第1章光机电一体化系统的

1、第一章光机电一体化系统的组成与应用章节安排光机电一体化系统的组成与实例2光机电一体化的相关技术4光机电一体化的概念3 1光机电一体化的特点3 3光机电一体化的发展趋势51-1光机电一体化的概念 光机电一体化的概念萌芽可以追溯到德国提出的光机电一体化的概念萌芽可以追溯到德国提出的精密工程精密工程技术，精密工程技术定义为光、机、电技术，精密工程技术定义为光、机、电一体化的综合技术，如图一体化的综合技术，如图1-11-1所示。所示。精密工程技术机械技术光学技术电工与电子技术电工与电子机械光学机械光电子技术图1-1 精密工程技术的定义光学软件微电子学信息处理与控制相关技术机械学精密工程技术的定义从某种

2、程度上说明了光机电一体精密工程技术的定义从某种程度上说明了光机电一体化的涵义。化的涵义。 一般认为，光机电一体化是由光学、机械学、微电一般认为，光机电一体化是由光学、机械学、微电子学、信息处理与控制和软件等各种相关技术交叉子学、信息处理与控制和软件等各种相关技术交叉融合而构成的群体技术。融合而构成的群体技术。 光机电一体化是在机电一体化的基础上引入光学技术而形成的一门新技术。 光学技术不是简单地加盟机电一体化技术，而是渗透在机电一体化的各个组成部分。在传感器方面的应用航空中心利用原有的测距传感器测量卫星的高度误差为7-10m利用激光的单色性强而制作的激光测距仪而用了激光测量仪测量的误差仅为12

3、cm提高了测量的精度和量程1-2光机电一体化的组成与实例 图图1-21-2为光机电一体化的组成，它大体包括为光机电一体化的组成，它大体包括4 4个个部分，本体结构、计算机控制器、驱动装置、部分，本体结构、计算机控制器、驱动装置、传感器。传感器。一、光机电一体化的组成一、光机电一体化的组成由计算机和输入输出口组成；控制系统分类：开环系统和闭环系统控制算法：在控制器中完成光机电一体化产品所有功能的支撑结构，完成系统的结构功能将被测对象的状态转化为电信号的装置按照控制器发出的指令，将电信号转换为机械能驱动装置的类型：电动、气动、液动脑脑心脏骨骼五官四肢控制控制系统系统动力装置检测装置执行机构机械本体

4、光机电一体化各组成部分的关系与人体的脑、心脏、四肢、骨骼、五官相似电子元器件对电磁干扰和放射线的干扰非常敏感电动伺服系统的抗电磁干扰和放射线干扰的性能较差，在实际工作中容易引起误操作光子元件和机械部件可以有效防护电磁及放射线的干扰在环境恶劣的条件下，用光子元件和机械部件组成的光-气伺服系统代替电子元器件构成的电动伺服系统是最佳选择。二、光机电一体化的实例 （1 1）光）光- -气伺服系统气伺服系统vs电动伺服系统电动伺服系统（2）VCD放像器VCDVCD和和CDCD类似，只是结构更加复杂。类似，只是结构更加复杂。VCDVCD盘面上以坑、岛形式记载着声音盘面上以坑、岛形式记载着声音和图像信息和图

5、像信息当光盘放进影碟机的托架上，主轴伺服当光盘放进影碟机的托架上，主轴伺服系统带动托架和光盘作高速旋转运动系统带动托架和光盘作高速旋转运动拾讯头的物镜将激光束聚焦后照射到光拾讯头的物镜将激光束聚焦后照射到光盘的表面，盘面上的坑、岛对投射激光盘的表面，盘面上的坑、岛对投射激光的反射强弱不同的反射强弱不同反射光通过光电转换、解调电路、将声音和反射光通过光电转换、解调电路、将声音和图像信息分开，分别送到放音系统和图像显图像信息分开，分别送到放音系统和图像显示设备示设备VCD放像机（激光影碟机）是典型的光机电一体化产品实例 光盘存储 一光盘存储的类型一光盘存储的类型 1、记录用光盘、记录用光盘记录用光

