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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！,
