第二章-光电仪器总体设计

1、第二章 光电仪器总体设计,2.1 设计任务分析,2.2 信号转换原理的选择,2.3 提高仪器精度的技术措施,2.4 仪器结构参数及技术指标的确定,概述,光电仪器总体设计是指在仪器具体设计以前，从总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行的全面设想和规划。,设计任务分析； 信号转换原理(信号检测及其传输方式)选择； 提高仪器精度的技术措施仪器若干设计原则和设计原理的讨论； 仪器结构参数及技术指标的确定； 总体设计中其它应考虑的问题； 仪器总体方案的确定。,总体设计主要考虑：,2.1 设计任务分析,设计者根据用户专门的需要，针对特定的被测对象和被测参数设计专用的仪器。 设计通用产品和系列产品。 根据

2、技术的发展和对社会需求的预测，推出性能好、功能全、技术先进的新型产品新型仪器，进行开发性设计。,光电仪器的设计任务一般有三种情况：,设计任务分析的工作目的是要弄清楚设计任务对仪器设计提出的各项指标和要求，并根据总体设计的基本原则，逐一地进行分析研究。,设计分析的内容,明确仪器在系统中的地位：即明确仪器在系统中的用途，才能进一步确定仪器的工作原理及技术参数等。 了解使用要求：即要求仪器在一定的工作范围内能有效实现预期的功能，并一定使用期间不丧失原有功能。 了解被测参数的特点：即其目的是实现被测参数的测量。主要了解被测参数以下几方面的特点： 被测参数的定义 被测参数是什么含义，如是长度、角度还是表

3、面粗糙度等。 被测参数的精度要求 光电仪器及设备的精度一般可分为三类： （1）中等精度 （2）高精度 （3）超高精度,设计分析的内容,被测参数的数值范围 要求仪器的测量范围要大于被测参数的数值范围，但不能超出过多。 被测参数的性质 是单值参数、复合参数, 还是直接测量参数、间接测量参数。 被测参数的状态 是瞬态量、稳态量，还是动态量、静态量等。 了解被测参数载体（被测对象）的特点：为了设计好仪器，必须了解有关被测参数载体的大小、形状、材料、重量、状态等特点。 了解仪器的功能要求：仪器的功能是指仪器的用途，检验效率；承载能力；操作方式(自动、手动)；外形尺寸和重量要求以及测量结果的显示方式等。,

4、了解仪器的工作环境：仪器的使用要求及使用场合不同，仪器设计时考虑外界条件影响的侧重点也有差异。 正确进行科学试验：是理论联系实际的重要环节。 专利文献检索：目的有两个：一是了解已有的技术方案及其专利特征；二是对已有的技术优缺点进行比较分析比较，探求新的技术途径，确立自己的设计特点。 了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点 了解仪器制造厂的有关情况：帮助改进一起设计的工艺性，提高生产效率。,设计分析的内容,2.2 信号转换原理的选择,仪器主要采用的四类能量或信号的转换形式,机械,光学,电磁,气动,机械式的仪表和量具,示值误差为0.010.001mm 对环境要求较低 简单耐用 适合于工厂车

5、间使用 一般价格便宜,机械式温度计按原理分为双金属温度计和气体膨胀式温度计，温度测量显示范围在-200oC至+700oC。目前生产的双金属温度计和气体膨胀式温度计带有报警电接点开关，同时可以充液防震。,2.2 信号转换原理的选择,电磁量仪,磁栅 感应同步器 电容传感器 电感 涡流,气动量仪,测量范围：0.020.25mm 示值误差：（0.21）m,光电仪器中的能量或信号的转换形式是基于光学原理，采用光电转换技术实现对目标信息的探测及提取。,光学成像原理,特点：示值误差为0.51m；性能稳定、耐用。,望远镜一般包括： 1.镜身组：是望远镜的主体，分左、右镜身。 2.物镜组：由透镜、物镜筒等组成。

6、 3.目镜组：由透镜、目镜框、视度手轮等组成。 4.分划板：可对被观察的已知目标的方向、高低夹角及视距进行测量。 5.连接轴：是望远镜左、右镜身的连接件。 6.护盖和背带：为了保护物镜和目镜透镜。,中心调焦测距望远镜,观鸟用双筒望远镜,军用望远镜,望远镜,光学成像原理,望远镜根据物镜的种类可以分为： 折射望远镜：物镜由透镜或透镜组组成。 反射式望远镜：除主物镜外，还有一或几个小反射镜，用来改变光线方向便于安装目镜。 折反射望远镜：物镜是由折射镜和反射镜组合而成。,开普勒望远镜,牛顿式反射望远镜,施密特望远镜,原理由两个凸透镜构成。由于两者之间可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望

