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机械毕业设计全套
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JX01-097@仿生非光滑消光特性测试仪,机械毕业设计全套
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- 1 - 设计 (论文 )题目： 仿生非 光滑 消光特性测试仪 专 业： 机械化及自动化 学 生 姓 名： 班 级： 180404 学 号： 卡 号： 指 导 教 师： nts - 2 - 摘要 由于具有周期性结构排列的纳米粒子材料以及光子晶体的特性，为了了解他们的不同角度下的光谱信息， 设计了 变角反射光谱系统。 该系统可以用来测量农产品光谱曲线 ，从而可以与标准光谱对照，得出该产品品质的 好坏，如果得知各地区某一产品的光谱曲线，还可以通过该装置得出农产品的出产地能够更加方便快捷的得出某一农产品的相关信息。 该系统选用宽带的溴钨灯作光源，光纤输入，测角仪作为变角系统，结合现代化微型光谱仪的光谱分析，搭建而成。系统的特点在于变角系统。使用的是独立双电机测角仪， 1 电机控制主盘转动， 2 电机控制副盘（样品轴）转动。通过主盘和副盘转动方式的组合，可以使我们的系统具有三种工作模式：当主盘和副盘一块转动时，可以满足全反射条件；当副盘不动，只转动主盘时，可满足入射角不 动，反射角变化的条件；如果调整控制电机的程序，使主盘和副盘转动的角度一致时，可满足反射角不变，入射角变化的条件。通过这三种模式，我们就可以详细深入的测量样品的全反射变角光谱和漫反射变角光谱。 本文对该系统的工作原理 以及一些操作方法进行介绍，并给出该系统内部传动结构以及是如何配合来实现相关运动的。 关键词 ： 变角 反射光谱 光谱系统 测角仪 测试样品 内部结构 nts - 3 - Abstract Because of its periodicity of structure of the nanoparticles materials and characteristics of the photonic crystal, in order to understand their spectrum on different angles, we designed and built a Muti-Angle Reflection Spectrum System. The system can be used to measure spectrum of agricultural products, which can be controlled with standard spectrum, that the product quality is good or bad, if a product that all regions of the spectrum, the device can also come to the place of origin of agricultural products More convenient and efficient agricultural products reached a certain relevant information. The system select broadband bromine tungsten lights for the light source, optical fiber for input, goniometer as the muti-angle system, with the modernization of the micro-spectrometer spectrometry, build it. The systems feature is muti-angle system. It uses two independent motors in goniometer, 1 motor controls main disks rotation, 2 motor controls secondary disks (sample axis) rotation. Through the main disk and secondary disk of combination of rotation, so that our system has three operating modes: When the main disk and secondary disk rotate together, it can fulfils the total reflection conditions; only the main disk rotate, they can change the reflection angle only; If we change the motors adjustment process so that the main