棱镜分光多波长高温计结构设计.docx

目 录
1.仪器的应用背景 2
2.仪器工作原理 2
3.仪器的光学系统 3
4.整体设计思路 3
5.关键部分结构设计 3
5.1物镜（可调） 3
5.2目镜（可调） 3
5.3场栏反射镜（可调） 3
5.4组合棱镜 3
5.5反射镜（可调） 3
6.优缺点分析 3
7.改进意见 3
8.心得体会 3
9.参考文献 3

1.仪器的应用背景
棱镜分光多波长高温计是一种新型的辐射测温仪器，可广泛应用于航天，航空，核能，兵器，冶金材料，能源等领域，作为非黑体的真温测量，热物性动态测试及温度传递等。它具有测温范围宽（-50~3000℃），反应速度快（亚毫秒级），长期稳定性好，使用寿命长等优点。它适用于远距离目标、运动物体、带电物体及不可接触的目标温度的测量。棱镜分光高温计属于光电高温计。光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度计之一。它结构简单，使用方便，测温范围广(700～3200℃），一般可满足工业测温的准确度要求。目前广泛用于高温熔体、炉窑的温度测量，是冶金、陶瓷等工业部门十分重要的高温仪表。光学高温计的缺点是以人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速测量和自动记录，且测量结果带有主观性。最近，由于光电探测器、干涉滤光片及单色器的发展，使光学高温计在工业测量中的地位逐渐下降，正在被较灵敏、准确的光电高温计所代替。在光学高温计基础上发展起来的光电高温计用光敏元件代替人眼，实现了光电自动测量。它的特点有:灵敏度和准确度高；波长范围不受限制，可见光与红外范围均可，测温下限可向低温扩展；响应时间短；便于自动测量和控制，能自动记录和远距离传送。哈尔滨工业大学戴景民教授与意大利罗马大学的Ruffino教授合作于1991年研制成功了棱镜分光式35波长硅光电高温计，用于表面真温和材料发射率的同时测量。它应用组合棱镜分光技术并以硅光电二极管阵列为探测器，具有以下特点：取消了干涉滤光片，从而消除了因滤光片透过率漂移而造成的不稳定；因为无干涉滤光片，使整个光路光能损失减少，提高了仪器的信噪比；波长选择灵活，适用性强，且光谱透过率波形接近理想的矩形。戴景民教授在此多波长高温计的基础上，现又研制出棱镜分光式精密(标准) 光电高温计，一般具有01656μm 和019μm 两个工作波长，并可按用户要求增加其它波长。该仪器除保持了无滤光片这一特点外，与其它的精密(标准) 光电高温计相比，还具有以下优点：一个仪器多个工作波长；成本低廉，与单波长高温计相当；可进行不同波长上的亮温传递；仪器小巧及使用方便。总的来说，目前光电高温计的发展前景还是很乐观的，已经有许多一起被批量生产并广泛应用于各个领域。
2.仪器工作原理
多波长辐射测温仪是通过测量目标在多个波长下的辐射能量来同事获得目标的真实温度和光谱发射率的辐射式测温仪器。多波长辐射测温法是在一个仪器中制成多个光谱通道，利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息，经过数据处理得到物体的温度和材料的光谱发射率。这种方法不需要辅助设备和附加信息，对被测对象也没有特殊要求，因而特别适合于高温、甚高温目标的真温及材料发射率的同时测量，在目前已有的应用中表现了极好的发展前景。多光谱辐射测温法的数学模型有基于检定常数的数学模型、基于亮度温度的数学模型和基于参考温度的数学模型。整个仪器设备在较为精确地测量目标真温和发射率的同时，也具备了体积小、操作方便灵活、可靠性高等优点。这相对于以往的多波长高温计来说，是很大的突破。这些方面的改善，也将使得高温计能够在更为复杂的环境下发挥其实用价值，具有很好的应用前景。而且，仪器分光多波长高温计采用棱镜分光获得工作波长，它最多可有35个波长，选择灵活。它克服了传统的干涉滤光片分光限定工作波长的不足，从而提高了仪器的精密和长期稳定性。
3.仪器的光学系统
仪器的光路系统提供了辐射能量传播的通道，如图1和表1所示。目标辐射的能量经主物镜1、2、3成像于场栏反射镜5，一方面经分划板7、场镜8和目镜9、10在孔径光栏11处成像用于瞄准，另一方面成像于视场光栏的能量经分划场镜6入射到准直物镜12、13准直为平行光，再投射到组合棱镜14上，组合棱镜将复试光展成光谱，经暗箱物镜15、16聚焦于反射镜17，反射至探测器线列，经转换及电路处理可直接显示被测目标的真实温度。