7、远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。,采用抛物面镜作为主镜，光进入镜筒的底端，然后折回开口处的第二反射镜（平面的对角反射镜），再次改变方向进入目镜焦平面。牛顿望远镜的成像是一个倒像，倒像并不影响天文观测，因此牛顿反射望远镜是天文学使用的最佳选择。,由一块接近平行平板的非球面改正透镜和一个凹球面反射镜组成，星光在望远镜里先通过折射，再经过反射，然后才成像。施密特望远镜光力强，可见范围大，成像的质量也比较好，因而特别适用于进行流星、慧星、人造卫星等的巡视观测，也常用于大面积造相和天文科普活动。,经纬仪是光学测量的重要基准仪器之一，用

8、于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。广泛应用于大型设备的安装和调试，更是大地测量的主要仪器。主要由望远镜、轴系、度盘、读数系统、指标水准管、光学对中器等部分组成。它可以测量空间方位角和距离等，而且具有很高的测量精度，体积小，重量轻，便于携带。,光学成像原理,经纬仪,光学成像原理,照相机包括镜头和瞄准系统两大部分，其主要结构有：镜头、取景器、快门和光圈、输片计数机构、机身。,照相系统是指那些平面图像或空间物体成像于感光胶片或光电探测器上的光学系统。它可把各种事物真实记录下来，在各领域有极为广泛的用途。 照相物镜的基本光学性能由焦距、相对孔径和视场角这三个参数表

9、征。物镜的焦距决定拍摄像的大小；像的照度与相对孔径的平方和透过率的乘积成比例。物镜的视场角决定了进入底片的空间范围。,照相机结构图,照相机光路原理图,照相机,光学成像原理,数码相机使用电荷耦合器CCD/CMOS元件接收，直接光信号转变为电信号，通过信号处理后记录于存储卡上。 数码相机有液晶屏，拍照的时候可以“即拍即得”，并可随时对照片进行查看、删改处理。,数码相机,数码相机,光学成像原理,摄像机的工作原理是：物体通过摄像机镜头成像在面阵光电探测器上，经过光电转换将图像信号转换为电信号，再经过电路处理，得到标准的视频信号，然后送到录像机等记录媒介上记录下来，或通过传播系统传播到监视器上显示出来。

10、,红外防水摄像机,微型摄像机,飞碟型摄像机,摄像机原理图,摄像机,投影机采用的是前投技术，即观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧。 投影机按照镜头焦距长短可分为： 1、长焦距投影机 2、短焦距投影机 3、中焦距投影机,投影机,光学成像原理,显微镜是常用的光学仪器之一。本质上是一个高倍的放大镜。 显微镜的机械装置包括镜筒、镜头转换器、粗准焦螺旋、细准焦螺旋、镜座、镜臂和载物台七部分。 显微镜的光学系统包括目镜、物镜、底光源、聚光镜和光阑五部分。,体视显微镜,生物显微镜,金相显微镜,偏光显微镜,显微镜结构图,显微镜,光学成像原理,图 2-1光电准直光管光学系统图 1-光源 2-聚光镜 3-分划板 4

11、-析光棱镜 5-物镜 6-反光镜 7-光电元件 8-聚光镜 9-狭缝 10-析光棱镜 11-分划板 12-目镜,光学成像原理,光电准直光管,这种光电准直光管的对准精度可达0.1，甚至更高。,衍射原理,特点： 测长光栅：(0.2+210-6L)m，式中L为被测长度。 测角光栅可达1或更高的精度。 要求清洁的环境。,红色激光的圆孔衍射图样,分光光度计采用一个可以产生多个波长的光源，通过系列分光装置，从而产生特定波长的光源，光线透过测试的样品后，部分光线被吸收，计算样品的吸光值，从而转化成样品的浓度。,衍射原理的应用,分光光度计是一种高精密光谱测试仪器。可以测量光学零件（平面、球面）光谱曲线和偏振状

12、态，也可以对液体或粉末试样等进行吸收光谱特性测量，一般分光光度计由光源、单色器、照明系统、光度系统等部分组成。,分光光度计,分光光度计,衍射原理的应用,图 2-2 UMM500三坐标测量机的光栅系统光路图 1光导纤维；2、3透镜； 4、5光栅副；6、8 聚光镜；7转向棱缘；9光电三极管,UMM500三坐标测量机,衍射原理的应用,图 2-4 薄膜表面涂层检查仪的原理图 1气体激光器2柱面透镜 3柱面透镜 4薄膜 5电声传感器 6滚筒 7棱缘 8测微计 9驱动马达10指示电表 11光电元件 12容性滤波网络 13光电检测器 14干涉滤光片 15差动放大器16中心指零电表,薄膜表面涂层检查仪,干涉原

