【正文】 光柵遮光作用的影響下莫爾條紋產(chǎn)生移動，光強發(fā)生變化并通過固定在指示光柵旁邊的光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生電信號，處理后就可以獲得所測得的位移量，光柵數(shù)字化轉(zhuǎn)換原理如圖 所示:圖 光柵信號的數(shù)字化 位移傳感器的選取傳感器的不同導(dǎo)致測量原理和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面也各不相同。在進行傳感器的選擇時不僅需要考慮實際的測量對象和測量目的，還必須根據(jù)具體的測量環(huán)境合理的選用。選用不同的傳感器在對某個測量對象進行某一項測量工作時，測量結(jié)果往往也會出現(xiàn)較大的不同。本課題研究工作中位移所傳感器起著關(guān)鍵的作用，所以其選用就有著至關(guān)重要的意義。在傳感器的選用過程中上應(yīng)該遵循以下幾點原則：(1) 根據(jù)具體測量對象和實際測量環(huán)境選擇傳感器的類型　　傳感器一般情況下都是作為各類不同儀器設(shè)備的組件進行測量工作的，所以首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的測量對象對傳感器的類型進行選擇；其次還應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同測量原理對32該類傳感器進行進一步的選擇。因為針對同一個物理量的測量往往也會有許多不同原理的傳感器可供選用。在傳感器測量原理的選用方面一般需要考慮：傳感器的體積大小和量程?！「鶕?jù)上述信息完成對傳感器類型的選擇后，就需要繼續(xù)考慮選擇與傳感器合適的各類性能指標(biāo)。　　(2) 測量靈敏度的選擇　　我們在考慮傳感器的靈敏度這個指標(biāo)時，一般只要不超出測量的范圍，選用越高靈敏度的傳感器檢測精度就越高，從而測量結(jié)果也就更加的精確。這主要是因為高靈敏度的傳感器會使相對應(yīng)的輸出信號的值越大，這樣就更有利于處理信號。然而另一方面，當(dāng)傳感器的靈敏度較高時，與被測物理量無關(guān)的其他外界因素也會混入輸出信號，從而被傳感器內(nèi)部放大系統(tǒng)放大，對測量精度造成影響。所以，為了盡量消除外界引入的無關(guān)干擾信號，通常要求傳感器具有相對較高的信噪比。(3) 頻率響應(yīng)　　一般情況下，傳感器的響應(yīng)都不可避免的存在一定的延遲，延遲時間越短越好。這就要求傳感器在其頻率范圍內(nèi)能夠保持不失真。其中，傳感器測量的頻率范圍又由其頻率響應(yīng)特性決定。所以傳感器越高的頻率響應(yīng)，就會有越寬的信號頻率范圍。在進行被測量的動態(tài)測量中，則應(yīng)該根據(jù)信號響應(yīng)的不同而進行傳感器頻率響應(yīng)的選擇，以防止較大的誤差產(chǎn)生。(4) 線性范圍　傳感器的線形范圍通常定義為測量信號輸出和輸入的比例范圍。線性范圍越大，則傳感器的量程就越大，靈敏度雖較低但依然能夠保證較高的測量精度，對傳感器進行選擇時，當(dāng)傳感器的類型已經(jīng)確定以后就需要考慮其量程是否能夠滿足要求。另外在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)所要求的測量精度較低時，誤差較小的非線性可以近似的看作線性的，這樣可以使測量更加的方便?！　?5) 穩(wěn)定性　　傳感器在經(jīng)過一段時間的使用后，依然能夠使其各項性能保持恒定，這種性能稱為穩(wěn)定性。對傳感器長期穩(wěn)定性影響較大的因素主要包括傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境。所以，為了使傳感器能夠長期保持良好的穩(wěn)定性，就必須在選擇傳感器之前充分考慮其使用環(huán)境的具體情況，從而選擇相對更加適合的傳感器或者改善優(yōu)化傳感器的使用環(huán)境以減小影響。另外，由于傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，這就要求在超過該定量指標(biāo)后重新進行標(biāo)定，從而確保傳感器的各項性能保持穩(wěn)定?！?