光电检测系统设计的基本原则

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1、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P122．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/CF：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,则没影响瞄准显微镜M1M2悬臂支架XYZa标准件被测件(二)导轨有误差时:图1并联型式①.悬臂支架沿X,Y,Z轴平移,两个

2、显微镜作同样运动,则对测量无影响。(导轨有间隙的情况)②.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)③.绕Y轴转动,对测量有影响YXZφM1M2M1′M2′｝δ1标准件轴线被测件轴线aδ1=a·tgφ=a·(φ+1/3φ3+2/15φ5+…)≈a·φ(一阶误差,即阿贝误差)例:令a=100mmφ=10″秒化弧度系数:ρ=206265≈2×105则δ1=a·10″/ρ=5μm2.串联型式(缺点:体积大)被测件标准件M1M2XYZC图2串联型式①.悬臂支架沿X,Y,Z轴平移,两个显微镜作同样运

3、动,则对测量无影响。(导轨有间隙的情况)②.悬臂支架绕X轴转动,显微镜离焦,不影响测量。③.绕Y轴转动,对测量有影响δ2′cYcφM2′M1′M2XZδ2′=C－C·cosφ=C(1－cosφ)=C〔1－(1－φ2/2！+φ4/4！－……)≈C·φ2/2瞄准cφM2′M1M1′ZY×Hcδ2〞瞄准X④.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

4、联安装的误差比5°2°1°30ˊ10ˊ1ˊ30"10"1"δ1/δ22.35.711.5236968813304160400003.横向移动式绕Y,Z轴转动的测误差(类似于δ2′)δY=δZ=C·φ2/2HC工件M2M1XYZ标准件瞄准显微镜M1,M2对固定长度测量方便,属于二阶误差,远小于δ1。ιL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

5、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:①应力(时效)②变形(重力)α2αNN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〞。R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

6、间垂直距离为xi,视场光栏xi=f1'tg2α≈f1'·2α目镜不直度φi〞=α(秒)2αxi-f2f’i物镜α《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56432187图2-6测长机示意图工件长a

7、Δ1lB’DCBαA测量轴线α100Δ2HA′刻尺分划面（标准轴线）HS′(透镜2焦点)0S″S(透镜焦点)透镜2透镜1S′αΔ2f’S″αα(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/