《測控儀器設(shè)計》 課件 第5-7章 精密機械系統(tǒng)的設(shè)計、測量儀器電路設(shè)計、光電系統(tǒng)設(shè)計

第五章

精密機械系統(tǒng)的設(shè)計1

本章在對測控儀器常用各種機械系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，重點對系統(tǒng)精度和性能影響較大的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，如基座（立柱等）、導(dǎo)軌、軸系及微位移系統(tǒng)等2第一節(jié)精密機械系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法一、精密機械系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計

計算機輔助設(shè)計，是利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計工作，簡稱CAD。在工程和產(chǎn)品設(shè)計中，CAD能夠減輕設(shè)計人員的勞動，縮短設(shè)計周期和提高設(shè)計質(zhì)量。主流CAD軟件：AutodeskInventor，SolidWorks,CATIA,SolidEdge,

Pro/E（CREO）,AutoCAD,

UGNX,0nespace等。3二、模塊化設(shè)計

20世紀(jì)50年代“模塊化設(shè)計”概念被正式提出，它是指在對一定范圍內(nèi)不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場不同需求的設(shè)計方法。

4二、模塊化設(shè)計在長期的儀器設(shè)計實踐中，很多機械部件已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)的、系列的模塊化部件。比如滾動導(dǎo)軌組件，精密基準(zhǔn)部件（長度基準(zhǔn)件，角度基準(zhǔn)件），瞄準(zhǔn)部件（標(biāo)準(zhǔn)CCD相機和鏡頭等）。在設(shè)計過程中，對儀器的機械系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，對于專用部件進(jìn)行專門設(shè)計，對于通用模塊可以選用標(biāo)準(zhǔn)模塊。模塊化設(shè)計有如下優(yōu)點：1）設(shè)計和制造時間短；2）有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品開發(fā)；3）有利于降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。4）維修方便。產(chǎn)品維修時,須更換損壞的模塊,維修方便、快捷。5三、反求工程設(shè)計反求工程也稱為逆向工程、反向工程，是針對消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和技術(shù)的綜合。實物反求通過一定的測量手段對實物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)CAD模型的過程。

6三、反求工程真實的對象可以通過如三坐標(biāo)測量機，激光掃描儀，結(jié)構(gòu)光源轉(zhuǎn)換儀或者X射線斷層成像這些3D掃描技術(shù)進(jìn)行尺寸測量。3-matic、Imageware、PolyWorks、Rapidform或者Geomagic，這些軟件都提供了將頂點云變成能可視圖像或者被其他應(yīng)用軟件，如3DCAD、CAM、CAE識別的格式的功能。但應(yīng)該強調(diào)，作為一個國家、民族，為發(fā)展科技和振興經(jīng)濟，不能全靠反求來生存；鼓勵獨立的創(chuàng)造性永遠(yuǎn)是主旋律或主題7現(xiàn)代設(shè)計方法總結(jié)現(xiàn)代設(shè)計方法的核心是充分發(fā)揮人的創(chuàng)造能力，利用各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段使人從繁復(fù)的具體工作中解放出來，進(jìn)行創(chuàng)造性的思維，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新。8第二節(jié)儀器的支承件設(shè)計一、基座與立柱等支承件的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要求9結(jié)構(gòu)特點：1）結(jié)構(gòu)尺寸較大2）結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜設(shè)計要求101）具有足夠的剛度，力變形要小2）穩(wěn)定性好，內(nèi)應(yīng)力變形小3）熱變形要?。?）嚴(yán)格控制工作環(huán)境溫度（2）控制儀器內(nèi)的熱源（3）采取溫度補償措施4）有良好的抗振性提高儀器抗振性措施11（1）減輕重量，提高固有頻率（2）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高靜剛度（3）減小內(nèi)部振源影響（4）采取隔振措施

二、基座與立柱等支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(一)剛度設(shè)計12

（1）有限元分析法

（2）模型仿真分析法(二)基座與支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）正確選擇截面形狀與外形結(jié)構(gòu)

（2）合理地選擇和布置加強肋增加剛度

橫截面積相同時不同斷面形狀慣性矩的比較斷面形狀實心圓形

實心方形空心圓形空心方形空心矩形抗彎慣性矩（相對值）11.043.033.217.33抗扭慣性矩（相對值）10.885.041.270.2813有限元分析結(jié)果14空心方最大變形：0.44mm空心圓最大變形：0.467mm空心長方最大變形：0.20mm空心長方最大變形：1.19mm實心圓最大變形：1.95mm實心方最大變形：1.31mm15

肋的布置形式

二、基座與立柱等支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(一)剛度設(shè)計（1）有限元分析法（2）仿真分析法

(二)基座與支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）正確選擇截面形狀與外形結(jié)構(gòu)（2）合理地選擇和布置加強肋增加剛度16

（4）良好的結(jié)構(gòu)工藝性，減小應(yīng)力變形

（5）合理地選擇材料

（3）正確的結(jié)構(gòu)布局，減小力變形合理布置支撐點精密儀器基座支撐點均為三點171819常用的材料儀器支撐件用常用材料有鑄鐵、鋼板、花崗石等鑄鐵材料常用灰口鑄鐵HTl50、HT200、HT250，球墨鑄鐵QT40-17和QT42-10尺寸較小的基座或支架也可用鋼板焊接而成，常用鋼板材料為Q215、Q235和Q255國內(nèi)外采用花崗石制造基座、支承件日益普遍，我國制造的三坐標(biāo)測量機等大中型儀器基座許多都用“泰山青”花崗石制作20儀器中采用金屬支承件21花崗石具有許多優(yōu)點：

1）穩(wěn)定性好222）加工簡便3）溫度穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)均很小4）吸振性好5）不導(dǎo)電，不磁化，抗電磁影響性能好6）維護(hù)保養(yǎng)方便7）價格便宜儀器中常用的大理石支承件23課堂討論：如何設(shè)計二維視覺測量機的支承件？24第三節(jié)儀器的導(dǎo)軌及設(shè)計

一、導(dǎo)軌的功用與分類25導(dǎo)軌的基本功用：傳遞精密直線運動

按導(dǎo)軌面間摩擦性質(zhì)可分為

1）滑動摩擦導(dǎo)軌

2）滾動導(dǎo)軌

3）靜壓導(dǎo)軌

4）彈性摩擦導(dǎo)軌

二、導(dǎo)軌部件設(shè)計的基本要求（一）導(dǎo)向精度26導(dǎo)向精度是指動導(dǎo)軌運動軌跡的準(zhǔn)確度。

對一副導(dǎo)軌來說其直線度是非常重要的精度指標(biāo)，它取決于導(dǎo)軌面的幾何精度、接觸精度、導(dǎo)軌和基座的剛度、導(dǎo)軌油膜剛度及導(dǎo)軌與基座的熱變形等。

（1）導(dǎo)軌的幾何精度

27二、導(dǎo)軌部件設(shè)計的基本要求（一）導(dǎo)向精度導(dǎo)向精度是指動導(dǎo)軌運動軌跡的準(zhǔn)確度。對一副導(dǎo)軌來說其直線度是非常重要的精度指標(biāo)，它取決于導(dǎo)軌面的幾何精度、接觸精度、導(dǎo)軌和基座的剛度、導(dǎo)軌油膜剛度及導(dǎo)軌與基座的熱變形等。（1）導(dǎo)軌的幾何精度28（2）接觸精度

減少接觸面的表面粗糙度：滑動導(dǎo)軌—動導(dǎo)軌Ra0.8-0.2μm，靜導(dǎo)軌0.4-0.1μm。滾動導(dǎo)軌面Ra小于0.2μm（二）導(dǎo)軌運動的平穩(wěn)性29爬行現(xiàn)象

（三）剛度要求（四）耐磨性要求自重變形、局部變形、接觸變形耐磨性與摩擦性質(zhì)、導(dǎo)軌材料、表面處理工藝、加工工藝和受力情況有關(guān)思考題：靜、動導(dǎo)軌表面硬度誰應(yīng)更高？三、導(dǎo)軌設(shè)計應(yīng)遵守的原理和準(zhǔn)則

（一）運動學(xué)原理30導(dǎo)軌導(dǎo)向-運動學(xué)原理31三、導(dǎo)軌設(shè)計應(yīng)遵守的原理和準(zhǔn)則

（一）運動學(xué)原理32（二）彈性平均效應(yīng)原理（三）導(dǎo)向?qū)к壟c壓緊導(dǎo)軌分立原則33導(dǎo)軌布置圖1—橫向壓緊軸承2—橫向支承導(dǎo)軌

3—橫向支承滾動軸承4—基座5—橫向滑架6—縱向支承滾動軸承

7—縱向壓緊軸承8—縱向?qū)驅(qū)к?—縱向?qū)驖L動軸承10—橫向?qū)驅(qū)к?1—縱向滑架12—橫向?qū)驖L動軸承34四、滑動摩擦導(dǎo)軌及設(shè)計滑動導(dǎo)軌是支承件和運動件直接接觸的導(dǎo)軌。35優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單制造容易接觸剛度大

