第二章-光电仪器总体设计课件.ppt

1、 是指在仪器具体设计以前，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。全面设想和规划。设计任务分析；设计任务分析；信号转换原理信号转换原理( (信号检测及其传输方式信号检测及其传输方式) )选择；选择；提高仪器精度的技术措施提高仪器精度的技术措施仪器若干设计原则和设仪器若干设计原则和设计原理的讨论；计原理的讨论；仪器结构参数及技术指标的确定；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；总体设计中其它应考虑的问题；仪器总体方案的确定。仪器总体方案的确定。v 总体设计主要考虑：总体设计主要考虑：设计者

2、根据用户专门的需要，针对特定的被测对象和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。被测参数设计专用的仪器。 设计通用产品和系列产品。设计通用产品和系列产品。根据技术的发展和对社会需求的预测，推出性能好、根据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，进行开发性功能全、技术先进的新型产品新型仪器，进行开发性设计。设计。v 光电仪器的设计任务一般有三种情况：光电仪器的设计任务一般有三种情况： 是要弄清楚设计任务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

3、行分析研究。计的基本原则，逐一地进行分析研究。即明确仪器在系统中的用途，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。才能进一步确定仪器的工作原理及技术参数等。即要求仪器在一定的工作范围内能有效实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。现预期的功能，并一定使用期间不丧失原有功能。即其目的是实现被测参数的测量。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：主要了解被测参数以下几方面的特点： 被测参数是什么含义，如是长度、角度还是表面粗糙度等。被测参数是什么含义，如是长度、角度还是表面粗糙度等。 光电仪器及设备的精度一

4、般可分为三类：光电仪器及设备的精度一般可分为三类： （1）中等精度）中等精度 （2）高精度）高精度 （3）超高精度）超高精度 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。出过多。 是单值参数、复合参数是单值参数、复合参数, 还是直接测量参数、间接测量参数。还是直接测量参数、间接测量参数。 是瞬态量、稳态量，还是动态量、静态量等。是瞬态量、稳态量，还是动态量、静态量等。为了设计好仪为了设计好仪器，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。量、状态等特点。 仪器

5、的功能是指仪器的用途，检验仪器的功能是指仪器的用途，检验效率；承载能力；操作方式效率；承载能力；操作方式(自动、手动自动、手动)；外形尺寸和重量；外形尺寸和重量要求以及测量结果的显示方式等。要求以及测量结果的显示方式等。 仪器的使用要求及使用场合不同，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。仪器设计时考虑外界条件影响的侧重点也有差异。 是理论联系实际的重要环节。是理论联系实际的重要环节。目的有两个：一是了解已有的技术方案目的有两个：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

6、新的技术途径，确立自己的设计特点。较，探求新的技术途径，确立自己的设计特点。帮助改进一起设计的工艺帮助改进一起设计的工艺性，提高生产效率。性，提高生产效率。仪器主要采用的四类能量或信号的转换形式仪器主要采用的四类能量或信号的转换形式 机械机械 光学光学 电磁电磁 气动气动 示值误差为示值误差为0.010.001mm 对环境要求较低对环境要求较低 简单耐用简单耐用 适合于工厂车间使用适合于工厂车间使用 一般价格便宜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度测量显示范围在-200oC至至+700oC

7、。目前生产的双金属温度计和。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。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。 磁栅磁栅感应同步器感应同步器电容传感器电容传感器电感电感涡流涡流测量范围：测量范围：0.020.25mm示值误差：示值误差： （0.21） m特点：特点：示值误差为示值误差为0.51 m；性能稳定、耐用。；性能稳定、耐用。 望远镜一般包括：望远镜一般包括： 1.镜身组：镜身组：是望远镜的主是望远镜的主体，分左、右镜身。体，分左、右镜身。 2.物镜组：物镜组：由透镜、物镜由透镜、物镜筒等组成。筒等组成。 3.目镜组：目镜组：由透镜、目镜

8、由透镜、目镜框、视度手轮等组成。框、视度手轮等组成。 4.分划板：分划板：可对被观察的可对被观察的已知目标的方向、高低夹已知目标的方向、高低夹角及视距进行测量。角及视距进行测量。 5.连接轴：连接轴：是望远镜左、是望远镜左、右镜身的连接件。右镜身的连接件。 6.护盖和背带：护盖和背带：为了保护为了保护物镜和目镜透镜。物镜和目镜透镜。 中中心心调调焦焦测测距距望望远远镜镜观鸟用双筒望远镜观鸟用双筒望远镜军用望远镜军用望远镜望远镜望远镜1. 折射望远镜：折射望远镜：物镜由物镜由透镜或透镜组组成。透镜或透镜组组成。 2. 反射式望远镜：反射式望远镜：除主除主物镜外，还有一或几个物镜外，还有一或几个小

