%FS，重复性误差0.01%FS），并可通过挫磨修正四角误差，因而可以简化电子计价秤的结构。

电子秤,与机械式案秤相比，电子计价秤具有以下优点：

（1）称量速度快；

（2）称重精度高；（3）读数准确；（4）能自动计算金额；（5）有许多附加功能（如累计、刨皮等）。

电子秤,三、台秤台秤是一种使用较广泛的衡器，其承载器呈平台状。

1机械式台秤传统的台秤是机械式台秤，其结构为空间杠杆机构，其工作原理可简化为如下图所示。

电子秤,2机电结合式汽车衡机械式台秤称重速度慢，读数不准确，因此有些厂家将其进行改造，成为机电结合的汽车衡。

3电子汽车衡电子汽车衡是一种典型的电子化台秤，其机械结构和电子电路具有代表性。

最简单的电子汽车衡的结构原理如下图所示。

目前，电子汽车衡大多采用无基坑型式。

在称重量较大或秤台较长的情况下，秤台高度较高。

电子秤,为了降低秤台高度，电子汽车衡生产厂家采取了一些措施。

有的电子汽车衡采用了以下结构。

由于电子汽车衡的结构属于梁式结构,有些电子汽车衡采取了增加支点的方案,电子秤,为了避免直接增加支点造成的秤台上翘，可以采用柔性铰结构。

有些电子汽车衡采用分段梁结构,为了减少传感器的数量，有的汽车衡采用了以下结构,电子秤,四、电子皮带秤电子皮带秤用来称量皮带机上输送物料的重量。

1称重原理设皮带上输送的物料是均匀分布的，皮带运行的速度是恒定的，在某一时间间隔t内，,W=qvt式中q皮带上单位长度的物料重量，kg/m;v皮带的运行速度，m/s。

皮带输送的物料的重量W为,电子秤,在生产实际中，皮带上输送的物料不是均匀分布的，而且皮带的运行速度也有一定变化，即,和,因此皮带输送物料的重量W应该考虑这一动态变化情况。

当时间间隔为dt时，由于dt时间间隔非常短，在dt时间内皮带输送的物料重量为,在时间间隔t内，皮带输送物料的重量为,电子秤,由上式可看出，要称出皮带上输送物料的重量需要准确测量皮带上单位长度的物料重量和皮带的运行速度。

在实际称重时，一般用求和来代替积分计算,

（1）q（t）的测量方法在皮带机上卸去几个相邻的托辊（16个托辊），装上一个称重的皮带秤架，秤架上安装与卸去托辊数量相同的托辊。

用称重传感器可测出秤架段皮带上的物料重量Q（t）。

再考虑秤架段皮带的长度L，就可得到皮带上单位长度物料的平均重量：

电子秤,

（2）v（t）的测量一般在皮带机的返程皮带处安装一个测速辊，返程皮带通过摩擦力带动测速辊转动。

测速辊带动一个测速发电机或光电编码器发出与皮带速度相应的电压信号或脉冲信号。

电子秤,电子皮带秤称重模型中用平均单位长度物料重量代替瞬时单位长度物料重量,是否合理，是电子皮带秤称重是否精确的关键。

电子秤,3秤架的结构秤架的结构形式主要有：

（1）单杠杆式,

（2）双杠杆式,（3）全悬浮式,电子秤,五、小结1.当机电一体化产品采用单片机进行信息处理后，其功能的开发具有很大潜力；,2.在解决一些工程问题时，经常从物理模型和数学模型入手，结合工程上的特点进行适当的数学处理，并选择实用的检测手段。

电子秤,