缺點:摩擦阻力大、磨損快動、靜摩擦系數(shù)差別大低速度時，易產(chǎn)生爬行。（一）滑動摩擦導(dǎo)軌的截面形狀

36αα要求掌握各截面形狀導(dǎo)軌特點和應(yīng)用場合（二）滑動摩擦導(dǎo)軌的組合形式及其特點

（1）V形和平面組合導(dǎo)軌37三角形和平面組合導(dǎo)軌導(dǎo)向性好

平導(dǎo)軌制造簡單

剛性好

應(yīng)用較為廣泛

缺點是導(dǎo)軌磨損不均勻，且牽引力的位置不在兩導(dǎo)軌的中間。

（2）雙三角形（V形）組合導(dǎo)軌

加工、檢驗和維修比較困難

需要較高的技術(shù)及精密的基準(zhǔn)研具進(jìn)行精研（3）雙矩形組合導(dǎo)軌38適用于承載較大的普通精度的設(shè)備注意三種方式的不同特點（4）燕尾組合導(dǎo)軌39（5）雙圓柱導(dǎo)軌燕尾導(dǎo)軌滑動摩擦導(dǎo)軌例子40滑動導(dǎo)軌主要尺寸的確定1、導(dǎo)軌寬度確定2、V型導(dǎo)軌的角度3、兩條導(dǎo)軌的間距4、運動件導(dǎo)軌的長度41一般取導(dǎo)軌間距1.2-1.8之間五、滾動摩擦導(dǎo)軌及設(shè)計

滾動導(dǎo)軌磨損小，保持精度持久性好，故在儀器中廣泛應(yīng)用42這種導(dǎo)軌是點或線接觸，故抗振性差，接觸應(yīng)力大。

（一）滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式及其特點滾動導(dǎo)軌按不同的滾動體可分為滾珠導(dǎo)軌滾柱導(dǎo)軌滾針導(dǎo)軌滾動軸承導(dǎo)軌等1．滾珠導(dǎo)軌43b）V形小圓弧導(dǎo)軌c）雙圓弧導(dǎo)軌（1）雙V形滾珠導(dǎo)軌運動靈敏度較高，能承受不大的傾復(fù)力矩

(2)雙圓弧滾珠導(dǎo)軌計量光學(xué)儀器中（如小型工具顯微鏡、投影儀等）使用

接觸面積較大，接觸點應(yīng)力較小，變形也較小，承載能力強、壽命長。

a）常用雙V形滾珠導(dǎo)軌經(jīng)典的立式滾珠導(dǎo)軌的設(shè)計-四周封閉型結(jié)構(gòu)44滑塊在外側(cè)滑塊在內(nèi)側(cè)（3）四圓柱棒滾道的滾珠導(dǎo)軌優(yōu)點：運動精度和靈活性較高，維修方便缺點是承載能力不大，故多適用于較輕巧的儀器上（如掩膜檢查顯微鏡工作臺）45（4）V形-平面滾珠導(dǎo)軌加工和裝配都方便缺點是左右兩排滾珠中心運動速度不一致萬能工具顯微鏡19JA就采用該型滾珠導(dǎo)軌

46

2．滾柱（針）導(dǎo)軌

（1）V形滾柱導(dǎo)軌承載能力比較大耐磨性能好靈活性不如滾珠導(dǎo)軌多用在重型儀器上GGB光電光波比長儀采用這種結(jié)構(gòu)，滾柱采用空心結(jié)構(gòu)

47（2）平面滾動導(dǎo)軌（滾珠或滾柱）

形狀簡單加工比較容易48

3．滾動軸承導(dǎo)軌

滾動軸承導(dǎo)軌摩擦力矩小運動靈活承載能力大調(diào)整方便用于大型儀器（如萬工顯、三座標(biāo)、測長機等）注意導(dǎo)軌滾動軸承與標(biāo)準(zhǔn)軸承的區(qū)別

49（二）滾動摩擦導(dǎo)軌的組合應(yīng)用（1）滾動與滑動摩擦導(dǎo)軌的組合應(yīng)用滾動軸承導(dǎo)軌摩擦力小，運動靈活，用做導(dǎo)向50（2）滾柱導(dǎo)軌與滾動軸承導(dǎo)軌的組合形狀簡單，加工容易

51（3）滾柱和滾珠導(dǎo)軌的組合靈活運用了滾珠導(dǎo)軌運動的靈活性和滾柱導(dǎo)軌承載大的優(yōu)點。滾珠直徑比滾柱大數(shù)微米（4）滾柱與長圓柱軸導(dǎo)軌組合輕載部件中使用

52滾動導(dǎo)軌計算1、運動導(dǎo)軌的長度2、滾動體的尺寸和數(shù)量3、強度與剛度計算53滾珠導(dǎo)軌剛度強度滾柱導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)滾動導(dǎo)軌的選用54a）兩滾道型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡圖b）四滾道型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡圖滾動直線導(dǎo)軌主要分為標(biāo)準(zhǔn)滾珠導(dǎo)軌和圓柱導(dǎo)軌。

1、標(biāo)準(zhǔn)滾珠導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)滾珠導(dǎo)軌的商業(yè)產(chǎn)品有兩滾道型和四滾道型。

55a）b）超小型LM導(dǎo)軌RSR系列a）RSR系列導(dǎo)軌b）RSR系列導(dǎo)軌的構(gòu)造圖56

LM導(dǎo)軌SR系列

LM導(dǎo)軌HSR系列a）57

交叉滾子導(dǎo)軌58六、靜壓導(dǎo)軌及設(shè)計要點

靜壓導(dǎo)軌是在動導(dǎo)軌與靜導(dǎo)軌之間，因液體壓力油或氣體靜壓力而使動導(dǎo)軌及工作臺浮起，兩導(dǎo)軌之間工作面不接觸，而形成完全的液體或氣體摩擦靜壓導(dǎo)軌的特點：摩擦系數(shù)極低，故沒有爬行，不產(chǎn)生磨損，壽命長，驅(qū)動功率小精度高導(dǎo)軌的承載能力較大，剛度好抗振性好結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高，需要專門供油和供氣設(shè)備59（一）液體靜壓導(dǎo)軌

開式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理60

開式液體靜壓導(dǎo)軌工作原1—動導(dǎo)軌2—靜導(dǎo)軌3—節(jié)流器4—精濾油器5—液壓泵6—溢流閥7—濾油器8—油箱參數(shù)的計算——油腔形狀、數(shù)目及位置612~4個（2米內(nèi)），超過2米，間隔0.5~1m注意：直線運動開在運動件上，圓周運動開在固定導(dǎo)軌上導(dǎo)軌的寬度根據(jù)承載荷具體的計算參考《精密儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》P855~P56.參數(shù)的計算——導(dǎo)軌間隙及技術(shù)要求62導(dǎo)軌間隙即油膜的厚度h0，h0越小剛性越大，承載越大，平穩(wěn)性好，但受導(dǎo)軌幾何精度、表面粗糙度、零部件剛度和節(jié)流器的最小尺寸限制。根據(jù)經(jīng)驗，h0取0.01~0.03mm，大型設(shè)備h0取0.03~0.08mm；動導(dǎo)軌全長的直線度取h0的（1/3~1/4）；材料一般選用鑄鐵參數(shù)的計算——節(jié)流器的選擇與計算63小孔d0<0.45mm,長度l0=1~3mm，材料選黃銅或45鋼具體的計算參考《精密儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》P856~P861.可變節(jié)流器固定節(jié)流器：雙面薄膜反饋式，薄膜厚度一般為0.8~2mm64開式液體靜壓導(dǎo)軌的特點:①能較好的承受垂直載荷②結(jié)構(gòu)簡單，便于加工和調(diào)整；③節(jié)流器常采用毛細(xì)管式和單面薄膜反饋式。閉式液體靜壓導(dǎo)軌的特點：①承受載荷能力強；②運動精度比開式的好，動態(tài)性能也較好；③結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工和裝調(diào)比較麻煩；④節(jié)流器采用毛細(xì)管式或雙面薄膜反饋式65（二）空氣靜壓導(dǎo)軌

