第1章 光電控制系統(tǒng)組成

1.1 光電控制系統(tǒng)概況

在工業(yè)生產(chǎn)和工程應(yīng)用過(guò)程中，常對(duì)產(chǎn)品、部件或?qū)ο筮M(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。監(jiān)測(cè)與控制的條件通?？梢允钱a(chǎn)品的處理位置、部件運(yùn)動(dòng)的速度或?qū)ο蟮奈灰疲袝r(shí)也可能是對(duì)象的形狀和特征等。例如，瓶裝生產(chǎn)線的飲料加注控制，通常是根據(jù)飲料瓶的位置是否對(duì)準(zhǔn)加注管口來(lái)進(jìn)行控制的。在高速公路的監(jiān)控工程中，常對(duì)車(chē)輛的速度、高度和重量進(jìn)行監(jiān)控。無(wú)論選擇哪些變量進(jìn)行監(jiān)控，都可以采用光電控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于光電傳感器具有體積小，容易安裝且測(cè)量精確度高，速度快和無(wú)接觸的特點(diǎn)，可編程控制器具有數(shù)字控制與通信和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使得光電控制技術(shù)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。光電控制技術(shù)已經(jīng)在航空航天工程、能源工程、機(jī)器人系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、制造過(guò)程、交通車(chē)輛控制、工程測(cè)量系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

光電控制系統(tǒng)的發(fā)展依賴(lài)于光電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。光電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展與新型光源、新型光電器件、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密不可分。自從1960年第一臺(tái)紅寶石激光器與氦—氖激光器問(wèn)世以來(lái)，由于激光光源的單色性、方向性、相干性和穩(wěn)定性極好，人們?cè)诤芏虝r(shí)間內(nèi)就研制出各種激光干涉儀、激光測(cè)距儀、激光準(zhǔn)直儀、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)等，大大推動(dòng)了光電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。自1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一個(gè)固體攝像器件（CCD）以來(lái)，由于CCD的小巧，堅(jiān)固，低功耗，失真小，工作電壓低，重量輕，抗震性好，動(dòng)態(tài)范圍大和光譜范圍寬等特點(diǎn)，使視覺(jué)檢測(cè)進(jìn)入一個(gè)新的階段，它不僅可以完成人的視覺(jué)觸及區(qū)域的圖像測(cè)量，而且使人眼無(wú)法涉及的紅外波段和紫外波段的圖像測(cè)量也變成了現(xiàn)實(shí)，從而把光學(xué)測(cè)量的主觀性（靠人眼瞄準(zhǔn)與測(cè)量）發(fā)展成客觀的光電圖像測(cè)量。光導(dǎo)纖維從20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，在傳遞圖像和檢測(cè)技術(shù)方面又發(fā)展出一個(gè)新的天地，光纖通信已經(jīng)風(fēng)靡全球，而光纖傳感幾乎可以測(cè)量各種物理量，尤其在一些強(qiáng)電磁干擾、危及人的生命安全的場(chǎng)合可以安全地工作，而且具有高精度、高速度、非接觸測(cè)量等特點(diǎn)?？梢哉f(shuō)一個(gè)新的光源、一個(gè)新的光電器件的發(fā)明都大大推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

近十幾年來(lái)，工程領(lǐng)域的加工精度已達(dá)到 0.1μm 或 0.01μm 的水平，它對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求，迫切需要開(kāi)拓新的手段，因此先后出現(xiàn)了各種納米測(cè)量顯微鏡，如1982年隧道顯微鏡問(wèn)世，它用測(cè)量電荷密度的方法測(cè)量分子和原子級(jí)的微小尺寸，但它只能用于測(cè)量導(dǎo)體表面。1986年原子力顯微鏡研制成功，它用測(cè)量觸針與被測(cè)器件之間的原子力和離子力的方法來(lái)測(cè)量微小尺寸，因此它可用于導(dǎo)體或非導(dǎo)體的測(cè)量，但它的缺點(diǎn)是針尖與樣品接觸易使樣品表面劃傷。根據(jù)原子力顯微鏡的思路，利用被測(cè)表面的不同物理性質(zhì)對(duì)受迫振動(dòng)懸臂梁的影響，通過(guò)測(cè)量其共振頻率的變化測(cè)量被測(cè)表面，相繼開(kāi)發(fā)出激光力顯微鏡、靜電力顯微鏡等。這些儀器都可以達(dá)到納米甚至亞納米級(jí)的分辨力。它們的分辨力大都是用驅(qū)動(dòng)探針的壓電陶瓷的電壓與位移關(guān)系得到的，但是壓電陶瓷的滯后特性和蠕變使其測(cè)量結(jié)果并不可信。為了準(zhǔn)確測(cè)出這些納米尺度測(cè)量顯微鏡的精度，還必須溯源到光的波長(zhǎng)上，因此迫切需要研制精度達(dá)到納米和亞納米級(jí)的干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)納米尺度的測(cè)量和標(biāo)定，因而又相繼出現(xiàn)了精度可達(dá)到0.1nm的激光外差干涉儀和精度可達(dá)到0.01nm的X光干涉儀。在納米和亞納米級(jí)精度的光電測(cè)量系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，對(duì)環(huán)境的要求是很高的，如環(huán)境溫度不穩(wěn)定、振動(dòng)、光源波動(dòng)的影響等，都會(huì)使納米尺度的測(cè)量精度蕩然無(wú)存。因此系統(tǒng)中機(jī)械傳動(dòng)或光學(xué)調(diào)節(jié)往往需要閉環(huán)控制，而機(jī)械支撐用無(wú)間隙、無(wú)摩擦的柔性鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)很好的辦法。