disk and the secondary disk rotate at the same reflection angle. Through these three models, we can survey the total reflection muti-angle spectrum and diffuse reflection muti-angle spectrum of samples. In this paper, the system works and a number of methods of operation, and gives the transmission system of internal structure and how to achieve with the relevant sport. Key words: variable angle, reflection spectrum, spectral system, angle-measuring device, the test sample, the internal structure nts - 4 - 目录 摘要 第一章 绪论 1 1.1 光谱系统的发展历程 1 1.2 光谱的基础知识 3 1.2.1 光谱的产生 3 1.2.2 光谱的分类 3 1.2.3 光谱的作用 5 1.3 光谱系统的设计 5 1.4 变角反射光谱系统的作用 7 第二 章 变角反射光谱系统的结构 8 2.1 变角反射光谱系统的整体设计 8 2.2 变角反射光谱系统的详细设计 9 2.2.1 照明系统 9 2.2.2 入射系统 10 2.2.3 变角系统 10 2.2.4 采集系统 12 第三章 变角仪相关参数设计计算 13 3.1 驱动电机的选择 13 3.2齿轮相关参数计算 13 3.3蜗轮蜗杆相关参数 13 3.4 齿轮设计及其强度校核 14 3.5 键的选择与键连接的强度计算 18 3.5.1键的选择 18 3.5.2平键连接的强度计算 18 3.6 滚动轴承的设计 19 第四章结构 工艺性分析 21 nts - 5 - 总结 22 参考文献 致谢 nts - 1 - 第一章 绪论 1.1 光谱系统的发展历程 人们在实践中早已经发现 ,不同物质具有不同的物理和化学特性，比如黄金和白银，人们从色泽上就能区分他们。这就是已有几千年历史的比色法。但是，随着工业生产和科学技术的不断发展，以及人们对物质认识的不断深化，这种宏观的分析方法已经越来越不能满足要求，因此迫切要求发展新的、先进的 分析技术。于是，光谱技术在这种迫切要求下诞生和发展起来。 光谱的历史最早可以追溯到牛顿时代。 1666 年，牛顿让阳光通过小孔，入射到三棱镜上，将阳光色散成红，橙，黄，绿，蓝，靛，紫的七色光带，并首先造出“光谱”这个词。牛顿通过这个实验揭示了太阳光是复色光这个事实。1802 年，渥拉斯用狭缝代替小孔，意外的发现了太阳谱线中的黑线和黑带。在 1814年，夫琅和费用天文望远镜比较详细的观察了这些太阳谱线，发现其中有接近 600条的暗线，并且对主要的 8条暗线做了标记，标为 A,B,C,DH的符号，被称为“夫琅和费线”，这 就是人们最早知道的吸收谱线。 人们一直猜想，物质的光谱和它的化学成分之间存在着一定的联系。直到 1859年，基尔霍夫和本生用火焰灯燃烧食盐，得到了钠的吸收光谱的时候，这个猜想才得到证实。他们制作了第一套分光系统。如图 1-1， 图 1-1 基尔霍夫和本生制作的分光系统光学原理图 由准直光管 1（在物镜的焦点处安置入射狭缝）、棱镜 2 和放大率为 8 倍的望远镜 3 组成。整个玻璃棱镜充满液态的二硫化碳。把直接安装在狭缝前面的本生灯作为光源。转动棱镜就可以改变被观察 的光谱区域。他们用这个分光系统研究了多种物质的辐射光谱和吸收光谱，来确定物质的组成和对其性质nts - 2 - 的检验，这种开创性的分析方法就是“光谱分析法”。由此，他们建立的基尔霍夫定律：在同温度下，所有物体对同一波长的光线，其发射本领和吸收本领之比是一个常数。接着，他们在研究金属光谱时，发现了铯和铷。 基尔霍夫和本生的合作是光谱学史上的里程碑，他们不仅制作了第一个套分光系统，为以后的光谱仪器的制作奠定了坚实的基础；他们还开创了用光谱分析化学的先河，创造了“光谱分析法”。从这一年开始，光谱系统不断完善-照相暗箱代替了望远 镜，而后又被更复杂的接受记录装置所代替，然而整个光谱系统的基本原理仍和基尔霍夫的第一套分光系统相同。后来，人们把所有的元件整合到一个暗箱中，就成为了人们所说的光谱仪。 为了研究比较复杂的光谱，需要提高分光系统的分辨率（分开相邻谱线的能力）。起初，人们用增加棱镜数量来达到。但是在色散大的光谱区域，棱镜的吸收性很大，而在色散小的区域，则透明度很大，造成了不希望有的限制，因此需要有新的色散元件。 除了棱镜外，夫琅和费首先应用了衍射光栅。第一快光栅是一块表面刻有平行线条的透明平板。由于通过光栅的光产生衍射，就形成光 谱。因而，在 1881年，借助罗兰制造的 800线 /毫米的凹面反射衍射光栅，绘制了精度为 0.01埃的太阳光谱图。 