光電儀器原理與設(shè)計第7章-標(biāo)準(zhǔn)器課件

1、第七章標(biāo)準(zhǔn)量與標(biāo)準(zhǔn)器1第七章標(biāo)準(zhǔn)量與標(biāo)準(zhǔn)器1第七章標(biāo)準(zhǔn)量與標(biāo)準(zhǔn)器第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述第二節(jié)標(biāo)尺與度盤第三節(jié)計量光柵第四節(jié)光學(xué)編碼度盤第五節(jié)光波長SI2第七章標(biāo)準(zhǔn)量與標(biāo)準(zhǔn)器第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述SI23第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述什么是標(biāo)準(zhǔn)器？長度計量標(biāo)尺量塊光波長3第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述什么是標(biāo)準(zhǔn)器？標(biāo)尺量塊光波長第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述長度基準(zhǔn)的沿革4古埃及“腕尺”法老的小臂拐肘到中指尖之間的距離古中國“寸”布指知寸，布手知尺，舒肘知尋英國“英寸”3粒圓而干的大麥粒一個接一個排成的長度階段以人體或自然環(huán)境為基準(zhǔn)的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述長度基準(zhǔn)的沿革4古埃及“腕尺”古中國“寸5第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述1791年法國“檔案

2、米”經(jīng)過巴黎的地球子午線周長的1/410-8為米并制成鉑質(zhì)米原器階段基于自然量的人造實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)1889年國際計量大會“國際米原器”恒溫恒濕環(huán)境下的鉑銥合金米尺（精度0.1 mm）長度基準(zhǔn)的沿革5第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述1791年法國“檔案米”階段18896第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述1960年國際計量大會氪86原子的2P10和5d1能級之間躍遷的輻射在真空中波長的1650763.73倍階段自然量基準(zhǔn)1983巴黎國際計量大會真空中光波在1/299 792 458s時間內(nèi)傳輸?shù)木嚯x階段基本物理常數(shù)定義長度基準(zhǔn)的沿革 基準(zhǔn)的兩個特點(diǎn) 精確可靠 統(tǒng)一6第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述1960年國際計量大會階段1983巴7第一節(jié)計量標(biāo)

3、準(zhǔn)概述國際單位制SI（Le Systme International dUnits）1960年第十一屆國際計量大會決定將以米(m)、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、開爾文(K)和坎德拉(cd)這六個單位為基本單位的實(shí)用計量單位制命名為“國際單位制”，并規(guī)定其符號為“SI”。1974年的第十四屆國際計量大會又決定增加將物質(zhì)的量的單位摩爾(mol)作為基本單位。目前國際單位制共有七個基本單位：長度、時間、發(fā)光強(qiáng)度、質(zhì)量、物質(zhì)的量、電流、熱力學(xué)溫度7第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述國際單位制SI（Le Systme 8國際單位制詞頭8國際單位制詞頭9第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述標(biāo)準(zhǔn)器的定義和功能形式：實(shí)物量具、測量儀器

4、或測量系統(tǒng)功能：用來定義、實(shí)現(xiàn)、維持或再生一個單位或一個甚至多個已知物理量值，經(jīng)由比對將其傳遞至其它測量儀器范疇：一個具有高準(zhǔn)確度且可做為一個標(biāo)準(zhǔn)的器具均可稱為標(biāo)準(zhǔn)器精度等級：標(biāo)準(zhǔn)器誤差是儀器誤差的1/31/5測量與計量測量：以確定量值為目的的操作計量：實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動基準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)）的建立、復(fù)現(xiàn)、保存和傳遞，測量方法及其精度估計，測量儀器精度檢驗(yàn)等9第一節(jié)計量標(biāo)準(zhǔn)概述標(biāo)準(zhǔn)器的定義和功能10第二節(jié)標(biāo)尺與度盤標(biāo)尺（scale）定義具有一系列平行刻線的直尺，可提供長度或線位移的量度廣義地說，以光、電、磁等原理形成有一定空間間距的周期信號，并以此提供長度或線位移的量度的器件標(biāo)尺的材料金屬

5、玻璃/塑料10第二節(jié)標(biāo)尺與度盤標(biāo)尺（scale）定義11第二節(jié)標(biāo)尺與度盤標(biāo)尺誤差制造誤差：刻線誤差取決于刻線機(jī)，可修正，需檢定運(yùn)行誤差：溫度變化誤差選擇好的材料運(yùn)行誤差：重力變形誤差注意支點(diǎn)（2/9L）和端面形狀標(biāo)尺精度等級一級（0.2+L(mm)/500 ）m五級（3+L(mm)/100） m11第二節(jié)標(biāo)尺與度盤標(biāo)尺誤差12第二節(jié)標(biāo)尺與度盤度盤定義用于測量角度的分度圓盤在圓形零件的刻劃面上以等分或不等分刻劃來作為角度標(biāo)準(zhǔn)器的一種元件應(yīng)用：經(jīng)緯儀12第二節(jié)標(biāo)尺與度盤度盤定義13第二節(jié)標(biāo)尺與度盤度盤誤差刻劃誤差：制造誤差實(shí)際刻線偏離理想位置的角度量dj刻線機(jī)誤差D穩(wěn)定在切向0.5 mm度盤大，角

6、度誤差小誤差展開成傅里葉級數(shù)諧波分析起始理想實(shí)際13第二節(jié)標(biāo)尺與度盤度盤誤差誤差展開成傅里葉級數(shù)諧波分析14度盤誤差運(yùn)行誤差：安裝偏心誤差第二節(jié)標(biāo)尺與度盤最大讀數(shù)誤差為如何消除? 14度盤誤差第二節(jié)標(biāo)尺與度盤最大讀數(shù)誤差為如何消除? 對徑讀數(shù)：消除偏心誤差同時消除刻劃誤差中的奇次諧波分量15第二節(jié)標(biāo)尺與度盤對徑讀數(shù)：消除偏心誤差15第二節(jié)標(biāo)尺與度盤16度盤參數(shù)選擇分劃值：相鄰兩刻線張角采用360、六十分制(1/2)，(1/3)，(1/6)，(1/10)，(1/12)，(1/15)，(1/30)考慮最小讀數(shù)值 和讀數(shù)測微器細(xì)分?jǐn)?shù)n第二節(jié)標(biāo)尺與度盤16度盤參數(shù)選擇第二節(jié)標(biāo)尺與度盤17度盤參數(shù)選擇度

7、盤直徑D下限：刻劃直徑越大，刻劃誤差V()越小上限：度盤直徑受儀器尺寸限制與讀數(shù)光學(xué)系統(tǒng)相適應(yīng)A：相鄰兩分劃線的視見間隔，一般為12毫米：光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)經(jīng)驗(yàn)：金屬度盤直徑170300 mm光學(xué)度盤80250 mm第二節(jié)標(biāo)尺與度盤17度盤參數(shù)選擇第二節(jié)標(biāo)尺與度盤18度盤參數(shù)選擇刻線寬度bB為刻線視見寬度，取決于瞄準(zhǔn)方式單實(shí)線重合瞄準(zhǔn)時：B = 0.1 0.15 mm單實(shí)線線端對準(zhǔn)時：B = 0.15 0.2 mm雙線對稱跨單線瞄準(zhǔn)時：B = 0.3 0.4 mmr為度盤刻劃半徑，b是刻線間隔的1/101/8左右 第二節(jié)標(biāo)尺與度盤18度盤參數(shù)選擇第二節(jié)標(biāo)尺與度盤第三節(jié)計量光柵光柵簡介莫爾條紋的形

8、成和特點(diǎn)莫爾條紋的探測幾何式光柵讀數(shù)頭衍射式光柵讀數(shù)頭光柵尺信號處理*光柵尺的設(shè)計19第三節(jié)計量光柵光柵簡介1920光柵的定義物理光學(xué)課本又稱衍射光柵，是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散的光學(xué)元件它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片廣義的光柵任何具有周期結(jié)構(gòu)的、能對光起調(diào)制作用的光學(xué)元件20光柵的定義物理光學(xué)課本21光柵尺的結(jié)構(gòu)德國Heidenhain商用光柵尺正視圖側(cè)視剖面圖標(biāo)尺（光柵）被測件安裝在此光柵周期數(shù)十微米問題標(biāo)尺太細(xì)怎么讀數(shù)？21光柵尺的結(jié)構(gòu)德國Heidenhain商用光柵尺正視圖側(cè)視22光柵對：主光柵(main grating)+指示光柵(index gra

9、ting)莫爾條紋幾何光學(xué)解釋 適用于 d = 20-100 m衍射光學(xué)解釋 適用于 d 10倍光波長光柵周期 光波長光柵相位移動定理光柵相對入射光沿垂直柵線方向移動Dxm級衍射光相位變化DjDj = 2mp Dx/djj + Dj無明顯衍射有明顯衍射Dx34光柵衍射的特點(diǎn)是否有明顯的衍射？jj + Dj無明顯衍35莫爾條紋的衍射光學(xué)解釋C=d10m光柵方程sin = /C對稱衍射35莫爾條紋的衍射光學(xué)解釋C=d10m36莫爾條紋的衍射光學(xué)解釋三部分相位變化光程差（Optical path difference）通過掃描光柵 y測量基準(zhǔn)移動產(chǎn)生相移 W光柵相移定理36莫爾條紋的衍射光學(xué)解釋三部

10、分相位變化光柵相移定理37莫爾條紋的衍射光學(xué)解釋左側(cè)第一個探測器紅光：透0級反+1級透0級相位變化W +2y綠光：透+1級反1級透+1級相位變化 W相位差 2W +2y衍射級次代數(shù)和相等的光束產(chǎn)生干涉光柵相移定理37莫爾條紋的衍射光學(xué)解釋左側(cè)第一個探測器光柵相移定理38莫爾條紋的衍射光學(xué)解釋衍射級次代數(shù)和相等的光束產(chǎn)生干涉測量基準(zhǔn)勻速移動，相位差W線性變化，探測器探測到按正弦規(guī)律變化光強(qiáng)信號光柵相移定理38莫爾條紋的衍射光學(xué)解釋衍射級次代數(shù)和相等的光束產(chǎn)生干涉光粗光柵v.s.細(xì)光柵橫向莫爾條紋 衍射莫爾條紋39粗光柵v.s.細(xì)光柵橫向莫爾條紋 衍射莫爾條紋40衍射式光柵讀數(shù)頭分光式在不同衍射方

11、向上探測透鏡2將不同衍射方向的光會聚到光電接收元件平面上不同的點(diǎn)光電接收元件間距 = 透鏡2焦距 衍射光束偏離光軸角度分辨率和精度較高40衍射式光柵讀數(shù)頭分光式41判向目的：判別光柵移動方向，測量往復(fù)運(yùn)動位移大小方法：判向電路細(xì)分目的：提高分辨率方法減小光柵周期電子細(xì)分移相細(xì)分光柵尺的信號處理41判向光柵尺的信號處理42光柵尺信號處理：判向原理獲取相位相差p/2的兩個信號相對超前或落后表明運(yùn)動方向信號獲取方法幾何式：探測器相距B/4放置衍射式：設(shè)計掃描板， 使得信號處理電路判向電路幾何式信號超前或落后tI參考超前落后正向反向42光柵尺信號處理：判向原理幾何式信號超前或落后tI參考超前43判向電

12、路u1-計數(shù)方波；Ua-計數(shù)脈沖； Ub-反向計數(shù)方波；Uc-反向計數(shù)脈沖； u2-門控方波；Y1, Y2-加/減計數(shù) 與門43判向電路u1-計數(shù)方波；Ua-計數(shù)脈沖； Ub-反向計44判向電路各點(diǎn)信號u2u1UbUaUc加減反向正向u2u1UbUaUc加減44判向電路各點(diǎn)信號u2反向正向u245光柵尺信號處理：細(xì)分幾何式移相細(xì)分增大光柵對之間的距離使信號接近正弦在相距 B/4 的位置放置探測器四步法移相細(xì)分45光柵尺信號處理：細(xì)分幾何式移相細(xì)分46衍射式移相細(xì)分在聚光鏡焦面上不同衍射級次位置放置光電元件設(shè)計掃描板使得由三步法可求的相應(yīng)相位光柵尺信號處理：細(xì)分（Subdivision）46衍射

13、式移相細(xì)分光柵尺信號處理：細(xì)分（Subdivisio47絕對測量與增量測量絕對式長光柵尺的光柵增量式長光柵尺的光柵47絕對測量與增量測量絕對式長光柵尺的光柵增量式長光柵尺的光48絕對測量與增量測量帶增量刻軌的絕對編碼結(jié)構(gòu)光柵帶距離編碼參考點(diǎn)的增量式光柵增量刻線絕對編碼增量刻線距離編碼參考點(diǎn)48絕對測量與增量測量帶增量刻軌的絕對編碼結(jié)構(gòu)光柵帶距離編碼49光柵尺參數(shù)設(shè)計光柵柵距（grating pitch）考慮儀器分辨率（resolution）和細(xì)分?jǐn)?shù)衍射原理：8 mm以下 幾何原理：20 mm以上移相細(xì)分：測相精度 電子細(xì)分：2-4096探測器尺寸及位置考慮平均柵線誤差的需要考慮獲取細(xì)分或判向信

14、號的需要49光柵尺參數(shù)設(shè)計光柵柵距（grating pitch）50商用光柵尺技術(shù)參數(shù)Maximum traversing speed德國Heidenhain德國Numerik Jena意大利Givi50商用光柵尺技術(shù)參數(shù)Maximum traversing 51光柵尺的誤差光柵刻度質(zhì)量莫爾條紋減少短周期誤差；誤差修正；多讀數(shù)頭掃描質(zhì)量減小雜散光信號處理電子設(shè)備的質(zhì)量掃描板沿標(biāo)尺運(yùn)動的偏差安裝防止應(yīng)力和變形，有調(diào)整環(huán)節(jié)減小阿貝誤差：滑板與標(biāo)尺同高，安裝面與導(dǎo)軌平行光柵尺的標(biāo)定（長度標(biāo)準(zhǔn)溯源）與干涉儀比對51光柵尺的誤差光柵刻度質(zhì)量52長光柵莫爾條紋形成及特點(diǎn)幾何解釋，雙光柵衍射解釋長光柵橫向莫

15、爾條紋特點(diǎn)幾何式、衍射式光柵讀數(shù)頭的基本組成和布局光柵尺判向與細(xì)分信號的提取探測器位置設(shè)計三步法、四步法移相細(xì)分公式光柵參數(shù)選擇與光柵誤差光柵常數(shù)、夾角，探測器尺寸與位置，等光柵尺小結(jié)52長光柵莫爾條紋形成及特點(diǎn)光柵尺小結(jié)被測位移/角度連續(xù)標(biāo)尺/度盤讀數(shù)離散以分辨率為間隔位移量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字測量位移編碼器：位移量數(shù)字測量的標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)尺/度盤的特點(diǎn)絕對值編碼，數(shù)字標(biāo)注，人工判讀53第四節(jié)光學(xué)編碼度盤05109.0 mm被測位移/角度53第四節(jié)光學(xué)編碼度盤05109.0 mm度盤數(shù)字化測量光學(xué)編碼度盤角位移量數(shù)字測量的標(biāo)準(zhǔn)器以二進(jìn)制代碼運(yùn)算為基礎(chǔ)，用透光與不透光代表“1”和“0”，配以一定電路，實(shí)

