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1、第二章光电检测系统设计的基本原则九个基本原则：一．匹配原则（光电匹配、精度匹配）1.光电匹配光电匹配是系统设计中必须考虑的问题。其内容主要包括1）根据被测目标的辐射特性，合理选择满足目标光谱特性的光源（包括光源的光谱特性、功率、寿命、灯丝形状等）。2）根据被测信号的光谱特性选择与之匹配的光电探测器（包括深测器的频率响应，光谱响应、灵敏度、暗电流、探测器形状等）。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
2、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：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
3、。例：被测件的公差=
4、0.01-(-0.01)
5、=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§2-1阿贝比较原
6、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。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（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)③.绕Y轴转动,对测量有影响YXZφM1M2M
7、1′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=5μm2.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
8、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δ2′=C－C·cosφ=C(1－cosφ)=C〔1－(1－φ2/2！+φ4/4！－……)]≈C·φ2/2cφM2’M1′M2XZδ2′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在φ很小时,δ2比δ1小
9、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/δ22.35.711.523696881330416040000HC工件M2M1XYZ标准件瞄准显微镜M1,M2二、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
10、: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
