第一章 光电仪器设计概论

1、v 课堂纪律要求课堂纪律要求保持安静保持安静穿着整齐穿着整齐认真听讲认真听讲 v 考核方式考核方式 平时：平时：30分，考勤分，考勤15分，作业分，作业15分分 考试：开卷考试：开卷70分分 v 掌握机、光、电技术结合的仪器总体掌握机、光、电技术结合的仪器总体设计有关基础理论知识。设计有关基础理论知识。v 初步掌握仪器总体设计和系统设计的初步掌握仪器总体设计和系统设计的方法。方法。v 初步具有正确的估算和分析仪器精度初步具有正确的估算和分析仪器精度的能力。的能力。 仪器仪器是传递和转换信息的工具，它是各类仪器仪是传递和转换信息的工具，它是各类仪器仪表、传感器及观察、监控、测试、分析设备的总称。

2、表、传感器及观察、监控、测试、分析设备的总称。 美国美国“阿波罗阿波罗”登月计划登月计划总投资总投资200亿美元亿美元用于测量和试验的费用达用于测量和试验的费用达100110亿美元，占总投亿美元，占总投资的资的40。 仪器仪表发展至今已成为一门独立的学科，光电仪器仪表发展至今已成为一门独立的学科，光电仪器则是仪器仪表学科的一个重要分支。仪器则是仪器仪表学科的一个重要分支。光电仪器属于光电仪器属于光机电一体化光机电一体化产品，具备小产品，具备小型化、轻型化、型化、轻型化、高精度、多功高精度、多功能、可靠性高、能、可靠性高、柔性化、智能柔性化、智能化等特点。化等特点。光光电仪器的发展电仪器的发展水

3、平是科学技水平是科学技术现代化的重术现代化的重要标志。要标志。直觉设计阶段直觉设计阶段经验设计阶段经验设计阶段半理论半经验设计阶段半理论半经验设计阶段现代设计阶段现代设计阶段根据制作者本人的经验根据制作者本人的经验或其头脑中的构思完成或其头脑中的构思完成将经验或构思用图纸表将经验或构思用图纸表达出来，根据图纸组织达出来，根据图纸组织生产生产通过试验与测试手段取通过试验与测试手段取得可靠数据后选择合适得可靠数据后选择合适结构进行设计，也称为结构进行设计，也称为中间试验阶段中间试验阶段。电子计算机的应用使设电子计算机的应用使设计工作实现自动化。计工作实现自动化。 基于光学原理、采用基于光学原理、采

4、用的各类光的各类光电精密仪器。电精密仪器。 光电仪器按不同方式有不同的分类，例如：光电仪器按不同方式有不同的分类，例如：按工作的光谱区域，可分为紫外线、可见光和红外线；按工作的光谱区域，可分为紫外线、可见光和红外线；按照明方式不同可分为主动式和被动式两类；按照明方式不同可分为主动式和被动式两类；按用途不同，可分为计量、摄影、军用、医用等；按用途不同，可分为计量、摄影、军用、医用等；其中应用最广泛的是其中应用最广泛的是计量类光电仪器计量类光电仪器。国际测量技术发展趋势的特点：国际测量技术发展趋势的特点：传统测量仪器向数字化、光机电一体化方向发展；传统测量仪器向数字化、光机电一体化方向发展；测量方

5、式向自动化、智能化、在线测量方向发展；测量方式向自动化、智能化、在线测量方向发展；加工过程监测向系统网络化方向发展。加工过程监测向系统网络化方向发展。v 仪器仪表在当代社会的重要作用仪器仪表在当代社会的重要作用 n在科学研究中，仪器仪表是在科学研究中，仪器仪表是“先行官先行官”。 n在军事上，仪器仪表是在军事上，仪器仪表是“战斗力战斗力”。 n现代仪器仪表还是当今社会的现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官物化法官”。 n在国民经济运行中，仪器仪表是在国民经济运行中，仪器仪表是“倍增器倍增器”，对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。 仪器仪表在实验教学、气象

