1、光电仪器设计光电仪器设计第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 概述概述 仪器仪器是传递和转换信息的工是传递和转换信息的工具，它是各类仪器仪表、传感器具，它是各类仪器仪表、传感器及观察、监控、测试、分析设备及观察、监控、测试、分析设备的总称的总称。仪器仪表在当代社会的重要作用 n在科学研究中，仪器仪表是在科学研究中，仪器仪表是“先行官先行官”。n在军事上，仪器仪表是在军事上，仪器仪表是“战斗力战斗力”。n现代仪器仪表还是当今社会的现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官物化法官”。n在国民经济运行中，仪器仪表是在国民经济运行中，仪器仪表是“倍增器倍增器”，对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。对国民经
2、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病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广泛应用，泛应用，遍布遍布“农轻重、海陆空、吃穿用农轻重、海陆空、吃穿用”。美国美国“阿波罗阿波罗”登月计划登月计划总投资总投资200200亿美元亿美元用于测量和试验的费用达用于测量和试验的费用达100100110110亿美元，占总亿美元，占总投资的投资的4040。仪器仪表学科在自然科学与国民经济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的发展中具有十分重要的地位
3、与作用 仪器对于生产、生活、高精尖技术的意义仪器仪表发展至今已成为一门独立仪器仪表发展至今已成为一门独立的学科的学科光电仪器则是仪器仪表学科的一个光电仪器则是仪器仪表学科的一个重要分支重要分支,它是传统的与现代的光它是传统的与现代的光学机械技术与电子技术计算机技术学机械技术与电子技术计算机技术的集成。的集成。光电仪器的发展水平是科学技光电仪器的发展水平是科学技术现代化的重要标志。术现代化的重要标志。研究对象研究对象 基于光学原理、采用光电转换基于光学原理、采用光电转换技术的各类光电精密仪器。技术的各类光电精密仪器。研究方法研究方法 n综合应用有关技术综合应用有关技术 n以点带面、举一反三以点带
4、面、举一反三n理论联系实际理论联系实际n从整体上分析问题从整体上分析问题仪器仪表技术的特点仪器仪表技术的特点n仪器技术是信息技术中的源头技术仪器技术是信息技术中的源头技术n仪器技术是现代科技的前沿技术仪器技术是现代科技的前沿技术n现代仪器仪表发展的关键技术现代仪器仪表发展的关键技术n仪器技术是信息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。技术；可靠性技术。我国光电仪器发展状况我国光电仪器发展状况 o目前我国仪器仪表产品的综合水目前我国仪器仪表产品的综合水平，大体上相当于国际平，大体上相当于国际8080年
5、代中年代中期的水平，其中属期的水平，其中属9090年代水平的年代水平的约占约占202030%30%。我国仪器仪表产品与国外的主要差距我国仪器仪表产品与国外的主要差距n 技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低1212个等个等级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为1.81.8万多万多小时，而国产单机则为小时，而国产单机则为2 2千小时，国外现场工作仪表平均无故千小时，国外现场工作仪表平均无故障率时间普遍达到障率时间普遍达到10301030万小时，而国产仪表一般只有万小时，而国产仪表一般只有5 5千小
6、千小时。国内外工业仪表的相对故障率大体为时。国内外工业仪表的相对故障率大体为9 9：1 1。n品种系列不全，成套水平低：世界上仪器仪表大约有品种系列不全，成套水平低：世界上仪器仪表大约有2500025000种，而我国机械部所属的只有种，而我国机械部所属的只有1200012000多种。多种。我国仪器仪表产品与国外的主要差距我国仪器仪表产品与国外的主要差距n 新技术采用缓慢，产品更新换代周期长：国外一些厂家产新技术采用缓慢，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品的开发周期一般为1212年，少则半年或几个月。元器件每年年，少则半年或几个月。元器件每年更新更新20302030，基本上可
7、以保证仪器仪表整机更新换代的需要。，基本上可以保证仪器仪表整机更新换代的需要。我国的仪器仪表企业，新技术采用慢，产品更新周期一般为我国的仪器仪表企业，新技术采用慢，产品更新周期一般为3434年，少则也需要两年。年，少则也需要两年。n标准化程度低：在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖标准化程度低：在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖率只占率只占1818，绝大多数产品没有可靠性指标。标准化、通用，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。化、系列化工作仍旧存在许多问题。我国仪器仪表产品与国外的主要差距我国仪器仪表产品与国外的主要差距n产品结构落后、功能少、智能化程
8、度低：国际上已由单元组产品结构落后、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。国内仪器多为单点，单参数、静态测量，而国际应用阶段。国内仪器多为单点，单参数、静态测量，而国际上已向多点、多参数、自动测量发展，由静态测量为主向静上已向多点、多参数、自动测量发展，由静态测量为主向静动态结合方向发展，由接触式向非接触式测量发展。其它在动态结合方向发展，由接触式向非接触式测量发展。其它在仪器仪
9、表材料、工艺、元器件等方面也都存在不少的差距。仪器仪表材料、工艺、元器件等方面也都存在不少的差距。国内仪器仪表发展趋势国内仪器仪表发展趋势 标准化、系列化标准化、系列化 高效率高效率 高智能化高智能化 高精度、高可靠性高精度、高可靠性 以温度计为例以温度计为例 主要技术参数和特点：主要技术参数和特点：*测温范围：测温范围：32-4232-42*测量温度低于测量温度低于3232时，显示时，显示LL*测量温度高于测量温度高于4242时，显示时，显示HH*显示分辨率：显示分辨率：0.10.1*显示方式：液晶显示（三位半）显示方式：液晶显示（三位半）*功功 耗：工作状态下为耗：工作状态下为0.150.
