棱镜分光多波长高温计结构设计

1、哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称：机械学基础设计题目：棱镜分光多波长高温计的结构设计院 系：英才学院班 级：地方设 计 者：小星星学 号： 地方指导教师：是否设计时间：2013年7月哈尔滨工业大学1 设计内容与应用背景温度是一个表征物体状态的基本物理参数。温度的测量及控制在工业生产及科学研究中均具有重要的意义。随着科学技术的发展，高温测量对于宇航、能源、材料科学、冶金等领域的发展均有十分重要的作用。棱镜分光多波长高温计是一种新型的辐射测温仪器，作为非黑体的真温测量、热物性动态测试及温度传递等，可广泛应

2、用于航天、航空、核能、兵器、冶金材料、能源等领域。它具有测温范围宽（-50-3000），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。棱镜分光多波长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，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。由于光电探测器、干涉滤光片及单色器的发展，光学高温计在工

3、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。特点如下：（1）灵敏度和准确度高；（2）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；（3）响应时间短；（4）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 ,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：（1）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

4、不稳定;（2）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；（3）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: （1）一机多个工作波长；（2）成本低廉,与单波长高温计相当；（3）可进行不同波长上的亮温传递;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 理论

5、分析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。

6、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。棱镜分光多波长高温计的光路图如下：光线从物镜镜片射入，在场栏反射镜上反射到目镜镜片。人眼从目镜镜片上方观察，对准物体后讲场栏反射镜移出光路。光线则经由物镜、场栏反射镜、视场光栏、准直物镜、组合棱镜、暗箱物镜在2号反射镜上反射到光谱镜面，经由电路系统转换光学信号，测出对象的温度。3 结构设计组合棱镜

7、固定支座的设计我们小组承当的主要的结构设计部分是组合棱镜固定支座的设计。 首先选用组合棱镜的固定方式：通光孔径在25mm以下的具有两平行非工作表面的棱镜都可以采用压板法固定。 为了防止棱镜在镜框上移动，可以加定位板，通过调整定位板的位置精度，从而调整棱镜的位置。压板可以支撑于两个小圆柱之上，压板与棱镜之间应加垫片。3.1组合棱镜定位板的形状与位置确定其中组合棱镜上的后方两个定位板上的销钉位置关系为92-5-5=82mm,定位板的宽度取10mm, 整体布局为20x20方形板的四分之三。同一个定位板上的两个销钉的中心x方向，y方向为10mm如图所示.3.2组合棱镜周围定位板的位置确定棱镜的前方固定

8、用两个角板靠压在棱镜表面实现。两个角板之间的相对位置关系如图所示，两个定位销保证角板的位置精度，螺钉选用M4x10的螺钉固定。3.3棱镜的光路方向角度的保证四个定位板保证了棱镜的准确的位置精度，从而保证棱镜出射光线与入射光线之间的夹角为69.3度（设计要求是69.3度，出于定位方便，功能转配时按70度装配）。3.4棱镜固定支座的零件设计与螺纹孔的选用销钉全部选用阶梯销，直径为4毫米与2毫米。固定支座上打出足够长得盲孔。螺钉选用 GB/T65中推荐按的M4型螺钉。长度取10，在固定支座上打出足够长得盲孔。3.5压板与立柱的选用和设计立柱的设计。立柱用于固定压板，给压板提供预紧力，以便固定棱镜。立

9、柱的设计图如下：组合棱镜高度为35，所以立柱的工作部分高度为35，立柱一段设计为螺纹孔，以便转配压板，一段是外螺纹，以便旋入底板固定住。为了保证有足够的强度，压板厚度选用4mm。其他结构设计物镜（可调）物镜用螺钉固定在仪器前板上，目镜镜筒的移动通过物镜旋转螺母转动来实现。螺旋传动机构通过两个特制的螺钉分别实现螺母的防移和螺杆（镜筒）的防转，保证了在镜筒的移动中镜片实现平稳的轴向移动。目镜（可调）目镜也采用单螺旋传动机构，原理与目镜相似关于物镜与目镜的工作原理的统一说明：物目镜都由三个分立的模块组成：与箱底固定的固定支座，可转不移动外壳，可移动不转动内筒。物镜和目镜的工作原理都是螺母转动螺杆移动

10、的螺杆传动原理的应用，当转动可调螺母（外筒）时，内筒沿着槽孔做轴向移动。从而实现调整距离。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。如下反射镜2（可转）2号反射镜的支架上设置放反射镜的凹槽，同时用压板将反射镜固定。支架下部有圆柱形凹槽，与固定在底板上的底座上端的圆柱形突起部分实现圆柱面配合，实现了支架的转动。支架上有两个旋转孔，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