空氣靜壓導(dǎo)軌工作原理66

簡單氣墊氣體靜壓導(dǎo)軌特點工作平穩(wěn)、可靠運動精度高無磨損、無爬行承載力較低，導(dǎo)軌剛度較差需要一套清潔穩(wěn)定的壓縮空氣源67氣浮導(dǎo)軌的形式

a）閉式平面導(dǎo)軌型：導(dǎo)軌精度高，剛性大，承載能力也大，最適于作精密機械的長行程導(dǎo)軌。b）閉式圓柱或矩形導(dǎo)軌型：結(jié)構(gòu)簡單，不適用做長導(dǎo)軌，可用于高精度、高穩(wěn)定性的短行程工作臺的導(dǎo)軌。68c)開式重量平衡型:這是工作臺重量（包括負(fù)載）與空氣靜壓相平衡保持一定間隙的一種形式，其結(jié)構(gòu)簡單、零件加工也比較容易。但剛度小，承載能力低。d)開式真空吸附平衡型:其結(jié)構(gòu)與重量平衡型相同。由真空泵的真空壓力來限制工作臺的浮起量，因此，可以減少工作臺浮起間隙量，甚至可以減少到1μm，故可提高剛度。如何提高氣浮導(dǎo)軌的承載能力？a）采用閉式結(jié)構(gòu)b）增大空氣壓力c)減小浮起間隙d)載荷補償e)提高阻尼力，增加剛度69氣體支承技術(shù)研究進(jìn)程70氣墊的工作原理71氣墊參數(shù)的計算1.氣隙間壓力的分布：72氣墊參數(shù)的計算2.節(jié)流直徑d計算：根據(jù)質(zhì)量流量連續(xù)性條件73氣墊參數(shù)的計算3表壓比定義表壓比與間隙的關(guān)系當(dāng)Kb=0.69時，支撐剛度最大氣墊參數(shù)的計算2.節(jié)流直徑d計算：根據(jù)質(zhì)量流量連續(xù)性條件氣墊參數(shù)的計算承載能力W計算氣膜剛度計算氣墊參數(shù)的選取—圓形單噴嘴小孔節(jié)流環(huán)境氣壓：

pa=1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓供氣壓力：ps=(1.96~5.886)x105pa氣墊半徑：r2=10mm~25mm氣腔半徑：

r1=r2/（2~6）氣膜厚度：h=0.01mm~0.05mm氣腔深度:δ=(2~3)h表壓比：kb=0.69氣容比：V

δ

/Vh=(0.05~0.1)節(jié)流噴嘴直徑：按公式計算，一般在0.1~0.5mm之間課堂練習(xí)：氣浮導(dǎo)軌氣墊設(shè)計某儀器的空氣靜壓導(dǎo)軌的一個氣墊，作用于它上面總載荷為196.2N，氣膜剛度20N/μm，氣墊直徑不超過40mm，在20度左右環(huán)境工作，試設(shè)計圓形空氣靜壓氣墊。設(shè)計結(jié)果參考《精密儀器設(shè)計手冊》867-868頁氣墊的結(jié)構(gòu)形式79微溝式氣腔的氣墊圓形氣腔的氣墊其他氣墊的形式80氣墊組的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計81氣墊結(jié)構(gòu)設(shè)計82三坐標(biāo)測量機大理石導(dǎo)軌如何設(shè)計？83氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計84七、設(shè)計時導(dǎo)軌選擇要點（一）導(dǎo)軌形式的選擇

特性導(dǎo)軌名稱

導(dǎo)向精度運動平穩(wěn)性承載能力耐磨性使用環(huán)境成本滑動導(dǎo)軌較高較好大差要求不高低滾動導(dǎo)軌高較好較低較好要求較高較高液體靜壓導(dǎo)軌高好較大好要求高高空氣靜壓導(dǎo)軌高好較低好要求高高85第四節(jié)主軸系統(tǒng)及設(shè)計一、主軸系統(tǒng)設(shè)計的基本要求主軸系統(tǒng)設(shè)計的主要要求:是主軸在一定載荷下具有一定的回轉(zhuǎn)精度，同時還要求有一定的剛度和熱穩(wěn)定性（一）主軸回轉(zhuǎn)精度主軸回轉(zhuǎn)精度是指該主軸軸系的誤差運動的大小

1）回轉(zhuǎn)軸線

2）軸線平均線3）軸系的誤差運動86軸系的誤差運動分為:徑向誤差運動軸向誤差運動傾角誤差運動端面誤差運動主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)誤差（誤差運動）的評定方法以圓圖像求中心的方法作為評定中心，其概念與圓度測量的四種評定中心是一致的，即最小區(qū)域中心、最小二乘中心、最大內(nèi)接圓中心和最小外切圓中心87造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要原因主軸和軸套加工的尺寸誤差形狀誤差及主軸和軸套的裝配誤差主軸系統(tǒng)的剛度潤滑和阻尼現(xiàn)象88（二）主軸系統(tǒng)的剛度提高主軸剛性的措施891）加大主軸直徑2）合理選擇支承跨距3）縮短主軸懸伸長度4）提高軸承剛度

（三）主軸系統(tǒng)的振動

1）用橡膠聯(lián)接傳動

2）用金屬彈性元件聯(lián)接傳動

3）用直流電機直接傳動

（四）主軸系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性提高主軸系統(tǒng)熱穩(wěn)定性可采取如下措施

:1）正確選擇和設(shè)計軸系2）合理選擇推力支承位置3）減小熱源影響4）采用熱補償措施90（五）合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)，減小力變形（六）主軸系統(tǒng)的壽命

91帶軸肩的主軸結(jié)構(gòu)儀器用軸系的種類92軸系的設(shè)計關(guān)鍵問題討論93思考題2：常用軸系的截面形狀有哪些？可以旋轉(zhuǎn)的形狀：如圓柱形，圓錐形，球形思考題1：軸系設(shè)計應(yīng)遵守原則原理？運動學(xué)原則、平均彈性效應(yīng)原理、承載和導(dǎo)向兼顧圓度儀激光跟蹤儀思考題1：以下兩臺儀器的軸系的如何設(shè)計？95

二、精密油膜滑動軸承軸系結(jié)構(gòu)及設(shè)計（一）圓柱形軸承軸系結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大

，精度不高，摩擦力矩大角運動誤差：（二）半運動式圓柱形軸承軸系應(yīng)用十分廣泛的經(jīng)緯儀軸系的典型結(jié)構(gòu)

特點:精度高，摩擦力矩小，加工難度大。

96

半運動式柱形軸承軸系角運動誤差：（三）錐形滑動軸承定心精度高，磨損后可補償。對溫度變化敏感，加工復(fù)雜0.2μm回轉(zhuǎn)精度

97

圓錐形滑動軸系（四）V形弧滑動軸承軸系潤滑油液中，因而使雙周晃動油團無法沿圓周運動而被破壞。消除了雙周晃動誤差，精度高

精度可以達(dá)到0.035μm已成功地應(yīng)用在度盤檢查儀、碼盤光電檢驗儀、圓分度光電檢驗儀和圓刻劃機等低恒速轉(zhuǎn)動儀器上98刻劃機V形弧滑動軸承軸系三、滾動摩擦軸系及設(shè)計（一）標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承軸系99結(jié)構(gòu)簡單；制造安裝維修方便；回轉(zhuǎn)精度（可達(dá)2μm）標(biāo)準(zhǔn)軸承選擇時需要注意事項100結(jié)論：前軸承內(nèi)環(huán)精度對主軸精度影響大，后軸承內(nèi)環(huán)影響小。

后軸承的精度可以選擇得低些，通常比前軸承的精度可低一級。三、非標(biāo)滾動軸系及設(shè)計（一）單列滾動軸承軸系

1、結(jié)構(gòu)特點：1）上下圓錐部分各有一列滾珠22）結(jié)構(gòu)緊湊101單列滾珠軸承3、應(yīng)用：結(jié)構(gòu)簡單緊湊；具有較高的徑向精度（可達(dá)0.5μm）；具有高的軸向精度（2μm）2、設(shè)計要點：滾珠接觸點連線與錐面素線延長線交于軸線同一點；滾珠誤差小于0.1μm三、非標(biāo)滾動軸系及設(shè)計（一）單列滾動軸承軸系

1、結(jié)構(gòu)特點：徑向精度由基圓盤1的內(nèi)孔、主軸2的外圓及二列單排的滾珠6保證；軸向精度由基圓盤的端面A、主軸軸肩端面B及介于兩者之間滾珠7保證；結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便，精度較高。頂尖3與主軸分成兩體，用4個小螺釘5可以方便地調(diào)節(jié)頂尖座4，使頂尖與主軸中心重合102漸開線齒形儀主軸系統(tǒng)3、應(yīng)用：結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝維修方便；具有較高的回轉(zhuǎn)精度（可達(dá)0.1μm）；在小型、低速輕載儀器中獲廣泛應(yīng)用。2、需要計算主要參數(shù)：

滾珠直徑、滾珠個數(shù)、滾珠誤差單列滾動軸承參數(shù)的確定1）滾珠直徑d軸向：考慮承載載荷在不影響靈活性條件下，盡量選小的滾珠103徑向：考慮徑向尺寸和精度的影響

滾珠直徑：在滿足精度基礎(chǔ)上，考慮結(jié)構(gòu)緊湊，采用小滾珠。2）滾珠數(shù)目Z：軸向徑向N棱圓度波峰數(shù),m指數(shù)，取正整數(shù)一般d取3~8mm（二）密珠軸承軸系密珠軸承軸系特點：由主軸、軸套和密集于二者之間的具有過盈配合的滾珠所組成，密集的滾珠近似于多頭螺旋線排列，每個滾珠公轉(zhuǎn)時沿著自己的滾道滾動，互不重復(fù)，減小了滾道磨損，使軸承的精度得以長期保持。

應(yīng)用：成本較低且使用方便、壽命長、精度也較高承載能力不大，適用于輕載、低速小型儀器中徑向回轉(zhuǎn)精度0.1μm1042．密珠軸承設(shè)計要點（1）滾珠的密集度（48/108）（2）滾珠的排列方式（3）過盈量的確定：過盈量與軸和套的尺寸、零件的加工誤差、軸承承受的載荷等因素有關(guān)一般取1.5-12μm(徑向3~5/軸向5-7μm)105密珠軸系實例106四、氣體靜壓軸承軸系性能對比107四、氣體靜壓軸承軸系結(jié)構(gòu)及設(shè)計空氣靜壓軸承軸系的典型結(jié)構(gòu)（1）圓柱型空氣靜壓軸承軸系108