6、预报、大地测绘、诊治疾病、仪器仪表在实验教学、气象预报、大地测绘、诊治疾病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广泛应用，指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广泛应用， 遍布遍布“农轻重、海陆空、吃穿用农轻重、海陆空、吃穿用”。v 仪器仪表技术的特点仪器仪表技术的特点n仪器技术是信息技术中的源头技术仪器技术是信息技术中的源头技术n仪器技术是现代科技的前沿技术仪器技术是现代科技的前沿技术n现代仪器仪表发展的关键技术现代仪器仪表发展的关键技术n仪器技术是信息技术仪器技术是信息技术 传感技术；系统集成技术；智能控制技术；人机界面技传感技术；系统集成技术；智能控制技术；人机界面技术；可靠性技术

7、。术；可靠性技术。目前，我国仪器仪表产品的综合水平大体相当于国际目前，我国仪器仪表产品的综合水平大体相当于国际80年代中期水平，其中属年代中期水平，其中属90年代水平的约年代水平的约20%30%。 v 我国仪器仪表产品与国外的主要差距我国仪器仪表产品与国外的主要差距n技术性能低、质量差：技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低在精度上较国际水平约低1-2个等级，个等级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为1.8万多小万多小时，而国产单机则为时，而国产单机则为2千小时。千小时。n品种系列不全，成套水平低：品种系列不全，成套水平低：世界上仪器仪表大

8、约有世界上仪器仪表大约有25000种，而我国机械部所属的只有种，而我国机械部所属的只有12000多种。多种。 n标准化程度低：标准化程度低：在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖率只占盖率只占18，绝大多数产品没有可靠性指标。标准化、，绝大多数产品没有可靠性指标。标准化、通用化、系列化工作仍旧存在许多问题。通用化、系列化工作仍旧存在许多问题。 n新技术采用缓慢，产品更新换代周期长：新技术采用缓慢，产品更新换代周期长：国外一些厂家产国外一些厂家产品的开发周期一般为品的开发周期一般为1-2年，少则半年或几个月。我国的仪年，少则半年或几个月。我国的仪器仪表企业，新

9、技术采用慢，产品更新周期一般为器仪表企业，新技术采用慢，产品更新周期一般为3-4年，年，少则也需要两年。少则也需要两年。n产品结构落后、功能少、智能化程度低：产品结构落后、功能少、智能化程度低：国际上已由单元国际上已由单元组合式向功能组件组装式发展，而国内多为单元组合式。组合式向功能组件组装式发展，而国内多为单元组合式。国外已把微处理器作为仪器仪表的组成部件，而国内则处国外已把微处理器作为仪器仪表的组成部件，而国内则处于初步应用阶段。于初步应用阶段。v 国内仪器仪表发展趋势国内仪器仪表发展趋势 被测量被测量感受转换感受转换转换放大转换放大比较比较转换放大转换放大感受转换感受转换标准量标准量瞄准

10、瞄准示值示值校正值校正值数据加工数据加工和处理和处理例例1-1 比长仪上做绝对法测量比长仪上做绝对法测量12543绝对法测量绝对法测量1-定位部件定位部件 2-线纹尺线纹尺 3-读数显读数显微镜微镜 4-瞄准显微镜瞄准显微镜 5-被测工件被测工件 例例1-2 激光激光跟踪雷达的跟踪雷达的工作原理工作原理v 根据仪器中各部件的功能，可将光电仪器分为以根据仪器中各部件的功能，可将光电仪器分为以下几个基本组成部分：下几个基本组成部分：光电仪器的组成框图光电仪器的组成框图CCD法测量激光光束质量的组成框图法测量激光光束质量的组成框图 对于仪器系统来说，当被测量对于仪器系统来说，当被测量x不随时间变化，

