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1、1 引言现代机械系统已发展成为光、机、电、磁、声、热、液、气、算于一体的技术系统。在 20 世纪 70年代，微电子技术曾引起新技术领域的深刻变革，机电一体化技术就是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐形成并发展起来的一门独立的综合性交叉学科， 经过几十年的发展， 设计的机电一体化的内涵和外延得到不断地丰富和拓宽。 从最初的机械电子化、 机械电脑化而发展到光机电一体化、机械智能化和微机械化阶段。从 20 世纪 90 年代开始，光机电一体化技术引导着一场新的变革，光机电一体化是由光学、 微电子、信息和机械及其他相关技术交叉与融合而构成的综合性高新技术，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。从
2、加工系统到医疗仪器、从家用电器到军事装备都离不开它。信息、材料、能源、空间、海洋等高科技领域的技术发展和产业化、 传统产业的技术改造、 武器装备的现代化都要用到光机电一体化技术。光机电一体化技术的特征是在机电一体化概念的基础上强调了光、光电子、激光和光纤通讯等术的作用， 属于 21 世纪应用领域更为宽阔的机电一体化技术。世界各国高新技术及其产业竞争的焦点正从微电子产业转向光电子信息产业，光机电一体化产业已经成为21 世纪最具魅力的朝阳产业，光机电一体化技术产业以其特有的技术带动性、融合性和广泛适用性成为高新技术产业中的主导产业，将成为新世纪经济发展的重要支柱。 ，目前国际上产业结构在不断进行调
3、整，使各行业不断融合和协调发展， 在提升传统产业的作用中， 光机电一体化技术具有高度创新性在不断渗透性和增值性。2 光机电一体化技术在热动专业中的应用2.1 光机电一体化系统应用背景红外测温仪广泛应用于电力， 炼钢等行业，运用红外诊断技术对设备进行检测。红外诊断技术对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，使传统电气设备的预防性试验维修( 预防试验是 50 年代引进前苏联的标准 )提高到预名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - -
4、 - - - - 知状态检修， 这也是现代电力企业发展的方向。特别是现在大机组、 超高电压的发展，对电力系统的可靠运行，关系到电网的稳定，提出了越来越高的要求。随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善，利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有准确、快速、直观等特点，实时地在线监测和诊断电气设备大多数故障(几乎可以覆盖所有电气设备各种故障的检测) 。它在炼钢行业中检测设备故障就是一个典型的例子。2.2 光机电一体化系统工作原理红外测温仪的测温原理是将物体 （如钢水）发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体（如钢水）本身的温度相对应，根据转变成电信号
5、大小，可以确定物体（如钢水）的温度。红外测温仪在炼钢设备故障检测中的使用：如果准确地获得被测设备的温度分布或故障相关部位温度值与温升值，对现场检测过程中或对检测结果的分析处理，保证设备在额定电压和满负荷下运行后，可用红外测温仪对炼钢设备进行检测。由于电气设备故障红外诊断时， 故障判断标准往往是以设备在额定电流时的温升为依据， 因此当检测时实际运行电流小于额定电流时，应该是现场实际测量的设备故障点温升换算为额定电流的温升，然后通过电子系统进行维修等工作。2.3 光机电一体化系统组成分析红外测温仪由光学系统、 光电探测器、 信号放大器及信号处理、 显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的部件红外
6、辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路， 并按照仪器内疗的算法和部件发射率校正后转变为被测部件的温度值。在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布 与它的表面温度名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 有着十分密切的关系。 因此，通过对物体自身辐射的红外能
7、量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。黑体是一种理想化的辐射体， 它吸收所有波长的辐射能量， 没有能量的反射和透过，其表面的发射率为 1 。但是，自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、 制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所
8、有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数， 即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于 1 的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率， 就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因纱在： 材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量， 然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。选择红外测温仪可分为三个方面：确定测温范围 : 测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。如 TIME （时代）、Rayt
9、ek( 雷泰)产品覆盖范围为 -50-+3000, 但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此, 用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全 , 既不要过窄 , 也不要过宽。根据黑体辐射定律, 在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化, 因此,测温时应尽量选用短波较好。确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪( 辐射比色测温仪 ) 。 对于单色测温仪 , 在进行测温时 , 被测目标面积应充满测温仪视场。 建议被测目标尺寸超过视场大小的50% 为好。如果目标尺寸小于视场, 背景辐射能量就会进入测名师资
