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)用過程中，常對產(chǎn)品、部件或?qū)ο筮M(jìn)行監(jiān)測與控制。監(jiān)測與控制的條件通常可以是產(chǎn)品的處理位置、部件運(yùn)動的速度或?qū)ο蟮奈灰疲袝r(shí)也可能是對象的形狀和特征等。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準(zhǔn)加注管口來進(jìn)行控制的。在高速公路的監(jiān)控工程中，常對車輛的速度、高度和重量進(jìn)行監(jiān)控。無論選擇哪些變量進(jìn)行監(jiān)控，都可以采用光電控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。由于光電傳感器具有體積小，容易安裝且測量精確度高，速度快和無接觸的特點(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、制造過程、交通車輛控制、工程測量系統(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)展依賴于光電測試技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。光電測試技術(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年第一臺紅寶石激光器與氦—氖激光器問世以來，由于激光光源的單色性、方向性、相干性和穩(wěn)定性極好，人們在很短時(shí)間內(nèi)就研制出各種激光干涉儀、激光測距儀、激光準(zhǔn)直儀、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)等，大大推動了光電測試技術(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，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，動態(tài)范圍大和光譜范圍寬等特點(diǎn)，使視覺檢測進(jìn)入一個(gè)新的階段，它不僅可以完成人的視覺觸及區(qū)域的圖像測量，而且使人眼無法涉及的紅外波段和紫外波段的圖像測量也變成了現(xiàn)實(shí)，從而把光學(xué)測量的主觀性（靠人眼瞄準(zhǔn)與測量）發(fā)展成客觀的光電圖像測量。光導(dǎo)纖維從20世紀(jì)60年代問世以來，在傳遞圖像和檢測技術(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合可以安全地工作，而且具有高精度、高速度、非接觸測量等特點(diǎn)。可以說一個(gè)新的光源、一個(gè)新的光電器件的發(fā)明都大大推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

近十幾年來，工程領(lǐng)域的加工精度已達(dá)到 0.1μm 或 0.01μm 的水平，它對測量技術(shù)提出了更高的要求，迫切需要開拓新的手段，因此先后出現(xiàn)了各種納米測量顯微鏡，如1982年隧道顯微鏡問世，它用測量電荷密度的方法測量分子和原子級的微小尺寸，但它只能用于測量導(dǎo)體表面。1986年原子力顯微鏡研制成功，它用測量觸針與被測器件之間的原子力和離子力的方法來測量微小尺寸，因此它可用于導(dǎo)體或非導(dǎo)體的測量，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，利用被測表面的不同物理性質(zhì)對受迫振動懸臂梁的影響，通過測量其共振頻率的變化測量被測表面，相繼開發(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的分辨力。它們的分辨力大都是用驅(qū)動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量結(jié)果并不可信。為了準(zhǔn)確測出這些納米尺度測量顯微鏡的精度，還必須溯源到光的波長上，因此迫切需要研制精度達(dá)到納米和亞納米級的干涉儀來實(shí)現(xiàn)納米尺度的測量和標(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。在納米和亞納米級精度的光電測量系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，對環(huán)境的要求是很高的，如環(huán)境溫度不穩(wěn)定、振動、光源波動的影響等，都會使納米尺度的測量精度蕩然無存。因此系統(tǒng)中機(jī)械傳動或光學(xué)調(diào)節(jié)往往需要閉環(huán)控制，而機(jī)械支撐用無間隙、無摩擦的柔性鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)很好的辦法。

微電子技術(shù)的問世，不僅使計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，也使光電測量技術(shù)有了更為廣闊的應(yīng)用空間。當(dāng)前人們在生物、醫(yī)學(xué)、航天、靈巧武器、數(shù)字通信等許多領(lǐng)域越來越多地要求微系統(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)要求有微型測量裝置，這樣，微型光、機(jī)、電測試系統(tǒng)也就毫無疑問地成為了重要研究方向。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動了光電測試技術(shù)的發(fā)展，而新型光電測試系統(tǒng)的出現(xiàn)無疑又給科學(xué)技術(shù)的發(fā)展注入了新鮮血液。因此，光電測試技術(shù)的發(fā)展趨勢是：

● 發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。

● 發(fā)展小型的、快速的微型光、機(jī)、電測試系統(tǒng)。

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

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

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

● 向人們無法觸及的領(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、遙測技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動跟蹤，復(fù)雜形體自動掃描測量等。光電測試技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對各種量的測量，它具有如下特點(diǎn)。

（1）高精度

光電測量的精度是各種測量技術(shù)中精度最高的一種。例如，用激光干涉法測量長度的精度可達(dá) 0.05μm/m；光柵莫爾條紋法測角可達(dá)到 0.04″；用激光測距法測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，如武器制導(dǎo)、光電跟蹤、電視遙測等。

（4）非接觸測量

光照到被測物體上可以認(rèn)為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的一種。

（5）壽命長

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，易于實(shí)現(xiàn)自動化，易于與計(jì)算機(jī)連接，易于實(shí)現(xiàn)智能化等。光電測試技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)、國家現(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)雜光電檢測脈沖和數(shù)字信號。現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字通信技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了光電檢測脈沖和大批量數(shù)字信號的傳輸。現(xiàn)場總線是應(yīng)用在工業(yè)和工程現(xiàn)場，在嵌入式測量儀表與控制設(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)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)是具有開放連接和多點(diǎn)數(shù)字傳輸能力的底層控制網(wǎng)絡(luò)。近幾年來，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)場總線技術(shù)把微控制器和通信控制器嵌入傳統(tǒng)的測量控制儀表，這些儀表傳感器可在本地進(jìn)行傳感器信號處理，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)測量控制傳感器、執(zhí)行器、PLC 和上級計(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)場總線通信協(xié)議，位于工業(yè)或工程現(xiàn)場的每個(gè)嵌入式傳感器、測量儀表、控制設(shè)備、專用數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)都通過一條現(xiàn)場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)、不同回路的自動控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線把單個(gè)分散的測量控制設(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)場總線使自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化，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。