光机电测控技术基础【第1章 光机电测控技术概述】

光机电测控技术基础第1章光机电测控技术概述任课教师:严晗武汉理工大学机电工程学院课程性质专业课程（选修）学分2.5学分考核方式期末考试成绩75％；平时成绩25％(课后作业)课程介绍课程体系课程介绍第1章光机电测控技术概述

光机电测控技术概念,系统的组成,应用介绍,发展趋势第2章光电技术基础光的基本概念,光辐射,热辐射,光源的基本特性参数,光辐射调制第3章激光测试基础激光的基本性质,分类和特点,激光准直技术,激光多普勒测速技术,激光测距技术第4章激光干涉与衍射测试技术激光干涉测试技术,原理与条件,激光斐索型干涉测试技术,激光全息干涉测试技术,激光外差干涉测试技术,激光移相干涉测试技术,纳米技术中的干涉测试技术,激光衍射测试技术,激光衍射测试方法,衍射光栅及应用第5章光纤传感器基础光导纤维的结构,主要参数,光纤传感器原理,光纤传感器分类,光纤传感器的特点与应用第6章光纤检测技术光纤在温度检测中的应用,光纤流速与流量测量,光纤位移及压力测量,光纤电压电流测量,光纤检测技术在其他方面的应用第7章光电探测器光电探测器概述,分类,器性能参数,基本原理,光电导探测器特性,实用光电导探测器件,光伏探测器基本原理,性能参数,实用光伏探测器件,电荷耦合器件基本原理,成像器件,多元及多色探测器,光机扫描探测技术课程介绍《光电检测技术》雷玉堂等编著中国计量出版社《光电测试技术》张广军主编中国计量出版社《激光光电检测》吕海宝等编著国防科技大学出版社参考书目目录1-1

光机电技术的历史1-2

光机电测控技术概念1-3

光机电测控与人工操作区别1-4

光机电测控系统的组成1-5

光机电测控技术应用介绍1-6

光机电测控技术的发展趋势1-7

光机电测控技术的学习要求传统设计与光机电设计浴室磅秤的设计机械解决方法:通过复合弹簧的压缩,已经人在称上的向下运动转换为轴的转动,然后带动一个指针输出一个显示数值.1-1光机电技术的历史机电一体化解决方法:用带有应变仪的测压元件代替压缩弹簧.应变仪产生电子信号并发送给微型控制器，微型控制器发出一个控制信号驱动步进电机来产生人体体重读数。步进电机驱动刻度盘上的机械指针。为了控制这个显示读数，微控制器要进行一些简单数学计算，将在一段时间周期内测量的体重值进行平均，用以减小应变输出由于体重的微小变化产生的输出数值突然的变化。这种机电系统已经将解决系统的复杂化问题交给了软件，结果输出在家庭浴室磅秤刻度盘上。这个装置不仅简单，而且成本低，所用部件少。1-1光机电技术的历史光机电系统解决方法:一个以光密度调制器为原理的光纤位移传感器代替了高精度的应变仪。天平上负载的变化引起了光纤的缝隙加大，成比例减小了从光源到传感器间传导的光的数量。虽然光纤传感器并没有增加测量的精确性，但是减小了自然环境变量对传感器元件的影响。在人体称重上，光纤位移传感器可以简单的调整对自然扰动的灵敏性，这样也就演化了信号处理运算以及微型控制器的计算。1-1光机电技术的历史1948年发明了晶体管之后，晶体管和其他半导体设备集成到一块电路板有了可能。机电系统的发展

