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1-1光机电一体化的概念

光机电一体化的概念萌芽可以追溯到德国提出的精密工程技术，精密工程技术定义为光、机、电一

体化的综合技术。

一般认为，光机电一体化是由光学、机械学、微电子学、信息处理与控制和软件等各种相关技术交叉

融合而构成的群体技术。

光机电一体化是在机电一体化的基础上引入光学技术而形成的一门新技术。

1-2光机电一体化的组成与实例

为光机电一体化的组成，它大体包括4个部分，本体结构、计算机控制器、驱动装置、传感器。

本体结构：光机电一体化产品所有功能的支撑结构，完成系统的结构功能

控制器：a.由计算机和输入输出口组成；b.控制系统分类：开环系统和闭环系统；c.控制算法：在控

制其中完成。

传感器：将被测对象的状态转化为电信号的装置

执行装置：a.按照控制器发出的指令，将电信号转换为机械能b.驱动装置的类型：电动、气动、液

动

1.3光机电一体化的特点

小型化、轻型化；知识密集；柔性化、智能化；高精度、多功能；可靠性高

1.5光机电一体化的发展趋势

微电子学、光学、计算机与控制技术的每一个新的进步都会极大的推动光机电一体化的发展。

未来的光机电一体化技术将朝着微型化、智能化、模块化、数字化、网络化、集成化的方向发展。

2章传感器与信号处理

1.本章所讲的各种传感器的原理。

（1）位移传感器：

①电位器：将直线位移、转角等机械量转换成电阻变化，在电位器两固定端加上电源电压后，则在电位器

电刷处就可以得到电压的变化。

②感应同步器：感应同步器是用电磁感应原理来测量直线位移和角位移的传感器。

③光电编码器：被测量位置发生变化时，电刷与编码盘的位置随之变化，则电刷可得到随码盘而变化的电

流，从而测出被测量的位移量。

④光栅：利用莫尔条纹现象将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的精密测量装置。常见的光栅分为长光

栅和圆光栅两种，分别用于测量直线位移和角位移。光栅根据制造方法和光学原理的不同分为以下两种：

透射光栅，在磨制的光学玻璃或玻璃表面感光材料的涂层上刻有光栅或纹，利用光的透射现象进行检测。

反射光栅，用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成，利用光的反射现象进行检测

⑤超声波传感器：由发射器发射超声波，当超声波碰到物体后反射回来，被接收器接收，同时测定超声

波从发射到接收的时间为T因此，测量的距离L=aT/2(a为超声波速度)

⑥电涡流传感器：基于电涡流效应的传感器。即块状金属导体置于变化的磁场中或者在磁场中作切割磁感

线运动时，到体内将产生旋涡的感应电流。

⑦光纤传感器：Y形光纤传感器测量微位移的原理将传输和接收的两路光导纤维束扎在一起，从传输纤维

发射出的光经被测对象反射后，由接收纤维传输回原端的光敏元件上，光敏元件检测的光量会随着传感

器端面和被测对象端面的相对位置而变化

（2）速度传感器：

①交流测速发电机：当发电机转子随被测量转动时，速度越快则转子切割定子的磁感线就越快，产生的电

流就越大，从而可根据电流与速度的线性关系测出被测量的大小。

②光线多普勒速度计：根据频率调制原理制成，频率调制基于多普勒效应。根据多普勒效应有fs=f/(1-v/c)

≈(1+v/c)f，则已知fs、f、c的情况下，可测出被测量速度v。

③霍尔式转速传感器：利用霍尔效应UH=KIB，根据UH的变化频率则可求出被测量速度。

④电容式转速传感器：当齿轮旋转时，电容量发生周期变化，通过电路即可获得到脉冲信号，由频率计显

示的频率可计算转速大小。设齿数为Z，则转速N=60f/Z.

⑤光电式转速传感器：由安装在被测轴的圆盘，光源、光电转换件和间隙盘组成。盘转一周，光敏元件接

受光的数等于盘上的开孔数，开孔数为m，过程时间为t，总数为N，则转速n=N/mt

⑥电涡流式转速传感器：在转轴上开一个或多个槽，对边安装一个涡流传感器。当转轴转动时，电涡流传

感器改变与转轴之间的距离，于是输出也周期性地变化，此变化信号经过变化、放大后，用频率计测出变

化的频率，就可以计算出转轴的转速。

⑦空间滤波器：以光电源为对象，当电光源以速度V移动时，输出波形的周期T和点光源的像在感光元件

上移动一个节距P所需的时间相同。

（3）加速度传感器：

①压电式加速度传感器：将压电元件与被测对象固定连接，被测对象振动时，被测对象受到力与加速度方

向相反的力，并作用在压电元件上，力的变化与加速度成正比，传感器输出电荷也与加速度成正比，从而

可测得加速度。

②倾斜镜式光纤加速度计：当质量在外力作用下产