第二章 光檢基本原則課件

第二章光電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

九個(gè)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(jì)中必須考慮的問題。其內(nèi)容主要包括1）根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的輻射特性，合理選擇滿足目標(biāo)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(cè)信號(hào)的光譜特性選擇與之匹配的光電探測(cè)器（包括深測(cè)器的頻率響應(yīng)，光譜響應(yīng)、靈敏度、暗電流、探測(cè)器形狀等）。第二章光檢基本原則3)根據(jù)光源、探測(cè)器特性和總體要求設(shè)計(jì)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(jì)等。光源目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器2.精度匹配在光電系統(tǒng)的精度設(shè)計(jì)中，光、機(jī)、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(duì)檢測(cè)無益，而且還會(huì)導(dǎo)致成本提高，穩(wěn)定性下降。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擬出以下幾條作為設(shè)計(jì)時(shí)參考：

第二章光檢基本原則1）測(cè)量系統(tǒng)的總精度值可根據(jù)被測(cè)工件的公差值和同一尺寸被測(cè)量的次數(shù)或成品篩選的合格率要求確定。一般為：測(cè)量系統(tǒng)總精度應(yīng)為被測(cè)工件的公差值的1/2~1/10；2).儀器的分辨率（或最小脈沖當(dāng)量）一般取儀器總精度的1/2~1/5；3).在精度設(shè)計(jì)時(shí)，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(cè)件的公差=|0.01-(-0.01)|=0.02mm

則光電檢測(cè)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(yùn)動(dòng)學(xué)原則原動(dòng)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(jì)、工藝、測(cè)量基準(zhǔn)統(tǒng)一）五．最小變形原則使儀器變形?。▌偠却蟆岱€(wěn)定性好），補(bǔ)償變形。六．經(jīng)濟(jì)原則社會(huì)價(jià)值V=F/CF：產(chǎn)品功能；C：成本。要求：功能多、成本低，則價(jià)值高。七．系列化原則八．通用化原則九．標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度、角度測(cè)量?jī)x器，精度可以達(dá)到1μm。測(cè)量的結(jié)構(gòu)型式為被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件并聯(lián)式。下圖為實(shí)物圖。第二章光檢基本原則一．結(jié)構(gòu)型式對(duì)測(cè)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(zhǔn)顯微鏡M1M2懸臂支架XYZa標(biāo)準(zhǔn)件被測(cè)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(shí):①.懸臂支架沿X,Y,Z軸平移,兩個(gè)顯微鏡作同樣運(yùn)動(dòng),則對(duì)測(cè)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(dòng),則對(duì)測(cè)量無影響。(繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng),離焦,不影響測(cè)量;繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng),顯微鏡在X方向移動(dòng)量相同,不影響測(cè)量)第二章光檢基本原則③.繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)測(cè)量有影響YXZφM1M2M1′M2′｝δ1標(biāo)準(zhǔn)件軸線被測(cè)件軸線YXZM1M2M1′M2′標(biāo)準(zhǔn)件軸線被測(cè)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(diǎn):體積大)

阿貝比長(zhǎng)儀也是一種高精度測(cè)量長(zhǎng)度儀器，精度為1μm。測(cè)量的結(jié)構(gòu)型式為被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件并聯(lián)式。下圖為實(shí)物圖。圖1竄聯(lián)型式第二章光檢基本原則被測(cè)件標(biāo)準(zhǔn)件M1M2XYZC圖2串聯(lián)型式M1①.懸臂支架沿X,Y,Z軸平移,兩個(gè)顯微鏡作同樣運(yùn)動(dòng),則對(duì)測(cè)量無影響。(導(dǎo)軌有間隙的情況)②.懸臂支架繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng),顯微鏡離焦,不影響測(cè)量。③.繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)測(cè)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(dòng),對(duì)測(cè)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(dòng)引起的總誤差：

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

表2-1不同φ角時(shí)并聯(lián)與串聯(lián)安裝的誤差比3.橫向移動(dòng)式繞Y,Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)誤差(類似于δ2′)δY=δZ=C·φ2/2對(duì)固定長(zhǎng)度測(cè)量方便,屬于二階誤差,遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)件瞄準(zhǔn)顯微鏡M1,M2第二章光檢基本原則二、導(dǎo)軌不直度與測(cè)量誤差的關(guān)系已知:導(dǎo)軌全長(zhǎng)的角誤差φ〞(秒),水平、垂直方向分別繪出計(jì)算;導(dǎo)軌全長(zhǎng)L;測(cè)量長(zhǎng)度ι;;ι=50mm;L=200mm。求:測(cè)量長(zhǎng)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(zhǎng)ψ〞φ〞R第二章光檢基本原則式中:a為測(cè)量軸線到基準(zhǔn)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(cè)量:導(dǎo)軌不直度原因:①應(yīng)力(時(shí)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(cè)量方法是用自準(zhǔn)直儀測(cè)量,反射鏡每在一個(gè)位置,就在自準(zhǔn)直儀上讀數(shù)xi,即為所測(cè)φi〞。α2αNN反射鏡望遠(yuǎn)鏡R第二章光檢基本原則原理:刻普勒望遠(yuǎn)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(shí)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(chǎng)光欄第二章光檢基本原則三.結(jié)論1.只有當(dāng)導(dǎo)軌存在不直度誤差,且標(biāo)準(zhǔn)件與被測(cè)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(jì)算。3.在違反阿貝原則時(shí),測(cè)量長(zhǎng)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(cè)量長(zhǎng)度時(shí),標(biāo)準(zhǔn)件軸線應(yīng)安置在被測(cè)件軸線的沿長(zhǎng)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)，體積小（長(zhǎng)度短），又沒有阿貝誤差的系統(tǒng)？——————答案是肯定的：誤差補(bǔ)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(tái)(標(biāo)準(zhǔn)件與被測(cè)件并聯(lián))，在測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)不產(chǎn)生阿貝誤差。如下圖，投影測(cè)長(zhǎng)機(jī)就是這一原理的例子。

測(cè)長(zhǎng)機(jī)主要組成部分1.底座2.頭座微動(dòng)裝置3.測(cè)量頭座組4.萬能工作臺(tái)5.V型支架組6.測(cè)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(jì)）1（被測(cè)件）7（分米分劃板）圖2-6測(cè)長(zhǎng)機(jī)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(cè)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(diǎn))S′(透鏡2焦點(diǎn))S″測(cè)量軸線刻尺分劃面（標(biāo)準(zhǔn)軸線）AA′工件長(zhǎng)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(shí)際測(cè)量誤差:Δ=Δ1－Δ2=Hα－α2ι/2－f'α=(H－f')α－α2ι/2設(shè)計(jì)中取H=f',則

Δ=－α2ι/2

因此,按艾賓斯坦原理設(shè)計(jì)的測(cè)長(zhǎng)機(jī)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(cè)長(zhǎng)機(jī)技術(shù)參數(shù)為:H=180±1mm;f‘=180±1mm;α≤15〞(一米測(cè)長(zhǎng)機(jī));ι=205mm按艾賓斯坦原理設(shè)計(jì)的誤差(只計(jì)尾座傾斜)若沒有補(bǔ)償,則極限阿貝誤差:Δ1=Hα－α2ι/2=0.0135mm=13.5μm可見誤差補(bǔ)償大大降低了儀器測(cè)量的系統(tǒng)誤差,提高了測(cè)量精度。第二章光檢基本原則

尾座

頭