课程设计立式光学计改造.doc

立式光学计数显改造思路（一）了解立式光学计的结构，并熟悉立式光学计的工作原理及其光学系统。（二）知道数显式立式光学计的结构与原理以及技术参数。（三）要清楚的知道数字化改装的优点和改装原理，数显式立式光学计的装配。（四）理解光栅传感器和莫尔条纹的原理及特征，如何选择光栅和莫尔条纹。设计步骤立 式 光 学 计 结 构1-底座；2-粗动螺母；3-横臂；4-螺钉； 5-立柱；6-光学计管；7-偏心手轮；8-螺钉；9-测杆提升杠杆；10-测杆:11-工作台；12-微调螺钉结构：立式光学比较仪结构如图所示，主要由以下部分组成：光学计管：测量读数的主要部件；零位调节手轮：可对零位进行微调整；测帽：根据被测件形状，选择不同的测帽套在测杆上。选择原则为：与被测件的接触面积要最小；工作台：对不同形状的被测件，应选用不同的工作台。工作原理：利用光学杠杆的放大原理，将微小的位移量转换为光学影象的移动。光学计管的光学系统1进光反射镜；2-全反射棱镜；3-分划板；4-刻度尺；5-全反射棱镜；6-物镜；7-反射镜；8-目镜；9-刻度尺像；10-测杆；11-测帽主要技术参数：总放大倍数：约1000倍 分度值：0.001mm 示值范围：0.1mm 测量范围：最大长度180mm 仪器的最大不确定度：0.25mm示值稳定性：0.0001mm 测量的最大不确定度：（0.5L/100）m数显式立式光学计的结构与原理 数显式立式光学计依据光栅原理设计而成根据黑白光栅的莫尔条纹原理在原先立式光学计的基础之上改装而成。其中重点运用了光栅式传感器。仪器用标准器（如量块）以比较法测量工件的尺寸，可对五等量块、量棒、钢球、线形及平行平面状精密量具和零件的外型尺寸作精密测量；仪器头部亦可作为一个独立体，在科研、生产过程控制及线检测等方面对被测件作微小位移测量。1-光源；2-聚光镜；3-物镜；4-刻度尺光栅；5-立方直角棱镜；6-平面反射镜；7-指示光栅；8-测杆；9-光电三极管技术参数：被测件最大长度：180mm； 直接测量范围：0.1mm； 最小显示值：0.1 m； 测量力（20.2)N； 示值变动性：0.1 m； 最大不准确度：0.25 m； 最大测量误差：(0.5+L/100) mL是被测长度以mm计； 放大倍数：31.25； 进行数字化改装的优点：1)测量精度高:计量光栅运用莫尔条纹原理，莫尔条纹是由许多刻线综合作用结果故对刻划误差有均化作用，因此利用莫尔条纹信号所测量的位置精度较线纹尺等高可用于微米级、亚微米级的定位系统。2)读数速率高:莫尔条纹的取数率一般取决于光电接收元件和所使用电路的时间，常数取数率可从每秒零至数十万次，既可以用于静止的也可用于运动的非常适于动态测量定位系统。3)分辨率高:常用光栅栅距为10-50微米细分后很容易做到1-0.1微米的分辨率最高分辨率可达到0.025微米。4)读数易实现数字化、自动化:莫尔条纹信号接近正弦比较适合于电路处理，故其测量位移的莫尔条纹可用光电转换，以数字形式显示或输入计算机实现自动化且稳定可靠。改装原理:本次实验仪器的改装在运用光路原理的同时进一步的运用传感器原理。光栅传感器中其计量光栅普遍运用于现代高精密仪器，计量光栅的莫尔条纹是实现其目的的可靠保证。由莫尔条纹产生的脉冲电路通过细分电路做到前置放大、移相、倍频、功率放大和移相电阻链从而实现测量结果的显示。同时在显示中也运用了8031单片机的工作原理做到显示的准确、迅速等。光栅的种类按其工作原理和用途：1)物理光栅:也称衍射光栅。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。物理光栅是利用光栅的衍射效应进行工作的。物理光栅的栅距较小一般接近于光谱的波长栅距=0.52微米物理光栅主要作为色散元件应用于光谱分析和测量等物理光学仪器中。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至果。2)计量光栅: 计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距，栅距=0、0040、05微米。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图 1，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。每当x变化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b点。由于bb=W，故b点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2。光栅传感器：由照明系统、光栅副和光电接收元件组成，如图所示，图2中a为刻度宽度，b为刻度线间的缝隙宽度，a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）。光栅传感器的原理：光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起片间留有很小的问隙, 并使两者栅线之间保持很小的夹角（0），于是在几乎垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹, 如图所示在一线上两光栅的栅线彼此重合, 光线从缝隙中通过, 形成亮纹在一线上, 两光线的栅线彼此错开, 形成暗纹, 这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹的宽度由光栅常数与光栅的夹角决定对于给定的光栅常数的两光栅, 夹角愈小, 条纹宽度愈大, 即条纹愈稀所以通过调整夹角, 可使条纹宽度为任何所需要的值当两叠合的光栅沿垂直于栅线方向相对运动时, 莫尔条纹就沿夹角口平分线的方向移动两光栅相对移过一个光栅常数,莫尔条纹移过一个条纹问距,通过测量条纹间距移动的距离, 可得到光栅移动的位移。