10、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 温仪的视声符支干扰测温读数, 造成误差。相反 , 如果目标大于测温仪的视场, 测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于 Raytek( 雷泰) 双色测温仪 , 其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。 因此当被测目标很小 , 没有充满现场 , 测量通路上存在烟雾、 尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时, 都不会对测量结果产生影响。甚至在能量衰减了95% 的情况下 , 仍能保证要
11、求的测温精度。对于目标细小, 又处于运动或振动之中的目标 ; 有时在视场内运动 , 或可能部分移出视场的目标, 在此条件下 , 使用双色测温仪是最佳选择。如果测温仪和目标之间不可能直接瞄准, 测量通道弯曲、狭小、受阻等情况下 , 双色光纤测温仪是最佳选择。这是由于其直径小, 有柔性 , 可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量, 因此可以测量难以接近、条件恶劣或靠近电磁场的目标。确定光学分辨率 (距离及灵敏 ) 光学分辨率由 D与 S之比确定 , 是测温仪到目标之间的距离D与测量光斑直径 S之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处, 而又要测量小的目标 , 就应选择高光学分辨
12、率的测温仪。光学分辨率越高, 即增大 D:S 比值,测温仪的成本也越高。确定波长范围：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱响应或波长。对于高反射率合金材料 , 有低的或变化的发射率。 在高温区 , 测量金属材料的最佳波长是近红外,可选用 0.18-1.0 m波长。其他温区可选用 1.6 m 、2.2 m和 3.9 m波长。由于有些材料在一定波长是透明的, 红外能量会穿透这些材料, 对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用10m 、2.2 m和 3.9 m(被测玻璃要很厚, 否则会透过 ) 波长; 测量玻璃内部温度选用5.0 m波长; 测低区区选用 8-14m波长为宜 ; 再如测
13、量聚乙烯塑料薄膜选用3.43m波长, 聚醋类选用 4.3 m或7.9 m波长。厚度超过 0.4mm选用 8-14m波长; 又如测火焰中的 C02用窄带4.24-4.3 m波长, 测火焰中的 C0用窄带 4.64 m波长, 测量火焰中的 N02用 4.47m波长。确定响应时间 : 响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度, 定义为到达最后读数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 的 95% 能量所需要时间 , 它
14、与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。新型红外测温仪响应时间可达1ms 。这要比接触式测温方法 , 快得多。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时, 要选用快速响应红外测温仪,否则达不到足够的信号响应, 会降低测量精度。然而, 并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时, 测温仪的响应时间就可以放宽要求了。因此, 红外测温仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。3 光机电一体化技术在传真机上的应用3.1 传真机背景概述传真机是一种将图像文字通过电话系统进行远距离实时传送的办公设备，它是利用电话线路传输静止文件或图像。它的主要功能是传送文字
15、和图像，彩色传真机还能传送彩色图文。传真机种类比较多，其分类方法各不相同，按技术档次分类，传真机可分为：一类传真机、二类传真机、三类传真机、四类传真机。三类传真机俗称一分钟机，是高速传真机，使用频带压缩技术和减少编码技术，使传输的数据量大大减少，可在1min内传送一页 A4 幅面文稿，目前应用最广泛。传真机能够传送和接收图像，如钻印文件、 书写信函及统计报表等资料，以及多层次的黑白色调图像，如照片、卫星气象云图等，而且随着应用领域的扩大，已经深入到了办公室及居民家中。它的应用范围包括：文件传输、新闻传真、图片传真、特种专业信息传输。特点有：传输时间短，输入灵活。用编码方式对图像进行数据压缩一般
16、传送A4 幅面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 文稿不超 1min。能真迹的传送文件、报表、信函等纸质静止画面，收端可得到长期保存的硬拷贝。基本上实现自动化，使用微处理技术，操作和监控高度自动化，能无人接收，连续传送。收发合一，不仅能传真，而且能复印。可使用现有的公用电话交换网或专用电话线进行传输，以半双工方式工作，传输速率分为几档， 可以根据线路的实际情况由高到低自动选择。操作简单，不许专业的操作员。3.2 工
17、作原理传真机工作过程如下图所示：传真机的工作原理就是一个对图像进行分解和合成的过程，发送端先将图像水平和垂直方向进行分解，得到一个微小的亮度单元， 即像系或像点，再用光电变换技术把这些像素按一定顺序变成电信号，经过各种电路处理，最后通过有线或无线信道发出去，接收端受到这些信号后经过还原处理得到与发送像素相对应的电信号，再将此变成微笑的亮度单元， 把这些单元按照发送端同样的顺序排列起来，就和成与发送端完全相同的图像。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页