图1

表1

序号
名称
外形尺寸
镜框尺寸
中心厚度
1
主物镜
Φ26
Φ24
3.5
2
Φ26
Φ24
2
3
Φ26
Φ24
3
4
孔径光栏
Φ22.8
5
场栏反射镜
25*25*1
6
分划场镜
Φ32
Φ30
5
7
分划板
Φ32
Φ30

8
场镜
Φ32
Φ30
5.5
序号
名称
外形尺寸
镜框尺寸
中心厚度
9
目镜负片
Φ20
Φ18
1.5
10
目镜正片
Φ20
Φ18
4
11
孔径光栏

12
准直物镜
Φ32
Φ30
2
13
Φ32
Φ30
6
14
组合棱镜
92*46*35
15
暗箱物镜
Φ40
Φ38
5
16
Φ40
Φ38
2.5
17
反射镜
60*45*5
18
光谱镜面

4.整体设计思路
（1）物镜和目镜：由于物镜和目镜都需要调节镜片之间的距离，根据本学期所学的机械设计的相关知识，物镜和目镜的调节可供选择的方案有：四连杆机构、齿轮齿条传动、蜗杆蜗轮传动和螺旋传动等，但由物镜和目镜的调节精度比较高，而且为了加工方便和节省空间，并且根据平时所见的显微镜的物镜和目镜的结构，所以在本设计中物镜和目镜选用螺旋传动来实现镜片距离的调节。
（2）场栏反射镜：由于场栏反射镜需移入或移出光路，为了保证移动的平稳，所以在设计中，采用导轨加螺旋传动的结构来实现场栏反射镜的移动。
（3）分划场镜、准直物镜和暗箱物镜：三组镜子均固定在大底板上，其中暗箱物镜需要保证其与水平线成50°角，使光线可以垂直入射。
（4）组合棱镜：为保证光路通过棱镜中心，需将组合棱镜固定在比较高的支座上，同时应防止棱镜水平方向和竖直方向的移动。
（5）反射镜：由于反射镜与水平线成70°角，为了防止安装误差和方便调节，反射镜做成可调的。

（6）仪器箱体：由于目镜和物镜需要固定在箱体上，则对箱体的要求比较高，所以在本设计中采用六块钢板作为箱体，为方便固定联接，在底板的四个角铆接四根阶梯立柱，立柱下面为8mm的圆柱，其余部分为方形，上板和侧板则通过螺钉与立柱联接。
（7）镜片的固定：对于光学元件的固定，可采用滚边法、压圈法等，考虑到在本仪器中，大多数是多透镜组合固定，同时考虑到压圈法有结构可拆、装调方便；可装入其他隔圈和弹性压圈，用以调整光学零件与镜框的相对位置，并适用于多透镜组的装配固紧等优点，所以在本设计中采用压圈法固定透镜。
5.关键部分结构设计
5.1物镜（可调）
物镜主要由四部分组成，主物镜1、主物镜2、主物镜3和孔径光栏4，如图2所示，物镜的主要设计要求是主物镜与分划场镜之间的距离可调范围是147~160mm，而且在距离调整过程中，主物镜只能移动不能转动。根据所学知识，为保证物镜调节的精度，我们选择螺旋传动结构来实现物镜的调节。通过旋转调焦螺母来使主物镜水平移动。我们将主物镜装在带有外螺纹的内套筒中，为使镜片装调方便，所以采用压圈法将主物镜固定在内套筒中。并将内套筒与带有内螺纹的调焦手轮相配合。通过旋转调焦手轮，使得内套筒沿螺纹水平移动。同时为了防止调焦手轮在旋转时轴向移动和主物镜水平移动时转动，所以分别在调焦手轮与外套筒连接时和内套筒与外套筒连接时加了一个防移螺钉和防转螺钉，以此来防止调焦手轮的轴向移动和主物镜的转动。防移螺钉和防转螺钉均采用自己设计的螺钉，他们均为阶梯钉，上半部分带有螺纹，下半部分为光杆。同时，在内套筒上开场19mm宽6mm的槽，用防转螺钉来控制主物镜轴向的移动距离为13mm。此外，为拆卸方便，外套筒与箱体的侧板采用螺钉连接，同时外套筒与侧板连接处做成法兰盘，方便固定与定位。物镜结构如图2所示。

