光機(jī)電測控技術(shù)基礎(chǔ)第章緒論課件

1、光機(jī)電測控技術(shù)基礎(chǔ)主講人:嚴(yán)晗課程概述核心：物理量光學(xué)量電信號 機(jī)械運(yùn)動屬性：光機(jī)電技術(shù)是一種交叉學(xué)科，光學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、儀器儀表等等目的：物理量的檢測、傳遞、控制應(yīng)用：精密測量、紅外探測、遙感、激光雷達(dá)、空中偵察、制導(dǎo)武器、導(dǎo)航、跟蹤、光通信、圖像處理、夜視、深空探測等等光機(jī)電技術(shù)光學(xué)技術(shù)機(jī)械技術(shù)電子技術(shù)光機(jī)電測控技術(shù)光機(jī)電傳感器融合核心部分基礎(chǔ)光機(jī)電測控與人工操作區(qū)別比較：被測物體 感覺器官 人腦 手控 被測物體 光機(jī)電傳感器 微機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)光電傳感部分相當(dāng)于人身的感覺器官 人的視覺功能人眼是一個高靈敏度、高分辯率和極為復(fù)雜而精密的光傳感器人眼的適宜刺激:波長3

2、80-780nm的電磁波(可見光)。人的視覺有辨別光亮和顏色的雙重功能視桿系統(tǒng):對光敏感度高， 無顏色視覺， 視物精確性差； 視錐系統(tǒng):對光敏感度差， 能分辨顏色， 視物精確性高。舉例說明雞視網(wǎng)膜僅有視錐細(xì)胞(無暗視覺)貓頭鷹視網(wǎng)膜僅有視桿細(xì)胞(無晝光視覺) 三原色學(xué)說：某一波長光線作用于視網(wǎng)膜時，三種視錐細(xì)胞興奮程度不同，信息傳入中樞，產(chǎn)生某一顏色的視覺三種視錐不同比例興奮不同色覺僅感紅視錐興奮紅色覺僅感綠視錐興奮綠色覺僅感藍(lán)視錐興奮藍(lán)色覺 同等比例興奮白色覺人的視覺具有對明暗光的適應(yīng)能力從亮處突然進(jìn)入暗處時，最初看不清楚任何物體，經(jīng)過一定時間后，視覺敏感度才逐漸增強(qiáng)。從暗處突然進(jìn)入亮處時，

3、最初只感到耀眼的光亮，看不清物體，一段時間后才能恢復(fù)視覺。人的視覺有很高的分辨能力光機(jī)電測控是人類視覺的擴(kuò)展時間上擴(kuò)展空間上擴(kuò)展中國最大射電望遠(yuǎn)鏡主體 空間上擴(kuò)展美國的哈勃望遠(yuǎn)鏡：主鏡2.4m、焦距57.6m。美國的詹姆斯.韋伯：主鏡6.8m、焦距136m。美國的KH-12：主鏡23m。識別能力上擴(kuò)展電子顯微鏡拍攝照片光機(jī)電測控技術(shù)的特點(diǎn)高精度：測長度nm量級；高速度：光速是最快的；遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測和遙感；非接觸式檢測：可遙測遙感，長距離工作；壽命長：機(jī)械運(yùn)動部分少。受光學(xué)介質(zhì)的影響大（水、空氣、塵土）成本高。 光機(jī)電測控技術(shù)的特點(diǎn)光機(jī)電測控技術(shù)的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測：零

4、件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位.現(xiàn)代工程裝備中，檢測環(huán)節(jié)的成本約占5070%在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。發(fā)動機(jī)：向發(fā)動機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機(jī)的工作狀況信息， 對發(fā)動機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等底 盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng) 車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫 車 身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測距、圖象等在日常

5、生活中的應(yīng)用家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動對焦-紅外測距傳感器自動感應(yīng)燈：亮度檢測-光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測-熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換-駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣CCD在日常生活中的應(yīng)用辦公商務(wù)：掃描儀：文檔掃描-線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：數(shù)字體溫計：接觸式-熱敏電阻，非接觸式-紅外傳 感器電子血壓計：血壓檢測 - 壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀 - 離子傳感器美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可精確的定位目標(biāo)。在軍