在半导体制造技术的帮助下，1971年发明了微处理器，对于相关技术领域带来了不可估量的影响，尤其是在硬件和软件技术的相互协同、融合发展中，各种不同技术与计算机技术相互结合。这种融合使机器能够把模拟信号转变为数字信号，进行计算，得出基于计算结果和软件算法的结论，最终根据这些结论出合适的动作，并且能够在它自身携带的记忆体里积累知识、数据、信息。这项新功能使得机械系统有了更好的灵活性和适应性。在二十世纪八十年代，半导体技术又创造出微机电系统（MEMS），机械系统更加小型化了。1-1光机电技术的历史光机电系统激光于1960年发明以来，光机电集成技术作为另外一种技术革命，在过去的四十年间不断的发展。化学气相沉积技术，分子束外延技术，聚焦离子束显微机械加工技术等先进制造工艺的出现，使光学、光电和电子元件可以集成到一个装置上，光机电集成技术成为可能。1974年发明的电荷耦合摄像传感器促进了计算机图形技术的发展，并且于1976年开创了光学技术和光纤传感器的新时代。这些高级的光学元件和设备提供了许多受欢迎的新特性。这些器件相互不关联，是非倒装的，很容易转换，它们有着很宽的感知范围，对电噪声不敏感，分布式的传感和通讯，并有着很高的带宽。1-1光机电技术的历史一个典型的系统是在1982年批量生产的光学图像传感器。该系统激光读取磁头上携带一个低功率二极管激光器，发出的激光束可以投射到磁盘的凹点上，通过控制上下左右导轨的激光头来读取旋转磁盘上的信息。此后，大量的光机电产品、机器和系统的加速投放市场。原子力显微镜、微光机电系统、人型机器人、火星探路者等等相继问世。1-1光机电技术的历史光机电集成技术的发展得益于机电技术和光电子技术的发展1-1光机电技术的历史当前应用的系统从它们最初的老版本演变过来的。芯片的安装最初主要是机械的，但现在可以用集成的装置来完成。集成装置包括：位置估算、可视传感器和执行控制单元等部分。例如坐标测量仪最初是具有触点的检测系统，然后是无触点的数字电磁系统，再后来是光学类系统。1-1光机电技术的历史从历史的角度来看，电子业的发展变革加速了机械和电子元件的集成，后来，光学的发展变革也影响了光学和电子元件的集成。大量低级别自主性和低性能的传统系统演变发展成为高自主性和高性能的系统。1-1光机电技术的历史光机电技术结合机械、过程、系统的发展不断发展演变而提高其性能，创造新的价值和功能。由机械的、电子电气的和计算机技术集成的机电技术在这个发展过程中发挥了重要的作用。然而，为了让系统向精密、智能、自主性等更深层次的方向发展，光和光学工程技术必须嵌入到机电一体化系统，来完善已有的功能和创造新的功能。光机电系统由光学元件、机械元件、电子或电气元件和计算机系统组成。1-2光机电测控技术概念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1-2光机电测控技术概念核心：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1-2光机电测控技术概念操作过程：

