光电仪器设计.pdf

1、光电仪器设计 一、光电仪器设计概论 1、 光电仪器的组成。 P(12) 答：根据光电仪器中各部件的功能，可将光电仪器分为以下几个基本组成部分： 1、信息源及传输介质： 信息源也称为被测对象或测量目标；传输介质是介于信息源与仪器之间的媒介； 2、光学系统： 也称为感受转化部件，作用是探测并提取信息源的原始信号尽可能的提取信息源所辐射的光信息，并使其透射或将被测目标成像在光电探测器的光敏面上； 3、转换放大部分： 将光学系统提取出来的微弱信号通过各种原理 (如光、机、电、气 )进行进 一步的转换和放大； 4、基准部件（基准器或标 准器）： 基准部件是仪器的重要组成部分 , 是决定仪器精度的主要环节

2、； 5、信号采集与处理系统： 决定光电仪器能否获得有效信息及进一步信息处理的重要环节； 6、计算与显示装置： 计算并显示测量结果； 7、机械结构部件 :机械结构部件主要有基座和支架、导轨与工作台、轴系以及其他部件。 2、 光电仪器的静态特性（指标）。 P(16) 答： 1、线性度 ;2、分度值及分辨力 :分度值是仪器最小分度所代表的被测量的值。而将仪器所能测得的被测量的 最小增量称为分辨力。 3、灵敏度及放大比 :灵敏度是指仪器对被测量变化的反应能力。当输入与输出为 同一量纲时可用放大比来代替灵敏度。 4、测量范围及示值范围 :测量范围是指在允许误差极限内仪器所能测出的被测量与最小被测量之间的

3、范围。示值范围是指仪器所显示或指示的最低值到最高值的范围。 5、示值重复性： 示值重复性是指在外界条件不变的情况下 ,对同一被测量重复测量时仪器示值的最大变化范围。 6、示值误差： 示值误差是指仪器示值与被测量的真值之差。 7、滞差（回程误差）： 由于测量中行程方向不同 ,对应于同一输入信号产生的不同输出信号的差异统称为滞差或回程误差。 产生滞差的原因 主要是由于仪器 内存在着间隙、摩擦、死区 ,或机械材料 和电气材料与器件的滞后特性 (如弹性元件或磁性元件的滞后特性 )的缘故。 8、灵敏阀（灵敏限、门限）： 灵敏阈是指能引起仪器示值可见变化所需的最小输入量 ,这一项指标表示仪器感受微小量的敏

4、感程度。 9、漂移： 当输入信号不变时 ,由于仪器内部温度变化或元器件不稳定所引起的输出信号的变化就是漂移。 10、仪器误差和测量误差：仪器误差指仪器本身固有误差。测量误差是指测量结果和被测量值间的差异 ,它包括仪器误差、测量方法误差、使用不当误差 , 以及外界环境条件偏离标准状态和测量人员主观因素等原因所造成的误差。 3、 光电仪器的动态特性 P18 定义： 由于仪器系统中存在着弹性、惯性和阻尼以及电器元件 ,所以输出 量不仅与被测量 x 有关 ,而且还与被测量的变化速度 dx / dt、加速度 d2 x / dt2 等有关。 动态误差包含两个部分： (1) 稳态响应误差 : 是动态误差中只

5、与系统特性参数有关 , 而与时间无关的误差。即使 t ,这项误差也存在。 (2) 瞬态响应误差 : 是动态误差中与时间有关的误差。 二、光电仪器总体设计 1、对于一台具体的仪器 ,其总体设计主要考虑以下问题 P23 (1)设计任务分析 ; (2)信号转换原 理 (信号检测及其传输方式 )选择 ; (3)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 ; (4)仪器结构参数及技术指标的确定 ; (5)总体设计中其他应考虑的问题 ; (6)仪器总体方案的确定。 2、激光的运用 P(37) 答：光源、准直测量、 切割、焊接、表面处理、打孔、微加工。 3、信号转换原理有哪些？ 答：干涉原理，

