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1、 第二章 光电检测系统设计的基本原则九个基本原则：一匹配原则（光电匹配、精度匹配）见P121.光电匹配光电匹配是系统设计中必须考虑的问题。其内容主要包括1）根据被测目标的辐射特性，合理选择满足目标光谱特性的光源（包括光源的光谱特性、功率、寿命、灯丝形状等）。2）根据被测信号的光谱特性选择与之匹配的光电探测器（包括深测器的频率响应，光谱响应、灵敏度、暗电流、探测器形状等）。3)根据光源、探测器特性和总体要求设计与之匹配的光学系统（照明系统和光电变换光学系统）。其中包括光学元件材料的 选取，膜系设计等。光源目标光学系统探测器2.精度匹配在光电系统的精度设计中，光、机、电各部分的精度一般应该和系统总
2、精度相匹配，而系统总精度也应与使用要求相适应，无限制的提高系统的总精度不仅对检测无益，而且还会导致成本提高，稳定性下降。根据实际设计经验，拟出以下几条作为2 / 18设计时参考：1）测量系统的总精度值可根据被测工件的公差值和同一尺寸被测量的次数或成品筛选的合格率要求确定。一般为：测量系统总精度应为被测工件的公差值的1/21/10；2).仪器的分辨率（或最小脉冲当量）一般取仪器总精度的1/21/5；3).在精度设计时，仪器的总系统误差一般为仪器总误差的1/3。 例：被测件的公差=|0.01-(-0.01)|=0.02mm则光电检测系统总精度=(1/21/10)0.02=0.010.002mm仪器
3、的总系统误差=(0.010.002)1/3 mm二阿贝比较原则三运动学原则 原动件数目等于自由度数，按自由度确定约束数。四统一基面原则（设计、工艺、测量基准统一）五最小变形原则使仪器变形小（刚度大、热稳定性好），补偿变形。 六经济原则 社会价值V=F/CF：产品功能；C：成本。要求：功能多、成本低，则价值高。 七系列化原则 八通用化原则 九标准化原则2-1 阿贝比较原则一结构型式对测量误差的影响 1. 并联型式(一) 导轨无误差,则没影响(二) 导轨有误差时:瞄准显微镜M1M2悬臂支架XYZa标准件被测件 图1 并联型式. 悬臂支架沿X, Y, Z轴平移,两个显微镜作同样运动,则对测量无影响。
4、(导轨有间隙的情况). 悬臂支架 绕X、Z轴转动, 则对测量无影响。(绕X轴转动,离焦,不影响测量; 绕Z轴转动, 显微镜在X方向移动量相同, 不影响测量). 绕Y轴转动, 对测量有影响YXZM1M2M1M21标准件轴线被测件轴线a1=atg =a(+1/33+2/155+)a (一阶误差, 即阿贝误差)例: 令a=100mm=10 秒化弧度系数: =2062652105则1=a10/=5m 2. 串联型式 (缺点:体积大)被测件标准件M1M2XYZC图2 串联型式. 悬臂支架沿X, Y, Z轴平移,两个显微镜作同样运动,则对测量无影响。(导轨有间隙的情况).悬臂支架绕X轴转动, 显微镜离焦,
5、不影响测量。. 绕Y轴转动, 对测量有影响2cYcM2M1M2XZ2=CCcos =C(1 cos) =C1(12/2！+4/4！)C2/2瞄准cM2M1M1ZYHc2瞄准XO. 绕Z轴转动, 对测量有影响2=OHC =C/cosC =C(sec1) =C(1+2/2！+1) C2/2串联型式,绕Y, Z轴转动引起的总误差2=2+2=C2,为二阶误差。在很小时, 2比1小很多(见表21)。表2-1 不同角时并联与串联安装的误差比52130101301011/22.35.711.5236968813304160400003.横向移动式绕Y, Z轴转动的测误差(类似于2)Y=Z= C2/2HC工件
