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1、棱镜分光多波长高温计设计说明书一、课题应用背景1.背景棱镜分光多波长高温计是一种新型的辐射测温仪器，可广泛应用于航天，航空，核能，兵器，冶金材料，能源等领域，作为非黑体的真温测量，热物性动态测试及温度传递等。它具有测温范围宽（-503000） ，反应速度快（亚毫秒级） ，长期稳定性好，使用寿命长等优点。它适用于远距离目标、运动物体、带电物体及不可接触的目标温度的测量。棱镜分光高温计属于光电高温计。 光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度计之一。它结构简单，使用方便，测温范围广(7003200） ，一般可满足工业测温的准确度要求。目前广泛用于高温熔体、炉窑的温度测量，是冶金、陶瓷等工业部门
2、十分重要的高温仪表。光学高温计的缺点是以人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速测量和自动记录，且测量结果带有主观性。最近，由于光电探测器、干涉滤光片及单色器的发展，使光学高温计在工业测量中的地位逐渐下降，正在被较灵敏、准确的光电高温计所代替。在光学高温计基础上发展起来的光电高温计用光敏元件代替人眼，实现了光电自动测量。特点:灵敏度和准确度高；波长范围不受限制，可见光与红外范围均可，测温下限可向低温扩展；响应时间短；便于自动测量和控制，能自动记录和远距离传送。 哈尔滨工业大学戴景民教授与意大利罗马大学的 Ruffino 教授合作于 1991 年研制成功了棱镜分光式 35 波长硅光电高温计 ,
3、用于表面真温和材料发射率的同时测量。它应用组合棱镜分光技术并以硅光电二极管阵列为探测器,具有以下特点:取消了干涉滤光片,从而消除了因滤光片透过率漂移而造成的不稳定;因为无干涉滤光片,使整个光路光能损失减少,提高了仪器的信噪比;波长选择灵活,适用性强,且光谱透过率波形接近理想的矩形。戴景民教授在此多波长高温计的基础上,现又研制出棱镜分光式精密(标准) 光电高温计,一般具有 01656m 和 019m 两个工作波长 ,并可按用户要求增加其它波长。该仪器除保持了无滤光片这一特点外,与其它的精密(标准) 光电高温计相比,还具有以下优点: 一机多个工作波长;成本低廉,与单波长高温计相当;可进行不同波长上
4、的亮温传递;仪器小巧及使用方便。总的来说，目前光电高温计的发展前景还是很乐观的，已经有许多一起被批量生产广泛应用于各个领域。2.仪器工作原理多波长辐射测温仪是通过测量目标在多个波长下的辐射能量来同事获得目标的真实温度和光谱发射率的辐射式测温仪器。多波长辐射测温法是在一个仪器中制成多个光谱通道,利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息,经过数据处理得到物体的温度和材料的光谱发射率。这种方法不需要辅助设备和附加信息,对被测对象也没有特殊要求,因而特别适合于高温、甚高温目标的真温及材料发射率的同时测量,在目前已有的应用中表现了极好的发展前景。 多光谱辐射测温法的数学模型有基于检定常数的数学模型、基于亮度温
5、度的数学模型和基于参考温度的数学模型。整个仪器设备在较为精确地测量目标真温和发射率的同时,也具备了体积小、操作方便灵活、可靠性高等优点。这相对于以往的多波长高温计来说,是很大的突破。这些方面的改善,也将使得高温计能够在更为复杂的环境下发挥其实用价值,具有很好的应用前景。 而且，仪器分光多波长高温计采用棱镜分光获得工作波长，它最多可有 35 个波长，选择灵活。它克服了传统的干涉滤光片分光限定工作波长的不足，从而提高了仪器的精密和长期稳定性。3. 仪器光学系统仪器的光路提供了辐射能量传播的通道，如图 1 和表 1 所示。目标辐射的能量经主物镜 1、2、3 成像于场栏反射镜 5，一方面经分划板 7、
