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出版者:机械工业出版社

作者:黄永定 编

出品人:

页数:310

译者:

出版时间:2002-11

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787111110040

丛书系列:

图书标签:

• 电子技术
• 整机实训
• 电路分析
• 电子制作
• 动手实践
• 技能提升
• 职业教育
• 电子工程
• 实操
• 维修

书籍简介：深入探索先进光学传感技术在工业自动化中的应用 书籍名称： 现代光学传感系统设计与实践 简介： 本书旨在为工业自动化、精密制造、机器人技术以及光电子工程领域的工程师、技术人员和高级学生提供一本全面且深入的参考指南，专注于现代光学传感系统的原理、设计、集成与实际应用。 在工业4.0和智能制造的大背景下，对实时、高精度、非接触式测量的需求日益迫切。光学传感技术以其卓越的速度、精度和环境鲁棒性，正成为实现这些目标的核心驱动力。本书严格聚焦于光学传感器的设计理论、信号处理以及在复杂工业环境下的系统集成，完全避开了电子整机硬件设计、数字电路基础、或传统电力电子驱动等主题。 第一部分：光学传感基础与关键原理（Focus on Light-Matter Interaction） 本部分奠定了理解先进光学传感器的理论基础，侧重于光与物质相互作用的物理学原理，而非电子元件的构建。 1. 光的波动与量子特性回顾： 简要回顾光的电磁波性质（偏振、干涉、衍射），并引入光子作为信息载体的量子特性。这部分是理解如何从光信号中提取物理量（如距离、形貌、成分）的前提。 2. 几何光学与物理光学在传感中的体现： 几何光学模型： 分析透镜组、反射镜阵列的成像原理，重点讨论光束整形（Beam Shaping）技术，如使用菲涅尔波带片（Fresnel Zone Plates）和衍射光学元件（DOE）进行光斑控制，这直接影响传感器的空间分辨率。 物理光学模型： 深入探讨衍射极限、傅里叶光学在全息传感（Holographic Sensing）中的应用，以及如何利用光的干涉特性实现亚波长级别的位移测量（如基于白光干涉仪和激光多普勒测速）。 3. 光源与探测器特性分析（聚焦光学性能）： 本章节不讨论具体电路设计，而是侧重于光源和探测器满足传感需求的光学特性： 光源： 重点分析激光二极管（LD）的谱线宽度、相干性、功率谱密度（PSD）对噪声的影响；LED和VCSEL（垂直腔面发射激光器）在ToF（Time-of-Flight）传感中的脉冲特性与调制带宽。 探测器： 深入研究光电二极管（PD）、雪崩光电二极管（APD）和CCD/CMOS图像传感器在特定波长下的量子效率（QE）、响应速度、散粒噪声（Shot Noise）来源，以及如何通过选择合适的材料（如InGaAs用于近红外）来优化信噪比（SNR）。 第二部分：核心光学传感技术分类与建模（Systematic Approach） 本部分详细剖析当前主流且面向工业应用的光学传感技术，强调其数学模型和参数提取方法。 4. 基于三角测量与结构光法的形貌测量： 原理建立： 详细推导基于三角几何关系的深度信息获取公式。 结构光编码： 分析周期性条纹（格雷码、正弦光）在目标表面上的投影与畸变，以及如何通过相位展开（Phase Unwrapping）技术从二维图像中重建三维点云数据。强调相移法（Phase-Shifting Interferometry）在提高精度中的作用。 5. 时间飞行（ToF）传感器的深度测量： 直接/间接ToF： 对比脉冲法（Direct ToF）和相位调制法（Indirect ToF）的优缺点。重点讨论信号的时间分辨率（Timing Jitter）如何限制测量的最小距离和精度，并引入脉冲扩散对远距离测量的影响模型。 6. 光谱传感与化学计量学应用： 吸收与散射： 阐述朗伯-比尔定律（Beer-Lambert Law）在线性吸收光谱中的应用。 傅里叶变换光谱仪（FTIR）的光学设计： 详细解析干涉仪（如迈克尔逊干涉仪）的结构，以及如何通过快速傅里叶变换（FFT）将干涉图谱转换为高分辨率的分子光谱数据，用于在线成分分析。 第三部分：系统集成、信号处理与环境补偿（From Data to Information） 本部分将理论模型转化为可操作的工业系统，重点关注信号处理链中的光学相关部分。 7. 噪声抑制与数据优化： 光学噪声源分析： 区分环境光噪声、散斑噪声（Speckle Noise）和热噪声。 去噪技术： 介绍基于空间滤波（如高斯滤波、双边滤波）和频率域滤波（用于周期性噪声）的图像增强方法，以及多帧平均和随机相位调制技术在提高SNR中的应用。 8. 运动补偿与动态跟踪： 多普勒效应在测速中的应用： 阐述激光多普勒测速（LDV）原理，如何利用光束在运动物体表面散射产生的频率偏移来精确测量表面速度，以及如何校正目标物的角度变化对多普勒频移的影响。 高频振动分析： 介绍激光振动计（Laser Vibrometer）的工作机制，重点在于如何使用高频调制和解调技术来测量微小、快速的结构振动。 9. 系统标定与误差建模： 几何标定： 详细介绍如何通过棋盘格或其他标准目标对结构光或立体视觉系统进行内参和外参标定，以消除镜头畸变和坐标系偏差。 环境影响建模： 分析温度漂移、大气湍流（对长距离测量）对光信号路径的影响，并提供基于模型补偿的策略，确保传感系统在苛刻环境下的长期稳定性。 本书内容完全集中于光信号的产生、传输、捕获、特征提取以及如何将这些特征映射为精确的物理量，是理解和设计先进非接触式测量的专业读物。

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