图2
5.2目镜（可调）
目镜主要包括五部分：分划板、场镜、目镜负片、目镜正片和孔径光栏。目镜的结构设计与物镜基本相同，其结构包括三部分：目镜外套筒、目镜内套筒和调焦手轮。由于场镜与分划板的距离是可调的，而分划板与光路中心的距离是固定的，所以将场镜装在目镜内筒中，分划板装在目镜外套筒中，同时场镜与目镜负片和目镜正片的距离也是固定的，所以也将目镜正片和负片装在内套筒中。分划板、场镜、目镜负片和正片的固定均采用压圈法。采用螺旋传动实现目镜的调节。我们将场镜和目镜正片与负片装在带有外螺纹的内套筒中，并将内套筒与带有内螺纹的调焦手轮相配合，通过旋转调焦手轮，使得内套筒沿螺纹竖直方向移动。同时为了防止调焦手轮在旋转时轴向移动和主物镜水平移动时转动，所以分别在调焦手轮与外套筒连接时和内套筒与外套筒连接时加了一个防移螺钉和防转螺钉，以此来防止调焦手轮的轴向移动和主物镜的转动。防移螺钉和防转螺钉均采用自己设计的螺钉，它们均为阶梯钉，上半部分带有螺纹，下半部分为光杆。同时，在内套筒上开场14mm宽4mm的槽，用防转螺钉来控制场镜与目镜正片和目镜负片垂直方向的移动距离为10mm（向上和向下各5mm）。外套筒与箱体的上板采用螺钉连接，同时外套筒与上板连接处做成法兰盘，方便固定与定位。目镜结构如图3所示。

图3
5.3场栏反射镜（可调）
场栏反射镜要求固定在一个倾斜45°角的支座上，而且要求场栏反射镜可以沿垂直光路的方向上水平移动，根据所学知识，我们选用螺旋传动来实现场栏反射镜的水平移动，这里选择螺杆固定，螺杆旋转螺母移动的机构。倾斜支座放在两根导轨上，可以沿导轨水平移动，两根导轨用螺钉固定在一块小底板上，小地板用螺钉固定在大底板上。而且，螺杆一端通过圆柱滑动支承来支撑，其中圆柱滑动支承通过螺钉固定在小底板上，另一端通过箱体的侧板来支撑，并且，螺杆做成阶梯状的来防止螺杆旋转时沿轴向移动，并在螺杆露出箱体的一端加一个手轮，手轮与螺杆用紧定螺钉联接，使转动螺杆更加轻松。场栏反射镜结构如图4所示。

图4
5.4组合棱镜
组合棱镜的设计要求其与水平线成20°角，同时应防止其水平和竖直方向上的移动。通过角铁和挡板来防止组合棱镜的水平方向的移动，其中，角铁和挡板应倾斜一定角度，该角度应与水平线成20°角，以保证棱镜的角度要求，用压板来防止组合棱镜竖直方向的移动，其中压板通过螺钉固定在圆柱形立柱上，而圆柱形立柱为阶梯形状，下端通过过盈配合与支座相联接，支座通过螺钉与大底板相联接。组合棱镜结构如图5所示。

