光電儀器設(shè)計(jì)

1、2021/8/141光電儀器設(shè)計(jì)光電儀器設(shè)計(jì)第一章第一章 緒論緒論2021/8/142第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 儀器儀器是傳遞和轉(zhuǎn)換信息的工是傳遞和轉(zhuǎn)換信息的工具，它是各類儀器儀表、傳感器具，它是各類儀器儀表、傳感器及觀察、監(jiān)控、測(cè)試、分析設(shè)備及觀察、監(jiān)控、測(cè)試、分析設(shè)備的總稱的總稱。 2021/8/143儀器儀表在當(dāng)代社會(huì)的重要作用 n在科學(xué)研究中，儀器儀表是在科學(xué)研究中，儀器儀表是“先行官先行官”。 n在軍事上，儀器儀表是在軍事上，儀器儀表是“戰(zhàn)斗力戰(zhàn)斗力”。 n現(xiàn)代儀器儀表還是當(dāng)今社會(huì)的現(xiàn)代儀器儀表還是當(dāng)今社會(huì)的“物化法官物化法官”。 n在國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，儀器儀表是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，儀器儀

2、表是“倍增器倍增器”，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著巨大的輻射作用和影響力。對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著巨大的輻射作用和影響力。儀器儀表在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、大地測(cè)繪、診治疾儀器儀表在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、大地測(cè)繪、診治疾病、指揮交通、探測(cè)災(zāi)情等社會(huì)生活許多領(lǐng)域都有廣病、指揮交通、探測(cè)災(zāi)情等社會(huì)生活許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，泛應(yīng)用， 遍布遍布“農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用”。2021/8/144美國(guó)美國(guó)“阿波羅阿波羅”登月計(jì)劃登月計(jì)劃總投資總投資200200億美元億美元用于測(cè)量和試驗(yàn)的費(fèi)用達(dá)用于測(cè)量和試驗(yàn)的費(fèi)用達(dá)100100110110億美元，占總億美元，占總投資的投資的4040。 儀器儀表學(xué)科在自然科學(xué)與國(guó)民經(jīng)

3、濟(jì)儀器儀表學(xué)科在自然科學(xué)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中具有十分重要的地位與作用的發(fā)展中具有十分重要的地位與作用 儀器對(duì)于生產(chǎn)、生活、高精尖技術(shù)的意義2021/8/145儀器儀表發(fā)展至今已成為一門獨(dú)立儀器儀表發(fā)展至今已成為一門獨(dú)立的學(xué)科的學(xué)科光電儀器則是儀器儀表學(xué)科的一個(gè)光電儀器則是儀器儀表學(xué)科的一個(gè)重要分支重要分支, ,它是傳統(tǒng)的與現(xiàn)代的光它是傳統(tǒng)的與現(xiàn)代的光學(xué)機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)學(xué)機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)的集成。的集成。2021/8/146光電儀器的發(fā)展水平是科學(xué)技光電儀器的發(fā)展水平是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。2021/8/147研究對(duì)象研究對(duì)象 基于光學(xué)原理、采用光電轉(zhuǎn)

4、換基于光學(xué)原理、采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的各類光電精密儀器。技術(shù)的各類光電精密儀器。 2021/8/148研究方法研究方法 n綜合應(yīng)用有關(guān)技術(shù)綜合應(yīng)用有關(guān)技術(shù) n以點(diǎn)帶面、舉一反三以點(diǎn)帶面、舉一反三n理論聯(lián)系實(shí)際理論聯(lián)系實(shí)際n從整體上分析問題從整體上分析問題2021/8/149儀器儀表技術(shù)的特點(diǎn)儀器儀表技術(shù)的特點(diǎn)n儀器技術(shù)是信息技術(shù)中的源頭技術(shù)儀器技術(shù)是信息技術(shù)中的源頭技術(shù)n儀器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)儀器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)n現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)n儀器技術(shù)是信息技術(shù)儀器技術(shù)是信息技術(shù) 傳感技術(shù)；系統(tǒng)集成技術(shù)；智能控制技術(shù)；人機(jī)界面?zhèn)鞲屑夹g(shù)；系統(tǒng)集成技術(shù)；智能控制技

5、術(shù)；人機(jī)界面技術(shù)；可靠性技術(shù)。技術(shù)；可靠性技術(shù)。2021/8/1410我國(guó)光電儀器發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)光電儀器發(fā)展?fàn)顩r o目前我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品的綜合水目前我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品的綜合水平，大體上相當(dāng)于國(guó)際平，大體上相當(dāng)于國(guó)際8080年代中年代中期的水平，其中屬期的水平，其中屬9090年代水平的年代水平的約占約占202030%30%。 2021/8/1411我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距n 技術(shù)性能低、質(zhì)量差：在精度上較國(guó)際水平約低技術(shù)性能低、質(zhì)量差：在精度上較國(guó)際水平約低1212個(gè)等個(gè)等級(jí)，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，單機(jī)平均無故障時(shí)間國(guó)外為級(jí)，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，單機(jī)平均無故障時(shí)間國(guó)