圓柱形空氣靜壓軸承軸系1一進(jìn)氣嘴2一過濾片3一外罩4一軸承套5一徑向節(jié)流孔6一軸向節(jié)流孔7一氣浮軸8一上止推板9一寶石軸承l(wèi)O一襯套11一連接板12一下止推板軸向剛度200N/μm徑向剛度40N/μm軸向承載力1000N

氣體靜壓軸承是以一定恒壓的凈化空氣充滿軸承套與軸之間，并以其為潤滑介質(zhì)構(gòu)成的軸承。1）由于空氣粘性極小，因此幾乎沒有摩擦力矩，旋轉(zhuǎn)靈活，無磨損，工作中不用維修調(diào)整，具有可以在特殊環(huán)境下使用的優(yōu)點。2）由于氣膜對軸承零件的加工誤差有平均作用，構(gòu)成軸系后的回轉(zhuǎn)精度可比軸承副零件精度有很大提高。3）目前空氣靜壓軸承的回轉(zhuǎn)精度已高達(dá)0.01μm，因此常用作為高精度儀器的軸承。（2）圓球與圓柱混合型空氣靜壓軸承軸系獲得美國專利的混合型空氣靜壓軸承軸系109圖4-72混合形空氣靜壓軸承軸系1一進(jìn)氣孔2一主軸3一凸球4一進(jìn)氣口5、6、8一凹半球7一軸套9一凸半球型圓柱軸承套10一壓簧11一支承板回轉(zhuǎn)精度0.038μm;軸向剛度82N/μm;徑向剛度25N/μm氣體軸承參數(shù)的選取—環(huán)形孔節(jié)流環(huán)境氣壓：

pa=1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓供氣壓力：ps=(1.96~5.886)x105pa氣腔直徑：Ф4~Ф5mm氣腔深度:δ=0.14~0.2mm氣膜厚度：h=0.01mm~0.03mm，大多數(shù)0.01~0.018mm節(jié)流孔直徑：按公式計算，一般在0.14~0.3mm之間軸套和軸徑形狀誤差：在0.2~0.4μm以內(nèi)詳細(xì)設(shè)計計算參考《精密儀器設(shè)計手冊》

五、液體靜壓軸承軸系及設(shè)計特點:1）形成液體摩擦，摩擦力極小，幾乎無磨損，壽命長，轉(zhuǎn)動靈活，消耗功率小2）與氣體靜壓軸系相比剛度更高，承載能力大，常用于大型或重型儀器上，在機床上應(yīng)用比較廣泛。3）回轉(zhuǎn)精度較高，可達(dá)0.05μm。由于油液分子的平均作用，使軸系回轉(zhuǎn)精度可高于零件加工精度。4）抗振性好于氣體靜壓軸承。5）需要一套高質(zhì)量的供油系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)復(fù)雜化而且成本也較高。111（一）工作原理112圓度儀用液體靜壓軸承軸系原理圖1—濾油網(wǎng)2—液壓泵3—溢流閥4—精濾油器5—節(jié)流器6—軸承1）徑向回轉(zhuǎn)精度較高，可達(dá)0.1μm。2）承重1000N113動壓軸承軸系結(jié)構(gòu)特點:回轉(zhuǎn)精度高，可達(dá)0.025μm。承載能力較大。剛性較好。動態(tài)情況下無磨損，壽命長。制造使用和維修都比較方便，結(jié)構(gòu)比液體靜壓簡單，不需要油泵站。起動時主軸和軸承剛性接觸，有磨損，低速大載荷油膜難以建立。主軸只能向油楔減小方向轉(zhuǎn)動，不能反轉(zhuǎn)。114獲得動壓的條件1.有斜楔2.轉(zhuǎn)速均勻3.轉(zhuǎn)動方向固定4.有潤滑115圓度儀動壓軸承軸系（英國R.T.H）軸系的比對

特性軸系名稱回轉(zhuǎn)精度轉(zhuǎn)動靈活性承載能力耐磨性使用環(huán)境成本滑動軸系圓柱滑動軸系2~10μm

較差大差要求較低低圓錐滑動軸系0.2μm

滾動軸系標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承軸系0.5μm

較好較大較好要求較高較高單列非標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承軸系0.2μm

密珠軸系0.1μm

液體靜壓軸系0.05μm

好大好要求高高氣體靜壓軸系0.01~0.02μm

好較大好要求高高動壓軸系0.025μm

好較大好要求高高116第五節(jié)微調(diào)與微位移機構(gòu)及設(shè)計微調(diào)機構(gòu)使儀器某一部件在小范圍內(nèi)進(jìn)行緩慢而平穩(wěn)地微量移動，獲將其調(diào)整到所需要的精確位置的一種機構(gòu)。117（二）光學(xué)機械式微調(diào)機構(gòu)：螺旋-光楔，機械-莫爾條紋，機械-光干涉技術(shù)等。達(dá)到亞微米級或更高（一）機械式微調(diào)機構(gòu)：杠桿、凸輪、楔塊、螺旋、彈性機構(gòu)等，達(dá)到微米或亞微米量級（三）利用材料物理性能：熱效應(yīng)，磁致伸縮，壓電效應(yīng)，電致伸縮。達(dá)到亞微米級或納米級第五節(jié)微位移機構(gòu)及設(shè)計微位移技術(shù)是一行程小、分辨力和精度都很高的技術(shù)，其精度要達(dá)到亞微米和納米級應(yīng)用微位移技術(shù)的系統(tǒng)稱為微系統(tǒng)它由微位移機構(gòu)、精密檢測裝置和控制裝置三部分組成118微位移機構(gòu)控制系統(tǒng)檢測裝置第五節(jié)微位移技術(shù)應(yīng)用119微位移技術(shù)應(yīng)用精度補償微進(jìn)給微調(diào)微執(zhí)行機構(gòu)微位移結(jié)構(gòu)組成和分類微位移機構(gòu)（或稱微動工作臺）由微位移器和導(dǎo)軌兩部分組成。微位移器種類如下：120利用材料物理性能：熱效應(yīng)，磁致伸縮，壓電效應(yīng)，電致伸縮。達(dá)到亞微米級或納米級121122如何突破光學(xué)分辨極限？直到微位移系統(tǒng)出現(xiàn)共焦顯微鏡原子力顯微鏡一、微驅(qū)動器件（1）壓電及電致伸縮器件：在微位移器件中，壓電及電致伸縮器是應(yīng)用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)工作的，即電介質(zhì)在外電場作用下產(chǎn)生應(yīng)變。電介質(zhì)在外加電場作用下的應(yīng)變與電場的關(guān)系為:123

具有壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的材料稱為壓電材料。常用壓電材料是壓電陶瓷，尤其是以鋯酸鉛和鈦酸鉛組成的固溶體使用更為普遍，以Pb（鉛）、Zr（鋯）、Ti（鈦）這三種元素符號的第一個字母組成PZT來代表。

壓電器件和電致伸縮器件結(jié)構(gòu)緊湊體積小，位移分辨力高，控制簡單，不發(fā)熱，抗干擾性好，動態(tài)特性好，因而是理想的微位移器件，分辨力可達(dá)到0.001μm甚至更高，定位精度可達(dá)±0.01μm。壓電器件原理在壓電材料表面施加壓力可以產(chǎn)生電荷。這種直接壓電效應(yīng)，也稱發(fā)電機或傳感器效應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。反之，施加一定電壓時，逆壓電效應(yīng)可以改變此類材料的長度，將電能轉(zhuǎn)換成機械能。124壓電器件原理單晶和多晶鐵電陶瓷中都可產(chǎn)生壓電效應(yīng)。而鈦酸鋇BaTiO3）和鋯鈦酸鉛（PZT）多晶鐵電陶瓷表現(xiàn)出較大的位移。（1）壓電器件材料和結(jié)構(gòu)125單晶和多晶鐵電陶瓷中都可產(chǎn)生壓電效應(yīng)。而鈦酸鋇BaTiO3）和鋯鈦酸鉛（PZT）多晶鐵電陶瓷表現(xiàn)出較大的位移。（2）壓電器件計算126（2）壓電器件參數(shù)計算127壓電器件特點128優(yōu)點：高分辨率：電能直接轉(zhuǎn)化為機械能，亞納米級。高載荷：最高可達(dá)到幾噸的負(fù)載；高剛度：剛度1~2000N/μm,抗壓極限在10~100KN；動態(tài)性能好：響應(yīng)時間可達(dá)幾微秒，實現(xiàn)10000g加速度變化率；低能耗：工作時基本不產(chǎn)生熱量；無磨損：上億次耐久試驗；真空潔凈兼容且無磁場，可在極端環(huán)境下使用缺點：行程短：幾十到幾百微米，特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計可達(dá)幾毫米。高工作電壓：幾百伏，甚至可達(dá)上千伏；遲滯和漂移；增大行程設(shè)計-杠桿結(jié)構(gòu)129行程可達(dá)0.5~2mm尺蠖結(jié)構(gòu)-增大行程130分辨率20nm，位移理論上無限遠(yuǎn)

