第二章 光檢基本原則課件

第二章光電檢測系統(tǒng)設(shè)計的基本原則

九個基本原則：一．匹配原則（光電匹配、精度匹配）1.光電匹配光電匹配是系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮的問題。其內(nèi)容主要包括1）根據(jù)被測目標的輻射特性，合理選擇滿足目標光譜特性的光源（包括光源的光譜特性、功率、壽命、燈絲形狀等）。2）根據(jù)被測信號的光譜特性選擇與之匹配的光電探測器（包括深測器的頻率響應(yīng)，光譜響應(yīng)、靈敏度、暗電流、探測器形狀等）。第二章光檢基本原則3)根據(jù)光源、探測器特性和總體要求設(shè)計與之匹配的光學(xué)系統(tǒng)（照明系統(tǒng)和光電變換光學(xué)系統(tǒng)）。其中包括光學(xué)元件材料的選取，膜系設(shè)計等。光源目標光學(xué)系統(tǒng)探測器2.精度匹配在光電系統(tǒng)的精度設(shè)計中，光、機、電各部分的精度一般應(yīng)該和系統(tǒng)總精度相匹配，而系統(tǒng)總精度也應(yīng)與使用要求相適應(yīng)，無限制的提高系統(tǒng)的總精度不僅對檢測無益，而且還會導(dǎo)致成本提高，穩(wěn)定性下降。根據(jù)實際設(shè)計經(jīng)驗，擬出以下幾條作為設(shè)計時參考：

第二章光檢基本原則1）測量系統(tǒng)的總精度值可根據(jù)被測工件的公差值和同一尺寸被測量的次數(shù)或成品篩選的合格率要求確定。一般為：測量系統(tǒng)總精度應(yīng)為被測工件的公差值的1/2~1/10；2).儀器的分辨率（或最小脈沖當量）一般取儀器總精度的1/2~1/5；3).在精度設(shè)計時，儀器的總系統(tǒng)誤差一般為儀器總誤差的1/3。

第二章光檢基本原則例：被測件的公差=|0.01-(-0.01)|=0.02mm

則光電檢測系統(tǒng)總精度=(1/2~1/10)×0.02=0.01~0.002mm儀器的總系統(tǒng)誤差=(0.01~0.002)×1/3mm第二章光檢基本原則二．阿貝比較原則三．運動學(xué)原則原動件數(shù)目等于自由度數(shù)，按自由度確定約束數(shù)。四．統(tǒng)一基面原則（設(shè)計、工藝、測量基準統(tǒng)一）五．最小變形原則使儀器變形?。▌偠却?、熱穩(wěn)定性好），補償變形。六．經(jīng)濟原則社會價值V=F/CF：產(chǎn)品功能；C：成本。要求：功能多、成本低，則價值高。七．系列化原則八．通用化原則九．標準化原則第二章光檢基本原則§2-1阿貝比較原則

萬能工具顯微鏡是一種長度、角度測量儀器，精度可以達到1μm。測量的結(jié)構(gòu)型式為被測件與標準件并聯(lián)式。下圖為實物圖。第二章光檢基本原則一．結(jié)構(gòu)型式對測量誤差的影響1.并聯(lián)型式（一）導(dǎo)軌無誤差,則沒影響瞄準顯微鏡M1M2懸臂支架XYZa標準件被測件圖1并聯(lián)型式第二章光檢基本原則（二）導(dǎo)軌有誤差時:①.懸臂支架沿X,Y,Z軸平移,兩個顯微鏡作同樣運動,則對測量無影響。(導(dǎo)軌有間隙的情況)②.懸臂支架繞X、Z軸轉(zhuǎn)動,則對測量無影響。(繞X軸轉(zhuǎn)動,離焦,不影響測量;繞Z軸轉(zhuǎn)動,顯微鏡在X方向移動量相同,不影響測量)第二章光檢基本原則③.繞Y軸轉(zhuǎn)動,對測量有影響YXZφM1M2M1′M2′｝δ1標準件軸線被測件軸線YXZM1M2M1′M2′標準件軸線被測件軸線δ1=a·tgφ=a·(φ+1/3φ3+2/15φ5+…)≈a·φ(一階誤差,即阿貝誤差)例:令a=100mmφ=10″

秒化弧度系數(shù):ρ=206265≈2×105則δ1=a·10″/ρ=5μm

第二章光檢基本原則2.串聯(lián)型式(缺點:體積大)

阿貝比長儀也是一種高精度測量長度儀器，精度為1μm。測量的結(jié)構(gòu)型式為被測件與標準件并聯(lián)式。下圖為實物圖。圖1竄聯(lián)型式第二章光檢基本原則被測件標準件M1M2XYZC圖2串聯(lián)型式M1①.懸臂支架沿X,Y,Z軸平移,兩個顯微鏡作同樣運動,則對測量無影響。(導(dǎo)軌有間隙的情況)②.懸臂支架繞X軸轉(zhuǎn)動,顯微鏡離焦,不影響測量。③.繞Y軸轉(zhuǎn)動,對測量有影響第二章光檢基本原則δ2′=C－C·cosφ=C(1－cosφ)=C〔1－(1－φ2/2！+φ4/4?。?]≈C·φ2/2cφM2’M1′M2XZδ2′第二章光檢基本原則④.繞Z軸轉(zhuǎn)動,對測量有影響δ2〞=OH－C=C/cosφ－C=C(secφ－1)=C(1+φ2/2！+…－1)≈C·φ2/2串聯(lián)型式繞Y,Z軸轉(zhuǎn)動引起的總誤差：