后来，迈克尔逊提出了由一组厚度相同的玻璃平板组成的新的色散元件 -阶梯光栅（图 1-2）。 图 1-2 迈克尔逊阶梯光栅 这样，分辨率得到了显著的提高，但是实验条件非常苛刻，谱线不相互重叠的光谱区域缩小了。 1910年，美国物理学家罗伯特伍德结合衍射光栅和阶梯光栅，制作出了反射式阶梯衍射光栅 (图 1-3)，大大提高了分辨率，使观察高级光谱成为可能。 nts - 3 - 图 1-3反射式阶梯衍射光栅 以后， 人们都是以衍射光栅作为色散元件，根据不同需要，制作出了许多不同用途的光谱系统，把他们整合在一块就成了不同用途的光谱仪。例如紫外可见光光谱仪，远红外光谱仪等。 随着集成电路的发展，以及计算机在各个领域的应用，光谱仪器开始从大型化、专业化向微型化、简便化发展。他们又有一个新的特点，测量自动化，大大简便了测量过程。这些微型光谱仪和其他的一些设备联合，又组成了许多新的光学系统，在不同的光谱领域发挥着巨大作用。 1.2 光谱的基础知识 1.2.1 光谱的产生 复合光经过色散系统（棱镜或光栅）分光后，按波长或频率的大小依 次排列所成的图案称为光谱。我们知道，太阳光通过棱镜后，可以形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序的彩色光带，这个光带就是光谱。人们所能看到的只是可见光范围内的光谱，其实还有很多人眼看不到的光谱。他们按照波长的大小依次排列。光（电磁波）按其波长可分为如表 1-1所示的不同区域。 电磁波的分区 波长 nts - 4 - 射线 射线 光学区： 远紫外区 近紫外区 可见区 近红外区 中红外区 远红外区 微波 无线电波 5 140pm 10-3 10nm 10nm 1000 m 10 200nm 200 380nm 380 780nm 0.78 2.5 m 2.5 50 m 50 1000 m 0.1mm 1m 1m 表 1-1 光谱的产生是由于物质的分子、原子或离子受到外部能量的作用后，其内部的运动状态会发生变化，即能级变化。变化的能量以电磁波辐射的形式释放或吸收。因此，光谱可分为发射光谱和吸收光谱两大类。 1.2.2 光谱的分类 1.发射光谱 发射光谱是指构成物质的各种粒子受到热能、电能或化学能的激发，由低能 态或基态跃迁到较高能态，当其返回基态时以光辐射释放能量所产生的光谱。在外能的 作用下，不同原子或分子由于其结构不同，其运动状态的变化也各不相同，因而产生特征光谱。 物质发射光谱由其形状不同可分为：连续光谱：液态或固态物质在高温下激发，发出各种波长的光所形成的光谱。如，白炽灯、日光以及烧红的铁电极均发出连续光谱。它的谱线密集，即使用高分辨率的单色器也很难把他们分开而呈现有间隔的谱线，因此可看作连续光谱。带状光谱：气体分子在高温下激发，不仅有电子能级跃迁，还产生分子振动和分子转动能级的变化，构成一个或数个密集的谱线组，即谱带。例如，碳电极与空气中的氮在高温下生成氰分nts - 5 - 子，构成 3个氰带： 353.0 359.0nm、 377.0 388.0nm、 405.0 422.0nm。线状光谱：气态原子或离子受到高温激发，外层电子跃迁所发射的谱线，构成狭窄的谱线组，成为线状光谱。如果是原子所产生的，称为原子光谱；如果是离子所产生的，则称为离子光谱。 2.吸收光谱 当辐射通过气态、液态或透明的固态物质时，物质的原子、分子或离子将吸收与其内能变化相对应的频率辐射，由低能态或基态跃迁到较高能态。这种由于物质对辐射的选择性吸收而得到的光谱称为吸收光谱。 除了上面两大类光谱外，还有两种常见的光谱：散射光谱和反射光 谱。 3、散射光谱 当平行光投射于气体，液体或透明晶体的样品上时，大部分按原来的方向透射而过，小部分则按照不同的角度散射开来，这种现象称为光的散射。散射是光子与物质分子相互碰撞的结果。如果光子与物质分子的碰撞不发生能量交换，那么散射光的频率与入射光相同，只是方向改变，这种散射称为弹性散射（ Rayleigh 散射）。如果光子与物质的碰撞过程中，将一部分能量给予分子或从分子处得到能量，这样分子散射的光就有频率改变的现象发生，这就是非弹性散射（ Raman散射）。由散射而得到的光谱就叫做散射光谱 4、反射光谱 当平行光投射到不透明晶体的样品上时，某些波长的光将被选择性吸收，其他不被吸收的光将被反射出去，形成反射光谱。我们平常看到不同物质的不同颜色就是物质的反射光谱。反射光谱又分为两种，一种是全反射光谱，一种是漫反射光谱。全反射光谱是光照到样品表面被反射，入射角与反射角相同，可被反射的光波并没有深入到样品内部与其发生实质作用；漫反射是光与样品表面和内部发生作用，传播方向不断变化，最终又反射出样品表面。 下图（图 1-4）是光与样品作用示意图。 nts - 6 - 图 1-4 1.2.3 光谱的作用 根据波尔理论，每个原子仅能处于以一定能量值表示的固定（稳定 ） 状态的离散能级中，在这种状态中，原子是不辐射的，当原子吸收一定量光（能量）以后，或者在别的能量作用下，原子便跃迁到较高能级，在辐射时，则降低到较低能级。能级之间的跃迁，相应于在原子和分子的辐射光谱或吸收光谱中所观察到的一系列谱线的分组。