11、不随时间变化，即即dx/dt=0，或作缓慢变化时，可按静态测量处理，或作缓慢变化时，可按静态测量处理，应着重讨论它的静态特性。应着重讨论它的静态特性。 v 静态测量中输入和输出的关系静态测量中输入和输出的关系 当当输入信号为定值输入信号为定值或或变化十分缓慢变化十分缓慢时，仪器系统的输时，仪器系统的输出信号特性称为出信号特性称为静态特性静态特性。静态测量中仪器系统输入和输。静态测量中仪器系统输入和输出之间的关系一般可用下式表示为出之间的关系一般可用下式表示为y=（a0a1xa2x2a3x3anxn）x式中：式中：x、y分别为输人和输出信号；分别为输人和输出信号；a0、 a1、a1、a3、an标

12、定系数或刻度因子。标定系数或刻度因子。oxy示值范围示值范围A线性度线性度B线性度线性度=B/A 100%v 分度值是仪器最小分度所代表的被测量的值。分度值是仪器最小分度所代表的被测量的值。它是一台仪它是一台仪器可能读出的最小读数值（不包括估读值）。器可能读出的最小读数值（不包括估读值）。v 分度值对于如数字式仪器来说，将仪器所能测得的被测量分度值对于如数字式仪器来说，将仪器所能测得的被测量的最小增量称为分辨力。的最小增量称为分辨力。v 分度值有别于分划间隔分度值有别于分划间隔。分划间隔是指刻尺或度盘上相邻。分划间隔是指刻尺或度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。两刻线所代表的量值之差。 v 灵敏

13、度是指仪器对被测量变化的反应能力灵敏度是指仪器对被测量变化的反应能力。s = y / xv 当输入与输出为同一量纲时可用放大比来代替灵敏度。当输入与输出为同一量纲时可用放大比来代替灵敏度。v 当灵敏度为定值时，仪器系统为线性的。当灵敏度为定值时，仪器系统为线性的。 v 测量范围是指在允许误差极限内仪器所能测出的最大被测测量范围是指在允许误差极限内仪器所能测出的最大被测量与最小被测量之间的范围量与最小被测量之间的范围。v 示值范围是仪器所显示或指示的最低值到最高值的范围示值范围是仪器所显示或指示的最低值到最高值的范围。v 示值重复性是指在外界条件不变的情况下，对同一量重示值重复性是指在外界条件不

14、变的情况下，对同一量重复测量时仪器示值的最大变化范围。复测量时仪器示值的最大变化范围。重复测量次数一般重复测量次数一般为为1015次，变动范围一般允许为分度值的次，变动范围一般允许为分度值的1/31/5。v 示值误差是指仪器示值与被测量的真值之差。示值误差是指仪器示值与被测量的真值之差。v 滞差是指由于测量中行程方向不同，滞差是指由于测量中行程方向不同，对应于同一输入信号产生输出不同对应于同一输入信号产生输出不同信号的差异。信号的差异。v 产生滞差的原因：仪器内的间隙、产生滞差的原因：仪器内的间隙、摩擦、死区；机械材料和电气材料摩擦、死区；机械材料和电气材料与器件的滞后特性（如弹性元件或与器件

15、的滞后特性（如弹性元件或磁性元件的滞后特性）的缘故。磁性元件的滞后特性）的缘故。Oxy滞差滞差图图1-10 滞差滞差v 能引起仪器示值可见变化所需的最小输入量能引起仪器示值可见变化所需的最小输入量。这一项表示。这一项表示仪器感受微小量的敏感程度。小于这个量的变化，仪器就仪器感受微小量的敏感程度。小于这个量的变化，仪器就反映不出来了。在数显仪器中常称之为分辨率。反映不出来了。在数显仪器中常称之为分辨率。v 当输入信号不变时，由于仪器内部温度变化或元器件不当输入信号不变时，由于仪器内部温度变化或元器件不稳定所引起的输出信号的变化就是漂移稳定所引起的输出信号的变化就是漂移。v 仪器误差指仪器本身固误差。仪器误差指仪器本身固误差。这项误差通常可以通过理这项误差通常可以通过理论计算或实际测量得到。论计算或实际测量得到。v 测量误差是指测量结果和被测量值间的差异，测量误差是指测量结果和被测量值间的差异