9、反射镜，用来改变光小反射镜，用来改变光线方向便于安装目镜。线方向便于安装目镜。 3. 折反射望远镜：折反射望远镜：物镜物镜是由折射镜和反射镜组是由折射镜和反射镜组合而成。合而成。开普勒望远镜开普勒望远镜牛顿式反射望远镜牛顿式反射望远镜施密特望远镜施密特望远镜原理由原理由构成。由于两者之构成。由于两者之间可方便的安装分间可方便的安装分划板，并且各种性划板，并且各种性能优良，所以目前能优良，所以目前军用望远镜，小型军用望远镜，小型天文望远镜等专业天文望远镜等专业级的望远镜都采用级的望远镜都采用此种结构。但这种此种结构。但这种结构结构，所以要在中间增加所以要在中间增加正像系统。正像系统。采用采用作为

10、作为主镜，光进入镜筒主镜，光进入镜筒的底端，然后折回的底端，然后折回开口处的开口处的（平面的对角反（平面的对角反射镜），再次改变射镜），再次改变方向进入目镜焦平方向进入目镜焦平面。牛顿望远镜的面。牛顿望远镜的，倒像并不影响天文倒像并不影响天文观测，因此牛顿反观测，因此牛顿反射望远镜是天文学射望远镜是天文学使用的最佳选择。使用的最佳选择。由一块接近平行平板的由一块接近平行平板的和一个和一个组成，星光在组成，星光在望远镜里望远镜里，然后才成像。施密特望远镜光力强，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，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、人因而特别

11、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。积造相和天文科普活动。是光学测量的重是光学测量的重要基准仪器之一，用于要基准仪器之一，用于测量角测量角度度的精密测量仪器，可以用于的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。广泛应用于大型的距离测取。广泛应用于大型设备的安装和调试，更是大地设备的安装和调试，更是大地测量的主要仪器。主要由测量的主要仪器。主要由望远望远镜镜、轴系轴系、度盘度盘、读数系统读数系统、指标水准管指标水准管、光学对中器光学对中器等部等部分组成。它可以测量空间方位分组成。

12、它可以测量空间方位角和距离等，而且具有很高的角和距离等，而且具有很高的测量精度，体积小，重量轻，测量精度，体积小，重量轻，便于携带。便于携带。经纬仪经纬仪 照相机包括照相机包括镜头和瞄准系镜头和瞄准系统两大部分统两大部分，其主要，其主要结构有：结构有：镜头、取景器、快门和光圈、镜头、取景器、快门和光圈、输片计数机构、机身。输片计数机构、机身。 是指那些平面图像或空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。下来，在各领域有极为广泛的用途。 照相物镜的基

13、本光学性能由焦距、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征。物相对孔径和视场角这三个参数表征。物镜的焦距决定拍摄像的大小；像的照度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例。物镜的视场角决定了进入底片的空间范围。间范围。照相机照相机数码相机使用电荷耦数码相机使用电荷耦合器合器CCD/CMOS元元件接收，直接光信号件接收，直接光信号转变为电信号，通过转变为电信号，通过信号处理后记录于存信号处理后记录于存储卡上。储卡上。数码相机有液晶屏，数码相机有液晶屏，拍照的时候可以拍照的时候可以

14、“即即拍即得拍即得”，并可随时，并可随时对照片进行查看、删对照片进行查看、删改处理。改处理。 是：物体通过摄像机镜是：物体通过摄像机镜头成像在面阵光电探测头成像在面阵光电探测器上，经过光电转换将器上，经过光电转换将图像信号转换为电信号，图像信号转换为电信号，再经过电路处理，得到再经过电路处理，得到标准的视频信号，然后标准的视频信号，然后送到录像机等记录媒介送到录像机等记录媒介上记录下来，或通过传上记录下来，或通过传播系统传播到监视器上播系统传播到监视器上显示出来。显示出来。 摄像机摄像机 投影机采用的是投影机采用的是，即观察，即观察者和投影机位于反者和投影机位于反射屏幕的同一侧。射屏幕的同一侧