位移传感器：又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。光栅尺位移传感器 - 概述光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。栅尺位移传感器是有标尺光栅和光栅读数头两部分组成。 光栅尺位移传感器 - 光栅检测装置 光栅检测装置结构光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）。光栅检测装置光栅尺位移传感器 - 检测与数据处理 光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。 在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5m的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。光栅尺位移传感器 - 工作原理莫尔条纹:以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (右图所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示. W= /2* sin（/2）= / 。 莫尔条纹光栅尺位移传感器 - 莫尔条纹具有以下特征：(1)莫尔条纹的变化规律 两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。 (2)放大作用 在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度和光栅栅距W、栅线角之间有下列关系。式中，的单位为rad，W的单位为mm。由于倾角很小，sin很小，则 W= / 若 001mm，0.01rad，则上式可得W1，即光栅放大了100倍。(3)均化误差作用莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。 选择光栅主要是根据实用波长范围来选择光栅的刻线数和闪耀波长。 选择光栅主要考虑如下因素: 1. 光栅的刻线：光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率,刻线多光谱分辨率高,刻线少光谱覆盖范围宽,两者要根据试验灵活选择 2. 闪耀波长：闪耀波长为光栅最大衍射效率点,因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm 3. 使用范围； 4. 光栅效率：光栅效率是衍射到给定级次的单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。（1）光栅栅距（）的选择由光电仪器设计书235页可知=n(n指细分数、指分辨率)，计量振幅光栅栅距一般选取=0.0040.05mm，即250线/mm20线/mm；相位光栅=0.0040.01mm。（2）标尺光栅标尺光栅长度L为：L=L1+L2+L3 L=80mm （由资料得到）式中：L1-精密机械运动长度即仪器的行程；L2-指示光栅长度(应包括机械部分长度)；L3-余量(包括机械部分固定需要的长度)。莫尔条纹的长度B=16mm（因为要求四个光电管能充分接受莫尔条纹的信号每个光电管横向尺寸为4mm故莫尔刻线长度为16mm）标尺高度B1=40mm（由资料得出）光栅栅距d：要求精度达到0.1m及后续手进行40细分得d1=4 m 光栅刻线宽度b1:b1=2mm光栅刻度线长度I1=18mm光栅的厚度A：一般光栅厚度与光栅刻线长度相应(3)指示光栅指示光栅长度为50mm指示光栅的栅距刻线宽度与长度与主光栅相同。标尺宽度B2=25mm光栅刻度线长度I2=15mmA2=2mm（4)光栅副的材料制作光栅副的材料有金属与玻璃两类本次改装采用透射式因此选用玻璃材料并且其热膨胀系数与金属热膨胀系数相接近如K9、F6等以避免由于温度而引起的测量误差。（5)光栅副间隙的选择采用硅光电池做为莫尔条纹的光电接收器则=0.85m。采用大间隙使用状态则d=0. 82/0.85=0.75mm。其他部件的设计1)光源:经常使用的光源有白炽灯、发光二级管和半导体激光器因为后两种光源比白炽灯体积小、寿命长、热量低的特点。但是发光二极管的温度特性较差、光通量较低、因此在使用当中受到一定的限制激光二级管的单色性好、发散角小是较理想的相干光光源在干涉显微镜中得到广泛的使用所以在本次改装中采用白炽灯直流稳压电源。2)标尺光栅和指示光栅有机械刻制和照相复制两种。通常采用照相复制即在玻璃基体上蒸发镀铬并由课尺母板照相复制而成。3)接受元件:常用的接受元件有硅光电池、光电二级管和光电三极管。本次改装采用硅光电池因其具有受光面积大、光能利用率高、频率响应较高使用时不需要加偏压结构紧凑的特点。常用的是四象限硅光电池便于细分和消除直流成分。其缺点是输出电压(电流)灵敏度较低。 4)读数系统:因其采用黑白光栅则采用直读式读数系统。信号处理莫尔条纹是光栅测量的基础而光栅信号即莫尔条纹信号的光电计数和电子细分技术的发展则是光栅测量技术能够广泛应用的前提。课程设计总结通过这次课程设计使我懂得了在学好基础知识之上对仪器更深入的探讨时很有必要的。只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过对立式光学计的机构和工作原