13、理,特点： 目前计量领域中应用最广精度最高的方法。 在测长距离的情况下可以在50米以内实现以下误差公式：(0.110-6L)m，在测量微小位移时可以得到优于0.1nm的分辨率。在测角中的应用可以得到0.1或更高的精度。 干涉原理广泛的应用于粗糙度测量、平面度测量以及变形测量等。,产生条件：只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。,迈克尔逊干涉仪是一种分振幅干涉装置，其主要优点是两束相干光完全分开，光程差可由一个反射镜的平移来改变，因此很方便在光路中安置被测样品。可以使等厚干涉、等倾干涉等及各种条纹的变动做到容易调整，方便进行各种精密测量。,迈克尔逊干涉光路

14、原理图,迈克尔逊干涉仪,迈克尔逊干涉条纹图,迈克尔逊干涉仪,干涉原理的应用,干涉原理的应用,泰曼干涉仪,泰曼干涉仪是迈克尔逊干涉仪的一种变型，它采用的光源是单色点光源，不需要补偿板，在光学仪器制造工业中用于对光学零件或光学系统作综合质量检验。,泰曼干涉光路原理图,泰曼干涉仪,干涉原理典型的应用,激光小角度测量法原理,图 2-5 小角度测量的正弦原理,图 2-6 激光小角度测量原理图 1分光器 3、4角锥棱镜 2、5、6平面反射镜,激光小角度的测量,干涉原理典型的应用,双角锥棱镜激光小角度测量,图2-7 双角锥棱镜激光小角度测量原理图 1光源 2角锥棱镜 3分光器 4接收器件,干涉原理典型的应用

15、,大量程激光小角度测量,图2-8 大量程激光小角度测量原理图 1光源 2反射镜 3分光器 4五棱镜 5角锥棱镜 6转台,干涉原理典型的应用,偏振原理,在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。,偏振原理的应用,椭偏仪主要用于分析样品或薄膜的光学特性，可以测量薄膜厚度以及折射率、消光系数、表面孔隙率等特性以及晶体的偏振、双折射等。其工作原理是：当线偏振光入射到样片表面时，反射光的偏振状态会发生改变，通过测量这种改变来确定样品或薄膜光学常数的仪器。,椭偏仪,椭偏仪

16、光路原理图,椭偏仪,偏振原理的应用,共光路干涉显微镜主要用于真实地反应超光滑表面微观形貌特征，是超光滑表面微观形貌测量的有效工具。,共光路干涉显微镜的光路结构原理图,共光路干涉显微镜,共光路干涉显微镜,散射原理,在流体中的悬浮粒子的散射光相对于入射线的频率产生频移叫做多普勒频移，这个现象被用来测量流体的速度。散射信号的可见度和粒子直径有一定关系，故这种方法还可用于测粒径。,物质中存在的不均匀团块（如悬浮微粒、密度起伏）使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开，这种现象称为光的散射。,光的散射现象,散射的应用多普勒测速,当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存

17、在差别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。 当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。,f 和散射方向有关，其数值可表示为：,当 ，且其方向与物体运动速度方向垂直时，有：,散射原理的应用,双频激光干涉仪,双频激光干涉仪是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。它既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，还可以对如角度、直线度、平面度、垂直度、振动距离及速度等进行测量。,双频激光干涉仪的原理图,双频激光干涉仪,多普勒测速仪的工作原理是利用

18、相对运动的物体频率的变化。电磁波的传播同样有多普勒特性。 当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察地点有相对运动时，在观察地点收到的频率随着它们的相对速度而变化即当物体向着观察点接近时，波长就变短，频率就变高；而远离观察点时，波长就变长，频率就变低，这样通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位。若用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。,散射原理的应用,卫星跟踪测轨系统,多普勒测速仪典型应用,利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监

19、测、诊断等。,超声多普勒胎音仪,多普勒彩超诊断仪,多普勒效应的应用,光导纤维是一种特殊结构的人造光学纤维。当光线从它的一端输入时，它可以将绝大部分光线按预定的路线传送至另一端。,波导光纤,波导光纤已成为研制传感器的重要领域。,测量时，通过定位装置对光纤传感器探头进行对中定位和距离调节，光源发出的光线通过发送光纤束照射到工件表面，受到表面轮廓的调制后发生反射和散射，部分光线通过接收光纤束和光电转换器件转换成电信号，再经过放大电路即可得到光纤传感器的输出电压信号U。,光纤在线检测表面粗糙度原理图,激光,激光的特性及应用： 单色性好 可用于标准光源、激光通讯等； 方向性好 可用于定位、导向、测距等；

20、 相干性好 可用于精密测厚、测角，全息摄影等； 能量集中 可用于手术、切割、焊接、打孔等；,光缆,激光准直仪,全息照相,激光打孔,激光的应用,不直度的测量,图2-16 机床导轨不直度的激光准直测量原理示意图,激光的应用,不同轴度的测量,图2-17 测量不同轴度的示意图,图2-18 调整定心靶标,图2-19 非共轴倒置伽利略望远镜准直仪,激光的应用,振镜式激光打标原理,激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志，如图所示。,激光打标,激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会

