光电检测技术光检基本原则.docx

光电检测技术光检基本原则.docx

《光电检测技术光检基本原则.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电检测技术光检基本原则.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

光电检测技术光检基本原则

第二章光电检测系统设计的基本原则

九个基本原则：

1．匹配原则（光电匹配、精度匹配）见P12

2．阿贝比较原则

3．运动学原则（按自由度确定约束数）

4．统一基面原则（设计、工艺、测量基准统一）

5．最小变形原则

使仪器变形小（刚度大、热稳定性好），补偿变形。

6．经济原则

社会价值V=F/C

F：

产品功能；C：

成本。

要求：

功能多、成本低，则价值高。

7．系列化原则

8．通用化原则

9．标准化原则

§2-1阿贝比较原则

一．结构型式对测量误差的影响

1.并联型式

（一）导轨无误差,则没影响

（二）

瞄准显微镜

M1

M2

悬臂支架

X

Y

Z

a

标准件

被测件

图1并联型式

导轨有误差时:

.悬臂支架沿X,Y,Z轴平移,两个显微镜作同样运动,则对测量无影响。

（导轨有间隙的情况）

.悬臂支架绕X、Z轴转动,则对测量无影响。

（绕X轴转动,离焦,不影响测量;绕Z轴转动,显微镜在X方向移动量相同,不影响测量）

.绕Y轴转动,对测量有影响

δ1=a·tgφ

=a·（φ+1/3φ3+2/15φ5+…）

≈a·φ（一阶误差,即阿贝误差）

例:

令a=100mm

φ=10″秒化弧度系数:

ρ=206265≈2×105

则δ1=a·10″/ρ=5μm

2.串联型式（缺点:

体积大）

.悬臂支架沿X,Y,Z轴平移,两个显微镜作同样运动,则对测量无影响。

（导轨有间隙的情况）

.悬臂支架绕X轴转动,显微镜离焦,不影响测量。

.绕Y轴转动,对测量有影响

δ2′=C－C·cosφ

=C（1－cosφ）

=C〔1－（1－φ2/2！

+φ4/4！

－……）≈C·φ2/2

④.绕Z轴转动,对测量有影响

δ2〞=OH－C

=C/cosφ－C

=C（secφ－1）

=C（1+φ2/2！

+……－1）

≈C·φ2/2

串联型式,绕Y,Z轴转动引起的总δ2=δ2′+δ2〞=C·φ2,为二阶误差。

在φ很小时,δ2比δ1小很多（见表2—1）。

表2-1不同φ角时并联与串联安装的误差比

5°

2°

1°

30ˊ

10ˊ

1ˊ

30"

10"

1"

δ1/δ2

2.3

5.7

11.5

23

69

688

1330

4160

40000

3.横向移动式

绕Y,Z轴转动的测误差（类似于δ2′）

δY=δZ=C·φ2/2

对固定长度测量方便,属于二阶误差,远小于δ1。

ι

L全长

ψ〞

φ〞

R

二、导轨不直度与测量误差的关系

已知:

导轨全长的角误差φ〞（秒）,水平、垂直方向分别绘出计算;导轨全长L;测量长度ι;φ〞=5〞;ι=50mm;L=200mm。

求:

测量长度内导轨角误差ψ〞

解:

导轨不直度误差视为半径为R的圆弧。

正比关系

1/R=φ〞/L=ψ〞/ι

ψ〞=φ〞·ι/L=5×50/200=1.25〞

则阿贝误差

δ1=a·ψ〞=a·φ〞·ι/Lρ（2—3）式

式中:

a为测量轴线到基准轴线的距离。

ρ为秒化弧度系数,ρ=2×105,

1秒=1/206265rad≈1/2×105=1/ρrad

附录:

导轨不直度测量:

导轨不直度原因:

应力（时效）

变形（重力）

α

2α

N

N

反射镜

望远镜

导轨不直度误差视为半径为R的圆弧,其测量方法是用自准直仪测量,反射镜每在一个位置,就在自准直仪上读数xi,即为所测φi〞。

xi

2α

α

f’i

-f2

目镜

物镜

视场光栏

原理:

刻普勒望远系统,物镜与目镜的公共焦面上设置有十字线分划板,上面的十字线经物镜、反射镜,再反回物镜成实像在公共焦面上,物、像之间垂直距离为xi,

xi=f1'tg2α≈f1'·2α

不直度φi〞=α（秒）

《应光》图14—36P409

三.结论

1.只有当导轨存在不直度误差,且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差（一阶误差）。

2.阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。

3.在违反阿贝原则时,测量长度为ι的工件所引起的阿贝误差是总阿贝误差的ι/L。

4.为避免产生阿贝误差,在测量长度时,标准件轴线应安置在被测件轴线的沿长线上———阿贝原则。

（要串联,不要并联）。

5.满足阿贝原则的系统,结构庞大。

四.艾宾斯坦原理——棱镜、透镜原理

α

l

H

Δ1

Δ2

S（透镜焦点）

S′（透镜2焦点）

S″

测量轴线

刻尺分划面（标准轴线）

A

A′

工件长a

α

B

D

H

0

100

C

B’

α

α

S″

α

S′

f’

透镜1

透镜2

Δ2

（一）.导轨制造误差α转变为测量位置的阿贝误差:

Δ1=CD－ι

=DB'+CB－ι

=（Hsinα+ιcosα）－ι

=Hsinα－2ιsin2（α/2）

≈Hα－α2ι/2

（二）.棱镜、透镜原理（艾宾斯坦原理）消除阿贝误差

分米双刻线在头座毫米分划板上的S'像从右移到S〞

S〞S'=Δ2=f'tgα≈f'α

实际测量误差:

Δ=Δ1－Δ2

=Hα－α2ι/2－f'α

=（H－f'）α－α2ι/2

设计中取H=f',则

Δ=－α2ι/2

因此,按艾宾斯坦原理设计的测长机消除了阿贝误差（一阶误差）,而且,体积小。

例:

测长机技术参数为:

H=180±1mm

f'=180±1mm

α≤15〞（一米测长机）

ι=205mm

按艾宾斯坦原理设计的误差（只计尾座倾斜）

Δ=α2ι/2=（15〞/2×105）2×（205/2）=0.00015mm

=0.15μm

若没有补偿,则极限阿贝误差:

Δ1=Hα－α2ι/2

=0.0135mm

=13.5μm

可见误差补偿大大降低了仪器测量的系统误差,提高了测量精度。