6、外為1.81.8萬多萬多小時(shí)，而國(guó)產(chǎn)單機(jī)則為小時(shí)，而國(guó)產(chǎn)單機(jī)則為2 2千小時(shí)，國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)工作儀表平均無故千小時(shí)，國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)工作儀表平均無故障率時(shí)間普遍達(dá)到障率時(shí)間普遍達(dá)到10301030萬小時(shí)，而國(guó)產(chǎn)儀表一般只有萬小時(shí)，而國(guó)產(chǎn)儀表一般只有5 5千小千小時(shí)。國(guó)內(nèi)外工業(yè)儀表的相對(duì)故障率大體為時(shí)。國(guó)內(nèi)外工業(yè)儀表的相對(duì)故障率大體為9 9：1 1。 n品種系列不全，成套水平低：世界上儀器儀表大約有品種系列不全，成套水平低：世界上儀器儀表大約有2500025000種，而我國(guó)機(jī)械部所屬的只有種，而我國(guó)機(jī)械部所屬的只有1200012000多種。多種。 2021/8/1412我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距我國(guó)儀器

7、儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距n 新技術(shù)采用緩慢，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期長(zhǎng)：國(guó)外一些廠家產(chǎn)新技術(shù)采用緩慢，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期長(zhǎng)：國(guó)外一些廠家產(chǎn)品的開發(fā)周期一般為品的開發(fā)周期一般為1212年，少則半年或幾個(gè)月。元器件每年，少則半年或幾個(gè)月。元器件每年更新年更新20302030，基本上可以保證儀器儀表整機(jī)更新?lián)Q代的，基本上可以保證儀器儀表整機(jī)更新?lián)Q代的需要。我國(guó)的儀器儀表企業(yè)，新技術(shù)采用慢，產(chǎn)品更新周期需要。我國(guó)的儀器儀表企業(yè)，新技術(shù)采用慢，產(chǎn)品更新周期一般為一般為3434年，少則也需要兩年。年，少則也需要兩年。n標(biāo)準(zhǔn)化程度低：在我國(guó)的儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋標(biāo)準(zhǔn)化程度低：在我國(guó)的儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

8、的覆蓋率只占率只占1818，絕大多數(shù)產(chǎn)品沒有可靠性指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化、通用，絕大多數(shù)產(chǎn)品沒有可靠性指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化工作仍舊存在許多問題?；⑾盗谢ぷ魅耘f存在許多問題。 2021/8/1413我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距n產(chǎn)品結(jié)構(gòu)落后、功能少、智能化程度低：國(guó)際上已由單元組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)落后、功能少、智能化程度低：國(guó)際上已由單元組合式向功能組件組裝式發(fā)展，而國(guó)內(nèi)多為單元組合式。國(guó)外合式向功能組件組裝式發(fā)展，而國(guó)內(nèi)多為單元組合式。國(guó)外已把微處理器作為儀器儀表的組成部件，而國(guó)內(nèi)則處于初步已把微處理器作為儀器儀表的組成部件，而國(guó)內(nèi)則處于初步應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)儀器多為單

9、點(diǎn)，單參數(shù)、靜態(tài)測(cè)量，而國(guó)際應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)儀器多為單點(diǎn)，單參數(shù)、靜態(tài)測(cè)量，而國(guó)際上已向多點(diǎn)、多參數(shù)、自動(dòng)測(cè)量發(fā)展，由靜態(tài)測(cè)量為主向靜上已向多點(diǎn)、多參數(shù)、自動(dòng)測(cè)量發(fā)展，由靜態(tài)測(cè)量為主向靜動(dòng)態(tài)結(jié)合方向發(fā)展，由接觸式向非接觸式測(cè)量發(fā)展。其它在動(dòng)態(tài)結(jié)合方向發(fā)展，由接觸式向非接觸式測(cè)量發(fā)展。其它在儀器儀表材料、工藝、元器件等方面也都存在不少的差距。儀器儀表材料、工藝、元器件等方面也都存在不少的差距。2021/8/1414國(guó)內(nèi)儀器儀表發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)儀器儀表發(fā)展趨勢(shì) 標(biāo)準(zhǔn)化、系列化標(biāo)準(zhǔn)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 2021/8/1415以溫度計(jì)為例以溫度計(jì)為例

