【正文】 光能，提高光學(xué)系統(tǒng)的使用性，應(yīng)該使物鏡中的透鏡片數(shù)盡可能較少，這樣可以增大光學(xué)系統(tǒng)的透過率，從而減小對(duì)物光的吸收，同時(shí)也減少了系統(tǒng)本身的重量。（3）視場根據(jù)所選用的 CCD 像高為 6mm，成像要求初定物鏡的有效焦距為 45mm，可知視場角 2 。視場中的物體尤為敏感，所以在該范圍內(nèi)畸變值應(yīng)不超過 3%，系統(tǒng)應(yīng)滿足此要求。綜上所述，成像光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：1) 視場角： o82??192) 相對(duì)孔徑： 4/1/39。f4) 最大像面尺寸：5) 最小半像高：3mm6) 光學(xué)后截距：≥30mm7) 系統(tǒng)焦距：45mm8) 畸變：像面邊緣 ＜8%；20176。本系統(tǒng)采用的玻璃為 F2 和 SK6，這兩種玻璃材料，具有高折射率，低色散度等特性，簡化了光學(xué)鏡頭，能夠有效的消除球差、色差，提高成像質(zhì)量，且都能夠滿足使用要求。從圖中我們能夠看出，100lp/mm時(shí)，MTF 基本上均接近于衍射極限，符合系統(tǒng)使用要求。在點(diǎn)列圖中可以看到所有視場的彌散斑半徑均能在 以內(nèi)，大部分均在艾里斑的范圍內(nèi)，完全達(dá)到了 CCD 像元大小的要求。視場處，畸變小于 3%；在像場邊緣處，畸變約小于 8%，因此滿足設(shè)計(jì)要求。 平行平板本文所設(shè)計(jì)的折射率測量系統(tǒng)需將待測材料加工成光學(xué)平行平板，它是由兩個(gè)相互平行的折射平面構(gòu)成的光學(xué)元件，平行平板用于會(huì)聚光路中時(shí)，其主要目的是作為檢測時(shí)用的測微元件，由公式（）和誤差理論中的方差傳遞公式，可得： 239。)()( ldn ln????????（）上式子中， 是光學(xué)平板被測件 10 加入到物點(diǎn) A 與成像光學(xué)系統(tǒng) 2 主面 H 之39。對(duì)公式d（）求偏導(dǎo)后可求得傳遞系數(shù)分別為：23 2)39。(39。ln??39。l法測量較厚的平板會(huì)得到較高的精度。所以我們將被測件加工成標(biāo)準(zhǔn)的平行平板，即加工件 d 的厚度選用為10mm。該光學(xué)系統(tǒng)采用三片式攝像物鏡系統(tǒng)，使其能夠滿足該測量儀器的使用要求，并使儀器小型化、輕量化，同時(shí)還大大的降低了制造的成本。本文設(shè)計(jì)的物鏡系統(tǒng)的主要參數(shù)為：有效焦距 為 45mm，F(xiàn) 數(shù)為 4，全視場角為f8 ，均采用常見的光學(xué)玻璃 F2 和 SK6，經(jīng)過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 優(yōu)化后，對(duì)光學(xué)?系統(tǒng)的像差進(jìn)行分析，并評(píng)價(jià)了成像質(zhì)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且選用了 1/3 inch CCD 作為圖像接受器件，像元尺寸為 ，CCD 的分辨率較高，滿足了系統(tǒng)的分辨率要求。如圖 所示為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由電機(jī)、凸輪筒、鏡筒 A、 、鏡筒 B 以及位移傳感器組成。電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)小齒輪 7 傳動(dòng)凸輪筒 1 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大齒輪內(nèi)部開有螺紋槽，迫使凸輪筒沿著螺紋槽做直線運(yùn)動(dòng)，從而使鏡筒 B 做同步直線運(yùn)動(dòng)。通過控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就能夠控制大、小齒輪的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而控制整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)沿著大齒輪螺旋槽的前進(jìn)或者后退，并取得精確測量結(jié)果。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各零部件的設(shè)計(jì)（1）凸輪筒凸輪筒如圖 所示，其主要用于安裝并傳動(dòng)成像光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)上位指令對(duì)成像光學(xué)系統(tǒng)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體三維結(jié)構(gòu)如圖所示，其主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)為：外部齒輪模數(shù) m為 5mm，齒數(shù)為 52，嚙合角為 20176。 圖 凸輪筒的三維機(jī)構(gòu)圖 （2）鏡筒 圖 鏡筒三維半剖圖26如圖 和圖 所示為鏡筒三維半剖結(jié)構(gòu)圖和全剖圖，鏡筒內(nèi)部設(shè)計(jì)有用于安裝各位鏡片的結(jié)構(gòu)槽三個(gè)，同時(shí)各個(gè)結(jié)構(gòu)槽相鄰?fù)獠吭O(shè)計(jì)有不同直徑的外圓，能夠與各相應(yīng)壓圈及隔圈配合安裝，以使各鏡片定位準(zhǔn)確，聯(lián)接可靠。圖 鏡筒全剖圖 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 上位控制模塊在本文中，要完成兩條運(yùn)動(dòng)鏈的控制，其一是負(fù)責(zé)整個(gè)測量系統(tǒng)的傳動(dòng)，其二是負(fù)責(zé)位移傳感器信號(hào)的檢測。此運(yùn)動(dòng)控制卡由底層軟件和硬件集成所成，底層軟件主要是用來執(zhí)行控制的功能。在測試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測過程中，運(yùn)動(dòng)控制卡主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制，而管理計(jì)算機(jī)主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)交互界面的管理以及用來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)等，27其工作原理如圖 所示，兩者合理的分工能夠使整個(gè)測量系統(tǒng)在運(yùn)行過程中有條不紊，各盡所能，把各個(gè)部分的功能充分發(fā)揮，最終實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)的高精準(zhǔn)控制和快速響應(yīng)?？紤]到整體的測量系統(tǒng)，本文在設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)控制卡的型號(hào)確定為 DMC1280 型 3 軸運(yùn)動(dòng)控制卡（如圖 所示） 。 DMC1280 經(jīng)濟(jì)型3軸運(yùn)動(dòng)控制卡28 步進(jìn)電機(jī) 110BYG250A 步進(jìn)電機(jī)電機(jī)根據(jù)實(shí)際用途的不同主要可以分為驅(qū)動(dòng)用和控制用兩種電機(jī)，其中控制用電機(jī)又具體分為伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)作為一種特殊的開環(huán)控制電機(jī)，可以將上位控制系統(tǒng)發(fā)出的電脈沖信號(hào)輸出并通過驅(qū)動(dòng)器將其轉(zhuǎn)化成為角位移或者線位移。正是由于這種工作原理，使步進(jìn)電機(jī)僅能產(chǎn)生周期性的誤差而不產(chǎn)生其他累積誤差，具有起停、反轉(zhuǎn)響應(yīng)快速可靠等特性。步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)主要采用開環(huán)控制，只需數(shù)字輸入脈沖即可確定，所以步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單，成本較低。結(jié)合本課題所研究測試系統(tǒng)的具體情況，對(duì)步進(jìn)電機(jī)并無非常大的精度要求，綜合考慮實(shí)際需求和電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求，本文選用 110BYG250A 型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，它能夠保證對(duì)電機(jī)的速度和位置的精確控制。110BYG250A 步進(jìn)電機(jī)外形接線圖如圖 所示：圖 110BYG250A 步進(jìn)電機(jī)外形接線圖29110BYG250A 步進(jìn)電機(jī)具體的性能參數(shù)由表 41 所示：表41 110BYG250A 步進(jìn)電機(jī)性能參數(shù)項(xiàng)目名稱 性能參數(shù)步距角（DEG.） 176。