温度变化对自准直仪机械结构的影响

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1、温度变化对自准直仪机械结构的影响　　摘要：一种实验室环境下使用的自准直仪，使用温度为实验室温度（20±5）℃。实验室环境相对稳定，无冲击、振动、污染等因素的影响，但环境温度变化范围较大，为±5℃，因此有必要通过温度变化对光机结构的影响来分析机械结构的设计。通过计算确定了间隙量需求，分析了温度变化对系统的影响及产生的径向应力，结果表明在实验室环境下产生的温度变化不会对透镜产生径向挤压。　　关键词：　　温度分析；间隙量；径向应力　　中图分类号：TN206文献标志码：Adoi：10.3969/j.is

2、sn.10055630.2017.01.007　　Effectoftemperatureonmechanicalstructureofautocollimator　　YANYufeng，WUZhen，WANGYang，CHENKe　　（CollegeofOptoelectronicEngineering，ChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022，China）　　Abstract：　　Anautocollimatorfort

3、helaboratoryenvironmentisusedattemperatureinthelaboratorywheretheenvironmentisrelativelystableandthereisnoeffectofimpact，vibrationandpollution，etc.Consideringthewidertemperaturevariationrangeof±5℃，theeffectoftemperatureontheopticalandmechanicalstruct

4、uresisstudiedtoanalyzethedesignofthemechanicalstructure.Thegapbetweenlensandbaseandthegeneratedradialstressarecalculated.Theresultsshowthatthetemperaturevariationinthelaboratoryenvironmentwillnotcauseradialstresstothelens.　　Keywords：temperatureanalys

5、is；clearanceamount；radialstress　　引言　　在几何量计量领域，小角度的测量是很重要的一部分，而自准直仪是小角度测量中应用最广、最多的高精度仪器。光电自准直技术经历了几十年的发展历史，在测量分辨力、测量精度、稳定性等方面均有较大改善。但对激光为光源的光电自准直仪而言，目前仍以德国、美国等生产的仪器为高水平代表，其测量不确定度可达±0.01″/10″。国内在激光自准直技术研究及其产品开发中精度指标及稳定性、产品体积及便携性均处于劣势，激光自准直仪的市场化受到极大制约[1

6、]。　　在测量的过程中，影响仪器光机系统的常见因素有温度、压力、振动、冲击、湿度、侵蚀、污染、磨损和辐射等。这些因素对测量的精度带来了很大的影响，所以，应合理设计光学系统的机械结构并对其主要影?因素进行分析、校核来减小这种影响，从而提高测量的精度[23]。设计好的透镜需要用机械系统固定，透镜的固定方式和光机界面的类型有很多种，结合此自准直仪的设计和使用情况分别选取压圈法固定和尖角界面[4]。　　1温度对光机系统的影响　　温度变化时，透镜表面的半径、厚度、透镜间的空气间隔、光学材料及周围空气的折射

7、率、组件的实际尺寸都会发生相应的变化。任何一项变化都会使系统的焦距产生偏差，从而影响仪器的测量精度[5]。因此主要讨论温度升高和温度降低对透镜间接触应力、透镜与镜座间径向间隙的影响。仪器的使用环境为实验室环境，实验室的温度为（20±5）℃，仪器的装配温度为20℃。图1为分析用自准直仪的物镜装配图。　　2升温对径向间隙的影响　　温度升高之后，镜座会发生膨胀，透镜也会发生膨胀，但通常镜座的热膨胀系数aM比透镜的热膨胀系数aG要大，所以镜座会远离透镜，从而增加了镜座与透镜的径向间隔而形成间隙。间隙过大

8、会使透镜在振动等外力影响下出现倾斜等现象，影响透镜的对准，从而影响光学系统的像质[6]。仪器装配温度为20℃，当仪器所处环境温度从装配温度变化到实验室的最高温度25℃时，升高温度ΔT=5℃。由图1可知，物镜系统由5片透镜组成，其中第4片和第5片为胶合透镜。透镜材料分别为K9，K9，ZF1，K9，F3。镜筒材料选用最常用的结构铝合金材料铝合金6061，其强度中等，具有优良的可焊接性和可加工性。压圈与隔圈的材料同样采用铝合金6061。材料参数见表1。　　透镜与镜座的理论径向间隙G增加量为ΔG，计算公