续表 机巾基福件 优先性9 优先性 高件能的机碱墨 新型工业自动化仅表 新大 商速、划硬箱害模具及新型量具、刀丹 茶形别母让量议 新专用泵、阀 一新型实骏机与模拟仪器 新型液北、帝封、气动元器件 光电参昼传感仪器 电子式低电 高精度新型传8器 高强度异紧固件 先进摄影器材及缩後系统 机电一体化机设备 优先风及老收 优先性 3 其德机地体化的轻'汇机碱设备 新型的电力、右油、化上设备、合成材料加 2 工业生产过程白动控制系统 工设餐 大电南所猝献试验及变压器突发短路试验 行种运输车 在线自动测试系统 日先进交 运喻设备 电力脚与管理动化系统 电 置及汽车关不部件 2 其他机电一体化的重工机设备 2 智能化自动识制系统 1.6光机电一体化技术的发展方向 光机电一体化是机械、微电子、光学、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合， 其发展和进步有赖于相关技术发展和进步，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网 络化、人格化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 ①数字化微处理器和微控制器的发展奠定了单机数字化的基础，如不断发展的数控 机床和机器人，而计算机网络的迅速妮起，为数字化制造铺平了道路，如计算机集成制造。 数学化要求光机电一体化产品的软件具有高可靠性和可维护性以及自诊断能力，其人机界面 对用户更加友好，易于使用，并且用户能根据需婴参与改进。数字化的实现将便于远程操 作、诊断和修复。产品的虚拟设计与制造将大大提高设计制造的效率，节省开发费用。 ②智能化赋子光机电产品一定的智能，使它具有人的判断推理，逻辑息考，自主决 策等能力。例如在CC数控机床上增加了人一机对话功能，设置了智能1/O通道和智能」 艺数据库，给使用、操作和维护带来了极大的方便。随着人工智能技术、神经网络技术及光 纤技术等领域取得的巨大进步，为光机电一体化技术开辟了发展的广搁天地，大量的智能化 光机电一体化产品不断酒现。现在，“模棚控制”技术已经相当普遍，甚至还出现了“混沌' 控制的产品。 ③模块化由于光机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机饿接 口、动力接口、环境接口的光机电一体化产品单元是一项复杂和有前途的事情。如研制具有 集减速、智能调速、电机于一体的动力装置单元，具有视光、图像处理、识别和测距等功能 的控制单元，以及能完成奥型操作的装置，这样可利用标准单元迅速开发出新的产品。同时 也可扩大生产规模，这需要制定各项标准。以便各部件、单元的匹配和接口。光机电一体化 12
产品模块化的发展促进了新产品的开发，品种不断增多，花样不断翻新，缩短了开发周期。 以驱动为核心的驱动模块单元，以伺服为核心的运动挖制模块单元，以两根导线把各功能鲜 元连接起来的总线或现场总线等、已形成了标准化的产品。 ④网络化由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程 控制的终端设备本身就是光机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为 可能，利用家庭网络连接各种家用电器成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人 们在家里充分享受各种高技术带来的好处，因此，光机电一体化产品无疑应朝网络化方向 发展 ⑤人性化北机电一体化产品的最终使用对象是人，如何在光机电一体化产品里赋子 人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，光机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色 彩、造型等方面都与环境相协调，柔和一体，小巧玲珑，使用这些产品，对人来说还是一种 艺术李受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。 ⑥微型化微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统 (Micro Eleetronic-Mechanical Systems,MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感 器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接门、通信和电源等于一体的微型器件或系 统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分 校研制出第一个直径为200m的微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研 究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器 微压力传 感器、微加速度计、微触觉传感器，各种微构件一微膜、微梁、微探针、徽连杆、微齿 轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等。最近几年来，MEMS正在向光学方而渗透 形成了微光机电系统(Miero Opto-Electronic-.Mcchanical Systems,MOEMS),其研究的目标 是试图实现光机电系统的微小化、集成化和智能化，设计制造出具有新原理、新结构、新功 能的元件及系统，开辟一个新的工程技术领城，完成传统的机电系统所不能完成的任务。所 以，它是涉及电子学（微电子和控制）、机械学（机械和力学）、光学、材料学、化学、牛物 学和医学等多学科、高技术交义的前沿研究领城。微光机电系统可以是-·种外形尺寸很小的 微系统/微运动系统，或是一种外形尺寸未必很小，但操作尺度极小且精度很高的微动作系 统。它们的尺寸大小一般泛指从数厘米到数微米的范围，通常把尺寸为1~100mm的称为小 型系统：0.1~lmm称为毫米系统1~100um称为微米系统。所以，微小化是微光机电系 统的重要特征。由于其尺度的微小化，即所谓尺寸效应将导致许多适H于宏观技术领域的经 验与法则往往不起作用，需要从微观领域去对设计、结构、材料、制造、测试、控制、年 成、能源及通信等方面进行研讨，探讨新原理，开发新技术、新功能元件和系统，确立崭新 的“微理工学”和“微系统设计方法论”。目前在世界范围内所研制的微光机电系统主要包 活空间光涮制器、光盘读取头，微机械光开关、光衰减器、光扫描器以及光谱仪等。其中微 机械光开关具有申话小，插入损耗小，消光比高、对波长和偏振不做感、稳定性好、造价 低等优点，在光纤通信和光纤测试系统中具有广阔的应用前景。 ⑦集成化集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化 与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品 种，小批量生产的自动化与高效率，应使系统其有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若十 层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过硬、软件将各个层次 有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。 13
