光检基本原则

光检基本原则第一页，共二十六页，2022年，8月28日3)根据光源、探测器特性和总体要求设计与之匹配的光学系统（照明系统和光电变换光学系统）。其中包括光学元件材料的选取，膜系设计等。光源目标光学系统探测器2.精度匹配在光电系统的精度设计中，光、机、电各部分的精度一般应该和系统总精度相匹配，而系统总精度也应与使用要求相适应，无限制的提高系统的总精度不仅对检测无益，而且还会导致成本提高，稳定性下降。根据实际设计经验，拟出以下几条作为设计时参考：

第二页，共二十六页，2022年，8月28日1）测量系统的总精度值可根据被测工件的公差值和同一尺寸被测量的次数或成品筛选的合格率要求确定。一般为：测量系统总精度应为被测工件的公差值的1/2~1/10；2).仪器的分辨率（或最小脉冲当量）一般取仪器总精度的1/2~1/5；3).在精度设计时，仪器的总系统误差一般为仪器总误差的1/3。

第三页，共二十六页，2022年，8月28日例：被测件的公差=|0.01-(-0.01)|=0.02mm

则光电检测系统总精度=(1/2~1/10)×0.02=0.01~0.002mm仪器的总系统误差=(0.01~0.002)×1/3mm第四页，共二十六页，2022年，8月28日二．阿贝比较原则三．运动学原则原动件数目等于自由度数，按自由度确定约束数。四．统一基面原则（设计、工艺、测量基准统一）五．最小变形原则使仪器变形小（刚度大、热稳定性好），补偿变形。六．经济原则社会价值V=F/CF：产品功能；C：成本。要求：功能多、成本低，则价值高。七．系列化原则八．通用化原则九．标准化原则第五页，共二十六页，2022年，8月28日§2-1阿贝比较原则

万能工具显微镜是一种长度、角度测量仪器，精度可以达到1µm。测量的结构型式为被测件与标准件并联式。下图为实物图。第六页，共二十六页，2022年，8月28日一．结构型式对测量误差的影响1.并联型式（一）导轨无误差,则没影响瞄准显微镜M1M2悬臂支架XYZa标准件被测件图1并联型式第七页，共二十六页，2022年，8月28日（二）导轨有误差时:①.悬臂支架沿X,Y,Z轴平移,两个显微镜作同样运动,则对测量无影响。(导轨有间隙的情况)②.悬臂支架绕X、Z轴转动,则对测量无影响。(绕X轴转动,离焦,不影响测量;绕Z轴转动,显微镜在X方向移动量相同,不影响测量)第八页，共二十六页，2022年，8月28日③.绕Y轴转动,对测量有影响YXZφM1M2M1′M2′｝δ1标准件轴线被测件轴线YXZM1M2M1′M2′标准件轴线被测件轴线δ1=a·tgφ=a·(φ+1/3φ3+2/15φ5+…)≈a·φ(一阶误差,即阿贝误差)例:令a=100mmφ=10″秒化弧度系数:ρ=206265≈2×105则δ1=a·10″/ρ=5μm

第九页，共二十六页，2022年，8月28日2.串联型式(缺点:体积大)

阿贝比长仪也是一种高精度测量长度仪器，精度为1µm。测量的结构型式为被测件与标准件并联式。下图为实物图。图1窜联型式第十页，共二十六页，2022年，8月28日被测件标准件M1M2XYZC图2串联型式M1①.悬臂支架沿X,Y,Z轴平移,两个显微镜作同样运动,则对测量无影响。(导轨有间隙的情况)②.悬臂支架绕X轴转动,显微镜离焦,不影响测量。③.绕Y轴转动,对测量有影响第十一页，共二十六页，2022年，8月28日δ2′=C－C·cosφ=C(1－cosφ)=C〔1－(1－φ2/2！+φ4/4！－……)]≈C·φ2/2cφM2’M1′M2XZδ2′第十二页，共二十六页，2022年，8月28日④.绕Z轴转动,对测量有影响δ2〞=OH－C=C/cosφ－C=C(secφ－1)=C(1+φ2/2！+…－1)≈C·φ2/2串联型式绕Y,Z轴转动引起的总误差：

δ2=δ2′+δ2〞=Cφ2,为二阶误差。瞄准cφM2′M1M1′ZY×Hcδ2〞瞄准XO第十三页，共二十六页，2022年，8月28日在φ很小时,δ2比δ1小很多(见表2—1)。

