光電儀器設計.ppt

1、光電儀器設計,第一章 緒論,第一節(jié) 概述,儀器是傳遞和轉換信息的工具，它是各類儀器儀表、傳感器及觀察、監(jiān)控、測試、分析設備的總稱。,儀器儀表在當代社會的重要作用,在科學研究中，儀器儀表是“先行官”。,在軍事上，儀器儀表是“戰(zhàn)斗力”。,現(xiàn)代儀器儀表還是當今社會的“物化法官”。,在國民經濟運行中，儀器儀表是“倍增器”，對國民經濟有著巨大的輻射作用和影響力。,儀器儀表在實驗教學、氣象預報、大地測繪、診治疾病、指揮交通、探測災情等社會生活許多領域都有廣泛應用， 遍布“農輕重、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、儀表學科在自然科學與國民經濟的發(fā)展中具有十分重要的地位與作用,儀器對于生產、生活、高精尖技術的意義,儀器儀表發(fā)展至今已成為一門獨立的學科 光電儀器則是儀器儀表學科的一個重要分支,它是傳統(tǒng)的與現(xiàn)代的光學機械技術與電子技術計算機技術的集成。,光電儀器的發(fā)展水平是科學技術現(xiàn)代化的重要標志。,研究對象,基于光學原理、采用光電轉換技術的各類光電精密儀器。,研究方法,綜合應用有關技術,以點帶面、舉一反三,理論聯(lián)系實際,從整體上分析問題,儀器儀表技術的特點,儀器技術是信息技術中的源頭技術,儀器技術是現(xiàn)代科技的前沿技術,現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的關鍵技術,儀器技術是信息技術,傳感技術；系統(tǒng)集成技術；智能控制技術；人機

3、界面技術；可靠性技術。,我國光電儀器發(fā)展狀況,目前我國儀器儀表產品的綜合水平，大體上相當于國際80年代中期的水平，其中屬90年代水平的約占2030%。,我國儀器儀表產品與國外的主要差距,技術性能低、質量差：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，而國產儀表一般只有5千小時。國內外工業(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。,我國儀器儀表產品與國外的主要差距,新技術采用緩慢，產

4、品更新?lián)Q代周期長：國外一些廠家產品的開發(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)，新技術采用慢，產品更新周期一般為34年，少則也需要兩年。,標準化程度低：在我國的儀器儀表標準中，國際標準的覆蓋率只占18，絕大多數(shù)產品沒有可靠性指標。標準化、通用化、系列化工作仍舊存在許多問題。,我國儀器儀表產品與國外的主要差距,產品結構落后、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，而國內則處于初步應用階段。國內儀器多為單點，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。,國內儀器儀表發(fā)展趨勢,標準化、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、電技術結合的儀器總體設計有關基礎理論知識。 初步掌握儀器總體設計和

6、系統(tǒng)設計的方法。 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基準部件（基準器或標準器）,2感受轉換部件,接觸式,非接觸式,感受被測量，拾取原始信號,3轉換放大部件,將感受轉換來的微小信號，通過各種原理（如光、機、電、氣）進行進一步的轉換和放大,4顯示部件,5處理與計算裝置,6瞄準部件,7機械結構部件,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系,當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標定系數(shù) 或刻度因子,二、儀器的靜態(tài)特性指標,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能力。 s=yx 當輸入與輸出為同一

8、量綱時可用放大比來代替靈敏度。 當靈敏度為定值時，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。,示值重復性 示值重復性是指在外界條件不變的情況下，對同一量重復測量時儀器示值的最大變化范圍。重復測量次數(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） 產生滯差的原因: 儀器內的間隙、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 當輸人信號不變時，由于儀器內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