15、。 投影机按照投影机按照可分为：可分为：1、长焦距投影机、长焦距投影机2、短焦距投影机、短焦距投影机3、中焦距投影机、中焦距投影机投影机投影机 显微镜是常用的光学仪器之一。本质上是显微镜是常用的光学仪器之一。本质上是一个一个。 显微镜的机械装置包括镜筒、镜头转换器、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、镜臂和载物粗准焦螺旋、细准焦螺旋、镜座、镜臂和载物台七部分。台七部分。 显微镜的光学系统包括目镜、物镜、底光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。源、聚光镜和光阑五部分。显微镜显微镜图图 2-1光电准直光管光学系统图光电准直光管光学系统图1-光

16、源光源 2-聚光镜聚光镜 3-分划板分划板 4-析光棱镜析光棱镜 5-物镜物镜 6-反光镜反光镜 7-光电元件光电元件 8-聚光镜聚光镜 9-狭缝狭缝 10-析光棱镜析光棱镜 11-分划板分划板 12-目镜目镜 光电准直光管光电准直光管 这种光电这种光电准直光管准直光管的对准精的对准精度可达度可达0.1 ，甚，甚至更高。至更高。特点：特点：测长光栅：测长光栅： (0.2+2 10-6L) m，式中式中L为被测长度。为被测长度。测角光栅可达测角光栅可达1 或更高的精度。或更高的精度。要求清洁的环境。要求清洁的环境。 分光光度计采用一个可以产生多个分光光度计采用一个可以产生多个波长的光源，通过系列

17、分光装置，从而波长的光源，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。吸光值，从而转化成样品的浓度。 是一是一种高精密光谱测试仪种高精密光谱测试仪器。可以测量光学零器。可以测量光学零件（平面、球面）光件（平面、球面）光谱曲线和偏振状态，谱曲线和偏振状态，也可以对液体或粉末也可以对液体或粉末试样等进行吸收光谱试样等进行吸收光谱特性测量，一般分光特性测量，一般分光光度计由光源、单色光度计由光源、单色器、照明系统、光度器、照明系统、光度系统等部分组成。系统等

18、部分组成。分光光度计分光光度计图图 2-2 UMM500三坐标测量机的光栅系统光路图三坐标测量机的光栅系统光路图1光导纤维；光导纤维；2、3透镜；透镜； 4、5光栅副；光栅副；6、8 聚光镜；聚光镜；7转向棱缘；转向棱缘；9光电三极管光电三极管UMM500三坐标测量机三坐标测量机图图 2-4 薄膜表面涂层检查仪的原理图薄膜表面涂层检查仪的原理图1气体激光器气体激光器2柱面透镜柱面透镜 3柱面透镜柱面透镜 4薄膜薄膜 5电声传感器电声传感器 6滚筒滚筒 7棱缘棱缘 8测微计测微计 9驱动马达驱动马达10指示电表指示电表 11光电元件光电元件 12容性滤波网容性滤波网络络 13光电检测器光电检测器

19、 14干涉滤光片干涉滤光片 15差动放大器差动放大器16中心指零电表中心指零电表薄膜表面涂层检查仪薄膜表面涂层检查仪特点：特点：目前计量领域中应用最广精度最高的方法。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在测长距离的情况下可以在50米以内实现以下误差公米以内实现以下误差公式：式： (0.110-6L) m，在测量微小位移时可以得到优，在测量微小位移时可以得到优于于0.1nm的分辨率。在测角中的应用可以得到的分辨率。在测角中的应用可以得到0.1 或更或更高的精度。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

20、等。变形测量等。产生条件：产生条件：只有两列光只有两列光波的波的频率相同频率相同，相位差恒定相位差恒定，振动方向一致振动方向一致的相干光源，的相干光源，才能产生光的干涉。才能产生光的干涉。迈克尔逊干涉仪是一种迈克尔逊干涉仪是一种，其主要优点是两束相干光完全分开，光程差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。在光路中安置被测样品。可以使等厚干涉、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，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。方便进行各种精密测量。迈克尔逊干涉光路原

