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1、光机电测控技术基础,第1章 光机电测控技术概述,主讲人: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,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 光机电测控技术概念 1-2 光机电测控与人工操作区别 1-3 光机电测控系统的组成 1-4 光机电测控技术应用介绍 1-5 光机电测控技术的发展趋势 1-6 光机电测控技术的学习要求,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
2、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,1-1 光机电测控技术概念,操作过程：,1-1 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,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,1-1 光机电测控技术概念,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
3、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）,1-1 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
4、、） 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,1-1 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。,1-1 光机电测控技术概念,1-2 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
5、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)。,1-2 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),1-2 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
6、奋蓝色觉 同等比例兴奋白色觉,1-2 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,1-2 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,1-2 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,1-2 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
7、： 主镜23m。,1-2 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,1-2 光机电测控与人工操作区别,1-3 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,光机电测控系统,光 源,光学系统,机电执行机构,1-3 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
8、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,1-3 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,1-3 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
9、控、遥测和遥感；,受光学介质的影响大（水、空气、尘土） 成本高。,1-3 光机电测控系统的组成,1-4 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5070%,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
10、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,1-4 光机电测控技术应用介绍,在汽车领域的应用,1-4 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CCD,1-4 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
11、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,1-4 光机电测控技术应用介绍,在服装方面的应用: 从棉花到服装主要由纺纱、印染、服装设计、裁剪等环节构成。光电技术在这些环节的应用，促生了新的工艺、机械设备和技术手段，大大推动了服装行业的发展。 （1）棉花分级评定 主要依据棉花的颜色、杂质含量、水分、纤维长度等特征。 （2）纤维检测 纤维检测仪器利用光电手段检测棉纤维中短绒含量纤维打结以及其中灰尘、杂质等情况。 （3）红外光谱纺织纤维鉴别和配纱 纤维鉴别的原理是不同
12、成分、含量的纺织纤维具有不同的红外吸收光谱。通过与纺织纤维光谱图库对比，可以实现纺织纤维鉴别和含量分析，相关数据可用于纺机配纱，甚至实现对混纺织物比例的定量分析。,1-4 光机电测控技术应用介绍,在服装方面的应用: （4）激光检测纱线 激光器反射的光束经扩束后投射到被测纱线上，被测纱线挡住一部分光通量，其余部分由后面配置的光电池接收，转换成光电流与光电压。 （5）光电清纱 光电清纱器可以更精确探测纱线的粗细变化，得到粗节、细节、棉结等纱疵和纱支支数错误信息，同时可检测出异色、异质纤维，清除化纤、毛发、异色纤维等杂质，提高纱线品质、监测纺纱工艺及设备运转情况。 （6）激光疵点分析 用光电方法寻找
13、织物表面疵点，主要是根据疵点部位的织物表面反射系数与没有疵点的织物表面反射系数不同。,1-4 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:,1-4 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
14、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。,1-4 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,1-4 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
15、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35m波长热像图和812 m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,1-4 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
16、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筑围护结构的传热缺陷，进而对图上的保温缺陷的统计可进行外墙的保温性能综合评价。 （5）在用建筑隐蔽泄漏的探测 如果建筑物深层相对于周围的材料表现出热或凉，则其表面的温度也相应地表现出高或低，借助红外热像仪可探测出这一深层热或凉的位置（热源法）。,1-4 光机电测控技术应用介绍,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,
17、神州飞船：,185台（套）仪器装置,在航天领域的应用:,1-4 光机电测控技术应用介绍,1-5 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。,1-6 光机电测控技术的学习要求,熟悉光机电测控系统的基本组成、特点和发展趋势; 掌握典型光电器件的工作原理、特性及应用; 了解光机电测控技术的应用;,