【正文】 光柵遮光作用的影響下莫爾條紋產(chǎn)生移動(dòng)，光強(qiáng)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(jìn)行傳感器的選擇時(shí)不僅需要考慮實(shí)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(gè)測量對象進(jìn)行某一項(xiàng)測量工作時(shí)，測量結(jié)果往往也會(huì)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(diǎn)原則：(1) 根據(jù)具體測量對象和實(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行進(jìn)一步的選擇。因?yàn)獒槍ν粋€(gè)物理量的測量往往也會(huì)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(gè)指標(biāo)時(shí)，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?yàn)楦哽`敏度的傳感器會(huì)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(shí)，與被測物理量無關(guān)的其他外界因素也會(huì)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(shí)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(huì)有越寬的信號頻率范圍。在進(jìn)行被測量的動(dòng)態(tài)測量中，則應(yīng)該根據(jù)信號響應(yīng)的不同而進(jìn)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(jìn)行選擇時(shí)，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(shí)，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(shí)間的使用后，依然能夠使其各項(xiàng)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(jìn)行標(biāo)定，從而確保傳感器的各項(xiàng)性能保持穩(wěn)定。　 (6) 測量精度　　傳感器的精度是保證整個(gè)測量系統(tǒng)精度的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是一個(gè)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(jìn)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(jìn)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(gè)方面后，本文根據(jù)實(shí)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(dá)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(xiàng) 目 名 稱 性 能 參 數(shù)靈敏度 1001000 mv/v/mm初級勵(lì)磁電壓 5V（38）動(dòng)態(tài)頻率 0200HZ（3DB）靈敏度漂移 零點(diǎn)：（%/℃） 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(jìn)而計(jì)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(jī)運(yùn)行控制的具體實(shí)施方案。步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)高精度運(yùn)行，同時(shí)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(jī)以實(shí)現(xiàn)圖像、位置的實(shí)時(shí)檢測。圖 系統(tǒng)位置信息檢測及電機(jī)運(yùn)行控制的具體實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真詳盡的設(shè)計(jì)，并介紹了其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的工作原理，對各主要零機(jī)械部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算。同時(shí)還對控制系統(tǒng)的組成以及上位控制模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了選擇，確定步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(dá)到100mm，%。35第五章 誤差精度分析本文所設(shè)計(jì)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(huì)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(jìn)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(jìn)行了精確分析，并進(jìn)一步計(jì)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(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)。本文所設(shè)計(jì)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(jī)誤差。 在相同條件的情況下，對目標(biāo)進(jìn)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(huì)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(gè)函數(shù)表示或者是個(gè)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(jìn)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(jìn)一步的誤差分析。 隨機(jī)誤差是指在相同的測量條件下，多次對同一目標(biāo)進(jìn)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(jìn)行整理分析，可以從中得知這些數(shù)據(jù)符合統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jī)誤差產(chǎn)生的因素有很多，所以必須對隨機(jī)誤差的影響重點(diǎn)討論。盡管隨機(jī)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(jī)誤差的規(guī)律性一般為正態(tài)分布。隨機(jī)產(chǎn)生的誤差的正態(tài)分布如圖 所示。圖 隨機(jī)誤差分布圖 由于儀器的測量條件是固定的，其隨機(jī)誤差的產(chǎn)生也有一個(gè)限值，一般情況下36都不會(huì)超過此值，這個(gè)值也就是最大誤差。通常情況下，隨機(jī)誤差都是以兩倍或三倍的均方值誤差作為其允許值。 機(jī)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(jì)、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(gè)分系統(tǒng)所組成，同時(shí)每個(gè)分系統(tǒng)又由多個(gè)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(jī)械傳動(dòng)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(dá)到設(shè)計(jì)理論值，或者結(jié)構(gòu)本身存在缺陷，就必然會(huì)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(dòng)機(jī)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(gè)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(jī)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(gè)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(dòng)誤差的影響該測試儀器的傳動(dòng)裝置主要包括齒輪傳動(dòng)和螺旋副傳動(dòng)。在齒輪傳動(dòng)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(dòng)的誤差，基本可以忽略。在螺旋副傳動(dòng)方面，螺旋副的傳動(dòng)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(dòng)中，主要是依靠頂絲與凸輪筒螺旋副進(jìn)行傳動(dòng)，這樣基本就不存在螺距誤差和半角誤差，同時(shí)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(shí)際制造過程中，螺旋副必然會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)程誤差，本課題所設(shè)計(jì)的螺旋副螺距為 2mm，步距角為 ，分?jǐn)?shù)為 20，則37 ????（）==，即傳動(dòng)誤差為 =。?此外，本文所選用的步進(jìn)電機(jī)、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(bǔ)償，因此，該項(xiàng)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(shí)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(jì)的系統(tǒng)中，當(dāng)平行平板位于被放入系統(tǒng)的會(huì)聚光路中時(shí)，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(huì)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(shí)方向改變，光線的偏轉(zhuǎn)將導(dǎo)致像點(diǎn)位移，一般來講，裝校時(shí)通過調(diào)整可把像點(diǎn)位移控制在公差范圍內(nèi)，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(xiàng)誤差的詳細(xì)分析和計(jì)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(jì)要求，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)期望。 本章小結(jié)本章首先通過對各項(xiàng)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(jì)算。同時(shí)對各個(gè)誤差進(jìn)行了認(rèn)真的分析計(jì)算得到具體結(jié)果，繼而對各個(gè)誤差合成并計(jì)算得到最后的誤差結(jié)果。通過對比可以明確所設(shè)計(jì)儀器的精度達(dá)到，能夠滿足該儀器的具體要求，達(dá)到最初的設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)裝置和方法，實(shí)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(dòng)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(shí)用性。本文所設(shè)計(jì)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(jī)械系統(tǒng)、位移傳感系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)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(xiàn)，并進(jìn)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(jì)：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(dá) 以上。根據(jù)本儀器的特點(diǎn)，