21、理图迈克尔逊干涉光路原理图迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉条纹图迈克尔逊干涉条纹图迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪泰曼干涉仪泰曼干涉仪 是迈克尔逊干涉仪是迈克尔逊干涉仪的一种变型，它采用的光源是的一种变型，它采用的光源是单色单色点光源点光源，不需要补偿板，在光学仪，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。学系统作综合质量检验。M1L1PAM2L2SM2泰曼干涉光路原理图泰曼干涉光路原理图泰曼干涉仪泰曼干涉仪图图 2-5 小角度测量的正弦原理小角度测量的正弦原理sinHR1sinHR 图图 2-6 激光小角度测量原理图激光小角度

22、测量原理图 1分光器分光器 3、4角锥棱镜角锥棱镜 2、5、6平面反射镜平面反射镜 图图2-7 双角锥棱镜激光小角度测量原理图双角锥棱镜激光小角度测量原理图1光源光源 2角锥棱镜角锥棱镜 3分光器分光器 4接收器件接收器件 图图2-8 大量程激光小角度测量原理图大量程激光小角度测量原理图1光源光源 2反射镜反射镜 3分光器分光器 4五棱镜五棱镜 5角锥棱镜角锥棱镜 6转台转台 在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，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

23、的光称为方向的光称为（非偏振光）。凡其振动（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性失去这种对称性的的光统称光统称。 椭偏仪主要用于分析样品或薄膜的光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、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。样品或薄膜光学常数的仪器。试样试样接收

24、器接收器检偏器检偏器起偏器起偏器光源光源 椭偏仪椭偏仪 椭偏仪光路原理图椭偏仪光路原理图椭偏仪椭偏仪 共光路干涉显微镜主要用于真实地反应超光滑表面微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。观形貌特征，是超光滑表面微观形貌测量的有效工具。共光路干涉显微镜共光路干涉显微镜 在流体中的悬浮粒子在流体中的悬浮粒子的散射光相对于入射的散射光相对于入射线的频率产生频移叫线的频率产生频移叫做做，这个，这个现象被用来测量流体现象被用来测量流体的速度。散射信号的的速度。散射信号的可见度和粒子直径有可见度和粒子直径有一定关系，故这种方一定关系，故这种方法还可用

25、于测粒径。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，这种现象称为为 v 当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的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在差别的现象称为声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为，是奥地利学者多普勒于，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。年发现的。v 当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体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

26、，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体散射，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，称为运动速度的频率偏移，称为。 f 和散射方向有关，其和散射方向有关，其数值可表示为：数值可表示为： )(100rrvfs sff当当 ，且其方向与物体，且其方向与物体运动速度方向运动速度方向垂直垂直时，有：时，有：0rrs vf2 双频激光干涉仪双频激光干涉仪 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器。它既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以

27、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、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。振动距离及速度等进行测量。 多普勒测速仪的工作原理是利用多普勒测速仪的工作原理是利用。电磁波的传播同样有多普勒特性。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而变化即当物体向着观察点接近时，波长就变短，频率就物体向着观察点接近时，波长就变短，频率

28、就变高；而远离观察点时，波长就变长，频率就变低变高；而远离观察点时，波长就变长，频率就变低，这样，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。用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。卫星跟踪测轨系统卫星跟踪测轨系统 利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声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，具有多普勒测量仪等，具有精度高、非接触、精度高、非接触、不扰乱流场、响应不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、快、空间分辨率高、使用方便使用方便的特点，广泛用于

29、流速测量、的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、诊断等。工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、诊断等。 光导纤维光导纤维是一种特殊结构的人造光学纤维。当光线从它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。另一端。 波导光纤已成为研制传感器的重要领域。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，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光源发出的光线通过发送

30、光纤束照射到工件表面，受到表面轮廓的调射到工件表面，受到表面轮廓的调制后发生制后发生，部分光线通，部分光线通过接收光纤束和光电转换器件转换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到光纤传感器的输出电压信号U。激光的特性及应用：激光的特性及应用：单色性好单色性好 可用于标准光源、激光通讯等；可用于标准光源、激光通讯等； 方向性好方向性好 可用于定位、导向、测距等；可用于定位、导向、测距等；相干性好相干性好 可用于精密测厚、测角，全息摄影等；可用于精密测厚、测角，全息摄影等；能量集中能量集中 可用于手术、切割、焊接、打孔等