一、微驅(qū)動器件131（2）電致伸縮器件電致伸縮器件可以用相對較低的電壓獲得較大的位移驅(qū)動，如施加100～500V的電壓，獲得幾十微米的應(yīng)變量

電致伸縮器件與壓電器件一樣，都有滯后效應(yīng)，如圖所示。此外還有漂移現(xiàn)象，漂移量一般小于應(yīng)變范圍的15％。

（3）電磁驅(qū)動器

電磁驅(qū)動器是用電磁力來驅(qū)動微工作臺。微工作臺可用平行片簧導(dǎo)軌導(dǎo)向，也可用金屬絲懸掛導(dǎo)向。

132

電磁式驅(qū)動器位移分辨力約0.1μm，最大初始間隙800μm左右，線性范圍士100μm。電磁微驅(qū)動器方法簡單，驅(qū)動范圍大，但線圈通電流后易發(fā)熱，易受電磁干擾。電磁直接驅(qū)動器音圈電機、線性電機和力矩電機均為電磁直接驅(qū)動器。驅(qū)動器元件的力直接傳遞到移動的負(fù)載，一般由電流通過時將形成磁場的線圈和安裝有磁體的載體或磁性組件組成。133（1）音圈電機音圈電機：單相電機，可作和曾扁平性、矩形和圓柱形134音圈電機特點特點：大行程、高精度、高動態(tài)大行程：5mm到20mm高精度：0.02μm~0.5μm，0.01m分辨率高動態(tài)：100mm/s最大推力：幾N到~幾十N135直線電機直線電機：三項電機，是一系列至少3個音圈136直線電機直線電機：可串聯(lián)，實現(xiàn)任何所需行程，單邊或U形137有鐵芯：高動態(tài)、空間緊湊、高力密度無鐵芯：高速度、高加速度、高速穩(wěn)定性、無齒槽效應(yīng)直線電機特點特點：大行程、高精度、高動態(tài)、高載荷大行程：幾mm到幾百mm高精度：0.02μm~0.5μm，0.001μm分辨率高動態(tài)：500mm/s最大推力：幾十N到~幾百N138力矩電機力矩電機：實際上是一種沿徑向布置的線性電機，定子包含線圈，轉(zhuǎn)子包含磁鐵。139特點：高定位精度：可以0.1角秒（取決于編碼器）高載荷、高剛性：可達(dá)到0.2N*M~3500N*M高速度和加速度：~400RPM高動態(tài)性

（二）彈性摩擦導(dǎo)軌-片簧支撐

特點：無機械摩擦、無間隙、運動靈活，靈敏度高適用于位移范圍小且空間尺寸無嚴(yán)格要求的場所140

（三）彈性摩擦導(dǎo)軌-柔性鉸鏈特點：無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高柔性鉸鏈的類型（1）單軸柔性鉸鏈（2）雙軸柔性鉸鏈141由于宇航和航空等技術(shù)發(fā)展的需要，對實現(xiàn)小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)的支承，不僅提出了高分辨率的要求，而且對其尺寸和體積提出了微型化的要求。人們在經(jīng)過對各類型的彈性支承的實驗探索后，才逐步開發(fā)出體積小無機械摩擦、無間隙柔性鉸鏈。

142單軸柔性鉸鏈雙軸柔性鉸鏈a）交叉型b）圓桿型143144柔性鉸鏈設(shè)計145

特點：位移量比較小（幾十至幾百微米）；取t≥r核心問題：如何計算轉(zhuǎn)角剛度？146柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度計算147課堂實踐1：微驅(qū)動設(shè)計舉例分辨率小于0.05微米行程大于4微米推力大于20kg瞬態(tài)響應(yīng)時間小于100ms148彈性工作臺的設(shè)計要點t,R要滿足如下條件：1）柔性鉸鏈內(nèi)部應(yīng)力要小于材料許用應(yīng)力（微位移一般都滿足）2）輸出最大位移，鉸鏈彈性恢復(fù)力要小于微位移器的最大驅(qū)動力（壓電驅(qū)動力大于20kg）3）平臺剛性大，動態(tài)特性好（提高固有頻率）149彈性模量E=210GPa（45鋼）許用應(yīng)力0.58GPa取R=1.5mm，t=2mm,b=100mmKθ=0.39Eb=8190mm*kg/rad換算為剛度值,l取10mmK=4*(Kθ/l2)=327.6kg/mm=0.327kg/μmFmax=K*4=1.3kg<20kgM=1.8kg150計算固有頻率四、微位移結(jié)構(gòu)組成和分類柔性支承+壓電或電致縮位移驅(qū)動器；滾動導(dǎo)軌+壓電陶瓷或電致縮驅(qū)動器；平行彈性導(dǎo)軌+機械式或電磁、壓電、電致伸縮位移驅(qū)動器驅(qū)動；氣浮導(dǎo)軌+伺服電機或直線電機驅(qū)動；

滑動導(dǎo)軌+壓電驅(qū)動；151根據(jù)導(dǎo)軌形式和驅(qū)動形式,微位移機構(gòu)分為以下5類：四、典型的微位移機構(gòu)(1)柔性支承一壓電器件驅(qū)動的微位移機構(gòu)

柔性支承無間隙、無摩擦、不發(fā)熱壓電驅(qū)動精度高、無噪聲、不受溫度和電磁場影響、體積小、不老化，因而很容易實現(xiàn)0.l～0.001μm的微位移152（1.2）二維X-Y雙向微位移工作臺

153（R1+R2）/R1；（R3+R4）/R3；兩級放大

50~100μm位移（2）平行片簧導(dǎo)軌一電壓器件驅(qū)動的微位移機構(gòu)微工作臺用平行片簧導(dǎo)向無間隙，無摩擦精度高0.0lμm位移分辨力

154（3）滾動導(dǎo)軌一壓電器件驅(qū)動

155滾動導(dǎo)軌微工作臺原理圖導(dǎo)軌承片臺壓電陶瓷壓電陶瓷具有運動靈活、行程大、結(jié)構(gòu)較簡單、精度較高行程±9.5μm，定位精度±0.04

μm（自動分布重復(fù)光刻機）（4）平行片簧導(dǎo)軌一步進(jìn)電機及機械式位移縮小機構(gòu)驅(qū)動

1561571/50縮小比行程±50μm；分辨力0.05μm；精度±0.5μm。用途：半導(dǎo)體制造中，光學(xué)掩模二維移動機構(gòu)4.1杠桿式位移縮小機構(gòu)原理圖（5）平行彈簧導(dǎo)軌一電磁位移器驅(qū)動158行程較大；分辨力0.01μm；精度±0.2μm（6）氣浮導(dǎo)軌一步進(jìn)電機及摩擦傳動

159±0.1μm定位精度分布重復(fù)照相機上使用五、精密微動工作臺設(shè)計要點設(shè)計要求1）支承或?qū)к壐睉?yīng)無機械摩擦、無間隙。2）具有高的位移分辨力及高的定位精度和重復(fù)性精度。3）具有高的幾何精度，工作臺移動時直線度誤差要小，即顛擺、扭擺、滾擺誤差小，運動穩(wěn)定性好。4）具有較高的固有頻率，以確保工作臺具有良好的動態(tài)特性和抗干擾能力。5）工作臺最好采用直接驅(qū)動6）系統(tǒng)響應(yīng)速度要快，便于控制160（1）導(dǎo)軌形式的選擇1.彈性導(dǎo)軌包括平行片簧導(dǎo)軌和柔性支承導(dǎo)軌，它們無機械摩擦，無磨損，動、靜摩擦系數(shù)差很小，幾乎無爬行，又無間隙，不發(fā)熱，可達(dá)到很高的分辨率，是高精度微動工作臺常用的導(dǎo)軌形式，但它們行程小，只適合用于微位移。2.空氣靜壓導(dǎo)軌在移動需要大行程，分辨力達(dá)到亞微米的情況下，可用空氣靜壓導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，無機械摩擦、無磨損、無爬行，又具有減震作用，但成本較高。3.組合式大行程時用步進(jìn)電動機以機械減速機構(gòu)推動工作臺在空氣靜壓導(dǎo)軌上運動，而微位移時用壓電器件推動工作臺以彈性導(dǎo)軌導(dǎo)向運動。161（2）微動工作臺的驅(qū)動選擇1）電機驅(qū)動與機械位移縮小裝置

定位精度低于0.1μm。適于大行程，中等精度微位移場合。2）電熱式和電磁式機構(gòu)

易受電磁干擾，難以達(dá)到高精度，一般為O.1μm左右，行程較大，可達(dá)數(shù)百微米。音圈電機運動行程從幾微米到近百毫米，分辨率極高，可達(dá)到0.01μm。3）壓電和電致伸縮器驅(qū)動