根据光谱中谱线的位置，可以判断原子能级和内部结构，而根据谱线的强度，可以判断原子在各个能级之间跃迁的几率；根据各条谱线的宽度合轮廓 ，则可以得知在某个温度下产生辐射以及邻近原子的电磁场影响的程度。此外，谱线的强度与被辐射的原子数量成正比。当与已知这些元素的含量的试样相比较时，便能根据谱线强度确定在被研究物质中的含有的各个元素含量的百分比，等等。由此可知，研究光谱具有重要的意义。 1.3 光谱系统的设计 光谱系统是以光谱仪为核心元件，研究由各种不同的物体直接放射出来的光波，或由于这些光波与物质相互作用的结果：物质吸收了某些光波，而显现出来的是经过变换的光波，即反射、散射、透射或荧光。这就要求光谱系统做到： a)把被研究的光辐射分解为光谱，并 记录单个谱段或单条谱线的位置； b)测量任何一个谱段或任何一条谱线的强度。所以，要做到这两点，光谱系统有最基本的两种结构框架（图 1-5）。 nts - 7 - 图 1-5 对于，它可以测量被测光源的光谱或是物质燃烧时的光谱，即发射光谱。基尔霍夫和本生测量食盐的燃烧光谱就是用的这种系统结构。 的方法是现在最常用的系统，它又分为两种方式，一种是前分光，一种是后分光。图中所示是后分光，前分光就是先经过分光系统再经过样品，然后采集光谱。后分光系统比较常用，其优点是不需移动仪器的任何部件，可同时选用双波长或多波长进行测定，降低了噪声 ，提高了分析的精度和准确度，减少了故障率。同时，后分光可连续不断检测不同波长的反应，能进行不同波长项目的不间断检测；而前分光通常只能单项一次测完后，再测第二项。 除了选择合适的光路结构外，设计光谱系统时，还需要考虑几个重要的性能指标： (1)仪器的波长范围：光谱的范围主要取决于仪器的光路设计，检测器的类型以及光源。如果系统主要是在可见 -近红外光范围内，波长可选定为300nm 1000nm。 (2)光谱的分辨率：光谱的分辨率主要取决于的分光系统，对用多通道检测器的仪器，还与检测器的像素有关。分光系统的带宽越 窄，其分辨率越高，对光栅分光仪器而言，分辨率的大小还与狭缝的设计有关。仪器的分辨率能否满足要求，要看仪器的分析对象。有些化合物的结构特征比较接近，要得到准确的分析结果，就对仪器的分辨率提出较高的要求。 (3)波长准确性：光谱仪器波长的准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标定波长之差。波长的准确性对保证光谱仪器间的模型传递非常重要。 (4)波长重现性：波长的重现性指对样品进行多次测量，谱峰位置的差异，通常用多次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏差表示。波长的重现性是nts - 8 - 体现仪器稳定性的一个重 要指标，对校正模型的建立和模型的传递均有较大的影响，同样也会影响最终分析结果的准确性。一般仪器波长的重现性应好于 0.1 nm。 (5)吸光度准确性：吸光度准确性是指仪器对某标准物质进行透射或漫反射检测，测得的吸光度值与该物质标定值之差。对那些用吸光度直接进行定量的近红外方法，吸光度的标准性直接影响测定结果的准确性。 (6)吸光度噪音：吸光度噪音也称光谱的稳定性，是指在确定的波长范围内对样品进行多次扫描，得到光谱的均方差。吸光度噪音是体现仪器稳定性的重要指标。将样品信号强度与吸光度噪音相比可计算出信噪比。 (7)吸光度范围：吸光度范围也称光谱仪的动态范围，是指仪器测定可用的最高吸光度与最低能检测到的吸光度之比。吸光度范围越大可用于检测样品的线性范围越大。 (8)基线稳定性：基线稳定性是指仪器相对于参考扫描所得基线的平整性，平整性可用基线漂移的大小来衡量。基线的稳定性对我们获得稳定的光谱有直接的影响。 (9)杂散光：杂散光定义为除要求的分析光外其他到达样品和检测器的光量总和，是导致仪器测量出现非线性的主要原因，特别对光栅型仪器的设计，杂散光的控制非常重要。杂散光对仪器的噪音，基线及光谱的稳定性均有影响。 一般要求杂散光小于透过率的 0.1%。 （ 10）扫描速度：扫描速度是指在一定的波长范围内完成一次扫描所需要的时间。不同设计方式的仪器完成一次扫描所需时间有很大的差别。例如，电感耦合器件多通道近红外光谱仪器完成一次扫描只需 20ms，速度很快；一般傅立叶变换仪器的扫描速度在 1次 /s 。 (11)数据采样间隔：采样间隔是指连续记录的两个光谱信号的波长差。很显然，间隔越小，样品信息越丰富，但光谱存储空间也越大；间隔过大则可能丢失样品信息，比较合适的数据采样间隔设计应当小于仪器的分辨率。 (12)测样方式：测样 方式指仪器可提供的样品光谱采集形式。有些仪器能提供透射、漫反射、光纤测量等多种光谱采集形式。 (13)软件功能：软件是现代近红外光谱仪器的重要组成部分。软件一般由光谱采集软件和光谱化学计量学处理软件两部分组成。前者不同厂家的仪器没有很大的区别，而后者在软件功能设计和内容上则差别很大。光谱化学计量学处理软件一般由谱图的预处理、定性或定量校正模型的建立和未知样品的预测三大nts - 9 - 部分组成，软件功能的评价要看软件的功能能否满足实际工作的需要。 1.4 变角反射光谱系统的作用 本论文所研究的光谱系统为：变角反射光谱系统。 