31、；可用于手术、切割、焊接、打孔等；光缆光缆激光准直仪激光准直仪全息照相全息照相激光打孔激光打孔激光束光束准直振镜Y轴马达透镜 激光打标激光打标是指利用高能量的是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬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，以作为意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志，如图所示。永久防伪标志，如图所示。 激光打标的特点是非接触加工，可激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力产生内应力，适

32、于金属、塑料、玻璃、适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料。陶瓷、木材、皮革等各种材料。标记清标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。提高被标刻产品的档次。治疗原理治疗原理：CO2激光的发散角激光的发散角极小，能量密度高，经聚焦后，极小，能量密度高，经聚焦后，可达每平方厘米几千瓦的功率，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医疗上可用于对病灶组织的汽化，烧灼或切割病灶组织，所化，烧灼或切割病灶组织，所以以CO2激光治疗仪也称谓激光治疗仪也称谓。而

33、未经聚焦的原光束照射。而未经聚焦的原光束照射病灶组织，可产生凝固作用。病灶组织，可产生凝固作用。CO2激光是波长激光是波长10.6nm的红外的红外光，穿透组织较深，经扩束后光，穿透组织较深，经扩束后照射，能对深部组织加热理疗。照射，能对深部组织加热理疗。 在仪器设计长期实践的基础上，形成了一些带有普遍性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有普遍性的仪器设计所应遵循的的或在一定场合下带有普遍性的仪器设计所应遵循的。这些设计原则与设计原理作为仪器设计中的。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技术措施，在保证和提高仪

34、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。低仪器成本等方面带来了良好的效果。为使量仪给出为使量仪给出准确的测量结果，必须将被测件准确的测量结果，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，被测零件的尺长线上。或者说，被测零件的尺寸线和仪器的基准线（刻线尺）寸线和仪器的基准线（刻线尺）应顺序排成一条直线。应顺序排成一条直线。因此，也因此，也可称作可称作“”。遵守阿贝遵守阿贝(Abbe)原则的仪器，应原则的仪器，应符合右图所示的安排。符合右图所示的安排。仪器的标仪器的标准刻线尺与被测件的直径共线准刻线尺与被测件的直径共线。 遵守阿贝原则的

35、测量遵守阿贝原则的测量1-导轨导轨 2-指示器指示器 3-标准线纹尺标准线纹尺 4-被测件被测件 5-工作台工作台对比对比 用游标卡尺测量工件的直径用游标卡尺测量工件的直径 用千分尺测量工件的直径用千分尺测量工件的直径 测量测量 图示图示 测量测量 过程过程 不符合阿贝原则。不符合阿贝原则。测量时，活动测量时，活动量爪在尺架（导轨）上移动，使量爪在尺架（导轨）上移动，使活动量爪发生倾斜角而带来测量活动量爪发生倾斜角而带来测量误差，其值为误差，其值为 1=Stg ；设；设S=30毫米，毫米， =1 则引起的误差为则引起的误差为 1=30*0.0003=0.009mm符合阿贝原则。符合阿贝原则。如

36、果测微丝如果测微丝杆轴线的移动方向与尺寸线杆轴线的移动方向与尺寸线方向有一夹角，则带来测量方向有一夹角，则带来测量误差为误差为 L=d 2/4；设设d=30毫毫米，米， =1 则引起的误差为则引起的误差为 L =30mm (0.0003)2/4=6.75 10-7结论结论 误差和倾角误差和倾角 成一次方关系，习成一次方关系，习惯上称为惯上称为一次误差一次误差 误差和倾角误差和倾角 成二次方关系，成二次方关系，习惯上称为习惯上称为二次微小误差二次微小误差 阿贝误阿贝误差产生差产生的原因的原因 导轨间隙造成运动中的摆角导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件的直径由于标准刻线尺与被测件的直径

37、不共线而带来测量误差不共线而带来测量误差 导轨间隙造成运动中的摆角导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件的由于标准刻线尺与被测件的直径直径共线误差微小到可忽略共线误差微小到可忽略M 12M M 21M M 21M TTdy xBMM21bSW(c)(b)(a)WSc2My xM1Tzy xWSa12MMBxy 线纹尺计量时各种比较方式线纹尺计量时各种比较方式 （a）并联式）并联式 （b）串联式）串联式 S-标准件标准件 W-被测件被测件 T-工作台工作台 M1, M2-瞄准及读数用显微镜瞄准及读数用显微镜 B-悬臂支架悬臂支架M 12M M 21M M 21M TTdy xBMM21b