图5
5.5反射镜（可调）
反射镜与水平线成70°角，反射镜安装在长60mm,宽45mm的镜槽内，用螺钉和压圈将其固定在固定支座上，而固定支座用螺钉联接在圆形可调底板上，圆形底板通过螺钉与大底板相连，同时圆形底板中心处还通过阶梯销钉与大底板相连，其可以销钉为轴转动，可调圆形底板上开两个对称的圆弧槽通孔，螺钉穿过圆弧通孔与大底板相连，当调整反射镜与水平线成70°后，拧紧螺钉即可将反射镜固定，当松动两个螺钉后，圆盘变可以实现转动，从而使反射镜也相应转动。反射镜结构如图6所示。

图6
6.优缺点分析
优点：本次设计基本完成了该仪器对光路精确性、稳定性的要求；具有简单的装配结构，螺旋传动机构也保证了较高的调节精度，而且传动平稳。物镜与目镜的调节，场栏反射镜的移除，反射镜的旋转角度调节都能较高精度实现。同时没有需要特殊工艺加工的复杂零件，加工制造比较简单方便；在仪器的设计中，多处采用了双销钉定位，保证了仪器各部分的安装精度。
缺点：本次设计主要考虑了仪器结构的设计以及精度的设计，由于所学知识和课程设计时间有限，设计过程中没有对仪器各部件、各零件的强度和刚度等进行准确的计算和设计，只是根据经验进行设计；尺寸标注时，由于布局不是十分合理，导致部分尺寸线有交叉；由于物镜设计较长，使得目镜距离上班边缘较近。
7.改进意见
选取更加合理的记住点进行尺寸标注；在保证武警的设计要求、刚度和强度条件的前提下，适当减小物镜轴向尺寸，以增大目镜到上板边缘的距离。
8.心得体会
两周的课程设计很快就结束了，在这两周的课程设计中，我们既加深了对理论知识的理解，又学到了许多课堂上学不到的知识。回想这两周，我们几乎每天都在画图，当第一天我们拿到1号图纸时，感到压力很大，因为我们毕竟是第一次接触这样的设计，第一次与工程设计近距离接触。但是在老师的精心指导下，我们先进行了小组分工，每个小组设计此次课程设计的一部分，以画草图开始了我们的课程设计。通过每个小组一天的努力，每部分的草图成功完成，但是毕竟是草图，仍有很多不合理之处和漏洞。接下来我们每个人根据大家的草图设计开始绘制总装配图。总装配图比想象中的更加难画，不仅要求尺寸十分准确，而且要做到画每一条线都要有理有据。经过一周多的时间，我们终于将总装配图完成了，在此之间，我们都十分认真对待，认真查国家标准，查资料找依据，不懂的积极询问老师，寻求各种途径解决遇到的问题和困难，同时，绘制总装配图的过程中，也发现草图中许多的不合理之处，并根据设计要求对草图的方案进行了一定的改进，使设计更加合理。还有，在总装配图的尺寸标注时，也遇到了不少问题，但是通过同学间的交流以及老师的耐心帮助下，我们比较成功的完成了尺寸标注。看着自己绘制的总装配图，感到十分高兴，这几天以来所受的累都抛到了九霄云外，剩下的只有欣喜，感到自己这几天的付出是非常值得的。
通过这两周的课程设计，我们每个人都收获了很多，在此次训练中，我们对尺寸标注、公差配合、零件选取、国标查找等等多方面的知识进行了实践练习，加深了对理论知识的理解和掌握。同时，近距离的举出到了工程设计，对工程设计有了一定的认识，也感到工程设计的责任所在，设计中的每部分都要有理可讲，有据可依，设计者要对每一部分负责，在今后的学习和工作中，都要提高自己的责任心。另外，课程设计之所以能够比较顺利的完成，首先应该感谢老师的耐心指导，每当我们完成一部分设计后，老师都会细心检查，老师发现错误后都会耐心讲解，让我们真正理解明白，让我们在实践中学到了更多的知识。
9.参考文献
[1] 《机械学基础（第二版）》 蒋秀珍 科学出版社
[2] 《“机械学基础”综合训练图册（第三版）》 蒋秀珍 科学出版社
[3] 《棱镜分光式精密多波长硅光电高温计》 戴景民 孙扬　哈尔滨工业大学，《计量学报》