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第1篇　光电子学理论基础 1

第1章　辐射度学与光度学基础理论 1

1.1 辐射度学和光度学基本物理量 1

1.1.1 辐射度学基本物理量 1

目录 1

1.1.2 光度学基本物理量 2

1.2 辐射度学与光度学中的基本定律 3

1.2.1 余弦定律 3

1.2.2　距离平方反比定律 4

1.2.3 亮度守恒定律 5

1.3 黑体辐射基本定律 6

1.3.1 基尔霍夫定律 6

1.3.4 斯蒂芬-玻耳兹曼定律 7

1.3.5 色温 7

1.3.3 维恩位移定律 7

1.3.2 普朗克辐射公式 7

第2章　晶体半导体能带模型与光电效应理论 8

2.1 晶体半导体能带模型 8

2.2 热平衡下的载流子浓度 11

2.2.1 能级密度 12

2.2.2 费米能级和电子占据能态的概率 12

2.2.3　平衡载流子浓度 12

2.2.4　本征半导体中的载流子浓度 13

2.2.5 掺杂半导体载流子浓度 14

2.3 半导体中的非平衡载流子 14

2.3.1 本征吸收 15

2.3.2 杂质吸收 15

2.3.3 非平衡载流子浓度 16

2.4 载流子的扩散与漂移 16

2.4.1 扩散 16

2.5 半导体的光电效应 17

2.5.1　光电导效应 17

2.4.2 漂移 17

2.5.2　p-n结光伏效应 18

2.6 光电导探测器——光敏电阻 19

2.6.1 光敏电阻的工作原理 19

2.6.2 光敏电阻的主要特性参数 21

2.7 光生伏特探测器——光电池和光电二极管 22

2.7.1 光伏探测器的工作模式 23

2.7.2 光伏探测器的伏安特性 23

2.7.3 光电池 24

2.7.4 光电二极管 25

2.8 发光二极管与光电耦合器 27

2.8.1 发光二极管 27

2.8.2 发光二极管的特性 27

2.8.3 光电耦合器的结构与工作原理 28

2.9 半导体色敏器件及应用 28

2.9.1 半导体色敏器件的工作原理 28

2.9.2　双色硅色敏器件测色电路 29

2.10　红外探测器 31

2.10.1 红外辐射的基本知识 31

2.10.2　红外探测器分类 31

第3章　固体成像理论基础 35

3.1 固体电荷耦合成像器件 35

3.1.1 CCD工作的基本原理简介 35

3.1.2 CCD的特性参数 40

3.2 电荷耦合摄像器件 40

3.2.1 一维线阵CCID 41

3.2.2 二维面阵CCID 41

3.2.3 三相驱动一维CCID器件 42

第2篇　信号与系统分析理论基础 45

第4章　信号与系统概述 45

4.1 信号概述 45

4.1.1　信号的分类 45

4.1.2　典型连续信号 47

4.1.3　典型离散信号 49

4.2.1 分解正交函数分量 54

4.2　连续信号的正交分解 54

4.2.2 函数分解为三角函数 55

4.3 系统概述 56

4.3.1 连续时间系统的描述 56

4.3.2 离散时间系统的描述 57

4.3.3 系统的分类 58

第5章　信号的积分变换 61

5.1 非周期信号的傅里叶变换 61

5.1.1 周期信号的频谱 61

5.1.2 非周期信号的傅里叶变换 62

5.1.3 常用非周期信号的频谱 63

5.1.4 奇异函数的傅里叶变换 65

5.2.1 线性特性 68

5.2.2 奇偶性 68

5.2 傅里叶变换的性质 68

5.2.3 对称性 69

5.2.4　尺度变换特性 69

5.2.5 时移特性 69

5.2.6 频移特性 69

5.3 卷积定理 71

5.3.1 时域卷积定理 71

5.2.8 积分特性 71

5.2.7 微分特性 71

5.3.2 频域卷积定理 72

5.4 周期信号的傅里叶变换 72

5.5 抽样信号的傅里叶变换 73

5.5.1 抽样信号及其频谱 73

5.5.2 抽样定理 75