其最主要的特点就是“变角”两字。即，可以研究同一物体，在不同角度下，其反射光谱特性。 研究不同角度下物体的反射光谱具有重要意义，因为它与我们的生活密切相关。例如，有些蝴蝶的翅膀，在不同角度下，颜色不一样，这就是在可见光下的变角反射光谱。通过研究蝴蝶翅膀的反射光谱，可以分析蝴蝶翅膀表面的结构组成，再根据已有的科学手段，就能人工制造出具有蝴蝶翅膀结构的物体。在饰品或是其他装饰物表面，镀上一层具有这种结构的薄膜，在不同角度下，呈现出不同的颜色，大大增加可欣赏度。 上面的例子只是研究变角反射光谱的一个小应用，因为在 光谱中，可见光只是很小的一部分，大部分都是不可见光，红外、紫外以及高能量的射线等。研究他们，可以让我们详细了解物质的内部结构组成，为我们解开物质内部的结构面纱。 所以，为了研究变角反射光谱，需要一套能够测量变角反射光谱的系统装置。因此，我们根据基本原理，在实验室的条件，设计并搭建了自己的变角反射光谱系统。 该系统选用宽带的溴钨灯作光源，光纤输入，测角仪作为变角系统，结合现代化微型光谱仪的光谱分析，搭建而成。系统的特点在于变角系统。使用的是独立双电机测角仪， 2电机控制主盘转动，电机控制副盘（样品轴）转动。通过主盘和副盘转动方式的组合，可以使我们的系统具有三种工作模式：当主盘和副盘一块转动时，可以满足全反射条件；当副盘不动，只转动主盘时，可满足入射角不动，反射角变化的条件；如果调整控制电机的程序，使主盘和副盘转动的角度一致时，可满足反射角不变，入射角变化的条件。通过这三种模式，我们就可以详细深入的测量样品的全反射变角光谱和漫反射变角光谱。 nts - 10 - 第二章变角反射光谱系统的结构 2.1 变角反射光谱系统的整体设计 我们所要设计的变角反射光谱系统，主要是测量不同角度下反射光谱的，所以它应当具备一下几个功能： （ 1）具有完善的分光系统和测量系统，把被研究的光按波长或波数分解开来；测定各波长的光所具有的能量，或其能量按波长的分布，即测定谱线的轮廓或宽度；把分解开的光波及其强度按波长或波数的分布记录和显示出来成为光谱图。（ 2）可以在 20-150内任意角度测量其反射光谱。（ 3）可以测量液体，固体的全反射光谱和漫反射光谱。 要具备上述基本功能，系统主要由以下几个部分组成：照明系统，入射系统，变角系统，采集系统以及计算机软件系统。图 2-1为变角反射系统结构图。 图 2-1 变角反射光谱系统结构图 其各组成部分为： （一 ）光源 根据所要测量的光谱选择合适的光源。选择光源的基本要求是：在所测量光谱区域内发射足够强度的光辐射，并具有良好的稳定性。一般来说，光源的亮度不成问题，要获得稳定的光谱主要是解决光源的稳定性，光源的稳定性主要通过高性能的光源能量监控和可靠电路系统实现。在我们的变角反射光谱实验部分，主要测量的是可见 -近红外光的变角反射光谱，所以选用的是溴钨灯。nts第二章变角反射光谱系统的结构 - 11 - 它的一个特点是谱线是连续的，而且在可见 -近红外光范围内，各个波长的谱线很光滑，且光强比较稳定。 （二）入射系统 光源发出的光，通过光纤引入“样品室”，然后通过准直透 镜，使光线平行照射到样品上。之所以采用光纤导入系统，是因为光源要根据实验要求不断变换。这样每次换一次光源的时候都得重新调节一次光路，比较麻烦，而固定准直透镜到光纤耦合器上，用光纤导入光线，就不用重复调节光路了。 （三）变角系统 用测角仪当“样品室”，可以实现多角度测量反射光谱。在中心转轴处放置载物平台，可以放置液体样品和固体样品。光纤耦合器固定不动，微型光谱仪固定在测角仪臂轴上，跟随测角仪转动。这样就可以测量不同角度下的反射光谱了。 （四）采集系统 使用的是微型光谱仪作为采集系统。它的主要作用是实时记录反射 出来的光谱信号，并把它们传输到计算机中。采用微型光谱仪的原因是，要把光谱仪器固定在测角仪上，让它跟着测角仪一块转动。而且用这种微型光谱仪可以快速的方便的实时记录光谱变化情况。 （五）计算机系统 计算机系统主要起控制和记录的作用。通过计算机可以控制微型光谱仪的一切操作，同时，光谱仪采集的数据可以通过计算机显示出来，并通过软件保存在硬盘中，随时调用。当然，也可以对保存的数据进行分析处理。 2.2 变角反射光谱系统的详细设计 nts - 12 - 图 2-2变角反射光谱系统 图 2-2中的是光源，是光纤，是固定准直透镜的光纤耦合 器，载物台，是微型光谱仪，五维可调节平台，是测角仪。 2.2.1 照明系统 这里主要指光源。光源是用来激发被研究的物质的，我们选用的是辐射能量主要在可见 -近红外光范围的溴钨灯。钨丝白炽灯在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射体。在低温时，热辐射体的发射系数较小，且随波长的增长而减小。当温度升高时，光谱发射系数随波长的变化而减少，最后在温度很高时趋向于 1，服从黑体辐射定律： M e=TT4 （ 2-1） 式中： T 为温度系数， T=1 -exp(-w T) ，其中 w =1.4710 -4 k-1; 为斯尼藩 -波尔兹曼常数；为灯丝的绝对温度。 由式（ 2-1）式可以看出，钨丝白炽灯的温度越高，它所发出的辐射出射度越强。