38、SW(c)(b)(a)WSc2My xM1Tzy xWSa12MMBxy 并联时支架绕并联时支架绕z轴转动轴转动2M M 1M 21s)15231(531 aatg当当 角不大时角不大时M 12M M 21M M 21M TTdy xBMM21bSW(c)(b)(a)WSc2My xM1Tzy xWSa12MMBxy 串联时支架绕串联时支架绕z轴转动轴转动O2y x2M M 21M c绕绕z z轴转动引起的误差轴转动引起的误差 为：为：2 )! 4! 21(1 )cos1(cos422 ccccM 12M M 21M M 21M TTdy xBMM21bSW(c)(b)(a)WSc2My xM

39、1Tzy xWSa12MMBxy 串联时支架绕串联时支架绕y轴转动轴转动OGH1M 2M M 2M 1c2zx绕绕y轴转动引起的误差轴转动引起的误差 为为 2 )1cos1()1(secsec2 cccccOH以以cos 按按 的展开式代入上的展开式代入上式，并略去式，并略去 2 2以上的项，得以上的项，得 并联时支架绕并联时支架绕z轴转动引起的误差轴转动引起的误差 串联时支架绕串联时支架绕y轴转动引起的误差轴转动引起的误差设绕设绕z轴和绕轴和绕y轴转角轴转角 相等，则串联式总误差为：相等，则串联式总误差为： 串联时支架绕串联时支架绕z轴转动引起的误差轴转动引起的误差阿贝原则的设计要点：长度测

40、量时，标准件应安置在被测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。量中心线得延长线上，做到这一点就可以避免一阶误差。M 12M M 21M M 21M TTdy xBMM21bSW(c)(b)(a)WSc2My xM1Tzy xWSa12MMBxy S 标 准 件标 准 件 W 被 测 件被 测 件 T 工 作 台工 作 台 M1,M2瞄准及读数用显微镜瞄准及读数用显微镜 B悬臂支架悬臂支架横向移动式横向移动式 线纹尺计量时的横向移动式是否符合阿贝原则？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；判断横

41、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？横向移动式的误差是多少？是否包含一阶误差？M 12M M 21M M 21M TTdy xBMM21bSW(c)(b)(a)WSc2My xM1Tzy xWSa12MMBxy 并联时误差大并联时误差大但仪器结构紧凑但仪器结构紧凑串联时误差小串联时误差小但仪器整体结构大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，提高仪器的精度。遵循阿贝原则的设计虽然可消除一阶误差，提高仪器的精度。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

42、矛盾是很突出的。长度的两倍，在大尺寸测量中，这一矛盾是很突出的。结构上措施结构上措施1.1.设计及工艺上设计及工艺上，减小因导轨运，减小因导轨运动不直线性带来的倾角值。动不直线性带来的倾角值。2.2.从结构布置上，尽量使从结构布置上，尽量使（线纹尺或光栅尺、（线纹尺或光栅尺、激光等）和激光等）和靠得近些，靠得近些，。 a11 a补偿措施补偿措施 （1）爱彭斯坦（）爱彭斯坦（EPstein）原理）原理 爱彭斯坦（爱彭斯坦（EPstein）原理是）原理是，它是利用各种，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

43、些误差的影响。新的误差，以减少某些误差的影响。1000060070090080076543218测长机示意图测长机示意图1 1工件工件 2 2光学计光学计 3 3读数显微镜读数显微镜 4 4头架头架 5 5床身床身 6 6毫米刻尺毫米刻尺 7 7分米分划板分米分划板 8 8尾架尾架)cos1(sincossin lHllHl221 lH lH 被测件与刻尺间的距离被测件与刻尺间的距离 尾架倾角；尾架倾角； 尾架至测头间距离。尾架至测头间距离。l由于间隙等原因造成尾架倾斜，使得测头顶点由由于间隙等原因造成尾架倾斜，使得测头顶点由A A移至移至A A1 1，由，由此产生的测量误差此产生的测量误差

