光电仪器设计ppt课件

国内仪器仪表发展趋势
➢ 标准化、系列化 ➢ 高智能化 ➢ 高精度、高可靠性 ➢ 高效率
以温度计为例
主要技术参数和特点： *测温范围：32℃----42℃ *测量温度低于32℃时，显示L℃ *测量温度高于42℃时，显示H℃ *显示分辨率：0.1℃ *显示方式：液晶显示（三位半） *功 耗：工作状态下为0.15毫瓦 *电池：AG3型1.5V普通纽扣电池 *蜂鸣提示：测量结束后发出蜂鸣提示声
我国仪器仪表产品与国外的主要差距
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，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 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 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。
微镜 4--瞄准显微镜 5--被测工件
数据加工 和处理
示值 校正值
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：
1．基准部件（基准器或标准器）
2．感受转换部件 感受被接测触量式，拾取原始信号 非接触式
3．转换放大部件
z2
将感受转换2 来的微小z1 信 号，通过各种 原理（如光3 、z3机z4 、电、3 气）进行进一 步的转换和放大a
总投资的40％。
仪器仪表学科在自然科学与国民经济的 发展中具有十分重要的地位与作用
✓ 仪器仪表发展至今已成为一门独立 的学科
✓ 光电仪器则是仪器仪表学科的一个 重要分支,它是传统的与现代的光 学机械技术与电子技术计算机技术 的集成。
➢ 光电仪器的发展水平是科学技 术现代化的重要标志。
研究对象
基于光学原理、采用光电转换 技术的各类光电精密仪器。
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示值重复性
示值重复性是指在外界条件不变的情况下， 对同一量重复测量时仪器示值的最大变化范 围。重复测量次数一般为10～15次，变动 范围一般允许为分度值的1/3～1/5。
示值误差
示值误差是指仪器示值与被测量的真值 之差。
滞差（回程误差）
y
产生滞差的原因:
➢ 仪器内的间隙、摩擦、死区
➢ 机械材料和电气材料与器件的 滞后特性（如弹性元件或磁性 元件的滞后特性）的缘故。 o
x 图1-7 滞差
滞差
灵敏阈（灵敏限、门限）
能引起仪器示值可见变化所需的最小输入量。 这一项表示仪器感受微小量的敏感程度。小于 这个量的变化，仪器就反映不出来了。在数显 仪器中常称之为分辨率。
漂移
当输人信号不变时，由于仪器内部温 度变化或元器件不稳定所引起的输出信号 的变化就是漂移。
测量力
或刻度因子
A B
y
o x
示 值 范 围
线 性 度
二、仪器的静态特性指标
分度值及分辨力
➢ 分度值是仪器最小分度所代表的被测量的值。 它是一台仪器可能读出的最小读数值（不包括 估读值）。
➢ 分度值对于如数字式仪器来说，将仪器所能测 得的被测量的最小增量称为分辨力。
➢ 分度值有别于分划间隔。分划间隔是指刻尺或 度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。
光电仪器设计
第一节 概述
仪器是传递和转换信息的工 具，它是各类仪器仪表、传感器 及观察、监控、测试、分析设备 的总称。
仪器ห้องสมุดไป่ตู้表在当代社会的重要作用
在国民经济运行中，仪器仪表是“倍增器”， 对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。 在科学研究中，仪器仪表是“先行官”。 在军事上，仪器仪表是“战斗力”。
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。 s=Δy／Δx
✓ 当输入与输出为同一量纲时可用放大比来代替灵 敏度。
✓ 当灵敏度为定值时，仪器系统为线性的。
测量范围及示值范围
测量范围是指在允许误差极限内仪器所能测 出的最大被测量与最小被测量之间的范围。
示值范围是指仪器所显示或指示的最低值到 最高值的范围。
s 1
r01 1
机械测微仪各运动副作用线示意图
4．显示部件
5．处理与计算装置
6．瞄准部件
7．机械结构部件
第三节 光电仪器的静态特性
对于仪器系统来说，当被测量x不 随时间变化，即dx／dt=0，或作 缓慢变化时，可按静态测量处理， 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
当输入信号为定值或变化十分缓慢时，仪器系统 的输出信号特性称为静态特性。静态测量中仪器 系统输入和输出之间的关系一般可用下式表示： y=（a0＋a1x＋a2x2＋a3x3＋…＋anxn）x 式中x、y——分别为输人和输出信号； a0、a1、a2、a3、…、an——标定系数
本课程的目的与要求
掌握机、光、电技术结合的仪器总体 设计有关基础理论知识。
初步掌握仪器总体设计和系统设计的 方法。
初步具有正确的估算和分析仪器精度 的能力。
第二节 精密仪器的设计 特点与组成
被测量 标准量
感受转换
转换放大
3
4
瞄准2
1
5 比较
绝对法测量
感受转换1--定位部件转2换--线 放纹 大尺 3--读数显
我国仪器仪表产品与国外的主要差距
品种系列不全，成套水平低：世界上仪器仪表大约有25000 种，而我国机械部所属的只有12000多种。
技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低1—2个等 级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为1.8万多 小时，而国产单机则为2千小时，国外现场工作仪表平均无故 障率时间普遍达到10—30万小时，而国产仪表一般只有5千 小时。国内外工业仪表的相对故障率大体为9：1。
现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”。 仪器仪表在实验教学、气象预报、大地测绘、诊治疾 病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广 泛应用， 遍布“农轻重、海陆空、吃穿用”。
仪器对于生产、生活、高精尖技术的意义
美国“阿波罗”登月计划
总投资200亿美元 用于测量和试验的费用达100～110亿美元，占
我国仪器仪表产品与国外的主要差距
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18％，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。
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1—2年，少则半年或几个月。元器件每 年更新20—30％，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，新技术采用慢，产品更新周期一 般为3—4年，少则也需要两年。
测量过程中发生在仪器测头和被测工件表 间的接触力。这项指标针对接触测量而言。
仪器误差和测量误差
✓ 仪器误差指仪器本身固误差。这项误差通常可 以通过理论计算或实际测量得到。
✓ 测量误差是指测量结果和被测量值间的差异， 它包括仪器误差、测量方法误差、使用不当来 的误差，以及外界环境条件偏离标准状态和测 量人员主观因素等原因所造成的误差。
研究方法
从整体上分析问题 综合应用有关技术 以点带面、举一反三 理论联系实际
仪器仪表技术的特点
仪器技术是信息技术 仪器技术是信息技术中的源头技术 仪器技术是现代科技的前沿技术 现代仪器仪表发展的关键技术 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。
我国光电仪器发展状况
目前我国仪器仪表产品的综合水 平，大体上相当于国际80年代中 期的水平，其中属90年代水平的 约占20％～30%。