10、主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)：主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)：* *測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：32-4232-42* *測(cè)量溫度低于測(cè)量溫度低于3232時(shí)，顯示時(shí)，顯示LL* *測(cè)量溫度高于測(cè)量溫度高于4242時(shí)，顯示時(shí)，顯示HH* *顯示分辨率：顯示分辨率：0.10.1* *顯示方式：液晶顯示（三位半）顯示方式：液晶顯示（三位半）* *功功 耗：工作狀態(tài)下為耗：工作狀態(tài)下為0.150.15毫瓦毫瓦* *電池：電池：AG3AG3型型1.5V1.5V普通紐扣電池普通紐扣電池* *蜂鳴提示：測(cè)量結(jié)束后發(fā)出蜂鳴提示聲蜂鳴提示：測(cè)量結(jié)束后發(fā)出蜂鳴提示聲 2021/8/1416本課程的目的與要求本課程的目的與要求o掌握機(jī)、光、電技

11、術(shù)結(jié)合的儀器總體掌握機(jī)、光、電技術(shù)結(jié)合的儀器總體設(shè)計(jì)有關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)。設(shè)計(jì)有關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)。o初步掌握儀器總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步掌握儀器總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。方法。o初步具有正確的估算和分析儀器精度初步具有正確的估算和分析儀器精度的能力。的能力。2021/8/1417第二節(jié)第二節(jié) 精密儀器的設(shè)計(jì)精密儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與組成特點(diǎn)與組成2021/8/1418被測(cè)量感受轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換放大 比較轉(zhuǎn)換放大感受轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)量瞄準(zhǔn)示值校正值數(shù)據(jù)加工 和處理12543 絕對(duì)法測(cè)量1-定位部件 2-線紋尺 3-讀數(shù)顯微鏡 4-瞄準(zhǔn)顯微鏡 5-被測(cè)工件 2021/8/1419根據(jù)儀器中各部件的功能，可將儀器分為以下根據(jù)儀

12、器中各部件的功能，可將儀器分為以下幾個(gè)基本組成部分：幾個(gè)基本組成部分：1基準(zhǔn)部件（基準(zhǔn)器或標(biāo)準(zhǔn)器）基準(zhǔn)部件（基準(zhǔn)器或標(biāo)準(zhǔn)器）2021/8/14202感受轉(zhuǎn)換部件感受轉(zhuǎn)換部件接觸式接觸式非接觸式非接觸式感受被測(cè)量，拾取原始信號(hào)感受被測(cè)量，拾取原始信號(hào)2021/8/14213轉(zhuǎn)換放大部件轉(zhuǎn)換放大部件將感受轉(zhuǎn)換來的微小信號(hào)，通過各將感受轉(zhuǎn)換來的微小信號(hào)，通過各種原理（如光、機(jī)、電、氣）進(jìn)行種原理（如光、機(jī)、電、氣）進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換和放大進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換和放大 機(jī)械測(cè)微儀各運(yùn)動(dòng)副作用線示意圖asr0111233zz1zz2432021/8/14224顯示部件顯示部件2021/8/14235處理與計(jì)算裝置處

13、理與計(jì)算裝置2021/8/14246瞄準(zhǔn)部件瞄準(zhǔn)部件2021/8/14257機(jī)械結(jié)構(gòu)部件機(jī)械結(jié)構(gòu)部件2021/8/1426第三節(jié)第三節(jié) 光電儀器的靜態(tài)特性光電儀器的靜態(tài)特性 對(duì)于儀器系統(tǒng)來說，當(dāng)被測(cè)量對(duì)于儀器系統(tǒng)來說，當(dāng)被測(cè)量x x不隨時(shí)間變化，即不隨時(shí)間變化，即dxdxdt=0dt=0，或作或作緩慢變化時(shí)，可按靜態(tài)測(cè)量處理，緩慢變化時(shí)，可按靜態(tài)測(cè)量處理，應(yīng)著重討論它的靜態(tài)特性。應(yīng)著重討論它的靜態(tài)特性。 2021/8/1427一、靜態(tài)測(cè)量中輸入和輸出的關(guān)系一、靜態(tài)測(cè)量中輸入和輸出的關(guān)系 當(dāng)輸入信號(hào)為定值或變化十分緩慢時(shí)，儀器當(dāng)輸入信號(hào)為定值或變化十分緩慢時(shí)，儀器系統(tǒng)的輸出信號(hào)特性稱為靜態(tài)特性。

14、靜態(tài)測(cè)量中系統(tǒng)的輸出信號(hào)特性稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)測(cè)量中儀器系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系一般可用下式表儀器系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)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分別為輸人和輸出信號(hào)；分別為輸人和輸出信號(hào)； a a0 0、a a1 1、a a2 2、a a3 3、a an n標(biāo)定系數(shù)標(biāo)定系數(shù) 或刻度因子或刻度因子2021/8/1428Boxy示 值 范 圍A 線 性 度2021/8/1429二、儀器的靜態(tài)特性指標(biāo)二、儀器的靜態(tài)特性指標(biāo) o分度值及分辨力分度值及分辨力分