5.6　拉普拉斯变换 75

5.6.1 拉普拉斯变换基本概念 75

5.6.2　拉普拉斯变换的性质 77

5.6.3 线性系统的拉普拉斯变换 79

5.6.4 系统传递函数 81

5.6.5　传递函数的零点和极点 82

5.6.6 传递函数的零极点分布与系统响应形式之间的关系 85

5.7　连续系统的稳定性分析 85

5.7.1 系统的稳定性 85

5.7.2 罗斯判据 86

第6章　信号的离散变换 88

6.1 离散傅里叶变换的概念 88

6.1.1 周期序列离散傅里叶级数 88

6.1.2 离散傅里叶变换 89

6.1.3 离散傅里叶变换的主要特性 90

6.2　Z变换 90

6.2.1 Z变换的定义 90

6.2.2 Z变换的性质 92

6.3 离散系统的Z域分析 95

6.3.1 用Z变换解线性常系数差分方程 95

6.3.2 离散系统的传递函数 97

6.3.3 传递函数的零极点分布与单位样值响应的关系 98

6.3.4 离散系统的稳定性定义 98

第7章 系统的状态空间 99

7.1 系统的状态方程 99

7.2 传递函数描述的系统状态空间 100

7.2.1 直接法 100

7.2.2 串联法 101

7.2.3 并联法 102

7.3 离散系统状态空间 105

7.3.1 连续状态空间的离散化 105

7.3.2 状态空间的差分方程式 106

7.3.3 由z传递函数求状态空间表达式 107

第3篇 现代机械设计理论基础 108

第8章 行星变速系统综合理论基础 108

8.1 概述 108

8.2.1 差速机构运动学基本方程式 110

8.2 复杂行星传动系统的解析运动学 110

8.2.2 差速机构运动学实例分析 112

8.3 2自由度行星变速箱角速度平面图 117

第9章 2自由度行星传动运动学分析 120

9.1 行星传动运动学简图 120

9.2 行星传动的静力学和动力学 123

9.3 确定行星传动效率的理论方法 126

9.3.1 力的位移法 126

9.3.2 啮合功率法 127

9.3.3　转换机构法 128

第10章　相似理论基础 131

10.1　相似概念 131

10.2 相似方法的基本原理 134

10.2.1 相似的实质 134

10.2.2 相似的数学表达式 135

10.2.3　相似准则 136

10.2.4　准则方程 138

10.2.5　模拟的一般原理 139

10.3 相似方法的数学工具 142

10.3.1 求相似准则的方法 142

10.3.2 准则方程的推导方法 145

10.4 相似性设计计算 146

10.4.1 几何相似系列设计 146

10.4.2 散热翅片传热能力的相似计算 146

10.5 相似理论的意义及应用 148

第11章 机械优化设计 150

11.1 优化设计概论 150

11.1.1 引言 150

11.1.2 两个简单的优化事例 151

11.2 优化设计的数学模型 153

11.2.1 优化问题的数学描述 153

11.2.2 优化设计数学模型 155

11.2.3 优化问题的几何解释 158

11.3.1 目标函数的方向导数和梯度 160

11.3 优化设计基本理论 160

11.3.2 目标函数的无约束极值 165

11.3.3 约束问题的最优解条件 168

11.4 一维搜索 170

11.4.1 搜索区间的确定（进退法） 170

11.4.2　黄金分割法 172

11.4.3 二次插值法 174

11.5 无约束优化方法 176

11.5.1 无约束优化方法概述 176

11.5.2 主要无约束优化方法 176

11.6 约束优化方法 181

11.6.1 约束优化问题的惩罚函数法——序列无约束极小化法 181

11.6.2 多目标优化方法 185

11.6.3 建立约束优化设计模型实例——平面铰链四杆机构再现运动规律的优化设计问题 187

11.7.1 模糊评价方法概述 189

