光机电测控技术基础第章绪论课件

光机电测控技术基础主讲人:严晗光机电测控技术基础主讲人:严晗课程概述核心：物理量→光学量→电信号→机械运动属性：光机电技术是一种交叉学科，光学、电子学、材料学、半导体技术、计算机技术、仪器仪表等等目的：物理量的检测、传递、控制应用：精密测量、红外探测、遥感、激光雷达、空中侦察、制导武器、导航、跟踪、光通信、图像处理、夜视、深空探测等等课程概述核心：物理量→光学量→电信号→机械运动光机电技术光学技术机械技术电子技术光机电测控技术光机电传感器融合核心部分基础光机电技术光学技术机械技术电子技术光机电测控技术光机电传感器光机电测控与人工操作区别比较：被测物体感觉器官人脑手控被测物体光机电传感器微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官光机电测控与人工操作区别比较：人的视觉功能人眼是一个高灵敏度、高分辩率和极为复杂而精密的光传感器人眼的适宜刺激:波长380-780nm的电磁波(可见光)。人的视觉功能人的视觉有辨别光亮和颜色的双重功能视杆系统:对光敏感度高，无颜色视觉，视物精确性差；

视锥系统:对光敏感度差，能分辨颜色，视物精确性高。举例说明鸡视网膜仅有视锥细胞(无暗视觉)猫头鹰视网膜仅有视杆细胞(无昼光视觉)人的视觉有辨别光亮和颜色的双重功能举例说明

三原色学说：某一波长光线作用于视网膜时，三种视锥细胞兴奋程度不同，信息传入中枢，产生某一颜色的视觉三种视锥不同比例兴奋不同色觉仅感红视锥兴奋红色觉仅感绿视锥兴奋绿色觉仅感蓝视锥兴奋蓝色觉

同等比例兴奋白色觉三原色学说：某一波长光线作用于视网膜时，三种视锥细胞兴奋程人的视觉具有对明暗光的适应能力从亮处突然进入暗处时，最初看不清楚任何物体，经过一定时间后，视觉敏感度才逐渐增强。从暗处突然进入亮处时，最初只感到耀眼的光亮，看不清物体，一段时间后才能恢复视觉。人的视觉有很高的分辨能力人的视觉具有对明暗光的适应能力光机电测控是人类视觉的扩展时间上扩展光机电测控是人类视觉的扩展时间上扩展空间上扩展中国最大射电望远镜主体

空间上扩展中国最大射电望空间上扩展美国的哈勃望远镜：主镜2.4m、焦距57.6m。美国的詹姆斯.韦伯：主镜6.8m、焦距136m。美国的KH-12：主镜2～3m。空间上扩展美国的哈勃望远镜：美国的詹姆斯.韦伯：美国的KH-识别能力上扩展电子显微镜拍摄照片识别能力上扩展电子显微镜拍摄照片光机电测控技术的特点高精度：测长度nm量级；高速度：光速是最快的；远距离、大量程：遥控、遥测和遥感；非接触式检测：可遥测遥感，长距离工作；寿命长：机械运动部分少。光机电测控技术的特点高精度：受光学介质的影响大（水、空气、尘土）成本高。

光机电测控技术的特点受光学介质的影响大（水、空气、尘土）光机电测控技术的特点光机电测控技术的应用在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%光机电测控技术的应用在工业生产领域的应用在汽车领域的应用在汽车领域的应用在汽车领域的应用汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容