分辨力可達(dá)納米級，驅(qū)動工作臺的定位精度可達(dá)O.01μm。但行程小，一般為幾十微米。162163課堂實踐2-共焦顯微鏡和原子力顯微鏡微位移設(shè)計如何突破光學(xué)分辨極限？直到微位移系統(tǒng)出現(xiàn)164共焦顯微鏡微位移機構(gòu)設(shè)計原子力顯微鏡的微位移機構(gòu)165166課堂實踐3-光刻機機械系統(tǒng)分析167課堂實踐-光刻機機械系統(tǒng)分析168ASML光刻機機械系統(tǒng)169課堂實踐-光刻機機械系統(tǒng)分析170宏微結(jié)合的運動機構(gòu)1.宏平臺(微米級)：陶瓷導(dǎo)軌+直線電機+光柵2.微平臺（納米級）：柔性鉸鏈+音圈電機+激光干涉171課堂實踐-光刻機機械系統(tǒng)分析清華大學(xué)研制的光刻機雙工作平臺172韋伯望遠(yuǎn)鏡支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)特點173支撐機構(gòu)設(shè)計要點1.輕量化設(shè)計：反射鏡后表面采用中空的“蛋架型”結(jié)構(gòu)支撐。2.材料選用高強度，溫度變形小的材料：鈹材料（極高硬度和穩(wěn)定性，輕質(zhì)材料）。3.鏡子的隔板背面裝配有一個由背板、支柱和電機組成的系統(tǒng)，實現(xiàn)六維調(diào)整，10nm精度。第六章

測控電路系統(tǒng)設(shè)計174第一節(jié)測控電路概述一、測控電路的作用二、測控電路的組成175三、測控電路的設(shè)計準(zhǔn)則設(shè)計準(zhǔn)則總線化準(zhǔn)則模塊化準(zhǔn)則電磁兼容性準(zhǔn)則內(nèi)部總線系統(tǒng)總線外部總線176第二節(jié)、測控電路的設(shè)計要求177設(shè)計要求精度要求響應(yīng)速度要求可靠性要求經(jīng)濟性要求信噪比分辨力輸入與輸出阻抗頻率特性穩(wěn)定性（漂移）量化誤差靈敏度線性度小型化要求第三節(jié)測控電路設(shè)計方法一、測量電路的設(shè)計1、測量電路的作用及組成信號轉(zhuǎn)換簡單運算信號調(diào)理作用178輸出模擬信號的傳感器測量電路組成框圖

179輸出數(shù)字信號的傳感器測量電路組成框圖

1802、信號調(diào)理電路

(1)放大電路速度要求增益要求阻抗要求穩(wěn)定性要求噪聲要求測量電路系統(tǒng)對放大電路的要求181

放大電路的設(shè)計方法主要取決于傳感器輸出信號的形式和后續(xù)電路（中央處理系統(tǒng)和控制電路）的輸入要求。

放大器設(shè)計時須注意的問題阻抗匹配問題漂移問題增益問題182（2）濾波電路(信號分離電路)按處理信號的形式不同模擬濾波器數(shù)字濾波器按濾波電路對信號的處理方式低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器183按濾波器設(shè)計方法巴特沃斯濾波器切比雪夫濾波器橢圓函數(shù)濾波器（2）濾波電路(信號分離電路)按濾波器傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)一階濾波器二階濾波器高階濾波器按濾波電路有無電源有源濾波器無源濾波器184按濾波電路主要元器件RC濾波器LC濾波器（3）調(diào)制解調(diào)電路185uctx0(a)調(diào)制信號t0(b)載波信號us0t(c)調(diào)幅信號

幅值調(diào)制調(diào)制就是用一個測量信號（稱為調(diào)制信號）去控制另一個作為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。186解調(diào)就是從已經(jīng)調(diào)制的信號中去除載波信號，提取反映被測量值的測量信號。只要能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線，就能夠?qū)崿F(xiàn)解調(diào)。這種解調(diào)方法稱為包絡(luò)檢波187VDRLC2Ti+us_+uo_非線性器件低通濾波器C1(a)二極管檢波電路VRLC2Tic+us_+_非線性器件低通濾波器uoEc(b)晶體管檢波電路

基本的包絡(luò)檢波電路精密檢波電路188(4)細(xì)分與辨向電路細(xì)分的基本原理是：根據(jù)周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個周期內(nèi)進(jìn)行插值，從而獲得優(yōu)于一個信號周期的更高的分辨力1891903、信號轉(zhuǎn)換電路191哈工大儀器學(xué)院光電測控與智能化研究所轉(zhuǎn)換電路的主要作用:將傳感器的輸出信號的形式進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，以期達(dá)到后續(xù)環(huán)節(jié)的要求。轉(zhuǎn)換電路阻抗／電壓轉(zhuǎn)換電路

電流／電壓轉(zhuǎn)換電路

模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

電阻應(yīng)變式傳感器電感式傳感器

壓阻式傳感器

0～20mA4～20mA

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)基準(zhǔn)電源穩(wěn)定度

線性誤差

轉(zhuǎn)換時間

二、中央處理系統(tǒng)設(shè)計1、中央處理系統(tǒng)的作用與組成中央處理電路的作用是對測量電路系統(tǒng)送來的信號進(jìn)行運算和處理，然后按照儀器的功能要求，向控制電路系統(tǒng)發(fā)出控制命令，并通過控制電路和執(zhí)行器對被控參數(shù)實行控制。它同時連結(jié)著測量電路和控制電路，即連接著信息流的輸入通道和輸出通道，因此它是整個電路系統(tǒng)的中心，同時也是整個測控儀器的神經(jīng)中樞。2、傳統(tǒng)的中央處理電路組成：（1）運算電路（2）特征值檢測電路（3）補償電路192三、控制電路設(shè)計1、控制電路的作用放大驅(qū)動信號隔離信號轉(zhuǎn)換作用1932、信號轉(zhuǎn)換電路194信號轉(zhuǎn)換電路數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路D/A脈沖寬度調(diào)制電路PWM脈寬調(diào)制技術(shù)是基于“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同”的原理工作的。1953、驅(qū)動電路1964、信號隔離電路197開關(guān)量的光電耦合隔離R1VccuiuoR2四、電源設(shè)計電源是整個測控系統(tǒng)的能量來源，更是測控儀器電路系統(tǒng)的電氣基準(zhǔn)，它對儀器系統(tǒng)的性能和可靠性具有直接的影響。對電源的要求輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)穩(wěn)定度可靠性體積198常用電源199五、電路系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)將系統(tǒng)的外部干擾稱為干擾來自內(nèi)部的干擾稱為噪聲

在實際的測控系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號。這些干擾有些來自電路系統(tǒng)外部，有些來自系統(tǒng)內(nèi)部。各種干擾對系統(tǒng)影響程度也各有不同，對于測量電路，干擾將會降低測量精度；對于控制電路，干擾將也可能產(chǎn)生誤動作，造成損失。因此，能否采取行之有效的抗干擾措施，是現(xiàn)代測控系統(tǒng)能否安全工作的關(guān)鍵。200噪聲源表征系統(tǒng)干擾主要指標(biāo):信噪比

S/N=10lg（PS/PN）=20lg(US/UN)201干擾源(1)來自信號通道的干擾（主要是由傳感器、開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、電路本身的固有噪聲產(chǎn)生。）(2)來自電源的干擾(3)來自空間的輻射干擾

（來自空間的各種電磁波和強電場的各種干擾）

(4)來自元器件和電路板的噪聲干擾的形式差模干擾：差模干擾是指能夠使接收電路的一個輸入端相對于另一輸入端產(chǎn)生電位差的干擾。202干擾的形式共模干擾：共模干擾是相對于公共的電位基準(zhǔn)點，在系統(tǒng)的接收電路的兩個輸入端上同時出現(xiàn)的干擾。203抗干擾的措施204抗干擾設(shè)計的基本原則是：抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑和提高敏感器件的抗干擾性能。抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的產(chǎn)生和大小，這是抗干擾設(shè)計中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。(1)信號通道干擾的抑制措施：1、開關(guān)量信號通道中干擾的抑制措施

濾除開關(guān)通道干擾的方法很多，但最為常用的是采用隔離措施，采用的器件主要是光電耦合器件2052、模擬量信號通道中干擾的抑制措施

用于模擬量通道抗干擾的器件很多，主要有耦合變壓器、扼流圈和光電耦合器等。(1)信號通道干擾的抑制措施：哈工大儀器學(xué)院光電測控與智能化研究所2062、模擬量信號通道中干擾的抑制措施

用于模擬量通道抗干擾的方式：采用同軸電纜，雙絞線，抗干擾磁環(huán)等(2)電源系統(tǒng)的抗干擾措施

207供電系統(tǒng)是強電干擾最為嚴(yán)重的地方，抑制電源干擾應(yīng)該從配電系統(tǒng)的設(shè)計上考慮，要截住從配電系統(tǒng)竄入的干擾。(3)空間干擾的抑制措施-屏蔽定義：屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧希ㄣ~或鋁）等制成的殼、板、套、筒等各種形狀的屏蔽體將防護(hù)部分隔離起來，將電磁能限制在一定的空間。208靜電屏蔽：金屬容器與大地連接。電磁屏蔽：導(dǎo)電材料做成屏蔽層低頻屏蔽：坡莫合金在屏蔽體內(nèi)構(gòu)成回路驅(qū)動屏蔽：屏蔽體與被頻體內(nèi)導(dǎo)體電位相等屏蔽的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：屏蔽罩：這是一種常用的封閉式金屬盒，可根據(jù)干擾場的類型和屏蔽有效性指標(biāo)對材料、板厚、形狀等進(jìn)行設(shè)計，從元件、器件到整機均可應(yīng)用；屏蔽柵網(wǎng)：這是一種既有屏蔽作用，又有通風(fēng)作用的屏蔽結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用也很廣泛；隔艙：在多級電路系統(tǒng)中，常常在兩個單元電路之間用金屬板隔離開，將一個金屬電箱隔成許多艙，用以隔離相互之間的干擾；導(dǎo)電涂料：在盒式電路外置一個泡沫盒，在泡沫盒表面噴涂一層金屬涂料，涂層的材料與厚度與有效性指標(biāo)有關(guān)；屏蔽銅箔：為了對印制電路板屏蔽，可采用雙面印制電路板的一個銅箔面作為屏蔽板，也具有一定的屏蔽作用；209(4)電路板設(shè)計中的抗干擾技術(shù)①電路板布局要合理

