光电仪器设计上课讲义.ppt

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1、光电仪器设计第一节第一节 概述概述 仪器仪器是传递和转换信息的工具是传递和转换信息的工具，它是各类仪器仪表、传感器及，它是各类仪器仪表、传感器及观察、监控、测试、分析设备的观察、监控、测试、分析设备的总称总称。光电仪器的发展水平是科学技光电仪器的发展水平是科学技术现代化的重要标志。术现代化的重要标志。研究对象研究对象 基于光学原理、采用光电转换基于光学原理、采用光电转换技术的各类光电精密仪器。技术的各类光电精密仪器。研究方法研究方法 n综合应用有关技术综合应用有关技术 n以点带面、举一反三以点带面、举一反三n理论联系实际理论联系实际n从整体上分析问题从整体上分析问题仪器仪表技术的特点仪器仪表技

2、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。技术；可靠性技术。我国光电仪器发展状况我国光电仪器发展状况 o目前我国仪器仪表产品的综合水目前我国仪器仪表产品的综合水平，大体上相当于国际平，大体上相当于国际8080年代中年代中期的水平，其中属期的水平，其中属9090年代水平的年代水平的约占约占202030%30%。

3、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：在精度上较国际水平约低技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低1212个等个等级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为1.81.8万多万多小时，而国产单机则为小时，而国产单机则为2 2千小时，国外现场工作仪表平均无故千小时，国外现场工作仪表平均无故障率时间普遍达到障率时间普遍达到10301030万小时，而国产仪表一般只有万小时，而国产仪表一般只有5 5千小千小时。国内外工业仪表的相对故障率大体为时。国内外工业仪表的相对故障率大体为9 9：1 1。n品种系

4、列不全，成套水平低：世界上仪器仪表大约有品种系列不全，成套水平低：世界上仪器仪表大约有2500025000种，而我国机械部所属的只有种，而我国机械部所属的只有1200012000多种。多种。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 新技术采用缓慢，产品更新换代周期长：国外一些厂家产新技术采用缓慢，产品更新换代周期长：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1212年，少则半年或几个月。元器件每年年，少则半年或几个月。元器件每年更新更新20302030，基本上可以保证仪器仪表整机更新换代的需要。，基本上可以保证仪器仪表整机更新换代的需要。我国的仪器仪表企业，新

5、技术采用慢，产品更新周期一般为我国的仪器仪表企业，新技术采用慢，产品更新周期一般为3434年，少则也需要两年。年，少则也需要两年。n标准化程度低：在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖标准化程度低：在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖率只占率只占1818，绝大多数产品没有可靠性指标。标准化、通用，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。化、系列化工作仍旧存在许多问题。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产品结构落后、功能少、智能化程度低：国际上已由单元组产品结构落后、功能少、智能化程度低：国际上已由单元组合式向功能组件组装式发展，

6、而国内多为单元组合式。国外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，而国内则处于初步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。国内仪器多为单点，单参数、静态测量，而国际应用阶段。国内仪器多为单点，单参数、静态测量，而国际上已向多点、多参数、自动测量发展，由静态测量为主向静上已向多点、多参数、自动测量发展，由静态测量为主向静动态结合方向发展，由接触式向非接触式测量发展。其它在动态结合方向发展，由接触式向非接触式测量发展。其它在仪器仪表材料、工艺、元器件等方面也都存在不少的差距。仪器仪表材料、工艺、元器件等方面也都存在不少的差距。国

7、内仪器仪表发展趋势国内仪器仪表发展趋势 标准化、系列化标准化、系列化 高效率高效率 高智能化高智能化 高精度、高可靠性高精度、高可靠性 以温度计为例以温度计为例 主要技术参数和特点：主要技术参数和特点：*测温范围：测温范围：32-4232-42*测量温度低于测量温度低于3232时，显示时，显示LL*测量温度高于测量温度高于4242时，显示时，显示HH*显示分辨率：显示分辨率：0.10.1*显示方式：液晶显示（三位半）显示方式：液晶显示（三位半）*功功 耗：工作状态下为耗：工作状态下为0.150.15毫瓦毫瓦*电池：电池：AG3AG3型型1.5V1.5V普通纽扣电池普通纽扣电池*蜂鸣提示：测量结

8、束后发出蜂鸣提示声蜂鸣提示：测量结束后发出蜂鸣提示声 本课程的目的与要求本课程的目的与要求o掌掌握握机机、光光、电电技技术术结结合合的的仪仪器器总总体体设计有关基础理论知识。设计有关基础理论知识。o初初步步掌掌握握仪仪器器总总体体设设计计和和系系统统设设计计的的方法。方法。o初初步步具具有有正正确确的的估估算算和和分分析析仪仪器器精精度度的能力。的能力。第二节第二节 精密仪器的设计精密仪器的设计特点与组成特点与组成根据仪器中各部件的功能，可将仪器分为以下根据仪器中各部件的功能，可将仪器分为以下几个基本组成部分：几个基本组成部分：1基准部件（基准器或标准器）基准部件（基准器或标准器）2感受转换部

9、件感受转换部件接触式接触式非接触式非接触式感受被测量，拾取原始信号感受被测量，拾取原始信号3转换放大部件转换放大部件将感受转换来的微小信号，通过各种将感受转换来的微小信号，通过各种原理（如光、机、电、气）进行进一原理（如光、机、电、气）进行进一步的转换和放大步的转换和放大4显示部件显示部件5处理与计算装置处理与计算装置6瞄准部件瞄准部件7机械结构部件机械结构部件第三节第三节 光电仪器的静态特性光电仪器的静态特性 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 x不随时间变化，即不随时间变化，即dxdxdt=0dt=0，或作或作缓慢变化时，可按静态测量处理，缓慢变化时，可按静态测量处理，

10、应着重讨论它的静态特性。应着重讨论它的静态特性。一、静态测量中输入和输出的关系一、静态测量中输入和输出的关系 当当输输入入信信号号为为定定值值或或变变化化十十分分缓缓慢慢时时，仪仪器器系系统统的的输输出出信信号号特特性性称称为为静静态态特特性性。静静态态测测量量中中仪仪器器系系统统输输入入和和输输出出之之间间的的关关系系一一般般可可用用下下式式表表示：示：y=y=（a a0 0a a1 1x xa a2 2x x2 2a a3 3x x3 3a an nx xn n）x x 式中式中x x、yy分别为输人和输出信号；分别为输人和输出信号；a a0 0、a a1 1、a a2 2、a a3 3、

11、a an n标定系数标定系数 或刻度因子或刻度因子二、仪器的静态特性指标二、仪器的静态特性指标 o分度值及分辨力分度值及分辨力分分度度值值是是仪仪器器最最小小分分度度所所代代表表的的被被测测量量的的值值。它它是是一一台台仪仪器器可可能能读读出出的的最最小小读读数数值值（不不包包括括估读值）。估读值）。分分度度值值对对于于如如数数字字式式仪仪器器来来说说，将将仪仪器器所所能能测测得的被测量的最小增量称为分辨力。得的被测量的最小增量称为分辨力。分分度度值值有有别别于于分分划划间间隔隔。分分划划间间隔隔是是指指刻刻尺尺或或度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。o灵敏度及

12、放大比灵敏度及放大比 灵敏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 s=yxx当当输输入入与与输输出出为为同同一一量量纲纲时时可可用用放放大大比比来来代代替替灵灵敏度。敏度。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。o测量范围及示值范围测量范围及示值范围 测测量量范范围围是是指指在在允允许许误误差差极极限限内内仪仪器器所所能能测出的最大被测量与最小被测量之间的范围。测出的最大被测量与最小被测量之间的范围。示示值值范范围围是是指指仪仪器器所所显显示示或或指指示示的的最最低低值值到最高值的范围。到最高值的范围。o示值重复性示值重复

13、性 示示值值重重复复性性是是指指在在外外界界条条件件不不变变的的情情况况下下，对对同同一一量量重重复复测测量量时时仪仪器器示示值值的的最最大大变变化化范范围围。重重复复测测量量次次数数一一般般为为10101515次次，变动范围一般允许为分度值的变动范围一般允许为分度值的1/31/31/51/5。o示值误差示值误差 示示值值误误差差是是指指仪仪器器示示值值与与被被测测量量的的真真值值之差。之差。o滞差（回程误差）滞差（回程误差）产生滞差的原因产生滞差的原因:仪器内的间隙、摩擦、死区仪器内的间隙、摩擦、死区机机械械材材料料和和电电气气材材料料与与器器件件的的滞滞后后特特性性（如如弹弹性性元元件件或

14、或磁磁性性元件的滞后特性）的缘故。元件的滞后特性）的缘故。o灵敏阈（灵敏限、门限）灵敏阈（灵敏限、门限）能能引引起起仪仪器器示示值值可可见见变变化化所所需需的的最最小小输输入入量量。这这一一项项表表示示仪仪器器感感受受微微小小量量的的敏敏感感程程度度。小小于于这这个个量量的的变变化化，仪仪器器就就反反映映不不出出来来了了。在在数显仪器中常称之为分辨率。数显仪器中常称之为分辨率。o漂移漂移 当当输输人人信信号号不不变变时时，由由于于仪仪器器内内部部温温度度变变化化或或元元器器件件不不稳稳定定所所引引起起的的输输出出信信号号的变化就是漂移。的变化就是漂移。o测量力测量力 测测量量过过程程中中发发生生在在仪仪器器测测头头和和被被测测工工件件表表间的接触力。这项指标针对接触测量而言。间的接触力。这项指标针对接触测量而言。o仪器误差和测量误差仪器误差和测量误差仪仪器器误误差差指指仪仪器器本本身身固固误误差差。这这项项误误差差通通常常可可以通过理论计算或实际测量得到。以通过理论计算或实际测量得到。测测量量误误差差是是指指测测量量结结果果和和被被测测量量值值间间的的差差异异，它它包包括括仪仪器器误误差差、测测量量方方法法误误差差、使使用用不不当当来来的的误误差差，以以及及外外界界环环境境条条件件偏偏离离标标准准状状态态和和测测量人员主观因素等原因所造成的误差。量人员主观因素等原因所造成的误差。