热敏电阻

电信号

处理

显示空调机空气1-2光机电测控技术概念测控技术例：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1-2光机电测控技术概念光学元件的基本作用照明：光学辐射能照射到物体表面。一般而言，由于物体不同的属性和表面特征，当光照射到物体时会产生不同类型的反射，吸收和转化。1-2光机电测控技术概念传感：光学传感器可以提供对象物理量的基本信息，例如：力、温度、压力和应变，也可以是几何量，如角度、速度等。这些光学传感器获得的信息量是利用不同种类的光学现象，例如：反射，散射，折射，干涉，衍射等。1-2光机电测控技术概念一般来说，光学传感仪器是由光源和光学传感器和其他诸如透镜、分束器和光纤等光学元件组成。在各种应用中，大量传感器通过利用光纤的优点得到了很快的发展。光学技术也促进了材料科学的发展。物质的化学组成可以用分光光度测定法来分析。分光光度测定法利用物质受光照射后，反射，转化和辐射的光来识别光谱特性。1-2光机电测控技术概念1-2光机电测控技术概念驱动器：通过增加物质的温度或改变其电磁环境，光线照射到物质时可改变其物理属性。压电陶瓷和形状记忆合金都是光感材料。压电陶瓷是由铁电材料组成，其电场由光线强度决定的。形状记忆合金也可以作为驱动器，当其受光线照射时，温度上升后其形状可以变成以前所记忆的形状。另一方面，当温度降低后，形状记忆合金恢复原状。形状记忆合金已用于不同种类的制动器、传感器和存储器。1-2光机电测控技术概念(a)中光能转化成压电材料的位移。（b）中光学加热器使得感温材料（如形状记忆合金）发生移动。这些驱动器可以精确控制机械元件的微位移。1-2光机电测控技术概念数据存储：数字数据是以0与1的形式存储在介质上，可以用光学的方法读出来。光学记录的原理基于存储介质上所反射的光线的变化来读取数据。这样，数据就可以用光学获取传感器检测介质的光学反射特性来读取。1-2光机电测控技术概念数据传输：由于外部电磁噪声对高带宽干扰很小的这个内在特性，光是传输数据很好的介质。激光作为一种光源，具有高带宽，可以一次传输很多数据，广泛用于光学通讯中。数字化的原始数据，如文本和图片，可以转化成光信号，发送到光纤的另外一端，然后解码成原始数据，由于在光纤中进行传输的光信号在光纤内部是全反射，其损耗极小。1-2光机电测控技术概念数据演示：终端用户利用可视化信息可以更好的理解数据内容。为了使数据以图像或图表的形式呈现给用户，可以用不同的显示仪器，如：阴极射线管显示器、液晶显示器、发光二极管、等离子显示器等。这些仪器都包含有可以发出红、绿、蓝三色光的单元组件。1-2光机电测控技术概念计算：如同数字电子计算一样，光学计算也是用开关、门、触发器来进行逻辑计算。光学开关可以由调节器来组成，调节器汇集了光机械技术、光电子技术、声光技术和磁光技术。光学仪器可以在大约在一皮秒（万亿分之一秒）内完成转变状态。光学晶体管可以组成一个光学逻辑门。光学计算机由不同的回路和光学开关相互连接集成。在光学计算机的实际运用中，光定位和波导是两个主要的问题。1-2光机电测控技术概念物质特性变异：激光源将激光聚焦于某一点时，聚焦区的能量不断增加，从而改变聚焦区的物质属性。激光材料工艺方法是利用激光束作为能量的输入，它可以分为两类：（1）改变物质形状的方法。（2）改变物质属性的方法。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）1-2光机电测控技术概念检测的概念检测：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、…）……检测手段：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1-2光机电测控技术概念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。1-2光机电测控技术概念1-3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)。1-3光机电测控与人工操作区别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)1-3光机电测控与人工操作区别三原色学说：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1-3光机电测控与人工操作区别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1-3光机电测控与人工操作区别光机电测控是人类视觉的扩展时间上扩展1-3光机电测控与人工操作区别空间上扩展中国最大射电望远镜主体