6、盘也称记录用光盘也称“写后直读型写后直读型”(draw)(draw)盘盘它兼有写入和读出两种功能，并且写入后不需处理即它兼有写入和读出两种功能，并且写入后不需处理即可直接读出所记录的信息可直接读出所记录的信息可用作信息的追加记录可用作信息的追加记录这类系统根据记录介质和记录方式的不同又可分为作这类系统根据记录介质和记录方式的不同又可分为作一次写入和可擦重写两类。一次写入和可擦重写两类。 2、专用再现光盘专 用 再 现 光 盘 也 称专 用 再 现 光 盘 也 称“ 只 读只 读 ” 型型 ( r e a d ( r e a d nlynly) )。只能用来再现由专业只能用来再现由专业工厂事先复

7、制的光盘工厂事先复制的光盘信息信息不能由用户自行追加不能由用户自行追加记录记录 各种各样光盘光盘二、光盘存储的特点 1) 1) 存储密度高、容量大存储密度高、容量大 2) 2) 写入读出率高写入读出率高 3) 3)存储寿命长存储寿命长 4)4)每信息位的价格最低，易复制、寿命长每信息位的价格最低，易复制、寿命长 5) 5)有随机寻址能力，随机存取时间小有随机寻址能力，随机存取时间小于于60ms60ms6)6)光盘存储是非接触写入读出光盘存储是非接触写入读出 ，防尘耐污染，操作方便，易与计算防尘耐污染，操作方便，易与计算机联机使用机联机使用三、光盘存储的工作原理 在光盘上写入信息的装置称作光盘记

8、录系统在光盘上写入信息的装置称作光盘记录系统 光盘存储技术是利用激光在介质上写入并读出信光盘存储技术是利用激光在介质上写入并读出信息息 存储介质最早是非磁性的，以后发展为磁性介质存储介质最早是非磁性的，以后发展为磁性介质 非磁性的写入的信息不能抹掉，是不可逆的存储非磁性的写入的信息不能抹掉，是不可逆的存储介质介质 用磁性介质进行光存储记录时，可以抹去原来写用磁性介质进行光存储记录时，可以抹去原来写入的信息，并能够写入新的信息，可擦可写反复入的信息，并能够写入新的信息，可擦可写反复使用使用 能从光盘上读出数据的装置是能从光盘上读出数据的装置是光盘重放系统光盘重放系统。大多数光盘装置具有记录和重放

9、的双重功能。大多数光盘装置具有记录和重放的双重功能。 1 1、实例 ：光盘存储原理 将载有音频、视频或将载有音频、视频或文件信息的调制激光文件信息的调制激光束被聚焦透镜缩小成束被聚焦透镜缩小成直径直径1 um左右的光点左右的光点 高能量密度的细束激高能量密度的细束激光加热光盘的记录介光加热光盘的记录介质表面，使局部位置质表面，使局部位置发生永久性变形，这发生永久性变形，这造成介质表面光学特造成介质表面光学特性的二值化改变性的二值化改变光盘的截面形状光盘的截面形状 由于光盘是旋转的，由于光盘是旋转的，而写入头是平移的，在而写入头是平移的，在光盘面上会形成轨迹为光盘面上会形成轨迹为螺旋状的一系列微

10、小凹螺旋状的一系列微小凹坑或其它形式的信息记坑或其它形式的信息记录点录点 这些信息点的不同编码方式就代表了被存储的信这些信息点的不同编码方式就代表了被存储的信息数据息数据 读出数据时，与写入信息相同，光盘转动，读数读出数据时，与写入信息相同，光盘转动，读数头作平移运动，即合成螺旋运动头作平移运动，即合成螺旋运动 将照射激光束聚焦在光盘信息层上将照射激光束聚焦在光盘信息层上 当激光束全部照在光盘信息层的平当激光束全部照在光盘信息层的平坦区域时，反射光为亮纹坦区域时，反射光为亮纹 而当部分激光束落到凹坑底部时，而当部分激光束落到凹坑底部时，反射光为暗纹反射光为暗纹 只要用光电检测器接收反射回来的被