44、为：为：SSSAA1H测量线刻尺分划面l1ll令高度令高度H与物镜与物镜的焦距的焦距f 相等，当相等，当尾架倾尾架倾 角时，分角时，分米刻线的象由米刻线的象由S 移移至至S ，则，则 Hfl 1)( tgf 故仪器的实际误差故仪器的实际误差 l l为：为：SSSAA1H测量线刻尺分划面l1ll从设计的角度分析，从设计的角度分析，测长机违背了阿贝原测长机违背了阿贝原则则，但由于运用了棱，但由于运用了棱镜镜透镜补偿原理，透镜补偿原理，因而达到很高的测量因而达到很高的测量精度，这是综合补偿精度，这是综合补偿阿贝误差的结果。这阿贝误差的结果。这种补偿原理称为种补偿原理称为爱彭爱彭斯坦光学补偿原理斯坦光

45、学补偿原理，是通过结构布局随机是通过结构布局随机补偿阿贝误差。补偿阿贝误差。（2）利用测得值校正导轨运动方向）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以高精度激光二坐标测量机为例说明 674321551-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1-底座底座 2下工作台下工作台 3上工作台上工作台 4滚珠轴承滚珠轴承 5弹性顶块弹性顶块 6、7压电陶瓷组合体压电陶瓷组合体2aa9987654321 直流升压器积分开关 前级放大器积分器光电显微镜电箱光源 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

46、上工作台 9压电陶瓷平移测量及校正原理图平移测量及校正原理图1-光源光源 2细丝分划板细丝分划板 3长焦距透镜长焦距透镜 4五角棱镜五角棱镜 5直角棱镜直角棱镜 6光电显微镜瞄准狭缝光电显微镜瞄准狭缝 7光电接收器光电接收器 8上工作台上工作台 9压电陶瓷压电陶瓷当上工作台在移动过程中发生平移发生平移时，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，使上工作平台发生平移至光电显微镜输出为零使上工作平台发生平移至光电显微镜输出为零。87654321准直透镜组 2全反射镜 3角耦棱镜 4五角棱镜

47、 5直角棱镜 6光电显微镜瞄准狭缝 7光电接收器 8角耦棱镜积分开关直流升压器积分器第一、二位8.4.2.1编码的各线第三位8.4.2.1编码的8线判向开关电路可逆计数器电箱转角测量及校正原理图转角测量及校正原理图1-准直透镜组准直透镜组 2全反射镜全反射镜 3角耦棱镜角耦棱镜 4上工作台上工作台 5压电陶瓷压电陶瓷 6分光镜分光镜 7光电接收器光电接收器 8角耦棱镜角耦棱镜这里采用了激光小角度激光小角度测量法测量法。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转动，角隅棱镜3相对于角隅棱镜8的光光程差将有增大或缩小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

48、，使压电陶瓷使压电陶瓷5作相应的作相应的伸长或缩短伸长或缩短，以补偿补偿上工作台在移动过程中产生的转角转角。（3）直接补偿（利用测量值修正测量结果）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以动态准直仪来检测导轨误差的电学补偿方法( (实时补偿实时补偿概念，计数器直接补偿概念，计数器直接补偿) )直接补偿原理图直接补偿原理图（4）布莱恩建议）布莱恩建议 阿贝误差产生的主要原因：阿贝误差产生的主要原因：由于运动件在移动过程中产由于运动件在移动过程中产生生造成的。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：布莱恩建议将阿贝原则表达成具有更普遍的含义。即

49、：“。”遵守了上述三条中的一条，即遵守了上述三条中的一条，即遵守了遵守了。布莱恩的三条建议可简单地表示为：布莱恩的三条建议可简单地表示为：一条线；一条线；没有没有角运动；角运动；测出和算出位移量，加以补偿。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有区别的。这一内容并没有包含在阿贝原理的原意之中，因此布莱恩原则和阿贝原理的原意之中，因此布莱恩原则和阿贝原则并列为则并列为两个最基本两个最基本的设计原则和测量原的设计原则和测量原则则（是（是

50、）。）。 结合图分析为何当滑块绕结合图分析为何当滑块绕O O点为圆心发生摆动时，测端处于点为圆心发生摆动时，测端处于A A的位置的位置可以补偿阿贝误差，而处于可以补偿阿贝误差，而处于A1A1或或A2A2两个位置均不能补偿阿贝误差。两个位置均不能补偿阿贝误差。：应尽量避免在仪器工作过程中，因应尽量避免在仪器工作过程中，因或因受或因受而引起的仪器结构变形或仪器状态而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化。和参数的变化。例如：仪器承重变化例如：仪器承重变化 仪器结构变形仪器结构变形 外界温度变化外界温度变化 仪器或传感器结构参数变化，导致光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