16、現(xiàn)角度量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換54第四節(jié)光學(xué)編碼度盤 絕對值編碼 二進(jìn)制標(biāo)注 自動判讀度盤數(shù)字化測量光學(xué)編碼度盤54第四節(jié)光學(xué)編碼度盤 絕對增量式光學(xué)碼盤（光電編碼器）結(jié)構(gòu)55第四節(jié)光學(xué)編碼度盤1-轉(zhuǎn)軸；2-光源；3-判向板；4-絕度位置標(biāo)記；5-光電接收器；6-增量計數(shù)標(biāo)記；7-數(shù)據(jù)接口增量式光學(xué)碼盤（光電編碼器）結(jié)構(gòu)55第四節(jié)光學(xué)編碼度盤1-增量式光電編碼器工作原理-計數(shù)56第四節(jié)光學(xué)編碼度盤增量式光電編碼器工作原理-計數(shù)56第四節(jié)光學(xué)編碼度盤增量式光電編碼器工作原理-判向57第四節(jié)光學(xué)編碼度盤判向元件：A與B徑向間距=1/4狹縫間距AB正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)增量式光電編碼器工作原理-判向57第四節(jié)光學(xué)編碼度盤

17、判向元絕對式碼盤二進(jìn)制編碼 v.s. 循環(huán)編碼（格雷碼）58第四節(jié)光學(xué)編碼度盤絕對式碼盤58第四節(jié)光學(xué)編碼度盤59第四節(jié)光學(xué)編碼度盤二進(jìn)制碼便于閱讀：每個碼道有對應(yīng)的權(quán)出錯可能大：可能出現(xiàn)多個位數(shù)上的碼同時變化的情況，如：0111110000，易誤碼（非單值性誤差）循環(huán)碼出錯可能?。合噜彺a各位中只有一位變化不易閱讀：無固定的權(quán)，但和二進(jìn)制碼有轉(zhuǎn)換關(guān)系易加工：每一碼道的線條數(shù)（除最高位）比二進(jìn)制碼盤少一半，如對應(yīng)5道碼盤，二進(jìn)制最外圈32條，循環(huán)碼16條59第四節(jié)光學(xué)編碼度盤二進(jìn)制碼60第四節(jié)光學(xué)編碼度盤碼盤基本參數(shù)碼道n：黑白相間，高位在內(nèi)，低位在外碼容量M：M=2n, n = 5, M =

18、 32; 分辨率：360/M; n = 21, 360/M 0.6 刻劃周期（柵角）刻線寬度刻線長度最小內(nèi)圈直徑碼道間隔60第四節(jié)光學(xué)編碼度盤碼盤基本參數(shù)第四節(jié)光學(xué)編碼度盤應(yīng)用：轉(zhuǎn)盤工位編碼絕對式編碼器每一轉(zhuǎn)角位置均有一個固定的編碼輸出編碼器與轉(zhuǎn)盤同軸相連，則轉(zhuǎn)盤上每一工位安裝的被加工工件均可有一個編碼相對應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)盤上某一工位轉(zhuǎn)到加工點(diǎn)時，該工位對應(yīng)的編碼由編碼器輸出給控制系統(tǒng) 1-編碼器2-電機(jī)3-傳動軸4-轉(zhuǎn)盤5-工件6-鉆頭第四節(jié)光學(xué)編碼度盤應(yīng)用：轉(zhuǎn)盤工位編碼1-編碼器62第五節(jié)光波長干涉測量基本原理利用干涉復(fù)現(xiàn)米定義6262第五節(jié)光波長干涉測量基本原理6263單色光邁克爾遜干涉儀干涉測長基本原理63光源分光鏡參考面被測面探測器理想情況下探測器上光強(qiáng)被測面移動距離探測器光強(qiáng)參考臂測量臂光線往返：被測面移動半個波長為兩臂光程差以 變化一個波長為周期63單色光邁克爾遜干涉儀干涉測長基本原理63光源分光鏡參考面64干涉測長基本原理任何