10、15毫瓦毫瓦*电池：电池：AG3AG3型型1.5V1.5V普通纽扣电池普通纽扣电池*蜂鸣提示：测量结束后发出蜂鸣提示声蜂鸣提示：测量结束后发出蜂鸣提示声 本课程的目的与要求本课程的目的与要求o掌握机、光、电技术结合的仪器总体掌握机、光、电技术结合的仪器总体设计有关基础理论知识。设计有关基础理论知识。o初步掌握仪器总体设计和系统设计的初步掌握仪器总体设计和系统设计的方法。方法。o初步具有正确的估算和分析仪器精度初步具有正确的估算和分析仪器精度的能力。的能力。第二节第二节 精密仪器的设精密仪器的设计特点与组成计特点与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
11、理12543 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 根据仪器中各部件的功能，可将仪器分为以下根据仪器中各部件的功能，可将仪器分为以下几个基本组成部分：几个基本组成部分：1 1基准部件（基准器或标准器）基准部件（基准器或标准器）2 2感受转换部件感受转换部件接触式接触式非接触式非接触式感受被测量，拾取原始信号感受被测量，拾取原始信号3 3转换放大部件转换放大部件将感受转换来的微小信号，通过各将感受转换来的微小信号，通过各种原理（如光、机、电、气）进行种原理（如光、机、电、气）进行进一步的转换和放大进一步的转换和放大 机械测微仪各运动副作用线示意图asr
12、0111233zz1zz2434 4显示部件显示部件5 5处理与计算装置处理与计算装置6 6瞄准部件瞄准部件7 7机械结构部件机械结构部件第三节第三节 光电仪器的静态特性光电仪器的静态特性 对于仪器系统来说，当被测量对于仪器系统来说，当被测量x x不随时间变化，即不随时间变化，即dxdxdt=0dt=0，或作或作缓慢变化时，可按静态测量处理，缓慢变化时，可按静态测量处理，应着重讨论它的静态特性。应着重讨论它的静态特性。一、静态测量中输入和输出的关系一、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
13、中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仪器系统输入和输出之间的关系一般可用下式表示：示：y=y=（a a0 0a a1 1x xa a2 2x x2 2a a3 3x x3 3a an nx xn n）x x 式中式中x x、yy分别为输人和输出信号；分别为输人和输出信号；a a0 0、a a1 1、a a2 2、a a3 3、a an n标定系数标定系数 或刻度因子或刻度因子Boxy示 值 范 围A 线 性 度二、仪器的静态特性指标二、仪器的静态特性指标 o分度值及分辨力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。分度值是仪器最小分度
14、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（不包括它是一台仪器可能读出的最小读数值（不包括估读值）。估读值）。分度值对于如数字式仪器来说，将仪器所能测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。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。度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。o灵敏度及放大比灵敏度及放大比 灵敏度是指仪器对被测量变化的反应能力。灵敏度是指仪器对被测量变化的反应能力。s=y s=yxx当输入与输出为同一量纲时可用放大比来代替灵当输入与输出为同一量
15、纲时可用放大比来代替灵敏度。敏度。当灵敏度为定值时，仪器系统为线性的。当灵敏度为定值时，仪器系统为线性的。o测量范围及示值范围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。测出的最大被测量与最小被测量之间的范围。示值范围是指仪器所显示或指示的最低值示值范围是指仪器所显示或指示的最低值到最高值的范围。到最高值的范围。o示值重复性示值重复性 示值重复性是指在外界条件不变的情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大变化范
16、围。重复测量次数一般为10101515次，变动范围一般允许为分度值的次，变动范围一般允许为分度值的1/31/31/51/5。o示值误差示值误差 示值误差是指仪器示值与被测量的真值示值误差是指仪器示值与被测量的真值之差。之差。o滞差（回程误差）滞差（回程误差）产生滞差的原因产生滞差的原因:仪器内的间隙、摩擦、死区仪器内的间隙、摩擦、死区机械材料和电气材料与器件的机械材料和电气材料与器件的滞后特性（如弹性元件或磁性滞后特性（如弹性元件或磁性元件的滞后特性）的缘故。元件的滞后特性）的缘故。oxy滞差图1-7 滞差o灵敏阈（灵敏限、门限）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能引起
17、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。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。数显仪器中常称之为分辨率。o漂移漂移 当输人信号不变时，由于仪器内部温当输人信号不变时，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。的变化就是漂移。o测量力测量力 测量过程中发生在仪器测头和被测工件表测量过程中发生在仪器测头和被测工件表间的接触力。这项指标针对接触测量而言。间的接触力。这项指标针对接触测量而言。o仪器误差和测量误差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。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，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。量人员主观因素等原因所造成的误差。
