工程机械电子学仪器仪表设计技术-实验测量仪器常识
什么是机械电子学
机械电子学(或称机电一体化，mechatronics)一词较早由日本
工程师于1969年提出。机械电子学是将机械结构学和电子学结合而
成的一门新学科。到了今天这个词有了更为广泛的含义，一般可以
认为是一种新的解决工程技术问题的思想。这种思想具体表现为在
产品的设计制造和加工过程中，将机械工程、电子技术及计算机智
能控制有效并行集成。通过应用这种思想，很多原本由机械结构实
现具体功能的产品都可以由包含微控制器的产品替代。而这种可替
代性将使得生产过程具有更好的灵活性，重复设计和重复编程更为
简单，进而可以让系统具有自动数据收集和报告的能力。
机电一体化系统并不是简单地将电子系统和机械系统结合而得
到的。而且机电一体化系统比简单的控制系统复杂很多。机电一体
化系统在设计过程中遵循统一的设计方法。这种方法将机械、电子
和控制系统完整地集成在一起。这种集成化的、多学科交叉的方法
被广泛应用于各种工程设计领域，诸如汽车设计、机器人制造、机
械工具加工、清洗设备设计、摄像设备设计等。如果需要设计更加
廉价、更加可靠、灵活性更高的系统，那么设计在初始阶段就需要
对机械工程、电气工程、电子学、控制方面的内容进行集成。在处
理多学科交叉集成问题时，机械电子学使用统筹方法，而不是将各
个部分分开按照序列的方式来设计，例如，先设计机械系统再设计
电气部分及微处理器部分。因此，机械电子学是一种集成化的工程
设计方法，具有独特的设计理念。
工程设计是一个复杂的过程，需要交叉使用多种技巧及多学科的知
识。在传统的设计过程中，机械部分由机械工程师设计，控制系统
由控制系统工程师设计。这称为顺序设计方式。然而，机械电子学
的基本方法是在设计过程中将机械工程、电子学、计算机技术及控
制工程这些学科以统筹的方法整合在一起考虑。机械电子学方法的
内在统筹性主要依靠系统建模、模型系统对输入响应的仿真和真实
系统对真实输入的响应结果分析。
为了说明如何将多学科的方法应用于问题的解决方案设计，我
们以磅秤的设计作为一个分析实例。设计磅秤一般只需要考虑如下
几个过程：弹簧的压缩形变，一种可以将这种形变转化为轴的转动
的机械结构，轴带动指针在刻度盘上的移动。还有一个需要考虑的
问题是，磅秤的测量结果不能因被测试者站在磅秤的不同位置而发
生改变。但是，如果我们以超出纯粹的机械设计领域的角度来看这
个问题，那么我们还可以考虑其他的一些可能性。比如，我们可以
用应力测试仪替换原有的弹簧，还可以通过使用微处理器将测试仪
输出的重量读数显示在LED电子屏幕上。这样设计出来的磅秤在结
构上更为简单，减少了运动部件的使用。原有由机械结构实现的复
杂功能都转为由软件来实现。
下面再举一个更复杂的实例。传统的家用中央加热系统的温控
设计使用的是一种闭环双金属温度控制系统。由于双金属条的弯曲
度会随着温度的变化而发生改变，所以可以用于控制加热系统的开
关。而一个多学科融合的解决方案可以通过使用带热传感器的微控
制器控制系统来实现温控功能。这样的系统比传统的双金属温度控
制系统具有更多优点。双金属温度调节器控制精度比较差，无法准
确地控制温度。同时我们很难设计一种控制方法能够在一天的不同
时间保证将温度控制在不同的值。但是微处理器控制系统就可以很
容易地实现精确的程序化的温度控制。而且这样的系统也更加灵活
。相比于传统的控制系统，机电一体化系统普遍具有更好的灵活性
。
