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第39卷第1期
光学仪器
2017年2月
OPTICAL INSTRUMENTS
February, 2017
文章编号:1005-5630(2017)01-0041-05
温度变化对自准直仪机械结构的影响
闫钰锋,吴震,王洋,陈可
长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022)
摘要:一种实验室环境下使用的自准直仪,使用温度为实验室温度(20士5)℃。实验室环境相对
稳定,无冲击、振动、污染等因素的影响,但环境温度变化范固较大,为士5℃,因此有必要通过温
度变化对光机结构的影响来分析机械结构的设计。通过计算确定了间隙量需求,分析了温度变
化对系统的影响及产生的径向应力,结果表明在实验室环境下产生的温度变化不会对透镜产生
径向挤压
关键词:温度分析;间隙量;径向应力
中图分类号:TN206文献标志码:Adoi:10.3969/.is-1005-5630.2017.01.007
Effect of temperature on mechanical structure of autocollimator
YAN Yufeng, WU Zhen, WANG Yang, CHEN Ke
( College of Optoelectronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)
Abstract: An autocollimator for the laboratory environment is used at temperature in the
laboratory where the environment is relatively stable and there is no effect of impact, vibration
and pollution, etc. Considering the wider temperature variation range of +5 C, the effect of
temperature on the optical and mechanical structures is studied to analyze the design of the
mechanical structure. The gap between lens and base and the generated radial stress are
calculated. The results show that the temperature variation in the laboratory environment will
not cause radial stress to the lens
Keywords: temperature analysis; clearance amount; radial stress
在几何量计量领域,小角度的测量是很重要的一部分,而自准直仪是小角度测量中应用最广、最多的
高精度仪器。光电自准直技术经历了几十年的发展历史,在测量分辨力、测量精度、稳定性等方面均有较
大改善。但对激光为光源的光电自准直仪而言,目前仍以德国、美国等生产的仪器为高水平代表,其测量
不确定度可达士0.01"/1"。国内在激光自准直技术研究及其产品开发中精度指标及稳定性、产品体积及
收稿日期:2016-07-20
甚金项目:吉林省科技厅自然科学基金(20150101047JC);上海市科学技术委员会项月(13dz260100);国家重点基础研究发展计划
(2014CB744200);上海市深空探测技术重点实验室开放课题(DS201507-001,DS201509-002
作者简介:闫钰锋(1978-),男,博士,副教授,主要从事光学仪器设计方面的研究。E-mail:22477675@q.com
通信作者:吴震(1990),男,硕土研究生,主要从事光学仪器设计方面的研究。E-mail:9063040445@qq.com
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光学仪器
第39卷
便携性均处于劣势,激光自准直仪的市场化受到极大制约。
在测量的过程中,影响仪器光机系统的常见因素有温度、压力、振动、冲击、湿度、侵蚀、污染、磨损和
辐射等。这些因素对测量的精度带来了很大的影响,所以,应合理设计光学系统的机械结构并对其主要
影响因素进行分析、校核来减小这种影响,从而提高测量的精度2。设计好的透镜需要用机械系统固
定,透镜的固定方式和光机界面的类型有很多种,结合此自准直仪的设计和使用情况分别选取压圈法固
定和尖角界面们。
1温度对光机系统的影响
温度变化时,透镜表面的半径、厚度、透镜间的空气间隔、光学材料及周围空气的折射率、组件的实际
尺寸都会发生相应的变化。任何一项变化都会使系统的焦距产生偏差,从而影响仪器的测量精度的。因
此主要讨论温度升高和温度降低对透镜间接触应力、透镜与镜座间径向间隙的影响。仪器的使用环境为
实验室环境,实验室的温度为(20士5)℃,仪器的装配温度为20℃。图1为分析用自准直仪的物镜装
配图。
(a)剖面图
(b)实物图
图1物镜系统
Fig. I Lens systems
2升温对径向间隙的影响
温度升高之后,镜座会发生膨胀,透镜也会发生膨胀,但通常镜座的热膨胀系数aw比透镜的热膨胀
系数ac要大,所以镜座会远离透镜,从而增加了镜座与透镜的径向问隔而形成间隙。间隙过大会使透镜
在振动等外力影响下出现倾斜等现象,影响透镜的对准,从而影响光学系统的像质?。仪器装配温度为
20℃,当仪器所处环境温度从装配温度变化到实验室的最高温度25℃时,升高温度△T=5℃。由图1
可知,物镜系统由5片透镜组成,其中第4片和第5片为胶合透镜。透镜材料分别为K9,K9,ZF1,K9,
F3。镜筒材料选用最常用的结构铝合金材料铝合金6061,其强度中等,具有优良的可焊接性和可加工性
压圈与隔圈的材料同样采用铝合金6061。材料参数见表1。
表1材料参数
Tab 1 Material parameters
材料
热膨胀系数a/"℃-1
杨氏模量E/MPa
泊松比A
Kg
7.1×106
7.1×104
0.215
ZF1
8.3×10-6
5.5X104
0.227
8.3×10-6
5.6×104
0.222
铝合金6061
23.6×10-6
6.8×104
0.332
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