6、衍射原理、光学成像技术原理、激光技术原理。 4、设计原则： 1、阿贝原则； 2变形最小原则 P； 3、测量链最短原则 ;4、基面统一原则； 5、光 学自适应原理。 阿贝原则： 要 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。”因此 , 也可称做共线原则。 阿贝误差是一阶误差。 例子及分析：千分尺、比长仪满足阿贝原则；游标卡尺不满足阿贝原则。 阿贝原则的设计要点：当测量长度时，标准件应安置在被测量中心线的延长线上， 做到这一点可以避免 一阶误差。 阿贝原则不仅是仪器的设计原则 ,在使用仪器时也应遵循这一原则 ,即在测量时应尽量将被测件安置到标准件的延长线上或最靠近

7、的程度 ,例如用卡尺测量时 ,应尽量将被测工件靠近尺身。 如何减小或消除误差影响的措施： (1)结构上措施； (2)补偿措施： 1)爱彭斯坦原理内容（以一米激光测长机举例说明） ： 爱彭斯坦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。 3)直接补偿 (利用测得值修正测量结果 )； 4)布莱恩建议（ 以两坐标测量机举例说明） ： 1、一条直线； 2、没有角位移； 3、测出和算出位移量，然后加以补偿。 变形最小原则内容 （以一米激光测长机举例说明） :在仪器工作过程中 , 无论是受力引起的变 形 ,还是温度变化或其

8、他原因而引起的变形都 是无法避免的。其结果都将 给仪器带来误差。 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带来 的误差。 测量链最短原则： 测量链最短原则是指仪器中构成测量链环节的零件数目应最少。 基面统一原则： 在设计零件时 , 应该使零件的设计基面、工艺基面和测量基面保持一致。 5、以高精度激光二坐标测量机为例说明如何利用测得值校正导轨运动方向？ 6、平均读数原理，以度盘为例说明？ P53 定义： 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。 7、位移量同步比较原

9、理，以渐开线齿形测量和丝杆动态测量为例说明？ 定义： 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。 8、灵敏杠杆测量原理、放大比的确定和结构简图？ P61 9、选光源时应考虑哪些指标？ P69 1、光谱能量分布特性； 2、光度特性； 3、发光面的形状、尺寸及灯的结构尺寸； 4、其他因素（使用寿 命、经济性）。 临界照明：将灯丝（发光面）成像在被照明物体上。 柯勒照明：灯丝的成像成在系统的入瞳上。 三、 仪器设计的精度理论 1、什么是误差： 测得的数值与标称

10、值 (或真值 )之间的差值称为误差。 P116 误差的分类： 按误差的性质 ,可将误差分为 系统误差、随机误差和粗大误差 三大类。 误差的合成： (1)已定系统误差的合成； (2)未定系统误差的合成； (3)随机误差的合成； (4)未定系统误差与随机误差的合成。 精度 :精度是误差的反义词 , 精度的高低是用误差来衡量的。误差 大则精度低 , 误差小则精度 高。通常把精度区分为三种 , 即 准确度 :它是系统误差大小的反映 ; 精密度 :它是随机误差大小的反映 ; 精确度 :它是系统误差和随机误差两者综合的反映。 重复精度： 指在同一测量方法和测试条件 (仪器、设备、测试者、环境条件 ) 下

11、,在一个不太长的时间间隔内 , 连续多次测量同一物理参数 , 所得到的数据的分散程度。 复现精度： 复现精度又称再现精度。它是用不同的测量方法 , 不同的测试者 , 不同的测量仪器 ,在不同的实验室内 , 在较长的时间间隔对同一物理参数作多次测量 , 所得数 据相一致的接近程度。 灵敏度： 输出值与输入值的变化量之比。即灵敏度 = 输出值的增量 / 输入值的增量。 分辨率： 分辨率是仪器设备的一个重要技术指标 , 是仪器设备能感受、识别或探测的输入量 (或能产生 , 能响应的输出量 )的最小值。 分辨率和精密度、精确度之间的关系如下 : (1) 要提高仪器的测量精密度 , 必须相应地提高仪器的

12、分辨率。 (2) 分辨率与精确度紧密相关 , 提高仪器的分辨率能提高测量的精确度 , 但有时它们又是 完全独立不相关的。 2、原理误差 ； P121 定义： 在设计过程中，由于仪器的某些环节采用近似的原理来代替理论上应有的正确装置而产生的误差，称为原理误差（理论误差）。 以测角望远镜、端面式杠杆百分表、正弦、余弦机构、激光扫描测径仪为例说明？ 3、原始误差； P126 定义： 由于仪器的机构参数在制造过程中存在的误差对仪器机构的影响 , 也就是实际机构与 理想机构的不一致 ,这部分误差我们也称为原始误差。 内容： 由于制造、安装、调整不完善和使用中的磨损、变形等 , 使得仪器构件、部件的 形状