11、镜的固定角度。4方案优缺点分析及其改进意见方案优缺点分析优点：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，2号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，移动场栏反射镜的特质螺钉为了装配的方便，上端装配了可拆卸的螺母，因此反向转动螺钉时无法防松。同时对于需要微调的机构虽然可以保证相对较高的精度，但是没有实现参数的可视化。改进意见可以采用轴向调整法等方法解决回

12、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。其他方案的分析对于目镜物镜的调节，可以采用的方案还有四连杆机构、齿轮齿条传动机构和蜗轮蜗杆机构。由于光路中数值参数都是微米级，并考虑到零件的可能尺寸和精度要求带来的零件加工难度，这些传动机构在该仪器的使用中具有很大的限制。同时四连杆机构作为平面传动机构，更会给设计带来诸多不便。同时本方案中螺旋传动为单螺旋结构，可供选择的还有差动螺旋。差动螺旋具有更高的精度，可以实现更精密的调节，但是其结构复杂，本光路也并没有给出更高的精度要求，所以这些方案最终都被舍弃。场栏反射镜的其他方案和物镜目镜类似。因为在总体光路中的设计场栏反射镜是从竖直

13、方向移出光路的，综合考虑还是本方案采用的导轨加螺旋传动更好。2号反射镜的方案则比较有限，我们的设计思路来源于物理实验中分光计载物台的设计，除此之外没有找到能满足同等要求的设计。在圆形固定镜片的固定方案中，可供考虑的还有辊边法、弹性零件法、电镀法、胶接法等。这些方案从原理上都是可行的，因为知识有限我们也不能进行更加专业精确的分析，根据教材上我们采用了本方案中的压圈法。在棱镜的固定方案中，出于使结构简单的原因，我们选用了平板和角铁固定。5问题与总结关于小组设计结构模块的问题与总结学习到的知识：通过本次课程设计的学习，我们自主设计了组合棱镜模块的定位与固定，给出了一个合理的解决方案，在课程设计的过程

14、中，我了解学习到很多知识，并且对机械学基础知识有了更为深入的领悟。懂得了机械零件与光学零件的联结的几种常用方法，如绲边法，压圈法，电镀法，压板固定法，角板和平板固定法，以及簧片固定法。并且学会比较不同方法的优缺点，应用到不同的功能模块上。此外，对国标在设计中的作用和重要性更为深入的了解了。 比如螺钉规格的不同选用在设计上的差异，螺钉长度对于螺钉公称直径的要求。 了解到尺寸标注中定位准确优先的原则，以及尺寸配合的标注方法和配合方式的选用。 同时，我们也深入的了解到，机械设计一定要充分的考虑到实际工厂生产的可行性，经济性，考虑到工人装配的可能性，方便性，定位的准确性，考虑到产品使用者使用的便捷性。

15、存在的问题（1） 压板垫圈位置画错压板与光学零件之间应该垫圈，用于分散压板压力。由于设置之前对压板法理解不够透彻，导致我把垫圈华仔压板与螺钉固定之间，没有起到垫圈对于光学零件的分散压力的作用。（2） 螺钉长度不够，固定不足由于底板比较薄，不到10mm，螺钉不能穿透箱底，导致螺钉的长度相对较短，出现M8的螺钉长度不到10mm的情况，接近临界标准，带来固定的不稳，零件的损坏。（3） 选用了定位板和角板，两种不同的定位方式，多余。在固定组合棱镜的过程中，定位时使用了角板和定位板定位i，两种不同的定位方式，在设计上有所多余，应当单一的选用角板固定或者定位板固定。此外，定位板的厚度应当慎重考虑，既要保证厚度，以实现定位目的，又要防止定位板挡住光线。给信号测量引入误差。（4） 组合棱镜的固定支座底板太厚太重。组合棱镜的光路高度是一定的，而棱镜高度相对较小，支撑组合棱镜的底座有高度很大，导致很多问题，如：螺定孔只能打盲孔，给加工带来困难。定位时需要削去四个角变薄之后定位，给加工以及螺钉的拧紧都带来困难。6参考文献1 蒋秀珍 机械学基础 科学出版社 2009，12 蒋秀珍 “机械学基础”综合训练图册 科学出版社 2010，43 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 2009，44 罗庆生 韩宝玲 光机电一体化系统常用机构 机械工