同时，由维恩位移定律得到钨丝灯的温度越高，短波长光辐射的含量越多。标准钨丝灯的相对光谱辐射功率随波长的分布如图 2-3 所示。从图中可以看出，标准钨丝灯辐射功率与黑体辐射类似，其峰值辐射波长在 1.0 m，是可见-近红外区较好的选择光源 ,能达到我们的要求。 nts第二章变角反射光谱系统的结构 - 13 - 2.2.2 入射系统 入射系统包括 输入光纤和光纤耦合器。它的作用 是把光源发出的光投射到样品表面。下面详细介绍下光纤 光纤 光纤主要是由纤芯、包层和涂敷层构成；纤芯是由高度透明的材料制成的；包层的折射率略小于纤芯，从而造成一种光波导效应，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输；涂敷层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性。在涂敷层外，往往加有塑料外套。 按光纤的原材料的下同，光纤可分为以下几种类型： （ 1）石英系光纤 （ 2）多组份玻璃纤维 （ 3）塑料包层光纤 （ 4）全塑光纤 根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类，光纤可分为阶跃折射率型和渐 变折射率型 (也称为梯度折射率型 )。对于阶跃折射率光纤，在纤芯中折射率分布是均匀的，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变；而对于渐变折射率光纤，折射率在纤芯中连续变化。 n1n2（ n1 纤芯的折射率 n2 包层的折射率）是光纤引导光波在纤芯中传输的必要条件，对于阶跃折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层交界面上形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播 ；对于渐变折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播 。 2.2.3 变角系统 变角反射光谱系统的 特色是具有变角系统，它是由载物台和测角仪组成。载物台顾名思义，就是是放置样品的地方。可以放置固体样品，组装在玻璃上的样品，装入样品瓶中的液体样品等。看下图 2-3 nts - 14 - 图 2-4载物台侧面图和俯视图 如图 2-8，可以看出，载物台呈圆柱形，分上下两个部分，上部分是半圆柱，下部分是圆柱。在可以放物质的半圆平台上，用螺丝固定了一个弹簧片。这个片子可以固定玻璃等厚度不太厚的固体样。 这样设计的载物台，可以使玻璃样品的表面物质处在测角仪中心线上，不会引起在转动时所带来的误差。 载物台是测角仪的一部分。系统所使用的测角 仪是 X射线衍射仪上的测角仪部分。下面详细介绍下测角仪的结构与作用。 图 2-5测角仪的外观图 是旋臂，和是步进电机的外部旋钮，是金属外壳，是底盘，是可调支脚，是固定的支架，是载物台，主盘，副盘。 旋臂就是可以跟随测角仪转动的“臂”，上面有螺孔，可以把需要旋转的东西固定在上面。我们就是把五维可调节平台和微型测角仪固定在了上面，让它们nts第二章变角反射光谱系统的结构 - 15 - 跟着测角仪转动。 步进电机是测角仪的核心部分，他们具有极高的精度，步距角度可以达到0.01。该测角仪具有大功率独立双电机系统，和分别是它们的外部旋钮盘。 上面有精密的刻度，最小分辨率是 0.01。这两个步进电机分为 2电机和电机。因为在测角仪转动时他们转动的角度分别是 2和。他们可以一起转动，也可以分别转动，是独立的两个电机。 具有结实的金属外壳，保护内部精密的电路和机械结构，同时还能增加散热功能。底盘上有三个可调支脚，可以调节仪器的水平。 是固定的支架，我们把光纤耦合器固定在上面，里面射出的平行光可以直接照射到样品表面。 是主盘，是副盘。主盘是由 2电机控制的，上面有粗略的刻度，最小刻度为 1，它的转动直接带着旋臂一块转动；副盘是由电机控制，上 面没有刻度，它能带动载物台一块转动。在测角仪工作时，主盘转动 2，副 盘转动，这样才能保证全反射光路的可实施性。 2.2.4 采集系统 1、微型光谱仪 微型光谱仪的作用是分析入射光的光谱，它是系统核心部分。 我们用的微型光谱仪是美国海洋光学公司生产的红潮光谱仪（ USB650 Red Tide Spectrometer）。 该光谱仪是一个低费用、小型化的实验室用光谱仪，它的波长范围为 3501000nm，配有 650 有效像素的检测器，可以在全光谱上显示 650个数据点，或者在每 1nm上显示一个数据点。由于配置了 25 m的入射光狭缝，红潮光谱仪可以提供约 2.0nm 的光学分辨率（半最大值波长）。 nts - 16 - 第三章 变角仪相关参数设计计算 3.1 驱动电机的选择 由于要求电机转速不是很高，可以选择 Y 系列三相异步电动机进行驱动。 