15、度值是儀器最小分度所代表的被測(cè)量的值。分度值是儀器最小分度所代表的被測(cè)量的值。它是一臺(tái)儀器可能讀出的最小讀數(shù)值（不包括它是一臺(tái)儀器可能讀出的最小讀數(shù)值（不包括估讀值）。估讀值）。分度值對(duì)于如數(shù)字式儀器來說，將儀器所能測(cè)分度值對(duì)于如數(shù)字式儀器來說，將儀器所能測(cè)得的被測(cè)量的最小增量稱為分辨力。得的被測(cè)量的最小增量稱為分辨力。分度值有別于分劃間隔。分劃間隔是指刻尺或分度值有別于分劃間隔。分劃間隔是指刻尺或度盤上相鄰兩刻線所代表的量值之差。度盤上相鄰兩刻線所代表的量值之差。2021/8/1430o靈敏度及放大比靈敏度及放大比 靈敏度是指儀器對(duì)被測(cè)量變化的反應(yīng)能力。靈敏度是指儀器對(duì)被測(cè)量變化的反應(yīng)能力。

16、 s=y s=yxx當(dāng)輸入與輸出為同一量綱時(shí)可用放大比來代替當(dāng)輸入與輸出為同一量綱時(shí)可用放大比來代替靈敏度。靈敏度。當(dāng)靈敏度為定值時(shí)，儀器系統(tǒng)為線性的。當(dāng)靈敏度為定值時(shí)，儀器系統(tǒng)為線性的。 2021/8/1431o測(cè)量范圍及示值范圍測(cè)量范圍及示值范圍 測(cè)量范圍是指在允許誤差極限內(nèi)儀器所測(cè)量范圍是指在允許誤差極限內(nèi)儀器所能測(cè)出的最大被測(cè)量與最小被測(cè)量之間的范能測(cè)出的最大被測(cè)量與最小被測(cè)量之間的范圍。圍。 示值范圍是指儀器所顯示或指示的最低示值范圍是指儀器所顯示或指示的最低值到最高值的范圍。值到最高值的范圍。 2021/8/1432o示值重復(fù)性示值重復(fù)性 示值重復(fù)性是指在外界條件不變的情示值重復(fù)性

17、是指在外界條件不變的情況下，對(duì)同一量重復(fù)測(cè)量時(shí)儀器示值的最況下，對(duì)同一量重復(fù)測(cè)量時(shí)儀器示值的最大變化范圍。重復(fù)測(cè)量次數(shù)一般為大變化范圍。重復(fù)測(cè)量次數(shù)一般為10101515次，變動(dòng)范圍一般允許為分度值的次，變動(dòng)范圍一般允許為分度值的1/31/31/51/5。2021/8/1433o示值誤差示值誤差 示值誤差是指儀器示值與被測(cè)量的真值示值誤差是指儀器示值與被測(cè)量的真值之差。之差。2021/8/1434o滯差（回程誤差）滯差（回程誤差）產(chǎn)生滯差的原因產(chǎn)生滯差的原因: :儀器內(nèi)的間隙、摩擦、死區(qū)儀器內(nèi)的間隙、摩擦、死區(qū)機(jī)械材料和電氣材料與器件機(jī)械材料和電氣材料與器件的滯后特性（如彈性元件或的滯后特性（

18、如彈性元件或磁性元件的滯后特性）的緣磁性元件的滯后特性）的緣故。故。oxy滯差圖1-7 滯差2021/8/1435o靈敏閾（靈敏限、門限）靈敏閾（靈敏限、門限） 能引起儀器示值可見變化所需的最小輸入能引起儀器示值可見變化所需的最小輸入量。這一項(xiàng)表示儀器感受微小量的敏感程度。量。這一項(xiàng)表示儀器感受微小量的敏感程度。小于這個(gè)量的變化，儀器就反映不出來了。在小于這個(gè)量的變化，儀器就反映不出來了。在數(shù)顯儀器中常稱之為分辨率。數(shù)顯儀器中常稱之為分辨率。2021/8/1436o漂移漂移 當(dāng)輸人信號(hào)不變時(shí)，由于儀器內(nèi)部溫當(dāng)輸人信號(hào)不變時(shí)，由于儀器內(nèi)部溫度變化或元器件不穩(wěn)定所引起的輸出信號(hào)度變化或元器件不穩(wěn)定所引起的輸出信號(hào)的變化就是漂移。的變化就是漂移。2021/8/1437o測(cè)量力測(cè)量力 測(cè)量過程中發(fā)生在儀器測(cè)頭和被測(cè)工件表測(cè)量過程中發(fā)生在儀器測(cè)頭和被測(cè)工件表間的接觸力。這項(xiàng)指標(biāo)針對(duì)接觸測(cè)量而言。間的接觸力。這項(xiàng)指標(biāo)針