δ2=δ2′+δ2〞=Cφ2,為二階誤差。瞄準cφM2′M1M1′ZY×Hcδ2〞瞄準XO第二章光檢基本原則在φ很小時,δ2比δ1小很多(見表2—1)。

表2-1不同φ角時并聯(lián)與串聯(lián)安裝的誤差比3.橫向移動式繞Y,Z軸轉(zhuǎn)動的測誤差(類似于δ2′)δY=δZ=C·φ2/2對固定長度測量方便,屬于二階誤差,遠小于δ1。5°2°1°30ˊ10ˊ1ˊ30"101"δ1/δ22.35.711.523696881330416040000第二章光檢基本原則HC工件M2M1XYZ標準件瞄準顯微鏡M1,M2第二章光檢基本原則二、導(dǎo)軌不直度與測量誤差的關(guān)系已知:導(dǎo)軌全長的角誤差φ〞(秒),水平、垂直方向分別繪出計算;導(dǎo)軌全長L;測量長度ι;;ι=50mm;L=200mm。求:測量長度內(nèi)導(dǎo)軌角誤差ψ〞解:導(dǎo)軌不直度誤差視為半徑為R的圓弧。正比關(guān)系則阿貝誤差則

(2—3)式ιL全長ψ〞φ〞R第二章光檢基本原則式中:a為測量軸線到基準軸線的距離。ρ為秒化弧度系數(shù),ρ=2×105,附錄:導(dǎo)軌不直度測量:導(dǎo)軌不直度原因:①應(yīng)力(時效)②變形(重力)

導(dǎo)軌不直度誤差視為半徑為R的圓弧,其測量方法是用自準直儀測量,反射鏡每在一個位置,就在自準直儀上讀數(shù)xi,即為所測φi〞。α2αNN反射鏡望遠鏡R第二章光檢基本原則原理:刻普勒望遠系統(tǒng),物鏡與目鏡的公共焦面上設(shè)置有十字線分劃板,上面的十字線經(jīng)物鏡、反射鏡,再返回物鏡成實像在公共焦面上,物、像之間垂直距離為xi,xi=f1'tg2α≈f1'·2α不直度φi〞=α(秒)《應(yīng)光》圖14—36P409xi2ααf’1-f2目鏡L2物鏡L1視場光欄第二章光檢基本原則三.結(jié)論1.只有當導(dǎo)軌存在不直度誤差,且標準件與被測件軸線不重合才產(chǎn)生阿貝誤差(一階誤差)。2.阿貝誤差按垂直面、水平面分別計算。3.在違反阿貝原則時,測量長度為ι的工件所引起的阿貝誤差是總阿貝誤差的ι/L。4.為避免產(chǎn)生阿貝誤差,在測量長度時,標準件軸線應(yīng)安置在被測件軸線的沿長線上——阿貝原則。(要串聯(lián),不要并聯(lián))。5.滿足阿貝原則的系統(tǒng),結(jié)構(gòu)龐大。問題：能否找到一種既采用并聯(lián)，體積?。ㄩL度短），又沒有阿貝誤差的系統(tǒng)？——————答案是肯定的：誤差補償。見“艾賓斯坦原理”第二章光檢基本原則四.艾賓斯坦原理——棱鏡、透鏡原理這種儀器解決用較短的工作臺(標準件與被測件并聯(lián))，在測量長度時不產(chǎn)生阿貝誤差。如下圖，投影測長機就是這一原理的例子。

測長機主要組成部分1.底座2.頭座微動裝置3.測量頭座組4.萬能工作臺5.V型支架組6.測量尾座第二章光檢基本原則5（床身）6（毫米刻尺）4（頭架）3（讀數(shù)顯微鏡）2（光學(xué)計）1（被測件）7（分米分劃板）圖2-6測長機示意圖8（尾架）1002001000900800第二章光檢基本原則(一).導(dǎo)軌制造誤差α轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量位置的阿貝誤差:Δ1=CD－ι=DB'+CB'－ι=(Hsinα+ιcosα)－ι=Hsinα－2ιsin2(α/2)≈Hα－α2ι/2ααlHΔ1Δ2S(透鏡焦點)S′(透鏡2焦點)S″測量軸線刻尺分劃面（標準軸線）AA′工件長aααBDHS″αS′f’0100透鏡1透鏡2Δ2CB’第二章光檢基本原則(二).棱鏡、透鏡原理(艾賓斯坦原理)消除阿貝誤差分米雙刻線在頭座毫米分劃板上的S‘像從右移到S〞(使讀數(shù)減小)S〞S'=Δ2=f'tgα≈f'α實際測量誤差:Δ=Δ1－Δ2=Hα－α2ι/2－f'α=(H－f')α－α2ι/2設(shè)計中取H=f',則

Δ=－α2ι/2

因此,按艾賓斯坦原理設(shè)計的測長機消除了阿貝誤差(一階誤差),而且,體積小。第二章光檢基本原則例:測長機技術(shù)參數(shù)為:H=180±1mm;f‘=180±1mm;α≤15〞(一米測長機);ι=205mm按艾賓斯坦原理設(shè)計的誤差(只計尾座傾斜)若沒有補償,則極限阿貝誤差:Δ1=Hα－α2ι/2=0.0135mm=13.5μm可見誤差補償大大降低了儀器測量的系統(tǒng)誤差,提高了測量精度。第二章光檢基本原則

尾座

頭