光機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。光機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、光電技術(shù)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等群體技術(shù)的綜合運(yùn)用。光機(jī)電一體化技術(shù)涉及機(jī)械制造、交通、家電、儀器儀表、醫(yī)療、玩具娛樂等眾多行業(yè)，在工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著重要的地位。信息、生物、空間、海洋、新材料、新能源等高科技領(lǐng)域，國(guó)防裝備的信息化、現(xiàn)代化及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造都離不開光機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。光機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展迅速，其中各項(xiàng)技術(shù)正從原來的技術(shù)體系分離出來，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)特色和相對(duì)獨(dú)立的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)和微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，光機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。機(jī)電產(chǎn)品和光機(jī)電產(chǎn)品成為家電、醫(yī)療器材、玩具等產(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)品；光機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)于工業(yè)設(shè)備改造、提高制造裝備精度和效率起到了重要的作用；光機(jī)電一體化技術(shù)在航空航天、國(guó)防、智能機(jī)器入研制等凸現(xiàn)國(guó)家綜合實(shí)力的科研領(lǐng)域中更是地位突出。相對(duì)而言，目前圖書市場(chǎng)上光機(jī)電一體化技術(shù)方面的圖書還是比較少的。在機(jī)械工業(yè)出版社的組織下，由北京理工大學(xué)和中北大學(xué)（原華北工學(xué)院）的老師們合作編寫了這套“光機(jī)電一體化技術(shù)”叢書，較全面地介紹了國(guó)內(nèi)外光機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以期能夠幫助相關(guān)工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和更新光機(jī)電一體化技術(shù)知識(shí)，促進(jìn)光機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展?！肮鈾C(jī)電一體化技術(shù)叢書”以光機(jī)電一體化領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的通用原理、具體應(yīng)用和設(shè)計(jì)指導(dǎo)為主要內(nèi)容，分《光機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《光機(jī)電一體化系統(tǒng)典型實(shí)例》、《控制技術(shù)》、《感測(cè)技術(shù)》、《光機(jī)電一體化系統(tǒng)常用機(jī)構(gòu)》、《驅(qū)動(dòng)技術(shù)》、《信息識(shí)別技術(shù)》、《光機(jī)電一體化系統(tǒng)仿真與虛擬試驗(yàn)技術(shù)》和《微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（MOEMS）》9個(gè)分冊(cè)。各分冊(cè)所介紹的技術(shù)內(nèi)容以先進(jìn)、通用為標(biāo)準(zhǔn)，精心篩選，原理介紹簡(jiǎn)練準(zhǔn)確，具體應(yīng)用注重結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使用了大量的圖、表和實(shí)例，注重加強(qiáng)光機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和技術(shù)協(xié)調(diào)的理念，各分冊(cè)均有相應(yīng)章節(jié)深入介紹本技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)實(shí)例，以便讀者更好地學(xué)習(xí)、實(shí)踐和應(yīng)用，幫助從事單項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)人員快速適應(yīng)光機(jī)電一體化系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。

內(nèi)容概要

本書從系統(tǒng)的角度，介紹了光機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、建模方法、傳感器與轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器與驅(qū)動(dòng)器、控制方法與應(yīng)用舉例等內(nèi)容。內(nèi)容先進(jìn)實(shí)用，融匯了國(guó)內(nèi)外最新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)。適合于從事光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