11.7 模糊理论在优化设计中的运用 189

11.7.2 模糊优化方法的执行步骤 193

11.7.3 具有模糊约束条件的优化设计实例——振动机槽体质量的模糊优化算法 193

11.7.4 齿轮传动系统模糊优化设计实例 197

第12章　有限元分析 201

12.1 有限元法概论 201

12.1.1 有限元法的要点 201

12.1.2　有限元法的特性 201

12.2 有限元法的基本理论 202

12.2.1 加权余量法 202

12.2.2 变分原理和里兹法 205

12.2.3 弹性力学平面问题基本方程 208

12.3 弹性力学平面问题的有限元分析 213

12.3.1 弹性力学平面问题的有限元法格式 213

12.3.2 基于最小位能原理的有限元方程 218

12.3.3 三角形单元的等效结点载荷列阵 222

12.3.4 引入位移边界条件 224

12.3.5 三角形单元应力计算实例 225

12.4 单元类型与插值函数 229

12.4.1 一维单元 230

12.4.2　三角形单元 233

12.4.3　矩形单元 235

12.5 等参单元和数值积分 236

12.5.1　4结点四边形等参单元 237

12.5.2 高斯数值积分法 240

12.5.3 8结点曲边四边形等参单元 241

12.6 杆系结构的有限元法 243

12.6.1 局部坐标系下的单元刚度矩阵 243

12.6.2 平面杆单元的坐标转换 244

13.1　数学基础 247

13.1.2 位置和姿态的描述——齐次变换 247

13.1.1 手坐标系和基坐标系 247

第13章　机器人运动学 247

第4篇　机器人设计理论基础 247

13.1.3 齐次坐标变换 250

13.1.4 齐次坐标变换的逆变换 254

13.1.5 变换方程的概念 255

13.1.6 通用旋转变换 256

13.2　机器人的位姿分析 258

13.2.1 机器人的位姿与运动描述 259

13.2.2　6自由度机器人运动方程 262

13.3　机器人的速度分析 269

13.3.1 机器人的微分运动 269

13.3.2 机器人的雅可比矩阵 274

13.3.3 6关节机器人的雅可比矩阵 276

第14章　机器人动力学 283

14.1 拉格朗日方程 283

14.2　机器人连杆系统拉格朗日方程 283

14.2.1 连杆上一点的运动学分析 284

14.2.2 连杆上一点的动能和位能 285

14.2.3 动力学方程的推导 287

14.3 机器人连杆系统动力学方程的简化 289

14.3.1 惯量项的简化 289

14.3.2 重力项的简化 290

14.4 机器人连杆系统动力学方程分析实例 290

14.5　机器人的稳态负荷 295

14.5.1 静力和静力矩的表示 296

14.5.2 不同坐标系间静力的变换 296

14.5.3 关节力矩的确定 298

第15章　轨迹规划 299

15.1 轨迹规划概述 299

15.2　机器人轨迹的插值计算 300

15.2.1 轨迹插值的概念 300

15.2.2 定时插补与定距插补 301

15.2.3　直线插补算法 301

15.2.4 圆弧插补算法 302

15.2.5 其他插补技术 304

15.3　机器人手部操作路径的轨迹规划 309

15.3.1 物体对象的描述 309

15.3.2　作业的描述 309

第16章　机器人控制 314

16.1 机器人的位置控制 314

16.1.1 直流电动机伺服控制系统的数学模型 315

16.1.2 单关节位置控制器的传递函数 317

16.2　机器人控制理论及算法 320

16.2.1　机器人的分解运动速度控制 320

16.2.2 分解运动加速度控制 323

16.2.3 计算力矩控制 324

16.2.4　变结构控制 327

16.2.5 机器人的人工神经网络控制 328

16.2.6 基于遗传算法的机器人神经网络控制 332

参考文献 340