光電儀器設(shè)計.ppt

1、光電儀器設(shè)計,第一章 緒論,第一節(jié) 概述,儀器是傳遞和轉(zhuǎn)換信息的工具，它是各類儀器儀表、傳感器及觀察、監(jiān)控、測試、分析設(shè)備的總稱。,儀器儀表在當(dāng)代社會的重要作用,在科學(xué)研究中，儀器儀表是“先行官”。,在軍事上，儀器儀表是“戰(zhàn)斗力”。,現(xiàn)代儀器儀表還是當(dāng)今社會的“物化法官”。,在國民經(jīng)濟運行中，儀器儀表是“倍增器”，對國民經(jīng)濟有著巨大的輻射作用和影響力。,儀器儀表在實驗教學(xué)、氣象預(yù)報、大地測繪、診治疾病、指揮交通、探測災(zāi)情等社會生活許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用， 遍布“農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用”。,美國“阿波羅”登月計劃,總投資200億美元,用于測量和試驗的費用達100110億美元，占總投資的40。,儀器

2、儀表學(xué)科在自然科學(xué)與國民經(jīng)濟的發(fā)展中具有十分重要的地位與作用,儀器對于生產(chǎn)、生活、高精尖技術(shù)的意義,儀器儀表發(fā)展至今已成為一門獨立的學(xué)科 光電儀器則是儀器儀表學(xué)科的一個重要分支,它是傳統(tǒng)的與現(xiàn)代的光學(xué)機械技術(shù)與電子技術(shù)計算機技術(shù)的集成。,光電儀器的發(fā)展水平是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。,研究對象,基于光學(xué)原理、采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的各類光電精密儀器。,研究方法,綜合應(yīng)用有關(guān)技術(shù),以點帶面、舉一反三,理論聯(lián)系實際,從整體上分析問題,儀器儀表技術(shù)的特點,儀器技術(shù)是信息技術(shù)中的源頭技術(shù),儀器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù),現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),儀器技術(shù)是信息技術(shù),傳感技術(shù)；系統(tǒng)集成技術(shù)；智能控制技術(shù)；人機

3、界面技術(shù)；可靠性技術(shù)。,我國光電儀器發(fā)展?fàn)顩r,目前我國儀器儀表產(chǎn)品的綜合水平，大體上相當(dāng)于國際80年代中期的水平，其中屬90年代水平的約占2030%。,我國儀器儀表產(chǎn)品與國外的主要差距,技術(shù)性能低、質(zhì)量差：在精度上較國際水平約低12個等級，如工業(yè)控制計算機，單機平均無故障時間國外為1.8萬多小時，而國產(chǎn)單機則為2千小時，國外現(xiàn)場工作儀表平均無故障率時間普遍達到1030萬小時，而國產(chǎn)儀表一般只有5千小時。國內(nèi)外工業(yè)儀表的相對故障率大體為9：1。,品種系列不全，成套水平低：世界上儀器儀表大約有25000種，而我國機械部所屬的只有12000多種。,我國儀器儀表產(chǎn)品與國外的主要差距,新技術(shù)采用緩慢，產(chǎn)

4、品更新?lián)Q代周期長：國外一些廠家產(chǎn)品的開發(fā)周期一般為12年，少則半年或幾個月。元器件每年更新2030，基本上可以保證儀器儀表整機更新?lián)Q代的需要。我國的儀器儀表企業(yè)，新技術(shù)采用慢，產(chǎn)品更新周期一般為34年，少則也需要兩年。,標(biāo)準(zhǔn)化程度低：在我國的儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)中，國際標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋率只占18，絕大多數(shù)產(chǎn)品沒有可靠性指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化工作仍舊存在許多問題。,我國儀器儀表產(chǎn)品與國外的主要差距,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)落后、功能少、智能化程度低：國際上已由單元組合式向功能組件組裝式發(fā)展，而國內(nèi)多為單元組合式。國外已把微處理器作為儀器儀表的組成部件，而國內(nèi)則處于初步應(yīng)用階段。國內(nèi)儀器多為單點，單參數(shù)、靜態(tài)測量，而國際