6、场镜 8 和目镜 9、10 在孔径光栏 11 处成像用于瞄准，另一方面成像于视场光栏的能量经分划场镜 6 入射到准直物镜 12、13 准直为平行光，再投射到组合棱镜 14 上，组合棱镜将复试光展成光谱，经暗箱物镜 15、16 聚焦于反射镜 17，反射至探测器线列，经转换及电路处理课直接显示被测目标的真实温度。二、机械设计1.总体思路对于物镜与目镜中，镜片的间距需要调整这一设计要求，根据平时实验所看见的显微镜等仪器的启示，结合本学期所学习的机械学知识，选用广泛使用的螺旋传动的移动方式，该方式传动平稳，且调整比较精细，易于操作。对于对焦的反射镜，在确定对焦完成后需要移出光路，保证移动的易于控制，决
7、定使用螺杆传动的方式，使用导轨，来保证螺杆转动，载物架子移动，而不转动。对于外壳的设计，选用简单易行的六块板连接的结构，在板四周分别固定方形的柱形长立柱，采用与外壳板相同材料，帮助固定四周板子。板子之间通过立柱与螺钉连接。为保持美观，将螺钉头沉入木板中。四个立柱与下底板之间采用铆接的方式连接。对于镜片的固定，采用在各个镜子支座上打出圆形或者方形孔来放置镜片，一端利用挡板挡住，另一端采用压圈固定。而反射镜则采用压板来固定。另外，为了保证整个光路中心在竖直 Z 方向上有微小的可调量，在仪器的外壳底板上加装一层底板，将除物镜、目镜外的零件全部安装于其上，这样可以通过拧动该底板的固定螺钉并加上薄垫板的
8、方法实现 Z 方向微小可调量。一下为总体设计图：2.各部分结构设计（1）物镜棱镜的物镜由四部分组成，三个主物镜和一个孔径光栏，如图所示，物镜的设计要求是主物镜与孔径光栏的可调范围为147160mm，且在设计过程中物镜不能转动只能移动。根据整体设计选择螺旋结构，通过螺纹来实现物镜的移动。采用类似于螺母转螺杆移的结构，采用压圈法把镜框固定在一个压圈内把物镜固定在一个带有外螺纹的镜框中，在镜框的外面用一个带有内螺纹的手轮与之配合。通过一个螺钉使套筒与手轮保持横向固定，当转动手轮时，镜框及物镜便会横向移动。设计中还有一个要求是使物镜保持平动而不转动，所以在套筒与镜框意见加了一个防转螺钉来防止物镜的转动
9、。这样就可以实现物镜的平动了。其中，防移和防转螺钉均使用自己设计螺钉，即上半部分为螺纹，下半部分为光杆，且略细与螺纹内径，便于加工。套筒与箱体左板由螺钉连接，方便拆卸。（2）目镜目镜的设计要求基本与物镜相同，如图所示，唯一的区别就在于目镜的镜片和孔径光栏之间有 20mm 的距离，为了考虑到内部镜片的安装方便，采取将孔径光拦自己设计成一个薄壁套筒，套在于上物镜结构相似的目镜同上，两者之间通过螺钉连接。同样采用压圈法来固定镜片，与设计目镜压圈的方法相似，用一个压圈与带有外螺纹的镜框配合，然后在镜框的外面用一个带有内螺纹的手轮与用螺钉固定在一起的两个套筒配合，螺纹打在孔径光栏的套筒上。整个目镜的安装
10、方式为先分别将镜片从左右装入镜片筒内，用压圈固定好，在将光栏套筒与其用螺钉固定在一起，再将该整体与转动手柄拧在一起，放入最外侧的套筒内，手轮与套筒通过螺钉连接，套筒与箱体也通过螺钉连接固定好。当转动手轮时手轮实现空转而镜框与镜片一起移动，并在套筒的表面开一个槽，加上一个防转螺钉，来达到使目镜只平动而不转动的目的。（3）场栏反射镜（可移）场栏反射镜放置在支架的凹槽中，边缘通过螺钉被压板固定在支架上。支架的一端被限制在支架固定架和导轨挡板组合成的导轨中，通过支架中心的螺杆的转动实现场栏反射镜及其支架在竖直导轨上的移动，从而可以在不需要场栏反射镜时转动螺杆将其移出光路。如下为场栏反射镜主视图，和场栏