18、- - - - - - - - - 3.3 组成分析传真机大致由光学系统、 接收及发送电动机、 系统控制板、操作面板、传感器、线路接口单元及电源等部分组成。在发送方，它的工作方式类似于彩色摄像机， 使用分色镜将来自彩色图像的反射光分解成三种基色，进行光电转换并给予必要的补偿和信息压缩，然后送入信道传输， 在接收方，将分解的基色信号提取放大并还原成像，传真机集光、机、电于一体，机内采用了多种通用和专用的超大规模集成电路，结构复杂而精巧， 是一种典型的光机电产品。3.3.1 机械本体影像扫描仪：（IMAGE SCANNING ）包括馈稿之传动组结合步进马达，滚轮，齿轮组，提供自动馈进原稿，接触式影
19、像传感器（contact image sensor ）CIS 逐条扫描原稿影像，并送到主控制板做影像处理，馈稿传动组依规范要求之垂直分辨率 (7.7line/mm 或 3.85line/mm)逐条馈进， CIS 则依规范要求之水平分辨率（ 8pixel/mmA4 稿宽 216mm 有 1728pixel/mm）由左至右读取每一影像(pixel)，以达成整张原稿之影像分解。记录打印装置：（RECORD PRINTING）包括馈热感记录纸之传动组，组件及功能与馈稿传动组类似，提供热感纸之馈进以供热感式打印头（thermal printer head）TPH 逐条依垂直分辨率馈进， TPH 则依水平
20、分辨率打印一条复制影像点。主控制电路板：（MAIN PCB BOARD ）包括读取 CIS 之影像信号并作影像处理，将复制还原之影像点输出排列于TPH，并控制打印， 上述两项工作由影像处理器负责， 主处理器则负责整个系统之模块控制、传真作业程序执行及操作面板之显示、按键接口及时间,状态感知器等组件之接口，数据处理器则负责对影像资料依规范做传送前之压缩编码或接收后之译码扩展复原，调制解调器则负责将影像数码信号在传送前调制成规范所要求的模拟声频信号，或将接收到的模拟声频信号解调为影像数码信号，网络控制接口则连接电话回线及用户电话以将传真机兼容于电话网络规范。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载
21、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 控制面板：（CONTROL PANEL）包括状态、传真作业或功能设定所需之按键之显示装置。电 源供 应器 ： （ SWITCHING POWER SUPPLY ）提 供将 用户 所接 之AC110/220V 50/60HZ 室内电源转换为传真机各模块、组件所需之直流电压。电话： （TELEPHONE）通常附上话筒或能拨号之话筒，以提供传真机在执行人工手动传真作业或与对方通话用。3.3.2 控制器传真机双向控制器， 具有
22、两个与输入信号线相接的选频锁相集成电路，以选出两种控制信号， 一路信号经时基集成电路， 另一路信号经时序集成电路后，送入一个与非门集成电路的输入端，该与非门的输出端与锁存电路、开关电路依次连接，达到对图文传送的控制和处理，来实现对传真机授权用户的管理，具有不需要外接电源，抗干扰能力强，可靠性高等优点。3.3.3 传感器原稿传感器：机器对放入的原稿发出有原稿的“嘀”提示音。然后通过控制电路发出信号完成稿件的一定速度的送进。读出位置传感器：进原稿后, 原稿在读出位置前暂停一下, 扫描拾取传真机的扫描拾取器件大多采用CCD 图像传感器， CCD 是电荷耦合器件的简称，该传感器的作用是将发送文件进行扫
23、描读取。原稿图像经过照明灯、透镜、折射镜等组成的光学系统，被CCD 逐行地进行扫描，分解成微小的像素，经光电转换成为电信号。待完成记录扫描将原稿后排出机器。记录纸传感器：在有纸时记录纸张的多少，它是反射式传感器，发射头发出光线证明有纸通过然后接收头接收到相应的光线记录起来。切纸刀原位传感器：它是机械式微动开关, 包括切纸刀组件，电动机旋转带动传动蜗杆驱动凸轮的边缘压下开关压柄开关接点处于闭合状态，并且接触电阻很小 , 大约在 1以下。3.3.4 执行元件名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -
24、 - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 主要有接收和发送电动机， 都是步进电机。 由传感器接收到的信号通过主控电路的控制来驱动电动机执行相应的动作。主要功能是自动进稿和排纸。自动进稿部件的作用是传送原稿，使一页或多页原稿在控制电路的控制下，自动送人扫描读取部件；自动排纸部件的作用是传送记录纸，传真记录时，该部件将记录纸引导到记录头， 逐行记录结束后， 自动将记录副本切断成与原稿长度相对应的尺寸。结论技术上的改革和与之相配套的技术支持是创新技术的基础。开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地引入电子技术，产品的面貌和行业的面貌就可以迅
25、速发生巨大变化。产品一旦实现光机电一体化， 便具有很高的功能水平和附加价值， 将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益。致谢通过这一阶段的努力， 我的毕业论文 光机电一体化技术的应用 终于完成了，这意味着大学生活即将结束。 在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外， 与各位老师、同学和朋友的关心、 支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中， 我的导师颜玮老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。 同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文
26、是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成， 同样也意味着新的学习生活的开始。 我将铭记我曾是一名南信学子， 在今后的工作中把南信的优良传统发扬光大。最后衷心感谢在百忙之中抽出时间参加答辩的各位评审，谢谢你们！名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 参考文献1 殷际英，林宋，方建军 . 光机电一体化实用技术 . 化学工业出版社， 20032 林宋， 郭瑜茹 . 光机电一体化技术应用100例 第 2 版. 机械工业出版社。2010名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -