光学读数与光电读数系统教材

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1、第六章 光学读数与光电读数系统 6.1 光学读数系统的基本要求和分类 6.1.1 读数系统的基本要求 1读数精确可靠 2保证有足够的灵敏和灵敏度 3读数方便、迅速 4结构简单、维修方便 6.1.2 光学读数系统的分类 1按所采用的光学系统的性质来分 2按被测量的性质来分 望远系统和显微系统、显微投影系统、投影系统 等光学读数系统 角度测量系统、线量测量系统和测距系统 6.1 光学读数系统的基本要求和分类 6.1.2 光学读数系统的分类 3按读数方式来分 （1) 机械式:利用机构对微小 尺寸进行细分读数的方法。 （2) 光学式：光学放大原理 （3) 数字式：电子细分 常用在如丝杆测微器、投 影仪

2、、测量显微镜、大小工具 显微镜等 6.1 光学读数系统的基本要求和分类 6.1.2 光学读数系统的分类 4按光学系统的联接方式来分 按光学系统联接的性质来分，可分为串联式、并联 式和混联式 5按数学性质来分 单像的乘法系统(如光学定位器中望远物镜和反射角镜 组成的系统)和双像加法系统。 6按读数精度来分 （1) 低精度读数系统 （2) 中等精度读数系统 （3) 高精度读数系统 6.1 光学读数系统的基本要求和分类 按原理分： 6.1.2 光学读数系统的分类 （1) 直读式光学读数系统(无专用测微器) 1)用人眼估读刻线间隔的读数系统； 2)斜分尺之刻尺的读数系统； 3)游标尺读数系统。 （2)

3、 带光学测微器的光学读数系统 1)光学机械式的读数系统； 2)光学式的读数系统。 6.2 光学读数系统中基准元件 所谓基准器就是在测量、计量仪器中作为“比较”标准的 元件。 它是仪器中的测量基准，它的精度是仪器所能达到的工 艺极限。不同的测量中将采用不同的基准元件。 长度测量的基准元件：光波波长、块规、标尺、计 量光栅等。 角度测量基准元件：度盘、码盘、精密齿轮等。 光学读数系统中用的最广泛的基准元件是标尺和度 盘。 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.1 光波波长 光波波长是长度传递中的最高基准。 光波波长作为长度基准器的发展过程：米原器镉红光波 长氮原子辐射波激光波长。 表6.1 国

4、外波长基准水平 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.2 标尺 1标尺的基本系列和规格 常见的种类 （1）金属标尺： 优点：易加工，尤其是常标尺。 温度条件要求较低，因线膨胀系数与仪器基体及被 测工件接近。 可做成各种形状的断面，使弯曲变形小。 缺点：1）易脏，光洁度低；2）不易复制。 （2）玻璃标尺： 优点：照明好。 表面质量好，光洁度高。 长期保持清洁。 可照像复制，成本低、。 缺点：1）温度条件要求高；2）变化小。 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.2 标尺 从抗温度变化和抗弯曲变形角度看，金属尺优于玻璃标尺 ，因此，精密的标尺乃采用金属作材料，玻璃标尺在光学仪器 中用的最普

5、遍，现在已基本实现了标准化。表6-2、6-3的数值 可以作为设计时的参考。 1标尺的基本系列和规格 2选择标尺的基本原则 （1) 材料选择 考虑两点： 一为材料的线膨胀系数，二为材料的加工性能。 （2) 形状选择 金属尺的端面可加工成特殊形状，减小因变形引起的 测量误差。玻璃尺不易加工复杂截面。 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.2 标尺 2选择标尺的基本原则 （3)支承点选择 选择使标尺变形最小的支撑点，减小测量误差。 设计刻尺座时要尽量满足运动学原理。 考虑爱里点支撑原则 （4) 标尺的分划值的选择 标尺的主要参数： 刻划长度：由仪器的测量范围定。 分划间隔：基本两种0.1mm和1

6、mm。跟细分方式和最小读 数有关。 标尺的分划值 ，最小读数 ，细分数n之间的关系： 确定后，由测量精度确定，则 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.2 标尺 2选择标尺的基本原则 （5) 照明方式 金属标尺采用反射照明； 玻璃标尺多采用投射照明。 玻璃标尺在光电仪器中得到广泛应用，特别是200mm 以下的短标尺几乎都用玻璃标尺。 3标尺的精度 （1）标尺误差的来源： 影响标尺精度得主要因素有三个： 刻线误差：由刻化机精度及刻化工艺造成的。 温度（变化带来的）误差：可计算并进行修正。 （标尺）受力（弯曲）变形误差：可计算并进行修正。 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.2 标尺 （

7、2）标尺精度选择原则 3标尺的精度 标尺的精度按任意两分划线之间的最大不准确度划分， 可分为五个等级： 2级精度： 3级精度： 4级精度： 5级精度： 选择标尺时应根据两点： 1级精度： 根据仪器的总精度分配指标。 根据目前刻划工艺水平。 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.2 标尺 高精度的标尺由于加工困难满足不了需要，常常用较低精 度的际尺来代替，代替的条件是对标尺用精度较高的比长仪进 行检定，并将每条刻线的误差列成表格，使用时用此表格进行 修正。 3标尺的精度 例6-1： 测得一个工件长度的两次读数分别为和12.4567mm 对此读数进行修正： ：设由修正表查得刻划误差在处为 则修

8、正后实际值为： 12.4567mm由修正表查得刻划误差在12mm处为-0.0007mm, ， 则修正后实际值为： 所以，实际测量长度为： 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.3 度盘 度盘是在圆形零件的刻划面上以等分或不等分刻划来 作为角度标准器的一种元件。 分类： 金属度盘：都是反射式度盘。 光学度盘：反射式度盘和投射式度盘。 刻线面形状： 锥面：高精度度盘，多数是金属度盘。 柱面：低精度、粗读用。 平面：各种精度。 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.3 度盘 1度盘的质量指标 主要包括刻线误差、封闭误差、刻线质量。 （1）刻线误差： 包括两种： 刻线的位置误差：在单面读数条件

9、下以刻线的位置衡 量误差指标。 直径误差：在对径读数条件下作为衡量指标。 刻线的位置误差：（主要误差）指刻线实际位置偏移理想位 置的角度值。表示为： 直径误差：（即对径的）相对180两 刻线的位置误差之和的平均值。 最大直径误差： 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.3 度盘 1度盘的质量指标 （3）封闭误差 所谓度盘刻线的封闭误差是指度盘刻线一圈，第一条线与 最后一条线不能闭合而出现的误差。 （4）刻线质量 刻线质量指线条断线、不清晰，线边不整齐、疵点等，它 与刻划技术和光刻设备有关。 2度盘参数的选择 度盘的主要参数有度盘分划值 、分划直径D、刻线宽b。 （1）度盘分划值 的选择 度

10、盘分划值就是度盘上相邻两刻线对于度盘中心的央 角。又称度盘格值。 度盘分划值的选择主要考虑两个因素：一是仪器的最 小读数值，另一是刻划工艺的可能性。 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.3 度盘 （2) 分划直径D的选择 2度盘参数的选择 1) 刻划误差与刻划直径的关系 精度要求越高，度盘刻划直径应越大 2) 刻划间隔与人眼的视见宽度 度盘分划值与度盘的刻线间隔之间关系 刻线间隔C经光学系统放大后的线量应能被人眼观察 读数，则 度盘的刻划直径D大刻线间隔C亦大，放大率、可适当小些， 对设计是有利的。 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.3 度盘 2度盘参数的选择 3) 度盘刻划直径

11、与结构尺寸的关系 度盘直径的选择应该在仪器结构尺寸允许的范围内考虑。 通常:金属度盘的直径一般为170300mm 光学度盘的直径一般为80250mm,常用的为120160mm （3) 刻线宽度b的选择 （2) 分划直径D的选择 刻线宽度 b0为刻线的视见宽度，取值与对准方式有关 单线重合： b0=0.10.15mm 单线符合对准：b0=0.150.2mm 双线央单线对准：b0=0.30.4mm 刻线宽度与刻线间隔有如下关系 6.2 光学读数系统中基准元件 v6.2.4 块规 长度基准,按制造精度和检定精度的不同而分为五级 和六等 。一般不直接安装在仪器上。 在光学仪器多数作零位基准用。如在零位

12、测微仪中的使用 零位测微仪（光学计）的工作原理 采用自准直原理 目镜观察分划板像与有反射镜 反射回来的自身像重合，则调零。 测杆在垂直方向有移动量h时 ，带动反射镜偏转角，则反射的 分划板像偏转2，对应的距离为y 。若物镜焦距为f,测杆支点到铰 点距离为a，则 所以被测距离： 6.3 光学读数系统中的对准精度、估读精度 v6.3.1 人眼的估读极限误差 当间隔B在0.55 mm之间时，估读的极限误差可 以用下述经验公式来描述 表6.4 估读误差与视见宽度B之间关系 可用对称对准或符合对准方式，提高读数精度度 6.3 光学读数系统中的对准精度、估读精度 v6.3.2 光学读数系统的对准精度 光学

13、读数系统中的对准精度指的是在测微读数时，利 用光学手段使系统中的指标线与刻尺之刻线瞄准或使度盘 对径刻线之间对准。 测微方式不同的对准形式也不同 （a)对径刻线符合式； （b)双丝夹单丝的对称式 （c)估读式 6.3 光学读数系统中的对准精度、估读精度 v6.3.2 光学读数系统的对准精度 光学读数系统中对准精度仍按公式(5-1)计算 （6-12） 若考虑外界条件对瞄准的影响，则上式为 （6-13） 若基准元件为度盘，则 例6-2 某光学经纬仪中，读数显微镜的总放大倍数 =46，水 平度盘刻划直径D=85mm，对准方式采用对径符合读数 ，人眼的符合对准误差 。因野外使用，环境条 件较差，取瞄准

14、误差系数 =1.5。求度盘对径分划线 一次符合的极限误差。 6.4 几种常用的光学读数系统设计 v6.4.1 直读式光学读数系统(标尺式) 1带尺读数装置 B值的选取一般在12mm, 最小值 估读精度要降低。分划间隔C是选定的 。 、是由最小读数值决定的。 不必将指标线与刻线之像重合，而是利用人眼的估 读能力，直接估读而获得读数。 直读式装置中的光学系统，其作用仅仅是将标尺的分 划放大成可见的宽度。 6.4 v6.4.1 直读式光学读数系统(标尺式) 例6-4：设一测长系统要求用固定标尺对一移动的玻璃尺读数 。已知玻璃刻尺的格值为l mm，要求能直读0.01mm，估读。 0.001mm，求读数

15、系统的总放大率 ，物镜放大率，目镜的 倍率目，细分数n等参数。 1带尺读数装置 使 =10 取 倍率分配，刻线间隔取 0.05mm 故 6.4 v6.4.1 直读式光学读数系统(标尺式) 2.斜分尺读数法 图610 斜尺读数装置读数原理 3光学游标读数装置 光学游标读数的原理和机 械游标读数原理完全相同。 参数计算公式： 6.4 v6.4.2 带测微器的光学读数系统 光学机械测微器:如果它放在目镜分划板的平面内则 称为目镜测微器；如果放置在投影屏上则称为投影读数测微 器；如果放在被测物平面内，则称为物镜测微器。 光学机械测微器主要形式有： 测微螺杆式 阿基米德螺旋线式 楔块移动式 当主标尺的刻线像没有正好对准读数指标时，通过微动 机构（测微器）移动主标尺刻线像或读数指标线，使它们对 准，然后由测微器读出尾数部分。称作微动对零法。 典型的微动对零法采用的测微器有两种形式：光学 机械测微器和光学测微器 6.4 v6.4.2 带测微器的光学读数系统 1丝杆式目镜测微器 原理: