测控仪器设计专题 - 图文(3)

理、平均读数原理外，还应遵守测控仪器中光电系统设计的共光路原则、等光强原则、匹配原则及干扰光最少原则。

■ 一种实际应用的激光干涉测长仪的简化光路设置如图6-55所示。由He-Ne激光器1发出的光经由透镜2、小孔光阑3、透镜4组成的准直光学系统使激光束的截面扩大，并压缩光束的发散角。准直光学系统由一倒置的望远系统组成，其小孔光阑3位于透镜2、4的焦点处，形成一种空间滤波器用于减小光源中的杂散光影响。从准直光学系统出来的光经反射镜5后光路转折到达分光镜9，分光镜9将入射光分为两部分，一部分透射射向角锥反射棱镜10形成参考光束，另一部分反射射向角锥反射棱镜8形成测量光束；其中角锥棱镜10固定不动，作为干涉仪的参考臂；而角锥棱镜8则作为干涉仪的测量臂，随着被测位移的变化而移动。经参考臂上的棱镜10反射的参考光束与经测量臂上的棱镜8反射的测量光束再经分光镜9合成后分为两路干涉信号，一路由透镜11聚集和光阑12滤除杂散光后由光电检测器13接收；另一路则经反射棱镜6反射转折后经透镜14和光阑15后由光电检测器16接收。图中测量光束的光学元件7称之为位相反，它的作用是使通过它的部分光束产生附加的位相移动，以使由光电检测器13和16所接收到的干涉信号在相位上的相差π／2。利用这组信号间的关系，经电路处理后就可以实现对测量臂位移方向的辨别，在计数器上进行加减可逆计数。下面进行较为详细的分析。

图6-55 一种激光干涉测长仪的简化光路

题型选编

一、填空 选择题

1．测控仪器：是利用测量与控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。

2、从计量测试角度可将仪器分为计量测试仪器、计算仪器、控制仪器及控制装置。 3．计量测试仪器的主要测量对象是8大物理量，它们是：

(1)几何量计量仪器 (2)热工量计量仪器 (3)机械量计量仪器 (4)时间频率计量仪器 (5)电磁计量仪器 (6)无线电参数测量仪器 (7)光学与声学参数测量仪器 (8)电离辐射计量仪器

4．按功能将仪器分成以下几个组成部分：

（1）．基准部件（2）传感器与感受转换部件（3）放大部件（4）瞄准部件 （5）信息处理与运算装置（6）显示部件（7）驱动控制部件(8)机械结构部件

5、绝对误差的定义是 被测量测得值x与其真值x0(或相对真值)之差称其表达式为 6．相对误差 的定义为： 绝对误差与被测量真值的比值 ，可以表示为有两种表示方法：

(1)引用误差 它指绝对误差的最大值与仪器示值范围的比值。 (2)额定相对误差 它指示值绝对误差与示值的比值。

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相对误差

7．电路与软件系统的主要作用主要是对传感器的输出信号进行采集和处理，按照测控系统的功能与要求进行相应的运算并将测量结果进行显示，或者输出控制信号，使得执行机构执行相应的动作。

8．在采用信号调制的情况下，载波频率比信号频率至少还要高一个数量级。

9. 对于测量电路和控制电路而言，响应速度主要是指电子电路对输入信号的阶跃响应特性和相位频率特性。

10．光电系统是测控仪器的重要组成部分，它具有许多重要的特点，主要有 (1)．精度高 (2)非接触测量 (3) 测量范围大 (4)信息处理能力强

11、 模拟光电系统。如果光载波是直流或者是连续的光通量，将被测信息加载到这类光载波上，然后进

行传输或变换，则是模拟光电系统。如果光载波是脉冲量，而将被测信息加载到脉冲光载波的辐度、频率、脉宽或相位之中，则得到脉冲调幅、调频或调宽波，然后对脉冲调制光波进行传输或变换称为数字式光电系统。

12、 不论是用相干光源还是非相干光源来携带光信息，而检测器件只直接检测光强度，这种光电系统称为

直接检测系统。如果采用相干光源利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，光电检测不是直接检测光强而是检测干涉条纹的振幅、频率或相位则称为相干检测系统。