21、变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料。标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。,激光的应用,CO2激光治疗机,治疗原理：CO2激光的发散角极小，能量密度高，经聚焦后，可达每平方厘米几千瓦的功率，医疗上可用于对病灶组织的汽化，烧灼或切割病灶组织，所以CO2激光治疗仪也称谓激光刀。而未经聚焦的原光束照射病灶组织，可产生凝固作用。CO2激光是波长10.6nm的红外光，穿透组织较深，经扩束后照射，能对深部组织加热理疗。,2.3 提高仪器精度的技术措施,在仪器设计长期实践的基础上，形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带

22、有普遍性的仪器设计所应遵循的基本原则与基本原理。这些设计原则与设计原理作为仪器设计中的技术措施，在保证和提高仪器精度、改善仪器性能以及在降低仪器成本等方面带来了良好的效果。,设计原则,一、阿贝(Abbe)原则及其扩展 二、变形最小原则及减小变形影响的措施 三、测量链最短原则 四、基面统一原则 五、精度匹配原则 六、经济原则,古典的阿贝原则是阿贝于1890年提出的一项量仪设计的指导性原则。,阿贝原则及其扩展,阿贝原则定义：为使量仪给出准确的测量结果，必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上。或者说，被测零件的尺寸线和仪器的基准线（刻线尺）应顺序排成一条直线。因此，也可称作“共线原则”。 遵

23、守阿贝(Abbe)原则的仪器，应符合右图所示的安排。仪器的标准刻线尺与被测件的直径共线。,遵守阿贝原则的测量 1-导轨 2-指示器 3-标准线纹尺 4-被测件 5-工作台,阿贝原则举例分析,线纹尺计量时各种比较方式 （a）并联式 （b）串联式 S-标准件 W-被测件 T-工作台 M1, M2-瞄准及读数用显微镜 B-悬臂支架,阿贝原则,并联时支架绕z轴转动,测量误差,当角不大时,并联式线纹尺计量,串联时支架绕z轴转动,绕z轴转动引起的误差 为：,串联式线纹尺计量,串联时支架绕y轴转动,绕y轴转动引起的误差 为,以cos 按 的展开式代入上式，并略去2以上的项，得,串联式线纹尺计量,并联时支架绕

24、z轴转动引起的误差,串联时支架绕y轴转动引起的误差,设绕z轴和绕y轴转角 相等，则串联式总误差为：,串联时支架绕z轴转动引起的误差,并联和串联线纹尺误差比较,阿贝原则的设计要点：长度测量时，标准件应安置在被测量中心线得延长线上，做到这一点就可以避免一阶误差。,S标准件 W被测件 T工作台 M1,M2瞄准及读数用显微镜 B悬臂支架 横向移动式,线纹尺计量时的横向移动式是否符合阿贝原则？,1.判断横向移动式是否符合阿贝原则； 2.横向移动式的误差是多少？是否包含一阶误差？,横向移动式线纹尺计量,并联时误差大 但仪器结构紧凑,串联时误差小 但仪器整体结构大,遵循阿贝原则的设计虽然可消除一阶误差，提高

25、仪器的精度。但给仪器的结构带来了问题。它要求仪器的长度至少是被测长度的两倍，在大尺寸测量中，这一矛盾是很突出的。,并联和串联线纹尺分析,减小阿贝误差影响的措施,结构上措施 设计及工艺上提高导轨的运动精度，减小因导轨运动不直线性带来的倾角值。 从结构布置上，尽量使读数线（线纹尺或光栅尺、激光等）和被测参数的测量线靠得近些，减小两者之间相隔距离。,补偿措施 （1）爱彭斯坦（EPstein）原理 爱彭斯坦（EPstein）原理是误差补偿原理，它是利用各种机构，使可能产生的误差相互抵消或削弱，或者故意引进新的误差，以减少某些误差的影响。,减小阿贝误差影响的措施,测长机示意图 1工件 2光学计 3读数显

26、微镜 4头架 5床身 6毫米刻尺 7分米分划板 8尾架,爱彭斯坦（EPstein）原理,H 被测件与刻尺间的距离 尾架倾角； 尾架至测头间距离。,由于间隙等原因造成尾架倾斜，使得测头顶点由A移至A1，由此产生的测量误差 为：,爱彭斯坦（EPstein）原理,令高度H与物镜的焦距f 相等，当尾架倾角时，分米刻线的象由S移至S，则,可见该仪器存在二阶微量的误差。,故仪器的实际误差l为：,爱彭斯坦（EPstein）原理,从设计的角度分析，测长机违背了阿贝原则，但由于运用了棱镜透镜补偿原理，因而达到很高的测量精度，这是综合补偿阿贝误差的结果。这种补偿原理称为爱彭斯坦光学补偿原理，是通过结构布局随机补偿