1-3光机电测控与人工操作区别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。1-3光机电测控与人工操作区别识别能力上扩展电子显微镜拍摄照片1-3光机电测控与人工操作区别1-4光机电测控系统的组成光机电系统的种类根据光学元件与机电元件的集成方式，可以分成三大类光机电集成系统光学嵌入式机电系统机电嵌入式光学系统1-4光机电测控系统的组成光机电集成系统光机电集成系统中，光学和机电元件是不能够分离的，假如组成系统的光学或机电元件移走，那么系统就不能正常工作。这就表明这两种分离的元件是在功能和结构上集成，以达到理想的系统性能。这样的系统有自适应镜、可调谐激光器、光盘拾音器、光学压力传感器等。1-4光机电测控系统的组成光学嵌入式机电系统工艺的监测和控制系统、机器人、汽车、伺服电机光学嵌入式机电系统基本上是由光学的、机械的和电子的元件组成的。通过光学元件嵌入到机电系统中实现。光学元件也可以从系统中分离，但是系统的性能就会下降很多。大多数工程上的光机电系统都属于这种类型：洗衣机、真空吸尘器、机器或制造等。1-4光机电测控系统的组成机电嵌入式光学系统这种系统基本上是光学系统，集成了机械和电子元件。很多光学系统都需要定位伺服光学设备来操作，控制光束的排列和光的极化作用。典型的系统都是属于定位或伺服系统，如照相机、光学投影仪、检流计、串并联扫描仪、行扫描多边形、光学开关、光纤挤压式偏振控制器等。在另外一些系统中，声波发生器驱动压电元件来使光束频率发生变化。其他的应用包括光纤通讯和传感器。1-4光机电测控系统的组成光机电测控系统：光学变换光电变换电路处理执行机构被测对象光学系统光电传感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电执行机构1-4光机电测控系统的组成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、疵病、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1-4光机电测控系统的组成控制跟踪型：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1-4光机电测控系统的组成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；非接触式检测：可长距离工作；远距离、大量程：遥控、遥测和遥感；受光学介质的影响大（水、空气、尘土）成本高。1-4光机电测控系统的组成1-5光机电测控技术应用介绍光机电系统可以应用在很多控制和仪器领域，检查和测试，光学，制造业，消费业及工业电子产品中，同样也应用于微机电系统、汽车驱动系统、生物应用和工程学的许多其他领域。1-5光机电测控技术应用介绍智能相机相机和电动机是典型的依靠光机电元件操作的设备,一个智能相机使用带光度计的光圈控制和焦距调节设计来增强性能，而不依赖于环境亮度。使用这种系统设置，可以产生新的功能，从而加强现代相机的性能。相机的主要部件包括镜头、光圈、快门、胶卷或电子成像单元如CCD或CMOS。图像经过聚焦后曝光在胶片上，或者电子图像经过一系列镜头变焦、聚焦在物体上。根据成像效果，变化透镜的位置来改变放大倍数和聚焦点。进入透镜的光线量由光传感器检测，并且通过改变光圈或快门速度来控制。光传感器或CMOS域传感器已经被用来对可控的聚焦镜头进行自动调焦。1-5光机电测控技术应用介绍可调激光器该装置有一层可变形的膜（顶层镜面）和一个GaAs/AIAS分布式布拉格反射体（底层镜面），形成一个光学腔。在0～20V的工作电压下，顶层镜面的移动可以直接将光线的波长范围调节到近红外区。通过控制顶层镜面与底层镜面间的间隙，获得所需波长的激光束。1-5光机电测控技术应用介绍原子力显微镜（AFM）原子力显微镜（AFM）由一些光机电元件组成：悬臂探针、激光源、位置传感器（PSD）、压电驱动器、伺服控制器和x-y伺服平台。悬臂的位置偏差作为反馈控制的输入，控制压电元件在Z轴方向上做上下运动，根据伺服平台表面形状使之与悬臂保持一个定值偏差。这种运动在PSD上产生对应光点的位置变量，用于检测悬臂在Z方向上的运动。对位置敏感的光探测器，为压电运动控制器提供反馈信号。1-5光机电测控技术应用介绍光驱光驱（opticaldiscdrive,ODD）是一种光机电系统，ODD包括一个带激光二极管的光学头，一个用来动态聚焦的光束聚焦伺服机构和一个能够将激光头准确定位到所需位置的VCM伺服机构。盘片底层是被绝缘外层保护的光敏感介质，调制好的激光束穿过底层聚焦于介质中的衍射极限点上。