信号转换原理的选择

　　仪器设计中信号转换原理的选择很重要，几乎任何一种新发现的物理现象和新技术的出现都会给计量技术增添新的手段。仪器设计的新颖性常常和信号转换原理有关。设计者的愿望总是设法限度地提取测量对象所提供的信息并进行正确的分析，因此对信号转换方法的广泛了解有利于开阔思路，巧妙地解决设计问题。

　　在计量仪器中主要采用的有机械、光学、电磁和气动四类能量或信号的转换形式。

　　（1）机械式的仪表和量具

　　这类仪表和量具示值误差为0.01～0.001 mm，对环境要求较低，简单耐用，适合于工厂车间使用，一般价格便宜。

　　（2）光学成像原理

　　这类仪表和量具示值误差为0.5～1μm，性能稳定，耐用，如工具显微镜，测长机等。为了提高瞄准读数有时采用光电瞄准可把瞄准提高到0.01μm。一个新的发展是引入电视测量技术，把重复性提高到0.01～0.03μm，为0.1～0.3μm。

　　（3）衍射原理的应用

　　应用衍射原理的测量方法很多，如小孔细丝的测量，边缘瞄准就是采用了衍射原理。常用的例子是计量光栅，其测量误差可表示为：±（0.2 gm＋2×10-6L），其中L为被测长度。测角光栅可达1″或更好的。光栅应用的条件是要求清洁的环境，因此多适用于实验室，但由于目前密封方法的改善，以及电子线路的改进，使光栅已经广泛用于金属切削机床。衍射方法还被用来产生激光准直的基线，波带片和相位板是其代表。超声衍射，可被用来对光频进行调制。

　　（4）干涉原理的应用

　　这是目前计量领域中应用广、的方法。在测长距离的情况下可以在50m以内实现以下误差公式：±（0.1 gm＋10-6L），在测量微小位移时可以得到优于0.1 nm的分辨率。在测角中的应用可以得到0.1＇或更高的。干涉原理广泛地用于表面粗糙度测量、平面度测量以及变形测量等场合。

　　（5）偏振原理的应用

　　用偏振光的分析来得到有关被测对象的信息是一种非常有效的方法。用椭偏仪测量薄膜，可以使分辨率达到0.1 nm数量级，而且可以同时得出膜的厚度和折射率的数值。在干涉条纹细分技术中，目前的方法是用偏振光分析来实现的。用偏振原理测量1/4波片和2/2波片等延迟片，对应的厚度误差在1 nm左右，这是用直接测量厚度的方法难于实现的。还可利用磁光偏振原理作成磁光调制器，也可用偏振光法测量。

　　（6）散射原理

　　在流体中的悬浮粒子的散射光相对于入射光的频率产生频移叫做多普勒频移，这个现象被用来测量流体的速度。又因为散射信号的可见度和粒子直径有一定关系，所以这种方法还可用来测量粒子直径。散斑现象被用来测量变形。

　　（7）波导和光纤特性的应用

　　薄膜波导的原理被用来测量薄膜的厚度和折射率。在产生导模的条件下，在反射光斑上可以看到暗线，测量出两个导模对应的角度就可以解出n和d，如图1所示。

　　图1  波导的应用

　　对于光纤来说，除了它的传光作用外，外界的物理变化会导致光纤的长度、芯径、折射率、损耗、双折射率等一系列变化。日前光纤已成为研制传感器的重要手段。因为它细小，在许多方面显示出优越性。

　　（8）电磁现象的应用

　　①磁栅。在钢带上磁化出等距信号（S、N极的相间等距排列），即为磁栅。读出时再细分每个栅距信号c尺子的长度可以拉伸以调整系统偏差。它用于测量大的位移。在线值测量时误差为±（2 gm＋5×lO%），作角值测量时误差为5＇左右。使用磁栅时对磁屏蔽要求较高。

　　②感应同步器。它相当于把电动机的绕组展开在一块钢的基片上。通常每根尺子的长度为250 mm，但是可以任意接长，而且在接长时可用激光干涉仪校准，消除误差。因此它的误差不积累，其累积误差和激光干涉仪的测量误差相同。结构简单，接长方便。

　　线值误差为±2.5 gm/250 mm，角值误差为±1″。

　　③电容传感器。一般的电容测微仪示值误差为±0.01～0.1 pm，测量范围可达I ma△。近年来发展的容栅式数字游标卡尺己经占领了国际市场。它的优点是对环境要求不高，可在车间使用，容栅受到保护层的保护不会被损坏。容栅式数字游标卡尺的尺寸和旧式机械式卡尺相同，容栅薄膜代替了原来的机械刻线。数字显示到0.01 mm，其并不高，但使用方便。这种技术处于光学工艺和集成电路技术的综合领域，不能认为和光学无关。这种原理的缺点是湿度不能太大，否则不显示。

　　④电感传感器。范围可达1 mm，示值误差为±（0.04～±0.5）gm。

　　⑤涡流原理。在1 mm范围内，位移测量和问隙无关，示值误差在±1 gm左右。

　　（9）气动量仪

　　测量范围为0.02～0.25 mm，示值误差为±（0.2～1）gm。

　　（lO）激光应用

　　除作为前述方法的光源而外，还利用其方向性来进行准直测量。

　　上面介绍的每种方法和原理的目前水平总不是停滞的。而且，这些数据会因具体条件而有很大的差别。为了得到针对具体应用对象的确切结果，常常要作实验研究工作，或者借鉴类似工作的研究成果。

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