型号Y132S-8， 相关参数：额定功率 2.2KW 同步转速 750r/min,8级 满载转速 710r/min 额定转矩 2.0 3.2 齿轮相关参数计算 第一对齿轮啮合 模数 =2， Z1=24， Z2=20，齿形角 20 齿顶圆 da1=53,da2=45,分度圆 d1=48,d2=40 第一对齿轮啮合模数 =1.75， Z1=20， Z2=34，齿形角 20 齿顶圆 da1=40,da2=64, 分度圆 d1=35,d2=59 3.3 蜗轮蜗杆相关参数 蜗轮 端面模数 =4 齿数 =59 齿形角 =20 蜗杆 型式 阿基米德螺旋线 轴向模数 =4 头数 =1 齿形角 =20 螺旋方向 右旋 导程角 =4.76 下图 3-1是变角仪内部结构图 nts第三章 变角仪相关参数设计计算 - 17 - G B / T 2 7 2 45454545G B / T 2 7 240 Cr40 Cr40 Cr40 Cr40 Cr40 CrQ 2 3 540Cr40 Cr塑料塑料Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 54545H T 2 0 0H T 2 0 0G B 1 9 - 8 6G B 1 9 - 8 62 1 02 1 13 1 22 7G B 6 5 - 8 5G B 6 5 - 8 5G B 6 5 - 8 5Q 2 3 5H T 2 0 0Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 5Q 2 3 5G B 1 1 9 - 8 6G B 1 1 9 - 8 6G B 5 7 8 2 - 8 6G B 6 5 - 8 5M6 2M6 8M6 2M 1 0 2M6 2H T 2 0 0轴光谱仪转角系统08.6.5陈立丛茜1804041 ： 11.63.21.63.23.21.61.6铸件应清理干净，不得有毛刺、飞边，非加工表明上的浇冒口应清理与铸件表面齐平。5.平键与轴上键槽两侧面应均匀接触，其配合面不得有间隙。4.圆锥销装配时应与孔应进行涂色检查，其接触率不应小于配合长度的 6 0 % ， 并 应 均 匀 分 布 。3. 零 件 在 装 配 前 必 须 清 理 和 清 洗 干 净 ， 不 得 有 毛 刺 、 飞 边 、 氧化皮、锈蚀、切屑、油污、着色剂和灰尘等。未注倒角均为 1 4 5 6.3其余2.1.技术要求机罩支座顶盖轴蜗轮轴蜗杆轴承支座齿轮键定位销齿轮轴承键定位销电机螺栓支板底座支柱顶盖螺栓支撑板顶块轴承螺栓顶块螺栓蜗轮定位销373633下盘中间盘定位销螺栓顶盘5数量（材料标记）处数（签名）审核指导教师设计序号标记（签名）（年月日） 标准化 （年月日）（签名）代 号分区 更改文件号名 称年月日备 注重量 比例（图样代号）吉林大学 班材 料总计重 量单件图 3-1 3.4 齿轮设计及其强度校核 在齿轮设计中要考虑以下几个方面： 齿轮运转性方面：噪声低、振动小、传动效率高； 承载能力方面：具有所要求的强度和工作寿命，或在规定寿命下的可靠度； 工艺性方面：能采用容易得到的刀具加工，齿轮参数与刀具参数相协调； 经济性方面：在保证使用性能和耐久性的条件下，加工和使用成本低。 选择齿轮材料和热处理、精度等级、齿轮齿数 理想的齿轮材料是齿面应具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根应具有较高的抗疲 劳折断能力。因此对齿轮的要求是：齿面要硬，齿芯要韧。 另外，选择时还应考虑加工和热处理等工艺性方面要求。制造齿轮的材料主要有各种钢材，其次是铸铁，还有其他非金属材料。钢材按齿轮毛坯形式可分为锻钢和铸钢，钢料经锻造后，可以改善材料性质，可以提高轮齿的强度，nts - 18 - 因此除尺寸较大，结构形状复杂，宜用铸钢外，一般都用锻钢制造齿轮；铸铁由于抗弯及耐冲击性能都比较差，因此主要适用于制造低速、传递功率不大的开式齿轮；非金属材料主要用于制造高速、轻载及精度不高的齿轮传动中的小齿轮以降低噪声。 考虑上述因素，查机械设计手册表 16.2-59、 60、 65 参考常用的齿轮材料及其机械性能，选择齿轮材料为 45钢，调质处理，并进行表面淬火。齿面硬度 48 45HRC,齿轮精度为 8级 选小齿轮齿数 Z1=20,Z2=24 根据齿根弯曲疲劳强度设计 闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计，验算接触强度。由公式 3 211 )(2FSaFadYYzYKTm 确定式中各项数值： 因载荷冲击较小， 由机械设计中表 6-3 查得 5.1AK ，故初选载荷系数2tK mmNnpT 3.28013750 2.21055.91055.9 661 由公式 c o s)11(2.388.121 zz 计算断面重合度=1.75； 由公式， 68.075.025.0 Y 由机械设计中表 6-6，选取 7.0d由机械设计中图 6-19、图 6-20查得 51.21 FaY ， 63.11 SaY nts第三章 变角仪相关参数设计计算 - 19 - 33.22 FaY ， 69.12 SaY 由公式， 911 1055.1)106016(6.17 5 06060 hjLnN92 1023.1 N 由机械设计中图 6-21查得 88.0,86.021 NN YY； 取 25.1min FS 由机械设计中图 6-22d 按齿面硬度均值 51HRC，在 ML 线上查得M paFF 4 5 02lim1lim M P aM P aS YFNFF 30925.1 86.0450m i n11l i m1 M P aM P aS YFNFF 31625.1 88.0450m i n22l i m2 0132.0309 63.151.2111 FSaFa YY 0 1 2 5.03 1 6 69.133.2222 FSaFa YY 取 0132.030963.151.2 1 11 FSaFa YY 。