第一章-光电仪器设计概论

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,光电仪器设计,讲课老师：徐 燕 小,办 公 室：明德,120,邮箱地址：,xu_yanxiao,QQ,：,411025590,纪律要求及考核方式,课堂纪律要求,保持安静,穿着整齐,认真听讲,考核方式,平时：30分，考勤,15,分，作业,15,分,考试：,开卷,70分,本课程的目的与要求,掌握机、光、电技术结合的仪器总体设计有关基础理论知识。,初步掌握仪器总体设计和系统设计的方法。,初步具有正确的估算和分析仪器精度的能力。,第一章 光电仪器设计概论,1.1,概述,1.2,光电仪器组成,1.3,光电仪器的静态特性,1.4,光电仪器的动态特性,1.1,概述,仪器,是传递和转换信息的工具，它是各类仪器仪表、传感器及观察、监控、测试、分析设备的总称。,美国“阿波罗”登月计划,总投资,200,亿美元,用于测量和试验的费用达,100,110,亿美元，占总投资的,40,。,仪器仪表学科在自然科学与国民经济的发展中具有十分重要的地位与作用。,仪器仪表发展至今已成为一门独立的学科，光电仪器则是仪器仪表学科的一个重要分支。,光学技术,机械技术,电工与电子技术,光机技术,光电子技术,机电一体化技术,精密工程技术,光电仪器属于光机电一体化产品，具备小型化、轻型化、高精度、多功能、可靠性高、柔性化、智能化等特点。,光电仪器的发展水平是科学技术现代化的重要标志。,设计发展的基本阶段,直觉设计阶段,经验设计阶段,半理论半经验设计阶段,现代设计阶段,根据制作者本人的经验或其头脑中的构思完成,将经验或构思用图纸表达出来，根据图纸组织生产,通过试验与测试手段取得可靠数据后选择合适结构进行设计，也称为,中间试验阶段,。,电子计算机的应用使设计工作实现自动化。,研究对象及分类,基于光学原理、采用,光电转换技术,的各类光电精密仪器。,光电仪器按不同方式有不同的分类，例如：,按工作的光谱区域，可分为紫外线、可见光和红外线；,按照明方式不同可分为主动式和被动式两类；,按用途不同，可分为计量、摄影、军用、医用等；其中应用最广泛的是,计量类光电仪器,。,国际测量技术发展趋势的特点：,传统测量仪器向数字化、光机电一体化方向发展；,测量方式向自动化、智能化、在线测量方向发展；,加工过程监测向系统网络化方向发展。,仪器仪表学科目前发展概况,仪器仪表在当代社会的重要作用,在科学研究中，仪器仪表是“先行官”。,在军事上，仪器仪表是“战斗力”。,现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”。,在国民经济运行中，仪器仪表是“倍增器”，对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。,仪器仪表在实验教学、气象预报、大地测绘、诊治疾病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广泛应用， 遍布,“,农轻重、海陆空、吃穿用,”,。,仪器仪表技术的特点,仪器技术是信息技术中的源头技术,仪器技术是现代科技的前沿技术,现代仪器仪表发展的关键技术,仪器技术是信息技术,传感技术；系统集成技术；智能控制技术；人机界面技术；可靠性技术。,仪器仪表学科目前发展概况,我国光电仪器发展状况,目前，我国仪器仪表产品的综合水平大体相当于国际,80,年代中期水平，其中属,90,年代水平的约,20%30%,。,我国仪器仪表产品与国外的主要差距,技术性能低、质量差：,在精度上较国际水平约低,1-2,个等级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为,1.8,万多小时，而国产单机则为,2,千小时。,品种系列不全，成套水平低：,世界上仪器仪表大约有,25000,种，而我国机械部所属的只有,12000,多种。,标准化程度低：,在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖率只占,18,，绝大多数产品没有可靠性指标。标准化、通用化、系列化工作仍旧存在许多问题。,新技术采用缓慢，产品更新换代周期长：,国外一些厂家产品的开发周期一般为,1-2,年，少则半年或几个月。我国的仪器仪表企业，新技术采用慢，产品更新周期一般为,3-4,年，少则也需要两年。,产品结构落后、功能少、智能化程度低：,国际上已由单元组合式向功能组件组装式发展，而国内多为单元组合式。国外已把微处理器作为仪器仪表的组成部件，而国内则处于初步应用阶段。,我国光电仪器发展状况,国内仪器仪表发展趋势,标准化、系列化,高效率,高智能化,高精度、高可靠性,1.2,光电仪器的组成,被测量,感受转换,转换放大,比较,转换放大,感受转换,标准量,瞄准,示值,校正值,数据加工和处理,例,1-1,比长仪上做绝对法测量,1,2,5,4,3,绝对法测量,1-,定位部件,2-,线纹尺,3-,读数显,微镜,4-,瞄准显微镜,5-,被测工件,例,1-2,激光跟踪雷达的工作原理,1.2,光电仪器的组成,根据仪器中各部件的功能，可将光电仪器分为以下几个基本组成部分：,1.2,光电仪器的组成,光电仪器的组成框图,CCD,法测量激光光束质量的组成框图,1,信息源及传输介质：,信息源就是被测对象或测量目标；传输介质是介于信息源与仪器之间的媒介。,2,光学系统（感受转换部件）：,感受被测量，拾取原始信号。,3,转换放大部件：,将感受转换来的微小信号，通过各种原理（如光、机、电、气）进行进一步的转换和放大,4,基准部件（基准器或标准器）：,决定仪器精度的主要环节。,5,信号采集与处理系统：,将探测器转换来的被测量的各种信息进行有效采集与存储，并进行分析处理。,6,计算与显示装置：,数据加工和处理、校正、计算及显示等部分。,7,机械结构部件：,基座和支架、导轨与工作台、轴系以及其他部件。,1.2,光电仪器的组成,1.3,光电仪器的静态特性,对于仪器系统来说，当被测量,x,不随时间变化，即,d,x,/d,t,=0,，,或作缓慢变化时，可按静态测量处理，应着重讨论它的静态特性。,静态测量中输入和输出的关系,当,输入信号为定值,或,变化十分缓慢,时，仪器系统的输出信号特性称为,静态特性,。静态测量中仪器系统输入和输出之间的关系一般可用下式表示为,y,=,（,a,0,a,1,x,a,2,x,2,a,3,x,3,a,n,x,n,）,x,式中：,x,、,y,分别为输人和输出信号；,a,0,、,a,1,、,a,1,、,a,3,、,、,a,n,标定系数或刻度因子。,o,x,y,示值范围,A,线性度,B,线性度,=B/A,100%,静态测量中输入和输出的关系,仪器的静态特性指标,1.,分度值及分辨力,分度值是仪器最小分度所代表的被测量的值。,它是一台仪器可能读出的最小读数值（不包括估读值）。,分度值对于如数字式仪器来说，将仪器所能测得的被测量的最小增量称为分辨力。,分度值有别于分划间隔,。分划间隔是指刻尺或度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。,2.,灵敏度及放大比,灵敏度是指仪器对被测量变化的反应能力,。,s,=,y,/,x,当输入与输出为同一量纲时可用放大比来代替灵敏度。,当灵敏度为定值时，仪器系统为线性的。,3.,测量范围及示值范围,测量范围是指在允许误差极限内仪器所能测出的最大被测量与最小被测量之间的范围,。,示值范围是仪器所显示或指示的最低值到最高值的范围,。,4.,示值重复性,示值重复性是指在外界条件不变的情况下，对同一量重复测量时仪器示值的最大变化范围。,重复测量次数一般为,10,15,次，变动范围一般允许为分度值的,1/3,1/5,。,5.,示值误差,示值误差是指仪器示值与被测量的真值之差。,仪器的静态特性指标,仪器的静态特性指标,6.,滞差（回程误差）,滞差是指由于测量中行程方向不同，对应于同一输入信号产生输出不同信号的差异。,产生滞差的原因：仪器内的间隙、摩擦、死区；机械材料和电气材料与器件的滞后特性（如弹性元件或磁性元件的滞后特性）的缘故。,O,x,y,滞差,图,1-10,滞差,7.,灵敏阈（灵敏限、门限）,能引起仪器示值可见变化所需的最小输入量,。这一项表示仪器感受微小量的敏感程度。小于这个量的变化，仪器就反映不出来了。在数显仪器中常称之为分辨率。,仪器的静态特性指标,8.,漂移,当输入信号不变时，由于仪器内部温度变化或元器件不稳定所引起的输出信号的变化就是漂移,。,9.,仪器误差和测量误差,仪器误差指仪器本身固误差。,这项误差通常可以通过理论计算或实际测量得到。,测量误差是指测量结果和被测量值间的差异，,它包括仪器误差、测量方法误差、使用不当来的误差，以及外界环境条件偏离标准状态和测量人员主观因素等原因所造成的误差。,游标卡尺,分度值,主尺刻划间隔,游标尺总长度,游标尺刻划格数,游标尺刻划间隔,0. 1mm,1mm,9mm,10,0.9mm,0.05mm,1mm,19mm,20,0.95mm,0.02mm,1mm,49mm,50,0.98mm,分度值有别于分划间隔,