5、上已向多點、多參數(shù)、自動測量發(fā)展，由靜態(tài)測量為主向靜動態(tài)結(jié)合方向發(fā)展，由接觸式向非接觸式測量發(fā)展。其它在儀器儀表材料、工藝、元器件等方面也都存在不少的差距。,國內(nèi)儀器儀表發(fā)展趨勢,標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,高效率,高智能化,高精度、高可靠性,以溫度計為例,主要技術(shù)參數(shù)和特點：*測溫范圍：32-42*測量溫度低于32時，顯示L*測量溫度高于42時，顯示H*顯示分辨率：0.1*顯示方式：液晶顯示（三位半）*功 耗：工作狀態(tài)下為0.15毫瓦*電池：AG3型1.5V普通紐扣電池*蜂鳴提示：測量結(jié)束后發(fā)出蜂鳴提示聲,本課程的目的與要求,掌握機、光、電技術(shù)結(jié)合的儀器總體設(shè)計有關(guān)基礎(chǔ)理論知識。 初步掌握儀器總體設(shè)計和

6、系統(tǒng)設(shè)計的方法。 初步具有正確的估算和分析儀器精度的能力。,第二節(jié) 精密儀器的設(shè)計特點與組成,根據(jù)儀器中各部件的功能，可將儀器分為以下幾個基本組成部分：,1基準(zhǔn)部件（基準(zhǔn)器或標(biāo)準(zhǔn)器）,2感受轉(zhuǎn)換部件,接觸式,非接觸式,感受被測量，拾取原始信號,3轉(zhuǎn)換放大部件,將感受轉(zhuǎn)換來的微小信號，通過各種原理（如光、機、電、氣）進行進一步的轉(zhuǎn)換和放大,4顯示部件,5處理與計算裝置,6瞄準(zhǔn)部件,7機械結(jié)構(gòu)部件,第三節(jié) 光電儀器的靜態(tài)特性,對于儀器系統(tǒng)來說，當(dāng)被測量x不隨時間變化，即dxdt=0，或作緩慢變化時，可按靜態(tài)測量處理，應(yīng)著重討論它的靜態(tài)特性。,一、靜態(tài)測量中輸入和輸出的關(guān)系,當(dāng)輸入信號為定值或變化十

7、分緩慢時，儀器系統(tǒng)的輸出信號特性稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)測量中儀器系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系一般可用下式表示： y=（a0a1xa2x2a3x3anxn）x 式中x、y分別為輸人和輸出信號； a0、a1、a2、a3、an標(biāo)定系數(shù) 或刻度因子,二、儀器的靜態(tài)特性指標(biāo),分度值及分辨力 分度值是儀器最小分度所代表的被測量的值。它是一臺儀器可能讀出的最小讀數(shù)值（不包括估讀值）。 分度值對于如數(shù)字式儀器來說，將儀器所能測得的被測量的最小增量稱為分辨力。 分度值有別于分劃間隔。分劃間隔是指刻尺或度盤上相鄰兩刻線所代表的量值之差。,靈敏度及放大比 靈敏度是指儀器對被測量變化的反應(yīng)能力。 s=yx 當(dāng)輸入與輸出為同一

8、量綱時可用放大比來代替靈敏度。 當(dāng)靈敏度為定值時，儀器系統(tǒng)為線性的。,測量范圍及示值范圍 測量范圍是指在允許誤差極限內(nèi)儀器所能測出的最大被測量與最小被測量之間的范圍。 示值范圍是指儀器所顯示或指示的最低值到最高值的范圍。,示值重復(fù)性 示值重復(fù)性是指在外界條件不變的情況下，對同一量重復(fù)測量時儀器示值的最大變化范圍。重復(fù)測量次數(shù)一般為1015次，變動范圍一般允許為分度值的1/31/5。,示值誤差 示值誤差是指儀器示值與被測量的真值之差。,滯差（回程誤差） 產(chǎn)生滯差的原因: 儀器內(nèi)的間隙、摩擦、死區(qū) 機械材料和電氣材料與器件的滯后特性（如彈性元件或磁性元件的滯后特性）的緣故。,靈敏閾（靈敏限、門限） 能引起儀器示值可見變化所需的最小輸入量。這一項表示儀器感受微小量的敏感程度。小于這個量的變化，儀器就反映不出來了。在數(shù)顯儀器中常稱之為分辨率。,漂移 當(dāng)輸人信號不變時，由于儀器內(nèi)部溫度變化或元器件不穩(wěn)定所引起的輸出信號的變化就是漂移。,測量力 測量過程中發(fā)生在儀器測頭和被測工件表間的接觸力。這項指標(biāo)