微電子技術(shù)的問(wèn)世，不僅使計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，也使光電測(cè)量技術(shù)有了更為廣闊的應(yīng)用空間。當(dāng)前人們?cè)谏?、醫(yī)學(xué)、航天、靈巧武器、數(shù)字通信等許多領(lǐng)域越來(lái)越多地要求微系統(tǒng)，因此微機(jī)電系統(tǒng)成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。而微機(jī)電系統(tǒng)要求有微型測(cè)量裝置，這樣，微型光、機(jī)、電測(cè)試系統(tǒng)也就毫無(wú)疑問(wèn)地成為了重要研究方向。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了光電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，而新型光電測(cè)試系統(tǒng)的出現(xiàn)無(wú)疑又給科學(xué)技術(shù)的發(fā)展注入了新鮮血液。因此，光電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：

● 發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測(cè)量新技術(shù)。

● 發(fā)展小型的、快速的微型光、機(jī)、電測(cè)試系統(tǒng)。

● 非接觸、快速在線測(cè)量，以滿足快速增長(zhǎng)的商品經(jīng)濟(jì)的需要。

● 向微空間三維測(cè)量技術(shù)和大空間三維測(cè)量技術(shù)發(fā)展。

● 發(fā)展閉環(huán)控制的光電測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測(cè)量與光電控制一體化。

● 向人們無(wú)法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。

發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠(yuǎn)距離的遙控、遙測(cè)技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動(dòng)跟蹤，復(fù)雜形體自動(dòng)掃描測(cè)量等。光電測(cè)試技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種量的測(cè)量，它具有如下特點(diǎn)。

（1）高精度

光電測(cè)量的精度是各種測(cè)量技術(shù)中精度最高的一種。例如，用激光干涉法測(cè)量長(zhǎng)度的精度可達(dá) 0.05μm/m；光柵莫爾條紋法測(cè)角可達(dá)到 0.04″；用激光測(cè)距法測(cè)量地球與月球之間距離的分辨力可達(dá)到1m。

（2）高速度

光電測(cè)量以光為媒介，而光是各種物質(zhì)中傳播速度最快的，因而用光學(xué)的方法獲取和傳遞信息是最快的。

（3）遠(yuǎn)距離與大量程

光是最便于遠(yuǎn)距離傳播的介質(zhì)，尤其適用于遙控和遙測(cè)，如武器制導(dǎo)、光電跟蹤、電視遙測(cè)等。

（4）非接觸測(cè)量

光照到被測(cè)物體上可以認(rèn)為是沒(méi)有測(cè)量力的，因此也無(wú)摩擦，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，是各種測(cè)量方法中效率最高的一種。

（5）壽命長(zhǎng)

在理論上光波是永不磨損的，只要復(fù)現(xiàn)性做得好，可以永久地使用。

（6）強(qiáng)信息處理能力

光電測(cè)試技術(shù)具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力，可將復(fù)雜信息并行處理。用光電方法還便于信息的控制和存儲(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，易于與計(jì)算機(jī)連接，易于實(shí)現(xiàn)智能化等。光電測(cè)試技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)、國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)和人民生活中不可缺少的新技術(shù)，是機(jī)、光、電、計(jì)算機(jī)相結(jié)合的新技術(shù)，是最具有潛力的信息技術(shù)之一。

光電控制技術(shù)依賴(lài)于數(shù)字控制和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。可編程邏輯控制器的大量應(yīng)用，嵌入式儀表數(shù)字控制器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的廣泛應(yīng)用，使控制器和控制系統(tǒng)能夠處理復(fù)雜光電檢測(cè)脈沖和數(shù)字信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字通信技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了光電檢測(cè)脈沖和大批量數(shù)字信號(hào)的傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在工業(yè)和工程現(xiàn)場(chǎng)，在嵌入式測(cè)量?jī)x表與控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是具有開(kāi)放連接和多點(diǎn)數(shù)字傳輸能力的底層控制網(wǎng)絡(luò)。近幾年來(lái)，它迅速在制造工業(yè)、流程工業(yè)、交通工程、建筑工程和民用與環(huán)境工程等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用，并向更廣闊的應(yīng)用范圍發(fā)展。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)把微控制器和通信控制器嵌入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，這些儀表傳感器可在本地進(jìn)行傳感器信號(hào)處理，而執(zhí)行器有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用雙絞線作為串行數(shù)據(jù)通信總線，把每個(gè)測(cè)量控制傳感器、執(zhí)行器、PLC 和上級(jí)計(jì)算機(jī)連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)成全分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。按現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，位于工業(yè)或工程現(xiàn)場(chǎng)的每個(gè)嵌入式傳感器、測(cè)量?jī)x表、控制設(shè)備、專(zhuān)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)都通過(guò)一條現(xiàn)場(chǎng)總線在任意單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，按實(shí)際應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)、不同回路的自動(dòng)控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，由一條總線連接成可以相互交換信息，共同完成控制、優(yōu)化和管理任務(wù)的控管一體化系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線使自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，分散化的設(shè)備都具有通信能力和控制信息處理能力，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和整體性能水平。因此，光電數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有非接觸精確測(cè)量，快速控制響應(yīng)，高可靠性，高度集成，分散控制，信息處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正在大量替代傳統(tǒng)機(jī)電傳感器和控制技術(shù)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)水平提高而得到廣泛的應(yīng)用。