27、阿贝误差。,（2）利用测得值校正导轨运动方向 以高精度激光二坐标测量机为例说明,1-底座 2下工作台 3上工作台 4滚珠轴承 5弹性顶块 6、7压电陶瓷组合体,校正导轨运动方向的光电补偿法,平移测量及校正原理图 1-光源 2细丝分划板 3长焦距透镜 4五角棱镜 5直角棱镜 6光电显微镜瞄准狭缝 7光电接收器 8上工作台 9压电陶瓷,校正导轨运动方向的光电补偿法,上工作台运动中水平面内的平移测量及校正原理如图。,当上工作台在移动过程中发生平移时，五角棱镜和直角棱镜跟着一起平移，使得细丝成像在狭缝平面上的位置有所改变，破坏了原来的瞄准状态，引出一个电压，此电压施加在两个压电陶瓷9上，使上工作平台发

28、生平移至光电显微镜输出为零。,转角测量及校正原理图 1-准直透镜组 2全反射镜 3角耦棱镜 4上工作台 5压电陶瓷 6分光镜 7光电接收器 8角耦棱镜,这里采用了激光小角度测量法。在上工作台的左部装了一对角隅棱镜。若上工作台移动过程中产生转动，角隅棱镜3相对于角隅棱镜8的光程差将有增大或缩小。根据测得的偏差值的正负方向，通过电子线路，使压电陶瓷5作相应的伸长或缩短，以补偿上工作台在移动过程中产生的转角。,上工作台运动中水平面内的转角测量及校正原理如图。,校正导轨运动方向的光电补偿法,修正测量值直接补偿法,（3）直接补偿（利用测量值修正测量结果） 以动态准直仪来检测导轨误差的电学补偿方法(实时补

29、偿概念，计数器直接补偿),直接补偿原理图,（4）布莱恩建议,阿贝误差产生的主要原因：由于运动件在移动过程中产生角运动造成的。,布莱恩建议将阿贝原则表达成具有更普遍的含义。即：“位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于同一条直线上；不可能时，必须使传送位移的导轨没有角运动；或者必须算出角运动产生的位移，然后用补偿机构给予补偿。”遵守了上述三条中的一条，即遵守了广义的阿贝原则。,布莱恩原则,布莱恩的三条建议可简单地表示为：一条线；没有角运动；测出和算出位移量，加以补偿。,布莱恩的建议在叙述方法上和阿贝原则完全相似，但在内容实质和概念上则是有区别的。这一内容并没有包含在阿贝原理的原意之中

30、，因此布莱恩原则和阿贝原则并列为两个最基本的设计原则和测量原则（是阿贝原则的扩展）。,布莱恩建议和阿贝原则的关系,布莱恩原则的应用,结合图分析为何当滑块绕O点为圆心发生摆动时，测端处于A的位置可以补偿阿贝误差，而处于A1或A2两个位置均不能补偿阿贝误差。,变形最小原则及减少变形影响的措施,变形最小原则定义：应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因受温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化。 例如：仪器承重变化 仪器结构变形 外界温度变化 仪器或传感器结构参数变化，导致光 电信号的零点漂移及系统灵敏度变化。 因此仪器设计者在设计中应采取各种措施，使变形为最小，以减少或消除因变形给仪器

31、带来的误差。,减小力变形影响的措施(大型精密仪器、超精测量仪器) 要从总体设计上，或从具体的结构设计上，考虑减小或消除力变形的影响。,一米激光测长机底座变形的补偿,测量步骤2,测量步骤1,+工件重量,测量头架位置改变 工件重量 底座产生新的变形,若尾座轴线有5倾角时的误差：,1,3,固定角耦棱镜9与尾座5固定连接成一体 固定角耦棱镜的锥顶安放在尾杆10的轴线离底座导轨面等高的同一平面内 可动角耦棱镜12的锥顶位于测量主轴的轴心线上（令符合阿贝原则）,为消除误差的影响，该仪器在总体布局时，采取了以下措施：,一米激光测长机底座变形的补偿,1,2,3,4,尽可能减小固定角耦棱镜9和尾杆10在水平面内

32、的距离d,位置I：测量头架3对零时的位置，两路相干光束的光程差为：,位置II为测量头架在测量时的位置。两路相干光束的光程差为:,测量时和对零时两个光程差的变化量为,不考虑误差时,考虑误差时,测量时和对零时两个光程差的变化量为,位置I：测量头架3对零时的位置，两路相干光束的光程差为：,位置II为测量头架在测量时的位置。两路相干光束的光程差为:,此时，由于总体布局满足第三条措施，符合阿贝原则，故只引起二次方微小误差，可以忽略。,消除误差的对应措施分析,1)、尾座有倾角：,由于总体布局满足第一、第二条措施，当测量时尾座零位变化1时，固定角偶棱镜也是变化1，使得尾杆的零位变动量与固定角偶棱镜的零位变动

