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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