11、信息点调制只要用光电检测器接收反射回来的被信息点调制的光强，就可得到：的光强，就可得到：“0”或或“1”的信号的信号读出数据时2可擦型 同只读型类似，只是在激光束照射光盘时，使光同只读型类似，只是在激光束照射光盘时，使光盘表面的磁性膜磁化或使介质表面结晶状态发生盘表面的磁性膜磁化或使介质表面结晶状态发生变化。变化。 另一种光存方法采用基于光热磁效应的光磁盘装另一种光存方法采用基于光热磁效应的光磁盘装置置 基本设备也和光盘装置相类似，主要的区别在于基本设备也和光盘装置相类似，主要的区别在于采用的是磁性的记录介质采用的是磁性的记录介质 在细束激光的调制作用下，通过改变磁介质的磁在细束激光的调制作用

12、下，通过改变磁介质的磁化方向完成信息的存储化方向完成信息的存储读出时 在信息读出时不是检测光的反射率在信息读出时不是检测光的反射率 而是通过检测反射光的偏振状态检测信息点处的而是通过检测反射光的偏振状态检测信息点处的磁化方向磁化方向 四光盘存储系统的关键技术 光学光学系统系统机械机械系统系统信号处信号处理系统理系统伺服跟伺服跟踪系统踪系统光盘存储系统光盘存储系统主要包主要包括括：光学系统、机械光学系统、机械系统、伺服跟踪系统系统、伺服跟踪系统和信号处理系统。和信号处理系统。 光盘存储系统的核心装置是光盘驱动器，它是光盘存储系统的核心装置是光盘驱动器，它是一种超精密光电子装置。一种超精密光电子装

13、置。光盘驱动器光盘驱动器的组成框图光盘驱动器的组成框图 1 (1) 激光聚束光路激光聚束光路 (2) 写入光调制器写入光调制器 (3) 循迹跟踪反射循迹跟踪反射镜镜 (4) 光电检测系统光电检测系统 2 (1) 转台机构转台机构 (2) 滑板机构滑板机构 (3) 光电头机构光电头机构 3 (1) 转台恒速控制系统转台恒速控制系统 (2) 滑板位移控制系统滑板位移控制系统 (3) 调焦控制系统调焦控制系统 (4) 循迹跟踪系统循迹跟踪系统 4 (1) 写入信号处理器写入信号处理器 (2) 读出信号处理器读出信号处理器 (3) 控制器控制器 总结1.3光机电一体化的特点特点小型化、轻型化知识密集柔

14、性化、智能化高精度、多功能可靠性高1.4光机电一体化的相关技术1. 1.机械技术机械技术2. 2.光学技术光学技术3 3. .信息处理技术信息处理技术4. 4.系统集成技术系统集成技术5. 5.检测与传感技术检测与传感技术6. 6.自动控制技术自动控制技术7. 7.伺服驱动技术伺服驱动技术1.4光机电一体化的相关技术1. 1.机械技术机械技术2. 2.光学技术光学技术3 3. .信息处理技术信息处理技术4. 4.系统集成技术系统集成技术5. 5.检测与传感技术检测与传感技术6. 6.自动控制技术自动控制技术7. 7.伺服驱动技术伺服驱动技术 未来的光机电一体化技术将朝着未来的光机电一体化技术将

15、朝着微型化、智能化、微型化、智能化、模块化、数字化、网络化、集成化模块化、数字化、网络化、集成化的方向发展的方向发展。微电子学、光学、计算机与微电子学、光学、计算机与控制技术的每一个新的进步控制技术的每一个新的进步都会极大的推动光机电一体都会极大的推动光机电一体化技术的发展。化技术的发展。1.5光机电一体化的发展趋势 机器人为采用螺旋桨的机器人为采用螺旋桨的直升飞机，可自动控制直升飞机，可自动控制姿态、按事先指定的路姿态、按事先指定的路线飞行。线飞行。 FR-II通过市场上销售通过市场上销售的锂离子电池驱动。通的锂离子电池驱动。通过采用精工爱普生的陀过采用精工爱普生的陀螺仪螺仪“XV-3500CB”等，等，机身（不包括电池）的机身（不包括电池）的重量减轻了重量减轻了0.3g，仅为，仅为8.6g。包括电池在内，全。包括电池在内，全部重量为部重量为12.3g。微型化FR-II微型飞行机器人 MFR-II微型飞行机器人螺旋桨长微型飞行机器人螺旋桨长136mm，高约高约85mm。 微型内窥镜 最新