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1、第三章 精密仪器总体设计 教学要求:了解精密仪器设计的基本原则,掌握精密仪器的设计原理和总体设计内容,熟悉精密仪器的总体设计过程。,教学内容,3-1 总体设计的相关知识 3-2 总体设计内容 3-3 总体设计举例,第一节 总体设计的相关知识,1、总体设计的前提条件 2、设计原则 3、设计原理,二、设计原则,(1)阿贝原则 (2)变形最小原则 (3)其它原则,(二)变形最小原则,1、原则 2、减少力变形影响的技术措施 举例: 1m激光测长机 3、减少热变形影响的技术措施 举例:扩散电阻电桥零点漂移的补偿,1变形最小原则,在仪器工作过程中,应尽量避免因受力或因温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态
2、和参数的变化,并使之对仪器精度的影响最小。变形包括: 力变形。如:仪器承重(测量力)。 温度变形。如:温度变化引起仪器或传感器结构参数变化,导致光电信号的零漂及系统灵敏度的变化。 变形是客观存在的,应采取必要的措施减少其对仪器精度的影响。,2减少力变形影响的技术措施,(1) 提高受力件的刚度,选择合理的截面积。 (2) 合理布局,避免经过变形环节。 (3) 采用调整装置或预变形法。 (4) 采用补偿法和结构设计。,举例:1m激光测长机,底座,干涉仪厢体,测量头架,工作台,尾座,电机与变速箱,闭合钢带,电磁离合器,固定角隅棱镜,尾杆,测量主轴,可动角隅棱镜,激光器,分光器,h,光路,激光器2个反
3、射镜分光镜14,分为两路: 测量光路:可动角隅棱镜12返回,光程= 2(分光镜14棱镜12距离); 参考光路: 反射镜固定角隅棱镜9 反射镜分光镜, 光程=2(反射镜棱镜9+反射镜分光镜距离) (2n(s+d)。,对零,测量,测量,a.对零:移动头架3使测量主轴11在一定作用力下与尾杆10接触。此时,两路光程差: b.读数:移动头架3,将工件放在工作台上,并夹在尾杆与头架主轴之间。此时两路光程差 : 则读数为测量时干涉条纹相对于对零的变化数m,即:,举例:1m激光测长机,底座,干涉仪厢体,测量头架,工作台,尾座,电机与变速箱,闭合钢带,电磁离合器,固定角隅棱镜,尾杆,测量主轴,可动角隅棱镜,激
4、光器,分光器,h,问题:1m激光测长仪 1、是否符合阿贝原则? 2、基准部件是什么?提供的标准量是什么?,举例:1m激光测长机,底座,干涉仪厢体,测量头架,工作台,尾座,电机与变速箱,闭合钢带,电磁离合器,固定角隅棱镜,尾杆,测量主轴,可动角隅棱镜,激光器,分光器,X,X,Y,Z,h,O,O,底座受力变形的影响,由于对零和测量时底座受力不同,而产生不同的变形量,从而产生测量误差。 a. 尾座5因变形变化,绕Y 轴转动(即与Z轴夹角)。 b. 尾座绕Z轴转动(即与Y轴夹角) c .尾座绕X轴转动(与Z轴夹角) d. 测量头架在垂直平面内产生倾斜。,减少力变形的影响措施,底座,1、棱镜与尾座固接,
5、且其锥顶(参考光路的光轴)与尾杆轴线在一个水平面内,即具有相同的Z坐标值h。,2、测量头架的测量主轴与棱镜的锥顶(测量光路的光轴)共线,减少力变形的影响措施,1)棱镜9与尾座固接,且其锥顶(参考光路的光轴)与尾杆10轴线在一个水平面内,即具有相同的Z坐标值h。 2)测量头架的测量主轴与棱镜12的锥顶(测量光路的光轴)共线。 3)减少d 值。,a. 尾座绕Y 轴的转角,尾座测量主轴相对于零位的变动量a=h sin,则测量光路长度 。 由于固定棱镜9与尾座固结,且Z坐标值相同,棱镜9相对零位也有相同的变动量a ,则: 参考光路长 而二路光程差 不变。 由于仪器采取了结构布局的补偿措施,消除了力变形
6、引起的测量误差。,底座,干涉仪厢体,测量头架,工作台,尾座,电机与变速箱,闭合钢带,电磁离合器,固定角隅棱镜,尾杆,测量主轴,可动角隅棱镜,激光器,分光器,X,X,Y,Z,h,a,O,O,a. 尾座绕Y 轴的转角,尾座测量主轴相对于零位的变动量a=h sin,则测量光路长度 。 由于固定棱镜9与尾座固结,且Z坐标值相同,棱镜9相对零位也有相同的变动量a ,则: 参考光路长 而二路光程差 不变。 由于仪器采取了结构布局的补偿措施,消除了力变形引起的测量误差。,b. 尾座绕Z轴转动,棱镜9相对尾座测量主轴x 向的变动量: 此时测量光路光程不变,参考光路光程的变化为2nb,则两光路光程变化量: 为一
7、次误差,不可忽略,但可通过减少d 值,减少该项变形而引起的误差。,c. 尾座绕X轴转动,棱镜9相对尾座测量主轴绕x轴变动量: 。此时参考光路光程未变,则测量光路光程相对无变形时的变化为:,则两光路光程差变化量:,(0,d,h),(0,0,h),其中:,为二次误差可忽略。 d,s,便于减少该项变形而引起的测量误差。,d. 测量头架在垂直平面内产生倾斜,由于测量头架的测量主轴与棱镜12的锥顶(测量光路的光轴)共线,符合阿贝原则,无一次误差,只有二次误差,可忽略。,底座受力变形的影响,由于对零和测量时底座受力不同,而产生不同的变形量,从而产生测量误差。 a. 尾座5因变形变化,绕Y 轴转动(即与Z轴
8、夹角)消除。 b. 尾座绕Z轴转动(即与Y轴夹角) 一次。 c .尾座绕X轴转动(与Z轴夹角) 二次。 d. 测量头架在垂直平面内产生倾斜二次。,光电光波比长仪消除力变形的结构布局,三层结构形式的设计 1-工作台 2-床身 3-基座 4-V型槽支撑面 5-平支撑面板 6-圆锥形球窝支撑面,3减少热变形影响的技术措施,(1)采用恒温条件,减少温度变化量。 (2)选用合适的材料,减少线膨胀的影响。如选用线胀系数相反的材料在某些敏感环节补偿热变形误差。 (3)利用温度误差修正值进行补偿。如测出被测件与标准件的温度 、 以及二者线胀系数 、 ,则 ,对测量值进行修正。,例:扩散电阻电桥零点漂移的补偿,练习,(三)其它原则,1、 测量链最短原则 2、 坐标系基准统一原则 3、 精度匹配原则 4、 经济原则,三、设计原理,1、平均读数原理 2、比较测量原理 3、补偿原理,1、平均读数原理,误差平均原理 采用多次重复测量,如多测头,多次重复分度,多次重复暴光取得平均值,以提高精度的方法,测量仪器通常利用这一原理来设计仪器的读数系统,又称之为平均读数原理。,2、比较测量原理,1)被测量与标准量进行比较 2)差动比较 3)零位比较,差动电桥,I0,Ii,双端差动电路,I0,Ii,差动式电感传感器原理,光学双通道差动法测量透射率,再见!,