13、、尺寸、相互位置、工作参数偏离理想位置而产生的误差。 判断原始误差的标准有两条 : 1)只有属于作用件的误差才有可能成为原始误差 ,但 并不是作用件上的所有参数误差都是原始误差； 2)只有影响作用件之间正确关系或状态的零部件参数的误差才是原始 误差。 作用件： 具有原始误差的构件 ,也就是仪器 作用原理图上出现的必不可少的构件 作用件。 表盘与指针的安装偏心 引起的示值误差；4、机构传递运动的方式 根据 作用线和作用力的关系 传动分为： 推力传动 和 摩擦力传动 两种。 共同特点： 在相互作用 的两个构件之间每一瞬时都有一个作用线。 5、作用线与瞬时臂法 P132 内容： 求解几种常用的机构传

14、动方程 6、 总体精度分析有两方面的任务 ： 一是根据产品的总精度进行合理的误差 分配 , 以确定各主要零部件的制造技术要求和产品在装配调整中的技术要求。另一任务则相反 ,根据现有的技术水平和工艺条件 ,考虑到先进技术的采用 ,首先确定各零部件的精度 ,再进行误差的综合而求得产品的总精度。 7、 完成总体精度分析的任务可以解决以下几个具体的问题 : (1)设计产品时 (在产品制造出来以前 ) , 预估该产品可能达到的精度 ,避免设计的盲目性 , 防止造成不应有的浪费。 (2)在设计产品时 , 通过总体精度分析 ,可以在几种可能实现的设计方案中 , 从精度的观点 进行比较 ,挑选出最佳的设计方案

15、。 (3)在产品的 改进设计中 , 通过总体精度分析 (求出各误差传动比等 ) , 可以找出影响总精 度的主要误差因素 ,因而就能卓有成效地提高产品的精度。 (4)在科学实验或精密测量中 ,根据实验目的及精度要求 ,通过总体精度分析 ,可以确定实验方 案或测量方法所能达到的精度、实验装置或测量仪器应具有的精度 ,以及最有利的实验条件 ,等等。 (5)在产品进行鉴定时 , 通过总体精度分析 ,可以合理地制定鉴定大纲 , 将由实际测量而得 到的各主要零部件的误差综合为产品的总误差。 8、经纬仪的基本结构 P155： 1、度盘； 2、瞄准系统； 3、轴系统； 4、读书系统； 5、安放系统。 应满足的

16、几何条件： 1、视准轴、横轴和竖轴三轴互相垂直； 2、水平度盘中心、测点和竖轴的转动轴线在水平面上的投影应互相重合。 不满足时，产生哪 5个误差： 1、视准差； 2、横轴倾斜误差； 3、竖轴倾斜误差； 4、照准架的偏心差； 5、经纬仪对测点的偏心差。 经纬仪的误差分配形式和综合方法： P155 9、仪器精度和测量精度的关系（异同点） P147 测量精度是与仪器精度、测量条件的影响、测量方法的影响、测量者的主观影响 , 以及与被 测对象有关的综合精 度。 一般说来 ,仪器精度越高 ,则测量精度也越高 , 即高精度的测量必须使用高精度的仪器。但 是 ,仪器精度毕竟是测量精度的一部分 ,仪器精度往往

17、不能完全决定测量精度 ,只有低精度仪器 , 其仪器精度基本上等于测量精度 ,因为仪器误差大 ,则由测量条件等其他因素所造成的测量误差 相对很小 ,不起主导作用。对于高精度仪器 , 就必须十分重视除仪器误差之外的其他因素的影 响。在考虑仪器的工作原理和基本结构时 ,应尽可能使仪器对这些因素的影响不敏感 , 使仪器更 为完善。因此 ,提高仪器精度不是孤立地进行的 , 更不是单纯地去提高仪器的 制造精度。 四、光电仪器中的定位和与校准 1、定位系统可分为哪两类： 开环控制系统和闭环控制系统。 掌握控制系统的框图。 P166 开环控制系统框图 闭环控制系统框图 2、掌握数字式光栅测量系统原理方案图并说

18、明原理？ P169 驱动装置 传动装置 精密工作台 微处理器 动力部件 驱动装置 工作台 检测装置 取样电路 计数编码电路 计数和显示 直接计数系统原理： x=NC。 当光栅每移动一个栅距 c时，计数编码电路送出一个计数脉冲，由可逆计数器进行计数和译码显示。 全细分计数系统原理： x=NC+=(Nn+m)=M。 当光栅每移动一个栅距 c时，细分电路可送出等于细分数的 n个脉冲，由可逆计数器进行计数和译码显示。 整数和小数分别处理的计数系统原理： x=ab=1+Nc+2=+Nc。 光栅信号由分离电路分离出整数计数脉冲和小数计数脉冲，然后分别经整数计数编码电路和细分电路送出综合计数脉冲，由可逆计数

19、器进行综合计数和译码显示测量结果。 3、光栅读数头的基本组成和工作原理？ 由光源照明系统、莫尔条纹形成系统和光电接收系统三个部分组成。 工作原理： 光源 1发出的光束经聚光镜 2成 为一束均匀的平行光束 , 照明主光栅 3和指示光栅 4。当主光栅与指示光栅有相对运动时 ,便有明暗变化的莫尔条纹光信号输出。莫尔条纹信号经物镜光学系统 5成像于光电接收器 6的光敏面上。光电接收器的光电信号为光电计数及 电子细分提供原始电信号。 4、 PSD定位 P181： 是一种非线列非面阵的连续分布的半导体位置检测元件，其工作原理就是横向光电效应。 5、激光（ CCD）光斑中心定位 P184 方法： 重心法、中

20、值法、 Hough变换法、 亚像素法、 曲线拟合法。 步骤： 1、确定激光光斑的边缘位置； 2、计算出光斑的中心位 置； 3、对光斑中心进行精确定位。 6、机械式定位三种 P190： 7、校准： 对仪器或装置进行有效校对并使之精确。 校准的含义： 在规定的条件下，用一个可参考的标准，对包括参考物质在内的测量器具的特性赋值，并确定其示值误差；将测量器具所指示或代表的量值，按照校准链，将其溯源到标准所复现的量值。 校准的目的： 确定示值误差，并可确定是否在预期的允差范围之内；得出标称值偏差的报告值，可调整测量器具或对示值加以修正；给任何标尺标记赋值或确定其他特性值，给参考物质特性赋值；确保测量器给

21、出的量值准确， 实现溯源性。 仪器校准的四种方法： 1、标准仪器提供量值，被校准仪器测量量值； 2、标准仪器测量量值，被校准仪器提供量值； 3、标准仪器和被校准仪器提供量值，采用比较法，通过测量量值进行校准； 4、标准仪器和被校准仪器都属于测量量值的仪器，采用比较法，通过输出量值仪器或介质进行校准。 8、莫尔条纹； P170 定义： 当两块等栅距的光栅叠合并使栅线之间保持一个很小的交角时 ,在接近垂直于主光栅栅线的方向上，形成明暗线间的莫尔条纹，这种条纹被称为横向莫尔条纹。 横向莫尔条纹的 条纹间距 : 光闸莫尔条纹的形成 ： 当等栅距的两光栅交角 = 0 时 ,莫尔条纹的间距 B = 。这时

22、的指示光栅相当于一个闸 门的作用 , 在栅线挡住主光栅透光缝隙时 , 条纹变成一片黑暗 ; 在透光缝隙重合时 , 透光量最 大 ,条纹变成最明亮的一片。因此将这种特殊的条纹称为光闸莫尔条纹。 莫尔条纹间距与光栅栅距的关系 P170 莫尔条纹与栅距的关系可用莫尔条纹的放大系数 k 来表示 ,由式 (7 15)可得到横向莫尔 条纹放大系数为 在实际应用中的角都很小 , 其值在角分数量级。因此莫尔条纹的放大系数 k 很大。例如 ,当 = 10时 , k= 1/ = 1/ 0 .029 = 345。 由此可知 ,莫尔条纹具有对光栅位移的放大作用。它比一般的光学和机械方法易于实现 大倍率的放大 ,所以莫