33、量相互抵消。,2)、测量头架有倾角,3)、尾座有摆动,尾座在水平面内产生摆角。这时，因不符合阿贝原则，故误差不能补偿。此时，总体布局的第四条措施就是针对这一点考虑的。d 值越小，引起的误差也越小。,强调说明：仪器总体布局满足条件、之后，不仅可以补偿重力变形变化时的影响，同时也可补偿因导轨不直在垂直平面内引起倾角变化的影响。, 采用恒温条件：减小温度变化量 选择合适的材料：减小线膨胀的影响，或选用线膨胀系数相反的材料在某些敏感环节上进行补偿 采用补偿法：如测出被测件与标准件的温度分别为t1和t2，被测件与标准件的线胀系数a1和a2，则温度误差的修正公式为： L=La1(t120)a2(t220)

34、 式中，L为被测件的标准长度。 也可采用实时补偿法。,减少热变形影响的技术措施,减小热变形影响的技术措施有：,减少热变形影响的技术措施,丝杆动态测量仪,由于温度的影响，被测丝杠将伸长或缩短，此外，当环境温度、气压、湿度偏离标准状态时，激光波长也将发生变化，这些都将带来测量误差。因此，可以采用在激光一路信号中增减脉冲数的办法来进行补偿的方案。在补偿时，,丝杆动态测量仪热变形补偿, 先测出环境温度、气压和湿度； 再计算出每米需累积补偿量L； 再计算每米补偿量的脉冲数N= L/(/2) ，1m长度内的激光脉冲数为M= 1106/(/2) ，则每隔M/N= 1106/L个脉冲，对激光一路增减一个脉冲信

35、号。,分频补偿原理 1分频器 2补偿器 3与门,测量链最短原则,测量链定义：仪器中直接感受标准量和被测量的有关元件，如被测件、标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链。,在精密测量仪器中，根据各环节对仪器精度影响程度的不同，可将仪器中的结构环节区分为测量链、放大指示链和辅助链三类。 测量链的误差对仪器精度的影响最大，一般都是1:1影响测量结果。因此，对测量链各环节的精度要求应最高。,测量链最短原则是指一台仪器中构成测量链环节的零件数目应最少，即测量链最短。因此，测量链最短原则作为一条设计原则要求设计者予以遵守。,测量链最短原则,精密仪器的测量链包括主测量链和辅助测量链，其中主测量链对仪器的总体

36、精度和其它性能起主要作用。,主测量链由直接感受标准量和被测量信息有关元件组成； 辅助测量链由间接感受标准量和被测量信息元件组成；,测量链最短，只能从原始设计上加以保证，而不能采用补偿的办法来实现。遵守这一原则的同时还应考虑机构简单、直接、对称、稳定及加工方便等。,例如工具显微镜 测量原理：以测量工作台的移动量而获得被测量的数值。在老式的工具显微镜中，工作台的移动量是通过测得精密千分螺杆的移动量而获得。这一方案具有结构简单等优点，但它的测量链较长，这是影响得仪器精度的主要原因之一。因此，从提高仪器精度缩短测量链的原则出发，应以采取直接测量工作台移动量的方案为宜。,以上设计原则，一般都是从某台仪器

37、自身结构布局和变形特性出发考虑的。而基面系统一原则，则是对仪器群体之间的位置关系，相互依赖关系来说的，或主要是针对仪器中的零件设计及部件装配要求来说的。,基面统一原则,设计零件：零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致。 部件装配：设计基面、装配基面和测量基面一致。,设计基面：零件工作图上标注尺寸的基准面； 工艺基面：用它定位，加工其它工作面； 装配基面：以它为基准，确定零件之间的相互位置。,基面统一原则,基面统一原则,图2-37 顶尖支承法测径向圆心晃动,图2-38 V形支承法测径向圆心晃动,精度匹配原则,精度匹配原则：在对仪器进行精度分析的基础上，根据仪器中各部分各环节对仪器精度影响程度的不

38、同，分别对各部分各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，做到恰到好处。 （1）一台仪器上，测量链各环节要求精度高，其余相对低一些。 （2）一台仪器上，机、光、电各个部分精度分配恰当。,也就是说： 对总误差影响较大的误差应严格控制，而对总误差影响较小的误差可适当放宽要求。,经济原则,经济原则：在保证仪器性能的前提下，尽量降低成本。 包括： 1）合理的工艺性。选择正确的加工工艺和装配工艺，从而节省工时，节约能源，不但易于组织生产，且降低管理费。 2）合理的精度要求。精度的高低，决定了成本的高低。因此各环节则应根据不同的要求分配不同的精度。 3）合理选材。从减小磨损、热变形、力变形、提高刚度及满足

39、许多物理性能上来说，都离不开材料性能。而材料的成本又差价很大，因此合理选材是至关重要的一条。,4）合理的调整环节。设计合理的调整环节，往往可以降低仪器零部件的精度要求，达到降低仪器成本的目的。 5）提高仪器寿命。为提高仪器寿命要对电气元件进行老化和筛选；对机械零部件中的易损系统采用更合理的结构型式。虽然这两方面的改进会使成本增加，但如果仪器寿命延长一倍，等于使仪器价格降低了一半。 6）尽量使用标准件和标准化模块。争取做到零件标准化，部件通用化，产品系列化。,经济原则,总结共有六项设计原则： 一、阿贝(Abbe)原则及其扩展 二、变形最小原则及减小变形影响的措施 三、测量链最短原则 四、坐标系统