@带源化是指光机电一体化产品自身带有能源，无需外部供电能源一直是研究的重 点，如太阳能电池，燃料电池和大容量电池，但在许多场合，无法使用电能，而对于运动的 光机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处，带源化是光机电一体化产品的发展力向 之一 ⑨绿色化科学技术的发展给人们生活带来巨大变化，物质丰富的同时也带来资源减 少，生态环境恶化的后果，所以人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品 概念在这种呼声中应运而生，绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生 利用的产品，在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，光机电一体化 产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品残存部分的可分 解和可再生利用。 多
第2章传感器技术 2.1概述 传裹器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，系统的自动化的程度越高，对传 感器的依赖性也就越大。可以说，传感器对系统的功能起着决定性的作用。光机电一体化系 统本质上是自动控制系统，其整个运行过程中都有各种物理量（如位移、压力、速度等）需 要挖制和监测，这就需要采用相应的传感器来对原始的各种参数进行精确而可靠的检测，否 则，对系统的各种控制是无法实现的。因此，能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其 应用技术便成为光机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。 本章重点介绍各种光机电一体化系统中常用的非光电效应类传感器的基本工作原理、结 构、件能等内容。 2.1.1传感器概念及分类 国家标准《传感器通用术语》中，对于传感器的定义如下：“能感受（或响应）规定的 被测量，并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测 量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。 也可以说、使物理量或化学量转变为电量（或电磁量）的器件或元件叫做传感器。传感 器也称作变换器、换能器，或探测器。传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路3 部分所组成，如图21所示。 测屯国歌元一一转挨元件一4转换电略 图21传感器组成框图 所谓敏感元件就是能直接想受被测量，并以确定的关系箱出某一物理量的元件。例如 弹性敏速元件可将力转换为位移或应变输出；转换元件可将敏感元件输出的非电物理藏（如 位移、应变、光强等)转换成电路参数量（如电阻、电感、电容等）；而基本转换电路的功 能就是将上述电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 实际应用中的传感器有的很简单，有的则较复杂。有些传感器（加热电偶）只有敏感元 件，感受被测量时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需基本转换 电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容式位 移传惑器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。大多数传感 器是开环系统，但也有个别的是带反愤的闭环系统。 传感器常用的分类方法有3种 (1)按被测物理量分类 传感器按被测物理量可分为位移传感器、速度传感器、力（压力）传感器、温度传感 器、湿度传感器等等，而上述每一种传感器又可据其派生物理量加以细分，如位移传感器可 包括线位移传感器、角位移传感器等。按被测物理量的分类方法明确表示了传感器的用途 使用者可以选用。 15
(2)按传感器的工作原理分类 按传感器的不同工作原理可以将传感器分为电阻式、电感式、磁电式、电压式、电容 式、气电式，陀螺式、谐叛式和光电式等。比如，人们常用的电阻式应变片，其工作原理是 应变可使应变片的电阻发生变化，利用这一原理可以制成测量力、力矩、应变、位移等传 感器。 (3)按传感器转换能量的方式分类 ①能量转换型又称有深传感器（或发电型传感器），即在不外加电源情况下将非电功 率转换为电功率输出。如电磁式、电动式、电压式等传感器。 ②能量控制型又称无源传感器（或电参量型传感器），即不能将非电功率转换成电功 率的传惑器。这类传感器是以被测物理量对传感器中的电参数的控制和调节作用来实现测量 的日的，所以，它必须有辅助的能源（电源）。如电阻式、电感式、电容式等传感器均属此 类。习惯上常把工作原理和用途结合起来命名传感器，如电感式位移传感器、压电式加速度 传感器等。 按国家标准，传感器的命名应由主题词加四级修饰语构成： ①主题词传感器 ②第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。 ③第二级修饰语转换原理，一般可后缕以“式”字 ④第三级修饰语特征指述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件 及其他必要的性能特征，一般可后续以“型”字。 ⑤第四级修饰语主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。例如，10mm应变式位 移传感器0~70kPa电位器式差压传感器；100~160dB电容式声压传感器；1~3500kPa放 大[型]应变计]式绝压传感器；±20g压电式加速度传感器等。 2.1,2传感器检测系统的基本组成 传感器检测系统一般由四个组成部分，即传感器、基本转换电路、测量电路及显示执行 机构。当然，随着传感器输出测量信号形式及检测系统的功能不同，传感器检测系统的组成 部分也有一定的不同。比如，电阻式、电感式等传感器一般输出模拟信号，而光栅、磁极等 传感器输出增量码的数字信号：从而，其检测系统的组成将相应改变。下面就上述两种检满 系统加以介绍。 (1)模拟式传感器检测系统 电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式等传感器均输出模拟信号。该检测 系统如图2-2所示。 传器一基本转校电路一吸程切换电收大著→[解器一说液落 医算电惑-德拟转换电岛一计算☐一一显示执行机构振酱器门电源 图22典型模拟式传感器检测系统 上述传感器检测系统中，如果传感器为电参量式的，即被测信号的变化引起传感器的电 16