普通轿车：约安装几十到近百只传感器，

豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，

对发动机工作状况进行精确控制

温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统

车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等

温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等在汽车领域的应用汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部在日常生活中的应用家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD在日常生活中的应用家用电器：在日常生活中的应用办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器在日常生活中的应用办公商务：美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技美国国家导弹防御计划---NMD监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统美国国家导弹防御计划---NMD监测系统:探测和发现敌人导“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学神州飞船：185台（套）仪器装置在航天领域的应用“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---光机电测控技术概述光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光机电测控技术概述光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器光机电测控系统的组成光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量光电检测系统光学变换光电变换电路处理光机电测控系统的组成光电传感器：被测对象光学系统光电探测器变换电路处理电路后续电路显示控制存储光机电测控系统光源光学系统机械执行机构被测对象光学系统光电探测器变换电路处理电路后续电路显示控制存光电探测器(按原理分)光子探测器内光电效应光电导探测器光生伏特探测器外光电效应光电子发射探测器热探测器热释电探测器热敏电阻热电偶光电探测器的分类光电探测器光子探测器内光电效应光光电探测器的分类光电探测器（按空间分辨能力）成像器件非成像器件光电探测器的分类光电探测器成像器件非成像器件光机电测控技术的功能分类测量检查型：几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。运动量：速度、加速度、振动表面形状：光洁度、庇病、伤痕工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等机械量：重量、压力、应变、压强电学量：电流、电压、电场、磁场光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱光机电测控技术的功能分类测量检查型：光机电测控技术的功能分类控制跟踪型：跟踪控制：激光制导，红外制导数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制图象分析型：图形检测图形分析光机电测控技术的功能分类控制跟踪型：测量的概念测量：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：长度：直尺、游标卡尺、千分尺电压：万用表质量：天平间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出被测量。例如：电功率：P=I×V（电流×电压）重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）测量的概念测量：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定检测的概念检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数量是否合格或参数量是否存在被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体……）被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、…）化学量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）

……检测器件：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统检测过程：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出检测的概念检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到传感器的概念传感器的作用：是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。（非电量与电量系统之间的接口）敏感器：能够将被测非电量转换为可用非电量的器件或装置光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件，广泛应用于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。传感器的概念传感器的作用：是将非电量转换为与之有确定对应关系例：空调机测量控制室温被测对象：室内空气被测信息：温度检测器件：温度传感器---热电阻、热电偶操作过程：热敏电阻电信号处理显示空调机空气例：空调机测量控制室温热敏电阻电信号处理显示光机电测控技术的发展趋势发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。发展小型的、快速的微型光、机、电检测系统。非接触、快速在线测量，以满足快速增长的经济需要。向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。发展闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。发展光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的遥控，遥测技术，激光制导，飞行物自动跟踪，复杂形体自动扫描测量等。向人们无法触及的领域发展。光机电测控技术的发展趋势发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技光机电测控技术的学习要求了解并光机电测控系统的基本组成、特点和发展趋势;了解典型光电器件（传感器、光源和成像器件等）的工作原理、基本特性和应用;了解光机电测控技术的应用范围;了解常用光机电控制技术的数据采集、处理和转换方法，了解所需的元器件、仪器和相关的自动化控制接口技术。光机电测控技术的学习要求了解并光机电测控系统的基本组成、特点课程性质专业课程（选修）学分2学分考核方式期末成绩80％；平时成绩20％课程性质专业课程（选修）学分2学分考核方式期末成绩80％；平参考书目参考书目光机电测控技术基础主讲人:严晗光机电测控技术基础主讲人:严晗课程概述核心：物理量→光学量→电信号→机械运动属性：光机电技术是一种交叉学科，光学、电子学、材料学、半导体技术、计算机技术、仪器仪表等等目的：物理量的检测、传递、控制应用：精密测量、红外探测、遥感、激光雷达、空中侦察、制导武器、导航、跟踪、光通信、图像处理、夜视、深空探测等等课程概述核心：物理量→光学量→电信号→机械运动光机电技术光学技术机械技术电子技术光机电测控技术光机电传感器融合核心部分基础光机电技术光学技术机械技术电子技术光机电测控技术光机电传感器光机电测控与人工操作区别比较：被测物体感觉器官人脑手控被测物体光机电传感器微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官光机电测控与人工操作区别比较：人的视觉功能人眼是一个高灵敏度、高分辩率和极为复杂而精密的光传感器人眼的适宜刺激:波长380-780nm的电磁波(可见光)。人的视觉功能人的视觉有辨别光亮和颜色的双重功能视杆系统:对光敏感度高，无颜色视觉，视物精确性差；