6、事上的應(yīng)用美國國家導(dǎo)彈防御計劃-NMD監(jiān)測系統(tǒng): 探測和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；攔截器：能識別真假彈頭，敵友方1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)“阿波羅10”：火箭部分-2077個傳感器飛船部分-1218個傳感器檢測參數(shù)-加速度、溫度、壓力、 振動、流量、應(yīng)變、 聲學(xué)神州飛船：185臺（套）儀器裝置在航天領(lǐng)域的應(yīng)用光機(jī)電測控技術(shù)概述光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。由輸入電路、放

7、大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。光機(jī)電測控系統(tǒng)的組成光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出。光電檢測技術(shù)：是利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測。它將被測量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動測量光電檢測系統(tǒng)光學(xué)變換光電變換電路處理被測對象光學(xué)系統(tǒng)光電探測器變換電路處理電路后續(xù)電路顯示控制存儲光機(jī)電測控系統(tǒng)光 源光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)光電探測器(按原理分)光子探 測器內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)探測器光生伏特探測器外光電效

8、應(yīng)光電子發(fā)射探測器熱探測器熱釋電探測器熱敏電阻熱電偶光電探測器的分類光電探測器的分類光電探測器（按空間分辨能力）成像器件非成像器件光機(jī)電測控技術(shù)的功能分類測量檢查型：幾何量:長度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。運(yùn)動量：速度、加速度、振動表面形狀：光潔度、庇病、傷痕工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等機(jī)械量：重量、壓力、應(yīng)變、壓強(qiáng)電學(xué)量：電流、電壓、電場、磁場光學(xué)量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長、光譜光機(jī)電測控技術(shù)的功能分類控制跟蹤型：跟蹤控制：激光制導(dǎo)，紅外制導(dǎo)數(shù)值控制：自動定位，圖形加工形成，數(shù)值控制圖象分析型：圖形檢測圖形分析測量的概念測量：將被測的未知量與同

9、性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出這個倍數(shù)的過程直接測量：對儀表讀數(shù)不經(jīng)任何運(yùn)算，直接得出被測量的數(shù)值。例如：長度：直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺電壓：萬用表質(zhì)量：天平間接測量：測量幾個與被測量相關(guān)的物理量，通過函數(shù)關(guān)系式計算出被測量。例如：電功率：P = I V（電流電壓）重力加速度：單擺測量（L：擺的線長，T：擺動的周期）檢測的概念檢測：通過一定的物理方式，分辨出被測參數(shù)量并歸屬到某一范圍帶，以此來判別被測參數(shù)量是否合格或參數(shù)量是否存在被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動物、植物、天體 ）被測信息：物理量（光、電、力、熱、磁、聲、） 化學(xué)量（PH、成份） 生物量（酶、葡萄

10、糖、） 檢測器件：傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)檢測過程：信號采集、信號處理、信號顯示、信號輸出傳感器的概念傳感器的作用：是將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出。（非電量與電量系統(tǒng)之間的接口）敏感器：能夠?qū)⒈粶y非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的器件或裝置光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件，廣泛應(yīng)用于自動控制、宇航和廣播電視等各個領(lǐng)域。例：空調(diào)機(jī)測量控制室溫被測對象：室內(nèi)空氣被測信息：溫度檢測器件：溫度傳感器 - 熱電阻、熱電偶操作過程： 熱敏電阻 電信號 處理 顯示空調(diào)機(jī)空氣光機(jī)電測控技術(shù)的發(fā)展趨勢發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。發(fā)展小型的、快速的微型光、機(jī)、電檢測系統(tǒng)。非接觸、快速在線測量，以滿足快速增長的經(jīng)濟(jì)需要。向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)發(fā)展。發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠(yuǎn)距離的遙控，遙測技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動跟蹤，復(fù)雜形體自動掃描測量等。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。光機(jī)電測控技術(shù)的學(xué)