叢書序 前言 第1章　總論 　1.1　光機(jī)電一體化技術(shù)的基本概念 　1.2　光機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展歷史 　1.3　光機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成及分類 　　1.3.1　光機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成 　　1.3.2　光機(jī)電一體化系統(tǒng)的分類 　1.4　光機(jī)電一體化技術(shù)的基本功能 　　1.4.1　光機(jī)電系統(tǒng)功能與技術(shù)轉(zhuǎn)換 　　1.4.2　光機(jī)電系統(tǒng)的基本功能 　1.5　光機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用 第2章　光機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 　2.1　概述 　2.2　系統(tǒng)的解耦與耦合 　　2.2.1　光機(jī)電系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng) 　　2.2.2　工程沖突 　　2.2.3　光機(jī)電系統(tǒng)中的解耦系統(tǒng)與耦合系統(tǒng) 　2.3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)公理 　2.4　單元化設(shè)計(jì)原理 　2.5　光機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次 　　2.5.1　MEE 　　2.5.2　MEE的特點(diǎn) 　　2.5.3　典型的MEE 　　2.5.4　機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖 　2.6　光機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序 　　2.6.1　需求分析 　　2.6.2　方法分析 　　2.6.3　輸入分析 　　2.6.4　輸出分析 　　2.6.5　參數(shù)種類分析 　　2.6.6　參數(shù)的時(shí)變性分析 第3章　物理系統(tǒng)的建模 　3.1　概述 　　3.1.1　模型的基本概念 　　3.1.2　數(shù)學(xué)模型及其表現(xiàn)形式 　　3.1.3　數(shù)學(xué)模型的建立方法 　　3.1.4　簡(jiǎn)化性和精確性 　　3.1.5　線性系統(tǒng) 　　3.1.6　非線性系統(tǒng) 　3.2　模擬法 　3.3　機(jī)械系統(tǒng)建模 　　3.3.1　機(jī)械系統(tǒng)的有關(guān)定義、定律 　　3.3.2　機(jī)械系統(tǒng)建模舉例 　3.4　電氣系統(tǒng)建模 　　3.4.1　電氣系統(tǒng)的有關(guān)定義、定律 　　3.4.2　電氣系統(tǒng)建模舉例 　3.5　機(jī)電耦合系統(tǒng)建模 　　3.5.1　洛倫茲定律 　　3.5.2　法拉第定律 　　3.5.3　作用公式 　　3.5.4　機(jī)電耦合系統(tǒng)建模舉例 　3.6　小結(jié) 第4章　傳感器與轉(zhuǎn)換器 　4.1　概述 　　4.1.1　傳感器的定義和作用 　　4.1.2　傳感器的組成 　　4.1.3　傳感器的分類 　4.2　位移傳感器 　4.3　速度傳感器 　4.4　加速度傳感器 　　4.4.1　電容式加速度傳感器 　　4.4.2　金屬應(yīng)變式加速度傳感器 　　4.4.3　壓電式加速度傳感器 　　4.4.4　加速度傳感器的使用注意事項(xiàng) 　4.5　力與力矩傳感器 　　4.5.1　壓磁效應(yīng)力與力矩傳感器 　　4.5.2　磁電式力矩傳感器 　4.6　壓力傳感器 　　4.6.1　霍爾效應(yīng)壓力傳感器 　　4.6.2　應(yīng)變式壓力傳感器 　4.7　振動(dòng)與諧振傳感器 　　4.7.1　工作原理 　　4.7.2　諧振傳感器的應(yīng)用 　　4.7.3　電渦流傳感器的振幅測(cè)量 　　4.7.4　電感式傳感器的振動(dòng)與加速度測(cè)量 　4.8　光電傳感器 　　4.8.1　光電效應(yīng) 　　4.8.2　光電器件的基本特性 　　4.8.3　固體圖像傳感器 　　4.8.4　紅外傳感器 　　4.8.5　光纖傳感器 　4.9　其他傳感器 　　4.9.1　聲傳感器 　　4.9.2　核輻射傳感器 　　4.9.3　離子傳感器 　　4.9.4　生物傳感器 　　4.9.5　氣體傳感器 第5章　執(zhí)行器與驅(qū)動(dòng)器第6章　光機(jī)電一體化系統(tǒng)控制第7章　光機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 總論  1.1 光機(jī)電一體化技術(shù)的基本概念目前，國(guó)內(nèi)外尚未對(duì)“光機(jī)電一體化技術(shù)”形成統(tǒng)一的、嚴(yán)格的定義，不同國(guó)家、地區(qū)和不同學(xué)者給出了不同的定義和解釋，歸納起來大致有如下幾種定義或描述。1）光機(jī)電一體化技術(shù)是融合了光學(xué)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、電工與電子技術(shù)及軟件技術(shù)的綜合技術(shù)。2）光機(jī)電一體化技術(shù)是在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科，是綜合光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、信息處理與控制等領(lǐng)域中先進(jìn)技術(shù)的群體技術(shù)。3）光機(jī)電一體化技術(shù)是由精密機(jī)械技術(shù)、激光技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等有機(jī)結(jié)合而成的新興技術(shù)。4）光機(jī)電一體化技術(shù)是在機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)上引入了光學(xué)的傳感、變換、執(zhí)行和控制技術(shù)而行成的集成技術(shù)。綜上所述，筆者認(rèn)為光機(jī)電一體化可描述為：綜合運(yùn)用光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電工／電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)和系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)和技術(shù)而形成的新的工程技術(shù)領(lǐng)域；運(yùn)用光機(jī)電一體化技術(shù)形成的具有特定功能的人造實(shí)體，可稱為光機(jī)電一體化系統(tǒng)，也稱光機(jī)電系統(tǒng)（Optical Mechanical Eletric system，OMES）。按系統(tǒng)科學(xué)的思想，“一體化”的含義包括兩個(gè)方面，一是為了實(shí)現(xiàn)特定功能將不同學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)有序地融合為一個(gè)整體；二是形成的系統(tǒng)整體涌現(xiàn)出構(gòu)成該系統(tǒng)的個(gè)體及其總和所不具有的新的屬性和特征。與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)相比，光機(jī)電一體化技術(shù)主要有以下特征：（1）綜合性與系統(tǒng)性光機(jī)電一體化技術(shù)是多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)有機(jī)結(jié)合而成的綜合性高新技術(shù)，其產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性和完整性。光機(jī)電一體化系統(tǒng)所涉及的如機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、模／數(shù)與數(shù)／模交換技術(shù)，以及軟件程序技術(shù)等，在綜合成一個(gè)完整的系統(tǒng)時(shí)，不僅發(fā)揮出各項(xiàng)技術(shù)的原有性能，而且還通過結(jié)構(gòu)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)涌現(xiàn)出新的整體特性。

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