(6) 測量精度　　傳感器的精度是保證整個測量系統(tǒng)精度的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是一個至關(guān)重要的性能33指標(biāo)。一般情況下，如果傳感器的測量目的用來進行定性分析的，選用重復(fù)精度較高的傳感器就可以滿足要求；如果傳感器的測量目的用來進行定量分析的，就要求能夠測試得到精確的測量結(jié)果，這樣就必須選用精度等級能滿足測試要求的傳感器?？紤]到以上幾個方面后，本文根據(jù)實際情況選用的是直線位移傳感器（LVDT） ，其是通過一次線圈與二次線圈產(chǎn)生弱電磁藕合，使得傳感器內(nèi)芯的位移變化量與輸出信號（電壓或電流）變化量之間線性關(guān)系。本文所選用的傳感器的型號為：WYDC100L、 WYDC50D，為自由拉桿式，如圖 所示，它的量程可達到 100mm，精度為 %，能夠滿足測量要求。圖 直線位移傳感器WYDC 位移傳感器的具體性能參數(shù)如表 42 所示。表42 WYDC 位移傳感器的性能參數(shù)項 目 名 稱 性 能 參 數(shù)靈敏度 1001000 mv/v/mm初級勵磁電壓 5V（38）動態(tài)頻率 0200HZ（3DB）靈敏度漂移 零點：（%/℃） 滿度：（%/℃）負(fù)載阻抗 20KΩ工作溫度 20℃+70℃標(biāo)準(zhǔn)高精度 %高分辨率 供電電壓 6VDC輸出電壓 0——5V34輸出電流 0——10mA 系統(tǒng)控制與檢測方法本系統(tǒng)采用線性位移傳感器檢測儀器內(nèi)成像系統(tǒng)的位置和位移，進而計算出 CCD拍攝的每幅圖片中成像光學(xué)系統(tǒng)透鏡的相對位移和精確位置。如圖 所示為系統(tǒng)位置信息檢測及電機運行控制的具體實施方案。步進電機電機的驅(qū)動器負(fù)責(zé)驅(qū)動電機高精度運行，同時位移傳感器檢測到成像系統(tǒng)的相對位移將位置信息送入上位機以實現(xiàn)圖像、位置的實時檢測。圖 系統(tǒng)位置信息檢測及電機運行控制的具體實施方案 本章小結(jié)本章對基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進行認(rèn)真詳盡的設(shè)計，并介紹了其傳動結(jié)構(gòu)的工作原理，對各主要零機械部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算。同時還對控制系統(tǒng)的組成以及上位控制模塊進行了設(shè)計，對步進電機及步進電機驅(qū)動器進行了選擇，確定步進電機及其驅(qū)動器的型號分別為110BYG250A 和 DC280A。最后還介紹了位移傳感器的測量原理，并根據(jù)其主要選用原則選擇了適當(dāng)?shù)奈灰苽鞲衅?，使其能夠系統(tǒng)要求，它的量程可達到100mm，%。35第五章 誤差精度分析本文所設(shè)計的折射率測試系統(tǒng)無論是在零件的裝配還是光學(xué)系統(tǒng)的檢測過程中都會產(chǎn)生一定的誤差。在此系統(tǒng)中，只有保證系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)做直線運動位置、位移傳感器位置、采集圖像位置的彼此間的高精度對應(yīng)關(guān)系，才能保證本文設(shè)計中所需要的精度。因此必須對產(chǎn)生誤差的原因及誤差對精度造成的影響分析清楚，進而提出減小誤差、提高精度的具體方案。本章將針對該檢測儀器上不同來源的各種誤差進行了精確分析，并進一步計算得出誤差的修正范圍及要求，減小系統(tǒng)的各類誤差，從而使得該測量儀器能夠達到所要求的技術(shù)指標(biāo)。本文所設(shè)計的折射率測量系統(tǒng)的精度受到的誤差影響，主要分為：系統(tǒng)誤差與隨機誤差。 在相同條件的情況下，對目標(biāo)進行多次觀測，如果測量出現(xiàn)的誤差不論是大小還是正負(fù)都表現(xiàn)出了一定的系統(tǒng)性，或者是有一定的規(guī)律，而且每次都會出現(xiàn)，這樣的誤差被稱為系統(tǒng)誤差。通常系統(tǒng)誤差都具有一定的規(guī)律性，可以通過一個函數(shù)表示或者是個常數(shù)。這類誤差可以經(jīng)過多次測量而得到。因此可以在設(shè)備的生產(chǎn)加工、裝配等過程中進行調(diào)整，或者通過上位軟件加以矯正，從而使得測量結(jié)果受系統(tǒng)誤差的影響大大減小，因而無需進一步的誤差分析。 隨機誤差是指在相同的測量條件下，多次對同一目標(biāo)進行測量分析，其測量結(jié)果所出現(xiàn)的誤差不論是大小還是正負(fù)都沒有規(guī)律性，表現(xiàn)出一定偶然因素，但是對所測得的大量數(shù)據(jù)進行整理分析，可以從中得知這些數(shù)據(jù)符合統(tǒng)計學(xué)中的規(guī)律。 由于人為操作或其他外部因素的影響，隨機產(chǎn)生的誤差是無法消除和不可避免的，只能盡量的減小。隨機誤差產(chǎn)生的因素有很多，所以必須對隨機誤差的影響重點討論。盡管隨機誤差沒有規(guī)律性，但是依然可以通過對大量數(shù)據(jù)的分析而得到，隨機誤差的規(guī)律性一般為正態(tài)分布。隨機產(chǎn)生的誤差的正態(tài)分布如圖 所示。圖 隨機誤差分布圖 由于儀器的測量條件是固定的，其隨機誤差的產(chǎn)生也有一個限值，一般情況下36都不會超過此值，這個值也就是最大誤差。通常情況下，隨機誤差都是以兩倍或三倍的均方值誤差作為其允許值。 機械檢測裝置的誤差一般測試儀器（測量工具）的誤差是由于儀器的設(shè)計、制造和裝配校正等方面的欠缺所引起的測量誤差，是必然存在的。本課題所研究測試儀器由不同功能的多個分系統(tǒng)所組成，同時每個分系統(tǒng)又由多個零部件組合裝配而成，所以存在不可避免的誤差。在本課題中的誤差主要包括平行平板引入誤差、機械傳動誤差、裝調(diào)不準(zhǔn)帶來的誤差等。 系統(tǒng)調(diào)校誤差的影響由于測試儀器或工具的零部件在制造質(zhì)量上不可能達到設(shè)計理論值，或者結(jié)構(gòu)本身存在缺陷，就必然會引起設(shè)備調(diào)校過程中的不到位所造成的誤差。比如透鏡定位的誤差及其本身的偏心，光學(xué)系統(tǒng)對焦不準(zhǔn)，傳動機構(gòu)的空回，位移傳感器的測量誤差等，這些都屬于調(diào)校誤差。在本文的折射率檢測系統(tǒng)中，標(biāo)校裝置：可調(diào)夾持器的影響其檢測精度的一個重要工具。本夾具材料為鑄鐵，在加工中保證其內(nèi)孔直徑誤差控制在 之內(nèi)，定位面精度控制在 之內(nèi)，以保證加工精度。即工具誤差mm。10.?? 裝配誤差的影響 該測試儀器有眾多機械零部件組合裝配而成，就必然存在零部件制造誤差所引起的裝配誤差，如三透鏡之間的定位誤差，三透鏡不同軸，光學(xué)系統(tǒng)與凸輪筒不同軸，各個鏡筒及其他零部件連接在一起的軸向誤差等。裝配誤差是裝配零件的積累誤差，經(jīng)過反復(fù)標(biāo)校，本測量系統(tǒng)的裝配總誤差在 之內(nèi)。故裝配誤差mm。?? 傳動誤差的影響該測試儀器的傳動裝置主要包括齒輪傳動和螺旋副傳動。在齒輪傳動方面，由于將齒輪和軸做成了一體，消除了由齒輪孔和軸的間隙引起的偏心，從而減小了齒輪傳動的誤差，基本可以忽略。在螺旋副傳動方面，螺旋副的傳動精度主要由螺旋副螺母位置誤差決定。螺旋副螺母位子誤差主要受中徑誤差、螺距誤差、半角誤差影響。然而在本課題螺旋傳動中，主要是依靠頂絲與凸輪筒螺旋副進行傳動，這樣基本就不存在螺距誤差和半角誤差，同時頂絲在螺旋副法線方向可調(diào)節(jié)，基本消除了中徑誤差。然而，在實際制造過程中，螺旋副必然會出現(xiàn)導(dǎo)程誤差，本課題所設(shè)計的螺旋副螺距為 2mm，步距角為 ，分?jǐn)?shù)為 20，則37 ????（）==，即傳動誤差為 =。?此外，本文所選用的步進電機、位移傳感器均采用的是高精度元件，其測量精度完全能保證系統(tǒng)的精度要求；而兩者的同步位置在軟件中可以補償，因此，該項誤差完全可以忽略。由上述分析可以看出，測量系統(tǒng)的主要誤差為系統(tǒng)在裝調(diào)過程中的不理想，而零件在制造加工上引入的誤差要相對較小，所以為了保證儀器的精度除了要提高現(xiàn)代加工精度，同時對我們的裝調(diào)人員也要求更高。 平行平板引入誤差在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，當(dāng)平行平板位于被放入系統(tǒng)的會聚光路中時，其作為被測件，其被測表面需垂直于光軸放置，若平行平板的表面有傾斜，會產(chǎn)生色差和象散，成像質(zhì)量變壞，影響測量精度。平行平板的制造誤差主要是兩表面的平行差 ，有了?