23、尔条纹被广泛地用来实现高灵敏度的位移测量。莫尔条纹的间距 B 可以通过改变交角来调整 , 通常可调至 B = 10 mm, 以便与阵列光 电器件相配合进行光电信号的转换 ,这为直接位置细分法提供了客观的可能性。 莫尔条纹与光栅栅距误差的关系 P170 例如 , 对于栅距 = 0 .02 mm 的光栅来说 , 假定单线误差 = 1 m,若采用 10 mm 10 mm 的硅光电池接收莫尔条纹 , 则 N = 10/ 0 .02 = 500, 由式 (7 23) 可求得光栅的综合栅距误差 = 0 .04 m。这说明因莫尔条纹对栅距误差的平均作用 , 使实际误差减小了 20 多倍。根 据莫尔条纹的这一

24、特性 , 一方面可以比较容易地实现高精度测量 ; 一方面还可以利用光栅来控制制造光栅。 莫尔条纹的波形特性 : 1 .计数脉冲的形成 :在图 7 26 所示 A 路框图中 , 光栅信号 A 由光电接收器如四极硅光电池接收取样 , 得到 包含有直流分量而相位差为反相的两 个正弦信号。然后经差分电路进行运算放大 ,输出一个 消除了直流分量并放大的正弦信号。此信号再经过施密特电路的整形得到方波信号 , 最后由 微分电路等处理形成供可逆计数器计数用的尖脉冲。 假设光栅正向测量时 , 形成的计数脉冲为加法脉冲 P1 , 它由整形电路和微分电路 A1 形 成 ,并经与门电路 Y1 输出。代表反向测量时的减

25、法脉冲 P2 , 则由整形、反相和微分电路 A2 形 成 ,并经与门电路 Y2 输出。 当光栅作正向测量时 ,只允许输出加法脉冲 P1 ;而光栅作反向测量时只输出减法脉冲 P2 。 这还需要由测 量方向判别电路实现。 2 .测量方向的判别 :为了判别光栅的移动方向 ,还需要取得判向信号 , 它可从图 7 26 所示的 B 路框图中得到。光栅信号 B由另一路光电接收器取样 ,通常由四级硅光电池另外两极得到两个反相的余弦信号 ,经差分电路和整形电路后输出方波信号。由于 B路方波信号与 A 路方波信号在相位上相差 90 , 而脉冲上升沿的时间差为 1 / 4个周期 ,因此可由 B路方波信号去控制与门

26、逻辑电路的开启。根据光栅运动方向的不同 ,使与门电路只能输出加法或减法脉冲的一种。 测量方向的判别 是利用与门电路的逻辑功能 进行的。对于正与门而言 , 只有当输入端同时处于高电位时 ,才能符合与逻辑关系而输出高电位 , 这相当于门电路打开 ,否则门电路关闭 , 输出为零。具体的工作过程可以通过如图 7 27 所示的波形图进行分析。当光栅正向移动进行正向测量时 ,进入与门 Y1的 A1 和 B两个信号 , 在一个周期时间内有同处于高电位的时刻 ,因此该时刻符合与门 Y1的逻辑关系而输出加法脉冲 P1 , 而此时的 A2与 B信号 ,不可能同时处于高电位 , 因此与门 Y2关闭而无减法脉冲 P2

27、输出。这就是正向测量时光栅移动一个栅距条纹变化一个周期 , 计数电路产生一个计 数脉冲 , 并只能从与门 Y1输出加法脉冲 P1的原因。 在作 反向测量 时 ,从波形分析图中看出 , 它的情况刚好与正向测量时相反。在一个周期内 ,与门 Y2 的两个输入信号 A2 与 B 有同处于高电位的时刻 ,因此有减法脉冲 P2 输出 ,而 Y1 关闭无加法脉冲 P1输出。 在图 7- 26 所示的框图中 , 差分电路通常采用差动运算放大器电路 ,整形电路可采用各种类型的鉴幅电路。 从以上的分析中可知 ,为了实现光栅移动的正向和反向测量 , 必须取得 A 与 B 两组具有 90相位差的光栅莫尔条纹信号 ;另外 , 为了消除光栅信号中的直流成分 , 还必须同时取得两个 反相信号即差动信号。因此在光栅测量中 ,为了实现正反移动方向的判别 , 提高测量的精度和 稳定性 ,应该获得相位差互为 90的四个正弦光电信号。获得四相光电信号的方法 ,可用光栅 读数头来实现。