1、第七章 光電讀數及細分§7-1 幾種常用的目視光學細分系統一.概述工件測量就是將標準器與被測對象比較。測量中，測得量是標準器最小檔量（分劃值）的整數倍，可立即讀出讀數，不足一個分化值部分，可估讀；要確切知道更詳細，則必須對小數部分細分。細分也就是有限度的，如1mm，0.1mm（低精度）。“絲”0.01mm（中），0.001mm（高），0.00001mm（更高）。并不是數字上的無限細分。鋼尺讀數與細分系統可分為：瞄準瞄準機械式絲桿測微，游標卡尺圖711 光學式螺旋測微讀數顯微鏡 光電式計量光柵，光電碼盤，光信號電信號電信號細分解釋：1.直接細分：用一把分化值更小的尺子測量小數部分，通常

2、用光學顯微的方法把主尺一格放大到分劃板上進行細分，見帶尺讀數測量部分）。2.螺旋測微：螺旋/分度數0.1mm/1000.001mm 鼓輪上每格代表1um 例：絲桿式目鏡測微器。3.游標細分原理： 已知：主尺上（n1）個分度長度尺寸與游標尺上n個分度長度相等。 （n1）l= nl (1)則：讀數主尺讀數+ 與主尺標線重合的游標標線序號 游標讀數值證：由（1）式 主尺分度尺寸與游標分度尺度之差 兩邊同乘以放大倍數K換算成分度值為分度值，機械游標0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10主尺主尺9格長度等于游標10格長度游標尺圖712小數部分 被測量值

3、0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10主尺游標尺0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10瞄準X(X)圖中：X=7*0.1=0.7mm圖713n=1050，不能太大為了獲得更小的細分，可用光學游標裝置，游標分劃值可達5um游標卡尺， 二. 光學-機械式讀數細分裝置1光源2濾光片3度盤（標尺）4物鏡5分劃板6目鏡顯微系統視場120034度盤上分劃板上圖7141. 帶尺讀數裝置度盤(直接細分法).直分尺讀數顯微鏡(直接細分法)圖715絲桿式目鏡測微器（千分尺）圖716 絲桿式目鏡測微器讀數原理5.6540mm圖716 絲桿式目鏡測微器讀數原理解釋固定分劃板（上有1/10分度值） 活動分劃板

4、（上有11對雙刻線）原理：鼓輪轉一圈,活動分劃板移動一個分度(0.1mm),鼓輪上等分100格,故每格的分度值0.1mm/1000.001mm1um；讀數鼓輪為0值時，雙刻線瞄準0.1mm標線。讀數時，轉動測微螺桿，使雙刻線夾住（瞄準）主尺標線象，就可在讀數鼓輪上得到不足0.1mm的小數部分。（見下圖）6X 5小數部分實際是兩次瞄準：第一次 瞄準刻線“6”，鼓輪讀數為“0”第二次 瞄準刻線“5”，鼓輪讀數為“54”兩者之差54um 即為小數部分 習題1：絲桿式目鏡測微器讀數為8.7650mm,畫出讀數視場圖及螺旋測微圖。9圖717平板擺動測微器活動分劃板上固定分劃板上主尺像（在固定分劃板上）讀

5、數7.1630mm3.平板擺動測微器5端面凸輪6杠桿7平板玻璃8活動分劃板9主尺1目鏡2固定分劃板（主尺像成在上面）3手輪4錐齒輪副 與測微目鏡比較,平板擺動測微器主尺像相對運動方式有所不同:從測微目鏡中的“雙刻線對準主尺像”>變成平板擺動測微器中的“主尺像對準雙刻線”優點：一個視場中讀出所有讀數。讀數原理：11對雙刻線及圓分劃板指標（“”）固定不動；調手輪3，通過錐齒輪副、端面凸輪及正切機構驅動平板玻璃擺動；使主尺像對準雙刻線，則小數部分在活動分劃板上讀出。一個式子的證明： 主尺像的位移量與平板玻璃參數（n,d）.及其轉角的關系。證明：由應用光學P86 46式知： 平板轉角與像位移Z的

6、關系為 NdNNNZDGE圖7-1-8 （解釋：空氣 入射角：，折射角： ， （折射定律） 把代入上式 得 把代入上式 得 z 泰勒展開 有： 以線性函數代替，有 上式的近似誤差可認為是第二項相對誤差當n1.52 (k9玻璃)；當時,，當時，,偏大了。將（2）式中的代換，以補償（1）式中的余項（還原一部分），并且是以相對誤差作對比為衡量標準。令 （4）式與（2）式的相對誤差 令 （3）式（5）式即 （有相同的相對誤差則認為(1)與（4）更貼近了。 取選用K9（n1.52），在采用正切機構的情況下，可用以下近似公式來描述影像擺動量刻畫都可以采用線性，得證。 平板玻璃端面凸輪 S（）Z與凸輪轉角成

7、線性關系也與手輪轉角是線性關系. r 圖7-1-9 例： 已知：凸輪半徑r15mm，升程，當凸輪轉角時，平板轉角由下式決定：r任一點位移量， ， 正反向， Z與還是線性關系。注： 如果不用正切機構，而改用齒輪機構，則與手輪轉角是線性關系 ，沒有修正。 與手輪轉角成線性關系。 與手輪轉角不成線性關系。習題2：平板擺動測微器中，平板厚度d=10mm, 選用 K9玻璃；凸輪半徑r15mm，升程，當凸輪轉角時，求刻線像的位移量。現在位置分劃板4.透鏡測微器h 物 OO現光軸FA O OS物方主光線原光軸FA 原來位置 f 圖7-1-10 透鏡原來光軸，移動h后，透鏡光軸為；物體（主尺）不動，物體的像（

8、主尺像）從A移到，則根據，得 ，即 （）長焦距越大，靈敏度越高(dh/dZ越高)。 主尺（物）0.1mm（主尺像移動，在固定分劃板上1格，在活動分劃板上100格,M為總放大倍率）。 圖7-1-10透鏡測微器的思想可用于微透鏡激光掃描器。主尺像在活動分劃板上在固定分劃板上圖7-1-11圖7-1-12習題3：已知圖7-1-11中鼓輪2的螺距為1mm,分劃板6到透鏡4的距離S=20mm，透鏡焦距f=100mm。求：當鼓輪旋轉300，主尺像在分劃板上移動距離。習題4：如圖所示微透鏡陣列線性掃描器。L1 、L2微透鏡陣列對組成伽俐略型望遠系統，L2作橫向微位移x ,可使聚焦光斑在L3的后焦面上實現線性掃描S, L1 、L2、 L3的焦距分別為f1 、f2、f3 。（1）證明：S=f3x/f2 (2).若f3=1000mm, f2=1mm,求掃描的靈敏度。x當L2相對于L1做一維橫向位移X時，輸出光束的偏轉角為： （1）此時，偏轉光束經L3聚焦后，光斑在L3的焦平面上的位移量為：S=f3X （2）圖3:掃描系統光學原理圖 f3 當L2相對于L1做一維橫向位移X時，輸出光束的偏轉角為： （1）此時，偏轉光束經L3聚焦后，光斑在L3的焦平面上的