Optomechatronic Sensors， Actuators， And Control pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Society of Photo Optical

作者:MOON, Kee S.

出品人:

页数:266

译者:

出版时间:

价格:1390.55元

装帧:Pap

isbn号码:9780819455550

丛书系列:

图书标签:

• Optomechatronics
• Sensors
• Actuators
• Control
• Optical Engineering
• Precision Engineering
• Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)
• Automation
• Robotics
• Instrumentation

精微之舞：现代光学与精密机械的融合 内容简介 本书深入探讨了当代工程领域中一个日益重要的交叉学科——光电机械系统（Optomechatronics）的理论基础、关键技术与前沿应用。不同于侧重于单一学科的传统教材，本书以系统集成为核心理念，构建了一个从光信号的产生、调制、传输，到机械结构的精确响应与控制的完整知识框架。 第一部分：光电基础与传感原理 本部分首先对光信号的物理特性进行了详尽的梳理，包括光的产生机制、波粒二象性在传感器设计中的体现，以及不同波段（可见光、红外、紫外）光的特性与应用场景。重点剖析了光学传感器的设计哲学。我们详细阐述了基于光干涉、衍射、散射和吸收的测量原理。 在传感器设计方面，本书摒弃了对简单光电二极管的笼统介绍，转而聚焦于高精度、高分辨率的测量方案。例如，对于位移测量，深入分析了激光三角测量法、共聚焦显微技术和白光干涉测量（WLI）的数学模型与误差来源。对于表面形貌测量，详细解析了相移干涉法（PSI）和负载相干函数（OCF）在纳米级精度下的实施细节。 此外，本书还专门辟章节探讨了光电编码器的微纳加工工艺与信号处理技术。从传统的栅栏式编码器到基于全息光栅和耦合波理论设计的先进编码器，本书揭示了如何通过优化光路设计来提升抗干扰能力和角速度测量精度。对于生物医学应用中的光谱传感，则重点讨论了拉曼散射光谱和表面等离子体制激元共振（SPR）传感器的工作机制及其在生物分子检测中的瓶颈与突破。 第二部分：精密驱动与执行机构 本部分将视角转向了系统的“执行”端——精密机械驱动器。我们认为，一个完整的光电机械系统，其精度受限于最薄弱的执行环节。因此，本书对驱动器的选择、建模和控制进行了深入的探讨。 重点介绍了当前工业界和科研领域中主流的精密驱动技术： 1. 压电驱动器（Piezoelectric Actuators, PZT）： 深入分析了PZT的本构方程、迟滞现象（Hysteresis）和蠕变（Creep）效应的物理根源。针对这些非线性问题，本书提供了基于Preisach模型和神经网络模型的补偿算法，以实现亚纳米级的精确位移控制。 2. 音圈电机（Voice Coil Motors, VCM）与直线电机： 探讨了VCM在高动态响应系统（如自适应光学和微型投影系统）中的应用。分析了磁场分布对推力均匀性的影响，并讨论了如何通过优化永磁体排布来抑制高频振动。 3. 形状记忆合金（SMA）与电磁驱动器： 对于需要大行程、低功耗的场合，SMA作为一种新兴的驱动源被详细介绍。此外，传统的螺杆驱动（如滚珠丝杠）在高负载下的精度极限，也通过接触力学模型进行了分析。 本部分强调的不是驱动器的结构描述，而是如何量化驱动器的性能，并将其与前端光学测量的精度要求相匹配。 第三部分：系统集成与闭环控制理论 光电机械系统之所以强大，在于其闭环反馈能力。第三部分是本书的核心，它将前两部分的“感知”与“执行”连接起来，构成了完整的控制回路。 我们首先建立了从传感器输出到执行器输入的系统辨识模型。这涉及对系统时延、传递函数的精确测量。针对光电系统常见的带宽限制和高频噪声，本书提出了先进的控制策略： 1. 基于LQR/LQG的最优控制： 阐述了如何根据系统的状态空间模型，设计出综合考虑控制能量消耗和系统误差的反馈控制器。 2. 自适应与鲁棒控制： 鉴于环境温度变化、负载变动可能导致系统参数漂移，本书详细介绍了Model Reference Adaptive Control (MRAC) 和 $mu$-合成等鲁棒控制技术在稳定光电系统性能中的应用。 3. 实时数字信号处理（DSP）在控制中的应用： 讨论了如何利用高速FPGA和DSP平台实现复杂的控制算法，如并行化的卡尔曼滤波（Kalman Filtering）用于状态估计，以及快速傅里叶变换（FFT）在振动抑制中的应用。 第四部分：前沿应用案例分析 在理论框架奠定之后，本书通过一系列复杂的工程实例，展示了光电机械系统如何解决现实世界的难题。这些案例的选择旨在体现系统的集成深度和复杂性： 自适应光学系统（AOS）： 详述了如何使用波前传感器（如Shack-Hartmann）实时测量大气湍流或镜面误差，并通过高频PZT驱动的变形镜（DM）进行实时校正。系统的时间延迟和相位裕度设计是分析的重点。 高精度对准与装配： 针对半导体制造中的套刻（Overlay）和缺陷检测系统，分析了多轴运动台的耦合误差补偿策略，以及如何将纳米级的位移测量与皮牛级的力控制相结合。 微纳尺度操控： 探讨了光镊技术（Optical Tweezers）背后的拉曼-瑞利力学模型，以及如何将声表面波（SAW）驱动的微流控平台与光学成像系统集成，实现对单细胞或微粒的精确捕获与操纵。 本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的视角，理解和设计那些依赖于光、机、电高度耦合的复杂工程系统。其深度和广度，使其成为光电子工程、精密仪器、机器人学和控制科学领域研究人员与高级工程师不可或缺的参考资料。

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