②元器件選用要正確

③布線要科學(xué)電源線的布線原則：電源線和地線要盡量粗

信號線的布線原則：信號線在布線時，盡量避免90度折線，使用45度折線或圓弧布線，以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。

地線的布線原則：數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點接于電源地，A/D、D/A芯片布線也以此為原則。

210接地技術(shù)211接地系統(tǒng)功能：1、安全保護(hù)2、對信號電壓有一個基準(zhǔn)電位3、靜電屏蔽接地設(shè)計的兩個基本要求是：①消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時所產(chǎn)生的噪聲電壓；②避免形成地環(huán)路。212測控儀器的接地系統(tǒng)浮地浮地系統(tǒng)，是指儀器的整個地線系統(tǒng)和大地之間沒有歐姆連接，僅以“浮地”作為它的電平基準(zhǔn)，即參考電平，如艦船，飛行體等。優(yōu)點：不受大地電流干擾缺點：附近有高壓設(shè)備時，其機殼易感應(yīng)較高電壓，形成噪聲干擾，因此安全性較差213儀器的接地方式主要有兩種接地方式：一點接地和多點接地2141）一點接地2）多點接地儀器的接地方式3）電路的單地原則：2154）電纜屏蔽層的接地：當(dāng)信號電路確定為一點接地之后，低頻信號線的屏蔽層也應(yīng)一點接地。如果電纜的屏蔽層的接地點不只一個，則在屏蔽層將產(chǎn)生噪聲電流。1.開環(huán)式測量系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)的光源、測量元件、放大器都會帶來測量誤差，如使用脈沖數(shù)字電路誤差會很小。2162.比較式測量系統(tǒng)光源、探測器、放大器誤差會抵消，主要誤差取決于參考件標(biāo)定精度，精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。補充內(nèi)容：測控電路誤差分析方法測量元件（傳感器）的精度影響儀器的電子系統(tǒng)中應(yīng)用的各種傳感器自身精度是影響儀器精度的關(guān)鍵。根據(jù)特性選擇，如PIN二極管響應(yīng)時間短，光電接收面積大，適用于光度計及光電檢測系統(tǒng)中；光電倍增管線性好，靈敏度高，常用于弱光信號測量，如天文儀器、測距儀等。光電探測器其誤差因素很多，分析時注意光通量、光波長、靈敏度、暗電流、噪聲電流、光譜響應(yīng)及響應(yīng)時間等參數(shù)的誤差影響。217儀器的信號處理電路的誤差和應(yīng)對措施1.模擬信號處理電路的誤差：常用傳感器如光電二極管、光電倍增管、PSD等都輸出的是連輸直流或交流電壓（或電流）之后放大或模擬計算，影響信號大小變化的因素均會造成誤差。如放大器的不靈敏區(qū)、放大器的線性度及增益的穩(wěn)定性、放大器的漂移、干擾及噪聲、基準(zhǔn)元件或基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定度等。運算放大器和運算裝置做模擬運算，可能產(chǎn)生運算誤差，記錄環(huán)節(jié)也可能產(chǎn)生誤差。動態(tài)測量時還要考慮放大器頻帶的影響（超過信號頻譜10倍可以忽略）。模擬信號電路誤差較大，對于開環(huán)系統(tǒng)，一般在1%以下，比較測量系統(tǒng)則可達(dá)到0.1%。218放大器模擬傳感器運算顯示記錄模擬信號的處理流程：儀器的信號處理電路的誤差和應(yīng)對措施2.數(shù)字信號處理電路的誤差：數(shù)字電路精度高，不僅數(shù)字傳感器本身精度較高，而且脈沖數(shù)字電路引進(jìn)誤差小，甚至不引入誤差。干擾和噪聲可以改變信號幅度但不影響信息內(nèi)容，且數(shù)字電路一般有門限電平，信號間有嚴(yán)格的時間同步關(guān)系，所以低于門限電平的干擾或不滿足同步關(guān)系的干擾，對系統(tǒng)毫無影響。脈沖數(shù)字信號電路中，主要誤差是量化誤差、運算誤差和信號延時誤差。219脈沖數(shù)字電路脈沖數(shù)字傳感器運算顯示記錄數(shù)字信號的處理流程：量化誤差：最大值為1個量化單位q，其均方差表示為

運算誤差：數(shù)字電路或計算機運算造成的，與運算方法、字長及速度有關(guān)信號延遲誤差：動態(tài)測量時，指令發(fā)出后各級電路延遲造成的，造成輸出信號落后于指令信號。儀器的信號處理電路的誤差和應(yīng)對措施3.模擬數(shù)字信號處理電路的誤差：測量元件是模擬的，為提高模擬系統(tǒng)精度，將其轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，后續(xù)用數(shù)字電路或計算機計算，增加一級A/D轉(zhuǎn)換。模擬數(shù)字信號電路中主要誤差是量化誤差、運算誤差和信號延時誤差。220模擬數(shù)字信號的處理流程：量化誤差：主要由A/D轉(zhuǎn)化造成的，取決于轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。脈沖數(shù)字電路A/D運算顯示記錄模擬傳感器儀器的電路系統(tǒng)誤差的計算合成方法1.分析電子測量工作原理，判斷是開環(huán)測量系統(tǒng)還是比較測量系統(tǒng)。2.開環(huán)測量系統(tǒng)分析各個環(huán)節(jié)誤差因素，如元件誤差、放大器誤差及漂移、基準(zhǔn)元件誤差、干擾和噪聲誤差等，比較測量系統(tǒng)主要分析比較參考元件誤差和內(nèi)部伺服系統(tǒng)誤差。3.對各源誤差進(jìn)行準(zhǔn)確計算和估算，或通過實驗測量進(jìn)行。4.將各誤差統(tǒng)一折算到元件的輸入端，進(jìn)行誤差綜合，按誤差性質(zhì)進(jìn)行合成。221提高儀器的電路系統(tǒng)精度的主要措施3.減少干擾和噪聲：電子器件的熱噪聲和電流噪聲，熱噪聲頻譜無線寬和均勻，熱噪聲主要分布在1000Hz以下，越低越嚴(yán)重。干擾主要隔離外部電磁場、電火花干擾和內(nèi)部各級電路間干擾。2221.正確選擇測量原理方案：模擬開環(huán)1%，模擬比較式0.1%~0.5%2.減小漂移的措施：模擬電路中，直流信號放大要減小放大器漂移及前級噪聲的隔離，更常用方法是將直流信號調(diào)制成交流信號進(jìn)行交流放大，再解調(diào)為直流信號。交流放大調(diào)制器同步解調(diào)測量元件綜合舉例：航天飛行器的溫控閥測試系統(tǒng)溫控閥是航天飛行器中極為重要組成部件。溫控閥實際上是一個開度可調(diào)的流體分配器，在電機的控制下改變開度的大小，來調(diào)節(jié)主路流量與旁路流量的比例。223總體方案

224傳感器選型

溫度傳感器：根據(jù)被測溫度的范圍和精度要求，選用Pt100熱電阻比較適合，可以貼附于管路外壁測量流體溫度。壓力傳感器：根據(jù)壓力范圍和精度要求，選用數(shù)字壓力表，測量量程0~1MPa，精度1%，供電電源9~30V，輸出1~5V。轉(zhuǎn)速傳感器：直接利用泵內(nèi)部的測速發(fā)電機，供電電源27V，轉(zhuǎn)速0～1100r/min對應(yīng)輸出1~5V。流量傳感器：根據(jù)被測流量的范圍和精度要求，選用科氏流量計，量程0~5000L/h，精度±0.5%，供電電源220V交流，輸出信號4～20mA電流。閥開度傳感器：實際上是角度傳感器，直接利用溫控閥和輔助閥內(nèi)部的測角系統(tǒng)，測量范圍0～90o，精度0.5%，供電電源5V，輸出0.10~5V。電流傳感器：直接利用泵內(nèi)部的電流傳感器，電源27V。

225測量電路設(shè)計

226控制電路227混合點溫度控制主控計算機系統(tǒng)的組成228第七章光電系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié)光電系統(tǒng)組成和類型1．精度高2．非接觸測量3．測量范圍大4．信息處理能力強

設(shè)計要求：1．高分辨率2．高精度3．高速度4.高穩(wěn)定性5.高智能化及小型化光電系統(tǒng)的特點：光電系統(tǒng)的組成光源光學(xué)系統(tǒng)被測對象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信息處理存儲顯示控制用光源發(fā)出的光來傳遞信息的媒介與光源結(jié)合來獲得測量所需的光載波，如平行光