设计齿轮模数： 将确定后的各项数值代入设计公式，求得： mmmmYYz YTKmFSaFadt 70.0)309 63.151.2(507.0 69.06.3346922)(2 323 111211 修正tm： smnzmv t /55.0100060 11 由机械设计中图 6-7查得 vK=1.11 nts - 20 - 由机械设计中图 6-10查得 03.1K由机械设计中表 6-4查得 2.1K则 06.22.103.111.15.1 KKKKK vA71.1206.270.0 33 tt KKmm 由机械设计中表 6-1，选取第一系列标准模数 mmm 2 齿轮主要几何尺寸： mmmzd 4011 ； mmmzd 4822 ； mmzzma 44)(2 21 ； mmdb d 281 ，取 mmBmmB 40,35 12 校核齿面接触疲劳强度 HHEH uubdKTZZZ 12211 由机械设计中表 6-5查得 MPaZ E 8.189 由机械设计中图 6-14查得 5.2HZ 由机械设计中图 6-13查得 87.0Z由机械设计中图 6-15，按不允许出现点蚀，查得 88.0,86.021 NN ZZ由机械设计中图 6-16e，按齿面硬度均值 51HRC，在 MQ和 ML线中间 查出M paHH 1 0 6 02lim1lim 取 1min HS 则 M P aSZHNHH 9 1 1m in11lim1 MPaSZHNHH 9 3 2m i n22l im2 nts第三章 变角仪相关参数设计计算 - 21 - 将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得 12 3.6 2 16.116.150353.2 8 0 1 302.2287.05.28.1 8 9HH 接触强度满足 ，同理第二对齿轮 3.5 键的选择与键连接的强度计算 在变角机构 中齿轮与轴的连接选用键连接方式，接下来将对所用键进行设计，并对其强度进行校核。 3.5.1键的选择 键是一种标准零件 ，通常用来实现轴与轮毂间的轴向固定以传递转矩。有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键连接的主要类型有：平键联结、半圆键联结、楔键联结和切向键联结。 平键连接具有结构简单、装拆方便、对中性好等优点，因而得到广泛应用，但平键联接不能承受轴向力，对轴上的零件不能起轴向固定的作用；半圆键联结的主要优点是工艺性较好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毂的联结，但是轴上的键槽较深，对轴的强度削弱较大，一般只用于轻载静联结中；楔键联结在传递有冲击和振动较大转矩时，仍能保证联结的可靠性，但是键楔紧后，轴和轮毂的配 合会产生偏心和偏斜，因此主要用于毂类零件的定心精度不高和低转速的场合；切向键联结常用于大于 100mm的轴上。 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。结合上述各类型键连接的结构特点，使用要求和工作条件，在本设计中选择 A 型普通平键联结。然后按照复合标准规格和强度要求取定键尺寸。键的截面尺寸按轴的直径 mmd 11 ，查键链接的标准尺寸取 mmmmhb 55 。键的长度 L 应该等于轮毂的长度或者略小于轮毂的长度，结合键的标准长度取 L=20mm。确定键的型号为键 205 19791096 GB 。键的材料选用抗拉强度不小于 600MPa 的钢，选择 45钢。 3.5.2 平键连接的强度计算 平键联结传动转矩时，对于采用常见材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联结（静联结），其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，只需按工作面上的挤压应力来进行强度校核计算。在进行强度校核后，如果强度不够时，可采用双键。这时应将两键合理布置，nts - 22 - 两个平键最好布置在沿周向相隔 180 。 在所设计的蜗杆 轴上均采用 A 型普通平键联结，输入 选用的键 205 19791096 GB ，齿轮选用的键 185 19791096 GB ；下面进行强度校核。 首先校核输入蜗杆轴 选用的键 205 19791096 GB 已知齿轮
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