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第1章 光机电一体化技术概述 1

1.1 光机电一体化基本概念 1

1.2 光机电一体化的相关技术 3

1.2.1 机械技术 3

1.2.2 计算机与信息处理技术 3

1.2.3 检测与传感技术 3

1.2.4 自动控制技术 3

1.2.5 伺服驱动技术 4

1.3 光机电一体化技术的运用 4

1.3.1 设计中的运用 4

1.3.2 制造中的运用 6

1.4 国内外光电子技术的发展概况 8

1.4.1 光电子技术是21世纪最尖端科学技术 9

1.4.2 光电子技术是最先进的技术 10

1.4.3 光电子技术是军事上的主流技术 11

1.4.4 光电子产业是高新技术的支柱产业 11

1.5 光机电一体化技术领域的优先发展产品 11

1.6 光机电一体化技术的发展方向 12

第2章 传感器技术 15

2.1 概述 15

2.1.1 传感器概念及分类 15

2.1.2 传感器检测系统的基本组成 16

2.1.3 传感器在光机电一体化系统中的作用 17

2.1.4 传感器的静态特性 18

2.1.5 传感器的动态特性 19

2.2 角位移传感器 20

2.2.1 线绕电位器式角位移传感器 20

2.2.2 电感式角位移传感器 20

2.2.3 电容式角位移传感器 21

2.2.4 编码盘式角位移传感器 22

2.3 转速传感器 24

2.3.1 直流测速发电机 24

2.3.3 光电式转速传感器 25

2.3.2 电容式转速传感器 25

2.4 线位移传感器 26

2.4.1 电阻式线位移传感器 26

2.4.2 电感式线位移传感器 27

2.4.3 电容式线位移传感器 28

2.4.4 光栅式线位移传感器 29

2.4.5 霍尔效应式线位移传感器 29

2.5 线速度传感器 30

2.5.1 电磁式线速度传感器 30

2.5.2 多普勒雷达测速 30

2.6.1 压电式加速度传感器 31

2.6.2 压电式振动加速度传感器 31

2.6 加速度传感器 31

2.6.3 倾斜镜式光纤加速计 32

2.7 接近传感器 32

2.8 力传感器 33

2.8.1 电阻应变片传感器 33

2.8.2 转矩传感器 35

2.9 感压导电橡胶 35

2.10 酸度传感器 37

2.10.1 溶液pH值传感器 37

2.10.2 pH值传感器的应用 38

2.11 机器人传感器 39

第3章 光电探测器技术 40

3.1 光电子学基础 40

3.1.1 辐射度学基本概念 40

3.1.2 光度学基本物理量 41

3.1.3 晶体半导体能带模型 42

3.1.4 热平衡下的载流子浓度 44

3.1.5 半导体中的非平衡载流子 48

3.1.6 载流子的扩散与漂移 50

3.1.7 半导体的光电效应 50

3.2 光电导探测器——光敏电阻 52

3.2.1 光敏电阻的工作原理 53

3.2.2 光敏电阻的主要特性参数 54

3.2.3 光敏电阻的基本偏置电路 55

3.2.4 光敏电阻应用实例 56

3.3 光生伏特探测器——光电池和光电二极管 56

3.3.1 光伏探测器的工作模式 57

3.3.2 光伏探测器的伏安特性 57

3.3.3 光电池 58

3.3.4 光电二极管 59

3.3.5 光电变换电路 61

3.4 发光二极管与光电耦合器 62

3.4.1 发光二极管 62

3.4.4 光电耦合器的结构与工作原理 63

3.4.3 数码显示管的结构与工作原理 63

3.4.2 发光二极管的特性 63

3.5 半导体色敏器件及应用 64

3.5.1 半导体色敏器件的工作原理 64

3.5.2 双色硅色敏器件测色电路 64

3.6 红外探测器 66

3.6.1 红外辐射的基本知识 66

3.6.2 红外探测器分类 66

3.7 固体电荷耦合成像器件(CCD) 69

3.7.1 CCD工作的基本原理简介 69

3.7.2 CCD的特性参数 72