视锥系统:对光敏感度差，能分辨颜色，视物精确性高。举例说明鸡视网膜仅有视锥细胞(无暗视觉)猫头鹰视网膜仅有视杆细胞(无昼光视觉)人的视觉有辨别光亮和颜色的双重功能举例说明

三原色学说：某一波长光线作用于视网膜时，三种视锥细胞兴奋程度不同，信息传入中枢，产生某一颜色的视觉三种视锥不同比例兴奋不同色觉仅感红视锥兴奋红色觉仅感绿视锥兴奋绿色觉仅感蓝视锥兴奋蓝色觉

同等比例兴奋白色觉三原色学说：某一波长光线作用于视网膜时，三种视锥细胞兴奋程人的视觉具有对明暗光的适应能力从亮处突然进入暗处时，最初看不清楚任何物体，经过一定时间后，视觉敏感度才逐渐增强。从暗处突然进入亮处时，最初只感到耀眼的光亮，看不清物体，一段时间后才能恢复视觉。人的视觉有很高的分辨能力人的视觉具有对明暗光的适应能力光机电测控是人类视觉的扩展时间上扩展光机电测控是人类视觉的扩展时间上扩展空间上扩展中国最大射电望远镜主体

空间上扩展中国最大射电望空间上扩展美国的哈勃望远镜：主镜2.4m、焦距57.6m。美国的詹姆斯.韦伯：主镜6.8m、焦距136m。美国的KH-12：主镜2～3m。空间上扩展美国的哈勃望远镜：美国的詹姆斯.韦伯：美国的KH-识别能力上扩展电子显微镜拍摄照片识别能力上扩展电子显微镜拍摄照片光机电测控技术的特点高精度：测长度nm量级；高速度：光速是最快的；远距离、大量程：遥控、遥测和遥感；非接触式检测：可遥测遥感，长距离工作；寿命长：机械运动部分少。光机电测控技术的特点高精度：受光学介质的影响大（水、空气、尘土）成本高。

光机电测控技术的特点受光学介质的影响大（水、空气、尘土）光机电测控技术的特点光机电测控技术的应用在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%光机电测控技术的应用在工业生产领域的应用在汽车领域的应用在汽车领域的应用在汽车领域的应用汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容

普通轿车：约安装几十到近百只传感器，

豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，

对发动机工作状况进行精确控制

温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统

车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等

温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等在汽车领域的应用汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部在日常生活中的应用家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD在日常生活中的应用家用电器：在日常生活中的应用办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器在日常生活中的应用办公商务：美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技美国国家导弹防御计划---NMD监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统美国国家导弹防御计划---NMD监测系统:探测和发现敌人导“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学神州飞船：185台（套）仪器装置在航天领域的应用“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---光机电测控技术概述光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光机电测控技术概述光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器光机电测控系统的组成光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量光电检测系统光学变换光电变换电路处理光机电测控系统的组成光电传感器：被测对象光学系统光电探测器变换电路处理电路后续电路显示控制存储光机电测控系统光源光学系统机械执行机构被测对象光学系统光电探测器变换电路处理电路后续电路显示控制存光电探测器(按原理分)光子探测器内光电效应光电导探测器光生伏特探测器外光电效应光电子发射探测器热探测器热释电探测器热敏电阻热电偶光电探测器的分类光电探测器光子探测器内光电效应光光电探测器的分类光电探测器（按空间分辨能力）成像器件非成像器件光电探测器的分类光电探测器成像器件非成像器件光机电测控技术的功能分类测量检查型：几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。运动量：速度、加速度、振动表面形状：光洁度、庇病、伤痕工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等机械量：重量、压力、应变、压强电学量：电流、电压、电场、磁场光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱光机电测控技术的功能分类测量检查型：光机电测控技术的功能分类控制跟踪型：跟踪控制：激光制导，红外制导数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制图象分析型：图形检测图形分析光机电测控技术的功能分类控制跟踪型：测量的概念测量：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：长度：直尺、游标卡尺、千分尺电压：万用表质量：天平间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出被测量。例如：电功率：P=I×V（电流×电压）重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）测量的概念测量：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定检测的概念检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数量是否合格或参数量是否存在被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体……）被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、…）