表2-1不同φ角时并联与串联安装的误差比3.横向移动式绕Y,Z轴转动的测误差(类似于δ2′)δY=δZ=C·φ2/2对固定长度测量方便,属于二阶误差,远小于δ1。5°2°1°30ˊ10ˊ1ˊ30"101"δ1/δ22.35.711.523696881330416040000第十四页，共二十六页，2022年，8月28日HC工件M2M1XYZ标准件瞄准显微镜M1,M2第十五页，共二十六页，2022年，8月28日二、导轨不直度与测量误差的关系已知:导轨全长的角误差φ〞(秒),水平、垂直方向分别绘出计算;导轨全长L;测量长度ι;;ι=50mm;L=200mm。求:测量长度内导轨角误差ψ〞解:导轨不直度误差视为半径为R的圆弧。正比关系则阿贝误差则

(2—3)式ιL全长ψ〞φ〞R第十六页，共二十六页，2022年，8月28日式中:a为测量轴线到基准轴线的距离。ρ为秒化弧度系数,ρ=2×105,附录:导轨不直度测量:导轨不直度原因:①应力(时效)②变形(重力)

导轨不直度误差视为半径为R的圆弧,其测量方法是用自准直仪测量,反射镜每在一个位置,就在自准直仪上读数xi,即为所测φi〞。α2αNN反射镜望远镜R第十七页，共二十六页，2022年，8月28日原理:刻普勒望远系统,物镜与目镜的公共焦面上设置有十字线分划板,上面的十字线经物镜、反射镜,再返回物镜成实像在公共焦面上,物、像之间垂直距离为xi,xi=f1'tg2α≈f1'·2α不直度φi〞=α(秒)《应光》图14—36P409xi2ααf’1-f2目镜L2物镜L1视场光栏第十八页，共二十六页，2022年，8月28日三.结论1.只有当导轨存在不直度误差,且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差(一阶误差)。2.阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。3.在违反阿贝原则时,测量长度为ι的工件所引起的阿贝误差是总阿贝误差的ι/L。4.为避免产生阿贝误差,在测量长度时,标准件轴线应安置在被测件轴线的沿长线上——阿贝原则。(要串联,不要并联)。5.满足阿贝原则的系统,结构庞大。问题：能否找到一种既采用并联，体积小（长度短），又没有阿贝误差的系统？——————答案是肯定的：误差补偿。见“艾宾斯坦原理”第十九页，共二十六页，2022年，8月28日四.艾宾斯坦原理——棱镜、透镜原理这种仪器解决用较短的工作台(标准件与被测件并联)，在测量长度时不产生阿贝误差。如下图，投影测长机就是这一原理的例子。

测长机主要组成部分1.底座2.头座微动装置3.测量头座组4.万能工作台5.V型支架组6.测量尾座第二十页，共二十六页，2022年，8月28日5（床身）6（毫米刻尺）4（头架）3（读数显微镜）2（光学计）1（被测件）7（分米分划板）图2-6测长机示意图8（尾架）1002001000900800第二十一页，共二十六页，2022年，8月28日(一).导轨制造误差α转变为测量位置的阿贝误差:Δ1=CD－ι=DB'+CB'－ι=(Hsinα+ιcosα)－ι=Hsinα－2ιsin2(α/2)≈Hα－α2ι/2ααlHΔ1Δ2S(透镜焦点)S′(透镜2焦点)S″测量轴线刻尺分划面（标准轴线）AA′工件长aααBDHS″αS′f’0100透镜1透镜2Δ2CB’第二十二页，共二十六页，2022年，8月28日(二).棱镜、透镜原理(艾宾斯坦原理)消除阿贝误差分米双刻线在头座毫米分划板上的S‘像从右移到S〞(使读数减小)S〞S'=Δ2=f'tgα≈f'α实际测量误差:Δ=Δ1－Δ2=Hα－α2ι/2－f'α=(H－f')α－α2ι/2设计中取H=f',则

Δ=－α2ι/2

因此,按艾宾斯坦原理设计的测长机消除了阿贝误差(一阶误差),而且,体积小。第二十三页，共二十六页，2022年，8月28日例:测长机技术参数为:H=180±1mm;f‘=180±1mm;α≤15〞(一米测长机);ι=205mm按艾宾斯坦原理设计的误差(只计尾座倾斜)若没有补偿,则极限阿贝误差:Δ1=Hα－α2ι/2=0.0135mm=13.5μm可见误差补偿大大降低了仪器测量的系统误差,提高了测量精度。第二十四页，共二十六页，2022年，8月28日尾座

头座