電壓（V） 220電流（A） 4靜轉(zhuǎn)矩（） 空載運(yùn)行頻率(KHZ) ≥20轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ 2） 15 DC280A 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖 DC280A 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要任務(wù)是將上位機(jī)控制系統(tǒng)輸出的脈沖電信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成為步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的角位移?；谶@樣的原理，對(duì)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)頻率進(jìn)行合理控制，就能夠精確調(diào)整電機(jī)調(diào)速對(duì)步進(jìn)電機(jī)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行合理控制，就能夠?qū)﹄姍C(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部具有釋放電流流通的回路，其不但可以大大降低電機(jī)繞組兩端的反電動(dòng)勢并對(duì)電流加快衰減，同時(shí)相應(yīng)的功率和效率也得到提高。本文選定的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如圖 所示，30其型號(hào)為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，與型號(hào)為 110BYG250A 步進(jìn)電機(jī)結(jié)合使用，DC280A 為兩相混合式驅(qū)動(dòng)器，交流電源輸入為 220V，其采用單脈沖控制方式，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部已接入限流電阻 1 ，對(duì)應(yīng)+5V 電平。驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部信號(hào)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示：圖 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部信號(hào)結(jié)構(gòu) 位移檢測系統(tǒng)研究 位移傳感器的基本原理位移傳感器可以將位移量轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)，并通過對(duì)這些電量的檢測獲得位移量的測試結(jié)果，通常又被稱為線性傳感器。圖 莫爾條紋形成原理圖31 計(jì)量光柵是通過光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移的。兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋間距，用 表示。利用光柵的莫爾條紋對(duì)位移進(jìn)行檢測共需要主光柵和指示光柵兩塊光柵，主光柵的大小通常與測量范圍一致，指示光柵則比較小。當(dāng)外部位移發(fā)生變化時(shí)，主光柵和指示光柵也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)。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(duì)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。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。因?yàn)獒槍?duì)同一個(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。　根據(jù)上述信息完成對(duì)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)。這主要是因?yàn)楦哽`敏度的傳感器會(huì)使相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值越大，這樣就更有利于處理信號(hào)。所以，為了盡量消除外界引入的無關(guān)干擾信號(hào)，通常要求傳感器具有相對(duì)較高的信噪比。這就要求傳感器在其頻率范圍內(nèi)能夠保持不失真。所以傳感器越高的頻率響應(yīng)，就會(huì)有越寬的信號(hào)頻率范圍。(4) 線性范圍　傳感器的線形范圍通常定義為測量信號(hào)輸出和輸入的比例范圍。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。對(duì)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。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。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(jí)能滿足測試要求的傳感器。本文所選用的傳感器的型號(hào)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。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(jí)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(duì)位移和精確位置。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(duì)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。同時(shí)還對(duì)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(duì)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(hào)分別為110BYG250A 和 DC280A。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。因此必須對(duì)產(chǎn)生誤差的原因及誤差對(duì)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。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)。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。 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。盡管隨機(jī)誤差沒有規(guī)律性，但是依然可以通過對(duì)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。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。 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。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。比如透鏡定位的誤差及其本身的偏心，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)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。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。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。故裝配誤差mm。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。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 =。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(duì)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(duì)我們的裝調(diào)人員也要求更高。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。239。(39。?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。=?015.)(2??該折射率測量系統(tǒng)的精度要求為 ，也就是滿量程的 %。 本章小結(jié)本章首先通過對(duì)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。通過對(duì)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。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。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。根據(jù)本儀器的特