3.7.3 电荷耦合摄像器件(CCID) 73

3.7.4 CCD技术应用举例 76

第4章 数据采集技术 83

4.1 概述 83

4.2 传感器接口电路 85

4.2.1 电桥电路 85

4.2.2 放大电路 88

4.2.3 滤波电路 92

4.3 模拟数据采集系统 92

4.3.1 模拟多路转换器 94

4.3.2 采样保持器 95

4.3.3 模数(A/D)转换器 97

4.3.4 模拟数据采集接口板 102

4.4 数字信号的采集 110

第5章 信息处理技术 118

5.1 概述 118

5.2 计算机控制系统设计 119

5.2.1 控制器选型 119

5.2.2 控制系统设计内容和步骤 120

5.3 工业控制计算机 121

5.3.1 总线技术 121

5.3.2 PC总线工控机 123

5.3.3 PC工控机的应用 124

5.4.1 MCS-51单片机组成测控系统 130

5.4 单片机 130

5.4.2 单片机测控系统前向通道设计 131

5.4.3 单片机测控系统后向通道设计 133

5.4.4 单片机测控系统人机界面设计 136

5.4.5 单片机应用 138

5.5 可编程逻辑控制器 140

5.5.1 PLC工作原理 140

5.5.2 PLC应用举例 141

5.6 光机电一体化系统的软件技术 142

5.6.1 软件工程方法 143

5.6.2 嵌入式操作系统和组态软件 145

6.2 伺服系统的基本要求和设计方法 148

6.2.1 伺服系统的基本要求 148

第6章 伺服系统设计 148

6.1 伺服系统及其构成 148

6.2.2 伺服系统设计方法 149

6.3 步进电机驱动及其控制 150

6.3.1 步进电机 150

6.3.2 步进电机驱动电源 153

6.3.3 步进电机的升、降速控制 156

6.3.4 步进电机选型 159

6.4.1 直流伺服电机 160

6.4.2 直流伺服电机的PWM控制 160

6.4 直流伺服驱动及其控制 160

6.4.3 直流伺服电机选型 164

6.5 交流伺服驱动 166

6.5.1 交流伺服电机变频调速 166

6.5.2 交流伺服电机的矢量控制 172

6.5.3 交流伺服电机的选型 175

6.6 开环伺服系统设计 175

6.6.1 开环伺服系统设计方法和步骤 175

6.6.2 开环系统设计实例 180

6.7.1 闭环伺服系统的构成 182

6.7 闭环伺服系统设计 182

6.7.2 闭环伺服系统设计 183

6.7.3 闭环伺服系统设计举例 185

第7章 光机电一体化系统的机械结构 191

7.1 概述 191

7.2 机械结构因素对伺服系统性能的影响 191

7.2.1 摩擦的影响 191

7.2.2 传动间隙的影响 194

7.2.3 结构弹性变形的影响 195

7.2.4 质量与转动惯量的影响 196

7.3 机械传动 197

7.3.1 同步带传动 197

7.3.2 谐波齿轮传动 200

7.3.3 精密齿轮传动 201

7.3.4 滚珠丝杠副传动 206

7.3.5 微动传动 209

7.4 导轨 211

7.4.1 导轨的功用与要求 211

7.4.2 导轨的类型 211

7.5 支承件 214

7.5.1 支承件应满足的基本要求 214

7.5.2 支承件的材料 215

7.5.3 支承件的设计原则 215

8.1.1 概述 218

8.1 光机电一体化系统设计方法 218

第8章 光机电一体化系统设计方法和实例 218

8.1.2 系统设计方案的评价与分析方法 219

8.1.3 光机电有机结合的方法 220

8.1.4 制作与调试 220

8.1.5 改进设计阶段 221

8.2 光机电一体化技术应用实例 221

8.2.1 CD-ROM光盘驱动器 221

8.2.2 环柱式自动旋转门系统 226

8.2.3 便携式隧道断面激光测量仪 231

8.2.4 活塞外轮廓测量仪 233

参考文献 236