6、M2M1XYZ标准件瞄准显微镜M1, M2对固定长度测量方便, 属于二阶误差,远小于1 。L全长R二、导轨不直度与测量误差的关系已知: 导轨全长的角误差(秒) , 水平、垂直方向分别绘出计算;导轨全长L ; 测量长度 ; ; =50mm ; L=200mm。 求: 测量长度内导轨角误差解: 导轨不直度误差视为半径为R的圆弧。正比关系 阿贝误差则 (23)式式中: a为测量轴线到基准轴线的距离。为秒化弧度系数, =2105, 1角秒附录: 导轨不直度测量: 导轨不直度原因: 应力(时效) 变形(重力)2NN反射镜望远镜导轨不直度误差视为半径为R的圆弧, 其测量方法是用自准直仪测量, 反射镜每在一
7、个位置, 就在自准直仪上读数xi , 即为所测i。R原理: 刻普勒望远系统, 物镜与目镜的公共焦面上设置有十字线分划板, 上面的十字线经物镜、反射镜,再返回物镜成实像在公共焦面上, 物、像之间垂直距离为xi , xi =f1tg2f12xi2f1-f2目镜L2物镜L1视场光栏不直度i= (秒)应光图1436 P409三. 结论1. 只有当导轨存在不直度误差, 且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差(一阶误差)。2. 阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。3. 在违反阿贝原则时,测量长度为的工件所引起的阿贝误差是总阿贝误差的/L 。4.为避免产生阿贝误差, 在测量长度时, 标准件轴线应安置在被测件
8、轴线的沿长线上阿贝原则。(要串联, 不要并联)。5.满足阿贝原则的系统, 结构庞大。问题：能否找到一种既采用并联，体积小（长度短），又没有阿贝误差的系统？答案是肯定的：误差补偿。见“艾宾斯坦原理”四. 艾宾斯坦原理棱镜、透镜原理这种仪器解决用较短的工作台(标准件与被测件并联)，在测量长度时不产生阿贝误差 投影测长机5（床身）6（毫米刻尺）4（头架）3（读数显微镜）2（光学计）1（被测件）7（分米分划板）图2-6 测长机示意图8（尾架）1002001000900800lH12S(透镜焦点)S(透镜2焦点)S测量轴线刻尺分划面（标准轴线）AA工件长aBDHSSf0100透镜1透镜22CB(一).
9、导轨制造误差转变为测量位置的阿贝误差:1=CD =DB+C B =(Hsin+cos) = Hsin2sin2(/2) H2/2(二). 棱镜、透镜原理(艾宾斯坦原理)消除阿贝误差分米双刻线在头座毫米分划板上的S像从右移到S(使读数减小)SS=2= ftgf实际测量误差:=12= H2/2f=(Hf) 2/2设计中取H=f, 则=2/2 因此, 按艾宾斯坦原理设计的测长机消除了阿贝误差(一阶误差),而且,体积小。例: 测长机技术参数为:H=1801 mmf=1801 mm15 (一米测长机)=205 mm按艾宾斯坦原理设计的误差(只计尾座倾斜) 若没有补偿,则极限阿贝误差:1= H2/2 =0
10、.0135 mm =13.5m可见误差补偿大大降低了仪器测量的系统误差, 提高了测量精度。表2-1 综合考虑头、尾座运动在测量过程中可能产生的误差尾 座头 座综合测量误差000注：1.表中假设头尾座运动直线性相同为。作业：P15 3，4题3 用阿贝比较原则分析游标卡尺和千分尺测量工件长度的精度高低。402025被测工件读数鼓轮丝杆第4题图4 小型测量显微镜上测一工件纵向尺寸（通过实验），这样测量是否合乎阿贝原则？若已知仪器全长50毫米测量范围内，导轨在垂直面和水平面内的直线度误差皆为问测量长度为20mm时两个面内的阿贝误差分别为多少？xyz0 友情提示：方案范本是经验性极强的领域，本范文无法思考和涵盖全面，供参考!最好找专业人士起草或审核后使用。