第1章 光电控制系统组成
1.1 光电控制系统概况
在工业生产和工程应用过程中，常对产品、部件或对象进行监测与控制。监测与控制的条件通常可以是产品的处理位置、部件运动的速度或对象的位移，有时也可能是对象的形状和特征等。例如，瓶装生产线的饮料加注控制，通常是根据饮料瓶的位置是否对准加注管口来进行控制的。在高速公路的监控工程中，常对车辆的速度、高度和重量进行监控。无论选择哪些变量进行监控，都可以采用光电控制系统来实现。由于光电传感器具有体积小，容易安装且测量精确度高，速度快和无接触的特点，可编程控制器具有数字控制与通信和抗干扰能力强的优点，使得光电控制技术被越来越广泛地应用。光电控制技术已经在航空航天工程、能源工程、机器人系统、生产流水线、制造过程、交通车辆控制、工程测量系统、安全监控系统中得到了广泛的应用。
光电控制系统的发展依赖于光电测试技术的发展和广泛应用。光电测试技术的发展与新型光源、新型光电器件、微电子技术、计算机技术的发展密不可分。自从1960年第一台红宝石激光器与氦—氖激光器问世以来，由于激光光源的单色性、方向性、相干性和稳定性极好，人们在很短时间内就研制出各种激光干涉仪、激光测距仪、激光准直仪、激光跟踪仪、激光雷达等，大大推动了光电测试技术的发展。自1970年贝尔实验室研制出第一个固体摄像器件（CCD）以来，由于CCD的小巧，坚固，低功耗，失真小，工作电压低，重量轻，抗震性好，动态范围大和光谱范围宽等特点，使视觉检测进入一个新的阶段，它不仅可以完成人的视觉触及区域的图像测量，而且使人眼无法涉及的红外波段和紫外波段的图像测量也变成了现实，从而把光学测量的主观性（靠人眼瞄准与测量）发展成客观的光电图像测量。光导纤维从20世纪60年代问世以来，在传递图像和检测技术方面又发展出一个新的天地，光纤通信已经风靡全球，而光纤传感几乎可以测量各种物理量，尤其在一些强电磁干扰、危及人的生命安全的场合可以安全地工作，而且具有高精度、高速度、非接触测量等特点。可以说一个新的光源、一个新的光电器件的发明都大大推动了科学技术的发展。
近十几年来，工程领域的加工精度已达到 0.1μm 或 0.01μm 的水平，它对测量技术提出了更高的要求，迫切需要开拓新的手段，因此先后出现了各种纳米测量显微镜，如1982年隧道显微镜问世，它用测量电荷密度的方法测量分子和原子级的微小尺寸，但它只能用于测量导体表面。1986年原子力显微镜研制成功，它用测量触针与被测器件之间的原子力和离子力的方法来测量微小尺寸，因此它可用于导体或非导体的测量，但它的缺点是针尖与样品接触易使样品表面划伤。根据原子力显微镜的思路，利用被测表面的不同物理性质对受迫振动悬臂梁的影响，通过测量其共振频率的变化测量被测表面，相继开发出激光力显微镜、静电力显微镜等。这些仪器都可以达到纳米甚至亚纳米级的分辨力。它们的分辨力大都是用驱动探针的压电陶瓷的电压与位移关系得到的，但是压电陶瓷的滞后特性和蠕变使其测量结果并不可信。为了准确测出这些纳米尺度测量显微镜的精度，还必须溯源到光的波长上，因此迫切需要研制精度达到纳米和亚纳米级的干涉仪来实现纳米尺度的测量和标定，因而又相继出现了精度可达到0.1nm的激光外差干涉仪和精度可达到0.01nm的X光干涉仪。在纳米和亚纳米级精度的光电测量系统中，为保证系统的稳定可靠，对环境的要求是很高的，如环境温度不稳定、振动、光源波动的影响等，都会使纳米尺度的测量精度荡然无存。因此系统中机械传动或光学调节往往需要闭环控制，而机械支撑用无间隙、无摩擦的柔性铰链是一个很好的办法。
微电子技术的问世，不仅使计算机技术突飞猛进，也使光电测量技术有了更为广阔的应用空间。当前人们在生物、医学、航天、灵巧武器、数字通信等许多领域越来越多地要求微系统，因此微机电系统成为当前研究的一个热点。而微机电系统要求有微型测量装置，这样，微型光、机、电测试系统也就毫无疑问地成为了重要研究方向。科学技术的进步推动了光电测试技术的发展，而新型光电测试系统的出现无疑又给科学技术的发展注入了新鲜血液。因此，光电测试技术的发展趋势是：
● 发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。
● 发展小型的、快速的微型光、机、电测试系统。
● 非接触、快速在线测量，以满足快速增长的商品经济的需要。
● 向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。
● 发展闭环控制的光电测试系统，实现光电测量与光电控制一体化。
● 向人们无法触及的领域发展。
发展光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的遥控、遥测技术，激光制导，飞行物自动跟踪，复杂形体自动扫描测量等。光电测试技术将光学技术与电子技术相结合，实现对各种量的测量，它具有如下特点。
（1）高精度
光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。例如，用激光干涉法测量长度的精度可达 0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测角可达到 0.04″；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。
（2）高速度
光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，因而用光学的方法获取和传递信息是最快的。
（3）远距离与大量程
光是最便于远距离传播的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。
（4）非接触测量
光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。
（5）寿命长
在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，可以永久地使用。
（6）强信息处理能力
光电测试技术具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化等。光电测试技术是现代科学、国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是机、光、电、计算机相结合的新技术，是最具有潜力的信息技术之一。
光电控制技术依赖于数字控制和数字通信技术的发展而发展。可编程逻辑控制器的大量应用，嵌入式仪表数字控制器和计算机网络服务器的广泛应用，使控制器和控制系统能够处理复杂光电检测脉冲和数字信号。现场总线控制网络的数字通信技术，进一步实现了光电检测脉冲和大批量数字信号的传输。现场总线是应用在工业和工程现场，在嵌入式测量仪表与控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的网络系统。现场总线系统是具有开放连接和多点数字传输能力的底层控制网络。近几年来，它迅速在制造工业、流程工业、交通工程、建筑工程和民用与环境工程等方面的自动化系统中实现了成功应用，并向更广阔的应用范围发展。现场总线技术把微控制器和通信控制器嵌入传统的测量控制仪表，这些仪表传感器可在本地进行传感器信号处理，而执行器有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线作为串行数据通信总线，把每个测量控制传感器、执行器、PLC 和上级计算机连接成的网络系统，构成全分布式的网络控制系统。按现场总线通信协议，位于工业或工程现场的每个嵌入式传感器、测量仪表、控制设备、专用数据存储设备和远程监控计算机都通过一条现场总线在任意单元之间进行数据传输与信息交换，按实际应用需要实现不同地点、不同回路的自动控制系统。现场总线把单个分散的测量控制设备变成网络节点，由一条总线连接成可以相互交换信息，共同完成控制、优化和管理任务的控管一体化系统。现场总线使自动控制系统的结构大大简化，分散化的设备都具有通信能力和控制信息处理能力，提高了控制系统的可靠性和整体性能水平。因此，光电数字控制网络系统具有非接触精确测量，快速控制响应，高可靠性，高度集成，分散控制，信息处理能力强等优点，正在大量替代传统机电传感器和控制技术，随着社会经济发展和生产技术水平提高而得到广泛的应用。