平行差之后，光線通過它時方向改變，光線的偏轉(zhuǎn)將導(dǎo)致像點位移，一般來講，裝校時通過調(diào)整可把像點位移控制在公差范圍內(nèi)，一般根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，引入的誤差精度不超過 mm。?? 誤差合成上述幾種誤差等概率存在，誤差合成公式為（）： 221n????＝總（）由上述分析和計算可知：mm， mm， ， 01.????????432???＝總= ..＝ 6＝ ?由誤差傳遞公式（）可知，當(dāng)平行平板厚度被選定為 10mm 后，38 ()239。239。)(lnl????? ()2)39。(39。ldl??透明光學(xué)材料的折射率范圍為 —，根據(jù)公式（）可求得 nl1039。?所以，在本檢測儀器中，折射率的虛物距變化 的范圍為 mm—，即39。l折射率最大的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 = 178。=?015.)(2??該折射率測量系統(tǒng)的精度要求為 ，也就是滿量程的 %。通過上文對該測試系統(tǒng)可能出現(xiàn)各項誤差的詳細(xì)分析和計算，最終合成得到系統(tǒng)測量折射率的的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即總體精度為 ，明顯滿足設(shè)計要求，能夠達到設(shè)計期望。 本章小結(jié)本章首先通過對各項誤差精度的認(rèn)真研究，明確了該折射率測試儀器的主要誤差類型和來源并計算。同時對各個誤差進行了認(rèn)真的分析計算得到具體結(jié)果，繼而對各個誤差合成并計算得到最后的誤差結(jié)果。通過對比可以明確所設(shè)計儀器的精度達到，能夠滿足該儀器的具體要求，達到最初的設(shè)計期望。39第六章 總結(jié)與展望折射率是晶體光學(xué)材料的一個基本參數(shù)，對它的研究是研究透明光學(xué)材料光學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，是提高光學(xué)儀器質(zhì)量的前提，在光學(xué)測量領(lǐng)域有著非常重要的作用。傳統(tǒng)的測量方法，越來越不能滿足現(xiàn)代測量技術(shù)的要求，因此改進裝置和方法，實現(xiàn)折射率的高精度測量是十分必要的。通過查閱大量的相關(guān)資料，本文提出了一種測量方法基于光學(xué)成像原理，利用光學(xué)平板作為被測件，找到待測折射率與光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的位移量之間的關(guān)系，從原理上革新了測量折射率的方法，將傳統(tǒng)的折射率與角度的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)檎凵渎逝c位移量之間的關(guān)系，測量裝置體積小，非接觸測量，自動化程度高，以成像光學(xué)系統(tǒng)和直線位移傳感器為測量核心，測量方法簡便，有較高的實用性。本文所設(shè)計的基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)主要由成像光學(xué)系統(tǒng)、精密機械系統(tǒng)、位移傳感系統(tǒng)、計算機圖像處理系統(tǒng)組成，根據(jù)測量要求，主要完成了以下的工作：（1）查閱了大量的國內(nèi)外的相關(guān)文獻，并進行了研讀，了解了有關(guān)折射率測量的基本信息，確定了本文的總體結(jié)構(gòu)方案、系統(tǒng)原理以及系統(tǒng)的組成。（2）對成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計：本系統(tǒng)采用三片式攝像物鏡系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)為：有效焦距 為 45mm，F(xiàn) 數(shù)為 4，全視場角為 8 ，采用 1/3 inch CCD 作為圖f ?像接受器件，像元尺寸為 ，系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)在 100lp/mm ?達 以上。根據(jù)本儀器的特點，