40、一原则 五、精度匹配原则 六、经济原则 以上六条基本原则是众多科技工作者在多年的设计实践中总结出的理论成果，这些原则经过了长期实践的检验，并为大多数仪器设计者所公认。除以上六条基本设计原则外，还有运动学设计原则、光学自适应原则等等。,设计原则,光电仪器设计原理,平均读数原理 平均读数原理是指采用多次重复测量，如多测头、多次重复分度等，取得平均读数，以提高精度的方法，所以也称为误差平均原理。,平均读数原理 比较测量原理 误差补偿原理,设计原理,在仪器设计上，工作原理的设计是总体设计的关键，设计质量的优劣取决于是否能有效合理运用设计原理。,以光学分度头为例，当采用单面读数(单个读数头)时，由于轴系

41、晃动或度盘安装偏心等原因，不可避免地将使仪器带来读数误差。,图2-40 度盘安装偏心示意图,平均读数原理举例,圆分度测量装置的光学分度头,（1）特殊情况：只考虑偏心误差影响,当主轴转过角时，度盘几何中心转至O1点，此时，相对读数瞄准位置I来说，产生读数误差为1，且有：,若在度盘的对径方向上安装两个读数头，并取两个读数头读数值的平均值作为度盘在这一转角位置上的读数值。如右图，II读数头产生读数误差为2，且有：,当1很小时，有,平均读数原理举例,同理可得：,则有这两个读数头产生的总读数误差为：,即：度盘安装偏心带来的读数误差，便自动消除。,（2）一般情况：假设度盘有刻线误差、安装偏心、分度头轴系有

42、晃动、游动等源误差，所有源误差对一个读数头产生的读数误差可用m 次谐波叠加获得： 现讨论三种情况：,平均读数原理举例,采用一个读数头时，引起的读数误差为：,采用n个读数头时，引起的读数误差为：,采用n个读数头，对于某一次谐波m而言，引起的读数误差为：,平均读数原理举例,上式经化简后，可改写为：,谐波阶次k为整数，整理上式，化简得：,平均读数原理举例,当谐波阶次k为n的整数倍，整理上式，化简得：,当谐波阶次k为n的非整数倍时，化简得：,结论 在光学度盘式圆分度测量装置中，沿圆周分布n个读数头，并取其读数的平均值作为读数值时，则可消除m=cn阶谐波以外的所有谐波对读数误差的影响。,平均读数原理小结

43、： 平均读数原理已成为高精密圆分度测量装置中一条重要设计原理，应用非常广泛。 实质是起到补偿（抵消）部分系统误差的作用。 不足： 采用多头读数系统，要求各个读数头的特性完全一致，这会使工艺装配调整的成本增加。,比较测量原理,位移量同步比较测量 差动比较测量 零位比较测量,比较测量原理广泛地应用于各种物理量的测量，可有效的消除共模信号的影响，有利于提高测量精度。,比较测量原理,位移量同步比较测量原理,位移量同步比较原理是指当相应的位移作同步运动的过程中，分别测出它们的位移量，再根据它们之间存在的特定关系，直接进行比较而实现测量和控制，以提高仪器（或测量）精度，同时简化仪器结构。,特点：这类复合参

44、数一般都是由线位移和角位移，或角位移和角位移以一定关系作相互运动而成。它们的测量过程，实际上是相应的位移量之间的同步比较过程。 过去的方法：采用建立相应的机械的标准运动，然后与被测运动相比较的方法，其结果是结构复杂，环节多，测量链长，工艺难度大，特别当要求仪器具有较大通用性时，问题更为突出。 近期的方法：由于激光、光栅、电子和微机技术的发展，使位移量同步比较由机械式向电子式发展，位移量同步比较原理在仪器设计中获得了新的广泛前景。,位移量同步比较测量原理,位移量同步比较原理主要应用于复合参数的测量：渐开线齿形误差，齿轮切向综合误差，螺旋线误差等的测量。,图2-41是采用电子式位移量同步比较原理所

45、设计的渐开线齿形测量的原理图。,位移量同步比较原理举例,简单原理实质上是作齿轮基圆半径误差R的测量，而R与渐开线齿形误差是一一对应关系。,位移量同步比较原理举例,基圆理论半径R理的测量,光栅测量出渐开线的位移量S，与被测基圆半径R测有如下关系：,计算机将R测与R理进行比较，得齿轮基圆半径误差R,位移量同步比较原理举例,差动比较测量原理,式中，w为线圈匝数，0为空气的磁导率，S为空气隙的截面积。,1-铁心 2-线圈 3-衔铁 4-测杆 5-工件 差动式电感传感器,差动时电感总变化量为,由上述两式可看出，差动式电感传感器的灵敏度比非差动式提高一倍。,非差动时电感变化量为,光学量差动比较测量,双通道