二、 选择填空

1．选择以下传感器填入空内

(2)合理选择推力支承位置 为使主轴系统有足够的轴向精度，推力支承位置的选择很重要。图4-58所

示4种方式中选择最佳方式，并简述理由。

（2） 主轴和轴承结构设计应合理，装配、调试及更换要方便。选择下图中合理的方案，并简要说明理由。图4-59 带轴肩的主轴结构

3．写出下列机构的名称，然后画出机构设计简图，写出其传动特性及传动比

a) b)

2、在杠杆齿轮式机械测微仪中原理图(见图a)，其结构尺寸如图b)，最大转角φ0=0.1π，通过调整杠杆臂长a,使得φ=0.874φ0，求调整后的最大原理误差及臂长a’.

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a) b)

答：被测值而仪器的度盘刻度时，由于工艺的原因采用线性刻度，即将 式中。为测杆部分杠杆臂长，φ为由被测值s引起的杠杆转角。由此产生的原理误差由于仪器的示值范围其对应的杠杆摆角也已经确定，这时可以通过调整杠杆臂长来减小△s，即将a调整为a＇。

3

最大原理误差为=5×（0.1π）/24=0.013mm 3、举例说明以下4种典型光谱功率谱分布

答： 光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长λ有关，称为光谱的功率分布。常见的有4种典型的分布，如图6—6所示。

典型光源功率谱分布 a)线状光谱 b)带状光谱 c)连续光谱 d)复合光谱

图a为线状光谱，如低压汞灯光谱；图b为带状光谱，如高压汞灯光谱；图c为连续光谱，如白炽灯、卤素灯光谱；图d为复合光谱，它由连续光谱与线状、带状光谱组合而成，如荧光灯光谱。

四、设计、画图、说明

1、写出下列机构的名称，然后画出机构设计简图，写出其传动特性及传动比（每小题1分 共12分）

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a) b)

答：

a) 正弦机构设计简图 b)正切机构设计简图

a)正弦机构的传动特性 若推杆为主动件时，正弦机构的传动比为

b)正切机构的传动特性的传动特性为

当推杆为主动件时，正切机构的传动比为

2、 爱彭斯坦光学补偿方法是一种用结构布局来补偿阿贝误差的方法，被应用于高精度测长机的读数系统中。图3-4a为测长机工作原理图。试画出b)光学补偿原理图，并简要说明之。

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图3-4 爱彭斯坦光学补偿方法 ：测长机工作原理图

答：补偿原理图

a)测长机工作原理图 b)光学补偿原理图

现假设由于导轨直线度的影响，测量时使尾座产生了倾角θ，而产生了阿贝误差。图b说明了其光学补偿原理。如图所示，由于倾角。的影响，在测量线方向上测端将向左挪动

直，如无补偿措施，则此值即为阿贝误差。但这时与尾座连为一体的M2、N2也随之

倾角θ角，这样，新的双刻线指标点在刻尺面上也有一挪动量

点，即s2点相对于s1

这时，由于头座要向左移动△L来压紧工件，而使0’点

则

于是，由尾座倾斜

的像也同时向左移动△L再次与s1点瞄准。若选择参数使

而带来的阿贝误差，在读数时自动消失了，即达到了补偿的目的。这种补偿原理被称为爱彭斯坦光学补偿原理，是通过结构布局随机补偿阿贝误差的方法。

3、导轨运动的不平稳现象，主要出现在 ，主要表现为“爬行” 导轨运动的不平稳现象，主要出现在其低速运动时， “爬行”是一个复杂的现象，其主要原因有：

①导轨间的静、动摩擦系数差值较大；②动摩擦系数随速度变化；③系统刚度差。

4、导轨设计时应遵守运动学原理是把动导轨视为有确定运动的刚体，设计是不允许有多余的自由度和多余的约束，即只保留确定运动方向的自由度。

三、分析与计算

1． 例2-9 已知被检凸轮轴凸轮升程公差为±0．05mm，设计一台检测状况为A级的凸轮轴凸轮检验仪，试确定它的不确定度。(参考检测能力指数Mcp表)

例2-10 设计一台用于港口计量进出口散装粮食的轨道衡，要求其测量状况为A级，确定该轨道衡的精度。（根据国际惯例，港口散装粮食计量误差范围为±0．4％，参考检测能力指数Mcp表）

检测能力指数Mcp表

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