11、反射镜俯视图。（4）场镜视场光栏通过压圈放置在一个方形的镜框中固定。镜框通过销钉定位，并用螺钉将其固定在底板上。（5）准直物镜（固定）准直物镜通过压圈固定在圆形的镜框中，镜框用销钉定位，用螺钉将其固定在底板上。（6）组合棱镜（固定）组合棱镜放置在其支架的凹槽中，一侧使用两个 L 形压板将棱镜固定，另一侧使用两个压板固定。前后两面使用立柱，将立柱的顶端用螺钉拧好，防止棱镜掉落。支架用销钉定位，用螺钉将其固定在底板上。（7 ）暗箱物镜（固定）暗箱物镜固定及装配方法与准直物镜相似。（8 ）反射镜反射镜安装在带有方形槽的支座上，用压板将其压在支座上，螺钉固定。将反射镜支座固定在一个转座上。转座上有两个
12、旋转孔，孔中心有螺钉，在需要固定反射镜及支架转动时拧紧螺钉即可保证反射镜的固定角度。如图：（9）外壳各侧板采用方形立柱固定，将各侧板与立柱用螺钉连接，为保证美观，采用沉头螺钉固定。三、方案优缺点分析及其改进意见优点：本方案基本完成了该仪器对光路精确性、稳定性的要求，具有简单的装配结构，螺旋传动机构也保证了较高的调节精度。物镜与目镜的调节，场栏反射镜的移除，反射镜的旋转角度调节都能较高精度实现。同时没有需要特殊工艺加工的复杂零件，实现了该仪器低成本的需求。缺点：由于时间比较紧张并且知识比较匮乏，螺旋传动的回程差问题没有得到较好的解决。此外，由于涉及的不精，部分部件的位置有些过于接近，不利于安装与
13、拆卸；底板的厚度不足，可能会发生弯曲导致光路传播受到影响；图纸的尺寸标注上尚有欠缺，螺钉与销钉之间的相互定位较为繁琐。改进意见：可以采用轴向调整法等方法解决回差的问题，通过计算可以制作出精确的刻度盘，实现微调中参数的可视化；设计时可将个别部件的底板大小做相应调整，以达到空间利用合理安装方便的目的。四、心得体会机械学基础课程设计很快就结束了，在这两周的时间里，虽然有些辛苦，但是学到了很多传统课堂上难以学到的东西，不仅仅是知识，更学会了怎样团结协作去完成整个小组的计划任务。回忆这两周的时间，整个课程设计伴随着全组人的辛苦与快乐。小组成为分配到了设计目镜的任务。在课程设计正式开始的前一天，全组人就马
14、上开始了资料查询以及方案设计，更是早早来到课设教室绘制草图。首先商量了大致方案，然后由我把光学元件按尺寸绘制到草图上，接下来全组同学又对每一个元件的固定进行了具体讨论，决定采用压圈法固定光学元件，然后在大家的共同决定下，我在草图上绘制了每一个部分，全组人员共同决定各部分的尺寸以及螺纹的选择等。草图在得到老师认可的同时也被发现了很多错误，我们的设计存在繁琐的问题，于是我们马上利用晚上休息时间加班加点重新绘制了草图，保证了再总装配图绘制前完成任务。课程设计考验了我们对时间的利用和分配能力。由于时间紧张并且装配图的绘制不容有误，于是每个人都采用了之前大家讨论通过的方案，在自己的装配图上细致地绘制总装
15、配图。每次经过老师的检查后还是发现了一些错误，我们总是会出现各种各样的错误，经过老师的指点，我们一一改正了，但是遗憾的是最终我也没能完美地完成设计任务，我的设计扔存在很多的欠缺之处。之后俯视图的完成也比较顺利。图纸完成后进行标注，标注时也发现有很多细节需要注意，关于装配图上配合的标注以及零件图上公差的标注之前了解的也比较少，经过向其他组员的询问才知道怎样查表进行标注。自己懂的东西还是很少，还有很多知识需要学习，之前不需要用到标注公差配合的时候自己也没有认真学习，这是学习上的疏漏，以后会注意。总体上讲我认为我们小组分工合作的方式还是比较好的，这样能把每个部分都思考的比较详细，减少了后续的麻烦。讨论的过程每个人也都会提出自己的意见，综合考虑大家的意见后整体的设计思想也会相对完善。五、参考文献机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册. 机械工业出版社 .2009，4