1-5光机电测控技术应用介绍智能洗衣机洗衣机中也有效地利用了光机电元件来改善其性能。可以根据洗涤筒中水的污浊程度来反馈控制水温及洗涤循环次数。配备了光机电元件的洗衣机可以实现这个功能。为了检测水的污浊程度，在洗涤筒的排水口上安装了光源和光敏感元件，检测到的信息反馈到模糊控制器中，进而调整洗涤时间和水温。1-5光机电测控技术应用介绍光学引燃一个光学引燃机电一体化武器系统。在枪的后膛部位安装激光击发器是近百年来枪炮发射装置的第一项重大变革。这个系统取代了传统的使用击发器件点燃推进弹药的方式，不需要任何击发器件，也不需要士兵们必须位于武器的后方。仅需一个蓝宝石窗口来发射激光。1-5光机电测控技术应用介绍光学微机电元件光学微机电元件是一种微型的用来移动和导向光线的机械装置。该结构是靠静电、电磁和热能设备来驱动的。如果该结构是个光学镜面，设备就可以移动或操作光线。在光网络中，光学微机电系统可以动态地削弱、转换、补偿、综合和分离信号。光学MEMS的应用在不断的扩大，主要应用在五个领域：光学开关，光学衰减器，波长调制设备，动态增益均衡器和光学增/减多路复用。1-5光机电测控技术应用介绍智能焊接系统它由一个激光三角测量传感器的光学传感系统，一个非接触的红外温度传感器，一个焊接机器手，一个硬件控制模块和一个软件系统组成。其中软件系统集成了包括焊缝检测模块，路径控制模块，和基于神经网络的焊缝质量评估模块等许多运算模块。这个系统可以识别焊缝的形式和焊缝的路径，这使得它可以根据焊缝的路径控制焊枪（焊接吹管）的速度和轨迹并且可以评估焊接质量。通过焊缝识别器和焊缝追踪器实现焊缝的轨迹跟踪。同时，通过对焊接熔池表面多点温度的测量及时的检测焊接的质量。根据温度信息，可以实时地按照需要的尺寸要求控制焊缝。因为这个焊接系统具用自动识别焊缝的形状，根据焊缝的路径，执行焊接工作并且可以实时地控制焊接质量，所以我们说，它是一个智能系统。1-5光机电测控技术应用介绍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%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1-5光机电测控技术应用介绍在汽车领域的应用1-5光机电测控技术应用介绍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CCD1-5光机电测控技术应用介绍办公商务：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1-5光机电测控技术应用介绍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:1-5光机电测控技术应用介绍在军事上的应用:（1）侦察与遥感光电侦察设备广泛用于从空间到水下的各个领域。（2）夜视或观瞄由于红外成像和夜视技术的发展，野战已成为一种重要的作战方式。（3）火力控制各种火炮采用光电火控系统，即以红外光电跟踪瞄准目标，以激光测距来获得目标位置和速度信息，经计算机处理后进行火力控制，从而大大提高火炮射击命中率。（4）精确制导精确打击是现代高技术战争中最重要的攻击方式。（5）近爆引信导弹、炮弹和炸弹的近爆引信对能否有效摧毁目标至关重要，必须具有很高的可靠性和安全性。1-5光机电测控技术应用介绍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1-5光机电测控技术应用介绍在建筑方面的应用:（1）光电测试技术在建筑物施工过程中的应用光电经纬仪、光电天顶仪、激光重力锤等光电探测设备在建筑勘察及施工过程中质量监控方面中得到了广泛应用。（2）建筑材料及结构件内部缺陷的检测材料内部缺陷的检测是无损检测中的重要内容，目前有东南大学、北京航空航天大学、清华大学等单位的研究人员分别对玻璃钢内部脱粘、复合材料内部分层缺陷、炭纤维混凝土基体界面层缺陷等多种材料内部缺陷进行了红外检测试验研究。美国的劳伦斯立夫莫尔实验室开发了双频红外热像检测系统，将3~5μm波长热像图和8~12μm波长热像图进行对比处理，去除由于表面混乱引起的温度异常，从而得出真实的缺陷位置形状、大小和深度等参数1-5光机电测控技术应用介绍在建筑方面的应用:（3）建筑外墙面饰面层粘贴质的检测屋面防水层失效和墙面微裂，造成雨水渗漏，红外热像检测技术可以检出水分渗入隐匿部位。由于室内热扩散，阳光被吸收和传导均可使暴露渗漏部位与周边温度分布的差异，因而可采用红外热像技术加以检测、分析判断。（4）建筑节能检测与评价作为辅助手段，红外热像技术通过检测建