光載波與被測對象相互作用并將被測量載荷加到光載波上稱為光學(xué)變換。

用各種調(diào)制方法來實現(xiàn)光學(xué)變換的（即將被測量轉(zhuǎn)換為光參量，如振幅、頻率、相位、偏振態(tài)等）。變換后光載波含有各種被測信息（光信息）。實現(xiàn)的方式用光學(xué)系統(tǒng)和各種光學(xué)元件的結(jié)合。

光學(xué)元件有：平面鏡、光狹縫、光楔、透鏡、角錐棱鏡、偏振器、波片、碼盤、光柵、調(diào)制器等。

光學(xué)系統(tǒng)有：成像系統(tǒng)、光干涉系統(tǒng)等。

光信息經(jīng)過光學(xué)器件實現(xiàn)由光向電的信息轉(zhuǎn)換，稱光電轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換用各種光電變換器件來實現(xiàn)的。光電器件：光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光學(xué)變換與光電轉(zhuǎn)換是光電測量的核心部分。被測工件用激光外徑掃描儀原理說明光電系統(tǒng)的組成放大邊緣檢測門控處理顯示主振電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)多面體激光器f(θ)鏡物鏡光電器件激光器為光源多面體和f(θ)鏡為產(chǎn)生平行的光學(xué)系統(tǒng)，形成光載波被測工件和物鏡構(gòu)成光學(xué)變換，形成變化的光通量光電器件將變化的光通量轉(zhuǎn)換為電信號光電系統(tǒng)的類型

1．主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)

2．模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)

3．直接檢測系統(tǒng)與相干檢測系統(tǒng)按照光電系統(tǒng)的功能還分為光電信息檢測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、光電搜索系統(tǒng)、光電通信系統(tǒng)等。

第二節(jié)光電系統(tǒng)特性（一）光電特性

光電系統(tǒng)的光電特性即該系統(tǒng)輸入、輸出特性又稱為靜特性，其輸入量一般是光通量或光照度E，輸出量一般是電壓或電流。第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（二）光譜特性及光譜匹配為了提高光能的利用效率，要求檢測器件的光譜靈敏度分布和輻射源的輻射度分布及各傳輸環(huán)節(jié)的透過率分布相覆蓋。檢測器件的輸出可表示為：第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（三）光電靈敏度特性光譜響應(yīng)率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光電檢測器件輸出（電壓V或電流I）與入射光通量之比，即第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（四）頻率響應(yīng)特性

即當(dāng)入射光照是以一定頻率變動的交換光信息時，光照頻率的變化將會引起光電器件響應(yīng)率的變化。一般地，響應(yīng)率隨光照頻率升高而降低第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（五）光電系統(tǒng)的探測率D

光電系統(tǒng)的探測率表征光電系統(tǒng)的探測能力，越大表征探測能力越強。

光電系統(tǒng)的比探測率D*光電檢測系統(tǒng)的探測率除了與和有關(guān)外還與光電檢測器件光敏面面積A和光電檢測系統(tǒng)的帶寬有關(guān)

第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計原則一、匹配原則二、干擾光最小原則三、共光路原則1）光譜匹配2）功率匹配3）阻抗匹配第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計原則匹配核心是如何正確選擇光電檢測器件一、匹配原則二、干擾光最小原則第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計原則干擾光最小原則就是指干擾光對光電系統(tǒng)影響最小，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。光電系統(tǒng)中的干擾光主要是指雜散光、背景光和“回授光”。二、減少干擾光措施

第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計原則減小雜散光措施：光學(xué)濾波、光學(xué)調(diào)制和光外差檢測。減小背景光措施：采用光遮斷、光隔離、光控制和光補償?shù)姆椒?。減小回授光措施：光偏離、光遮擋、光偏振片。減小回授光措施三、共光路原則第三節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計原則

在光電系統(tǒng)中為了實現(xiàn)精密測量和減小共模干擾，經(jīng)常采用差動測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較。常用的光源1）太陽光，白熾燈2）氣體放電光源3）半導(dǎo)體發(fā)光器件4）激光光源第四節(jié)、光電測量系統(tǒng)中的光源及照明系統(tǒng)二.照明系統(tǒng)設(shè)計要求：

1）保證足夠的光能。

2）有足夠的照明范圍，照明均勻。3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳。4）應(yīng)盡量減少雜光進(jìn)入物鏡，以保證像面的對比度。5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響

三、照明系統(tǒng)需要滿足原則1）光孔轉(zhuǎn)接原則。2）照明系統(tǒng)拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡拉赫不變量。

顯微系統(tǒng)照明系統(tǒng)設(shè)計三、照明系統(tǒng)種類

1）直接照明a）透射亮視場b）反射亮視場c）透射暗視場d）反射暗視場2）臨界照明

光源所出的光通過聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式稱為臨界照明。優(yōu)點：簡單，孔徑角大，被照明視場有最大亮度而無雜散光缺點：視場內(nèi)可見到燈絲像，影響照明均勻，不滿足光孔轉(zhuǎn)接3）遠(yuǎn)心柯勒照明集光鏡將光源成像到聚光鏡的前焦面上，孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠(yuǎn)心光路，視場光闌被聚光鏡成像到物面上。優(yōu)點：燈絲不會成像到物面上，照明均勻這種照明系統(tǒng)可以檢測反射鏡面上的缺陷。如果被測表面是鏡面，則鏡面的反射光線全部進(jìn)入物鏡成像，因此整個圖像都是白色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點或者污漬時，所產(chǎn)生的漫反射光線進(jìn)入物鏡的甚少，因此圖像上將產(chǎn)生黑色的斑點。

4）同軸照明光譜能量分布：光譜匹配光度特性：足夠的照度，如高速攝像系統(tǒng)、投影儀發(fā)光面的形狀、尺寸及光源的結(jié)構(gòu)滿足功能要求：穩(wěn)定性、功率、單色性、壽命發(fā)熱少光源系統(tǒng)的選擇要點第五節(jié)直接檢測系統(tǒng)的設(shè)計（一）直接檢測系統(tǒng)的組成

光源光學(xué)變換光功率檢測

電信號輸出變換方法光學(xué)原理應(yīng)用幾何光學(xué)法直射、反射、折射、散射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測、測長測角、測距等光電子學(xué)法電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等直接檢測系統(tǒng)的應(yīng)用用檢測光透過率的方法可以測物質(zhì)透明度、液體純度、反射率、大氣質(zhì)量監(jiān)測、光的偏振狀態(tài)；檢測調(diào)制光的頻率和波數(shù)變化可以測速、測角和測距；利用光學(xué)成象和象分析器可以定位、尺寸檢測、位置檢測；利用多光譜的光譜分析可以測溫等。（一）直接檢測光電系統(tǒng)的工作原理直接檢測光信號直接入射到光電器件光敏面上：入射光波入射光功率光電器件輸出光電流電荷入射光子能量若信號調(diào)制直接檢入射功率Ps，則要求S線性好和穩(wěn)定性!!!考慮負(fù)載電阻（二）光功率直接檢測光電系統(tǒng)的設(shè)計透過率檢測指示表輸出影響最大因素是入射光光通量若光電檢測靈敏度，放大增益，讀數(shù)裝置傳遞系數(shù)分別為S,K,M核心問題：控制光源的穩(wěn)定性考慮差動法或者調(diào)制法減小光源波動的影響（三）距離檢測的光電系統(tǒng)三角法測距；相位法（連續(xù)波）測距；時間法測距；（1）三角法測距原理與設(shè)計要求三角法測距設(shè)計要點減小非線性誤差。光源的穩(wěn)定性的影響。被測對象特性的適應(yīng)性。光學(xué)系統(tǒng)及光電接收器件的特性對測距精度影響（2）位法測距原理與設(shè)計要求相位法測距設(shè)計要點光源要穩(wěn)定。高精度鑒相器是關(guān)鍵。減少大氣的影響n增大f。（3）時間法測距原理與設(shè)計要求時間法測距設(shè)計要點光源要穩(wěn)定。計時器是關(guān)鍵。減少大氣的影響n增大時鐘脈沖f。（四）幾何中心與幾何位置光電檢測系統(tǒng)其基本原理是：先將幾何形體的輪廓被光學(xué)系統(tǒng)成像，其像的位置與幾何形體相對光軸（基準(zhǔn)）的位置有關(guān)，再用一個與光軸位置有確定關(guān)系的像分析器將像的空間位置分布轉(zhuǎn)換成照度分布，獲得與幾何位置有關(guān)的光通量變化，即得到位置—光通量變換特性，根據(jù)光通量的變化就可檢測出幾何位置。

照明光源應(yīng)穩(wěn)定，且照度應(yīng)均勻。光學(xué)系統(tǒng)像差要小，像的對比度好。用于對準(zhǔn)的標(biāo)志物或被檢測的物的邊緣應(yīng)清晰、陡直、無毛刺。像分析器的位置相對測量基準(zhǔn)要精確校準(zhǔn)。在用掃描調(diào)制法進(jìn)行調(diào)制時要求調(diào)制中心穩(wěn)定，調(diào)制幅度恒定。幾何中心和幾何位置光電檢測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意以下幾點：（五）直接檢測光電系統(tǒng)中光學(xué)參數(shù)的確定