46、差动法透过率测量原理图 1-辐射光 2-反射镜 3-透镜 4-汇聚透镜 5-光电元件 6-差动放大器 7-指示表,辐射光源1借助反射镜2和透镜3分别沿着标准通道I和测量通道II并行输送，实现被测样品与标准台样品比较，以差值指示。因此降低共模信号的影响，还可消除杂散光干扰。,零位比较测量原理,测量偏振面转角的零位测量原理 1平行光光源 2起偏器 3被测物 4检偏器 5读数装置 6光电检测器 7放大器 8指示表,1) 在2和4之间没有放入具有偏光性质的被测物3，则检偏器输出的光通量为零；,2) 在2和4之间放入被测物3，引起偏振面旋转。使检偏器有光通量输出，使指示表的指针偏离零位。,3) 通过读数

47、装置5转动检偏器直至指示表示值再次为零，此时，检偏器的转角等于被测物引起的偏振面转角。,误差补偿原理是仪器设计中一条内容广泛而意义重大的设计原理。如果在设计中采用包括补偿、调整、校正环节等技术措施，则往往能在提高仪器精度和改善仪器性能方面收到良好的效果。,补偿环节的选择 为了取得比较明显的补偿效果，补偿环节应选择在仪器结构、工艺、精度上的薄弱环节，对环境条件及外界干扰敏感的环节上。在选择具体的补偿环节时，应考虑到通过该环节最易于实现补偿，且补偿效果最灵敏。 2. 补偿方法的确定 有光电方法、软件方法、电学方法、标准器比较的方法等。,误差补偿原理,误差补偿原理,3. 补偿要求的分析 根据不同的补

48、偿对象，有不同的补偿要求： 例如，对于导轨直线度偏差的补偿，必须要对整个行程范围进行连续逐点的补偿；而对仪器示值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间选几点，达到选定的特征点保证仪器示值精确即可。 4. 综合补偿（最佳调整原理）的实施 优点：具有简单、易行、补偿效果好的特点。 涵义：该方法不必研究仪器产生的误差来自哪个或哪些环节，但通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果。,杠杆齿轮式测微仪是借助杠杆齿轮传动，将测量杆的微小直线位移转变成指针角位移的指示式测微仪。,因为： 所以：,杠杆齿轮式测微仪原理图,杠杆齿轮测微仪的测杆部分,杠杆齿轮测微仪的综合补偿,从图可看出：被测位

49、移是直线s=asin，但传递上去的是弧 ，显然 s，因此产生原理误差：,采用综合补偿法的方法如下： 在刻度盘及内部结构都已经确定的情况下，我们采用调整杠杆短臂a的方法来减小s，即将a调整为a。由理论分析可以得知（采用最小二乘法计算），当调整a，使=0.8740处的原理误差为零时，达到最佳调整，这时的最大原理误差为s= (a)/24，即为调整前的1/4，调整后的杠杆臂长a可由下式求得,左图显示了调整前后的特性曲线。其中s=asin为调整前的特性曲线， s=asin为调整后的特性曲线， s=a为刻划特性曲线。,正弦杠杆三条特性曲线,杠杆齿轮测微仪的综合补偿,仪器结构参数及技术指标的确定,测控仪器结

50、构参数及技术指标的数值是根据仪器的功能、测量范围、精度要求、分辩力要求、误差补偿要求、使用要求和条件，以及有关标准规定等许多因素来确定的。 这些参数及数据，一般需要在理论分析或实验基础上加以确定，而不能无根据地随意选用。,从精度要求来确定仪器参数 从误差补偿来确定仪器参数,结构参数及技术指标的确定因素,从精度要求出发来确定仪器参数,光学灵敏杠杆是工具显微镜上用接触法测量孔径时瞄准用的一种附件。使用时，一般都是和工具显微镜的3倍物镜相配用。,光学灵敏杠杆的工作原理图,由照明光源 1 照亮的分划板 2 上三对双刻线，经透镜 3 后由反射镜 4 反射，再经物镜 5 放大，最后成像在测角目镜分划板 6 上。反射镜 4 随测杆摆动时，三组双刻线的象随之左右移动。仅当测杆中心线与显微镜光轴重合时，双刻线的象位于米字分划板的中心位置。,光学灵敏杠杆的杠杆比的确定,瞄准工作原理：用灵敏杠杆进行测孔瞄准时，首先移动工作台，使被测孔壁的一侧与杠杆触球 7 相接触，触球 7 与工件接触使测杆 1 围绕杠杆支点 3 微微摆动，在目镜视场，可观察到双线像的移动，一直到双线分划板 5 上的双刻线像对中主