光電儀器原理與設(shè)計第2章-現(xiàn)代設(shè)計課件

1、第二章現(xiàn)代儀器設(shè)計方法2第二章現(xiàn)代儀器設(shè)計方法第一節(jié)現(xiàn)代儀器設(shè)計方法概述第二節(jié)設(shè)計方法學*第三節(jié)人機工程學第四節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法第五節(jié)計算機輔助設(shè)計有限元分析*第六節(jié)可靠性設(shè)計*3第一節(jié)現(xiàn)代儀器設(shè)計方法概述設(shè)計廣義：對發(fā)展過程的安排，包括發(fā)展的方向、程序、細節(jié)及達到的目標 狹義：客觀需求轉(zhuǎn)化為滿足該需求的技術(shù)系統(tǒng)的活動 光電儀器設(shè)計工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計歷經(jīng)直覺設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計、半理論半經(jīng)驗、現(xiàn)代設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計以靜態(tài)分析、近似計算、經(jīng)驗設(shè)計、手工勞動為特征 4第一節(jié)現(xiàn)代儀器設(shè)計方法概述現(xiàn)代設(shè)計方法伴隨計算方法、控制理論、系統(tǒng)工程、價值工程、創(chuàng)造工程等學科理論的發(fā)展，以及電子計算機的廣泛應用出現(xiàn) 主要包括：設(shè)計方

2、法學，人機工程，優(yōu)化設(shè)計，可靠性設(shè)計，計算機輔助設(shè)計，有限元法，反求工程設(shè)計，工藝藝術(shù)造型設(shè)計，虛擬設(shè)計 5第三節(jié)人機工程學流線型貼合手型超薄便攜6第三節(jié)人機工程學人機工程學(Man-Machine Engineering) Ergonomics（人類工效學）歐洲Human Factors Engineering（人因工程學） 美國學科目的通過心理學、生理學、醫(yī)學、人體測量學、美學和工程技術(shù)等各學科知識的應用，來指導工作器具、工作方式和工作環(huán)境的設(shè)計和改造，使得作業(yè)在效率、安全、健康、舒適等幾個方面的特性得以提高光電儀器中的人機工程（目視光電儀器 ）便于操作者使用、有利于緩解疲勞充分利用人眼的

3、視覺特性，使操作主體能力發(fā)揮到最大7第三節(jié)人機工程學8第三節(jié)人機工程學9第三節(jié)人機工程學人機工程設(shè)計原則合理設(shè)計儀器參數(shù)人眼基本光學參數(shù) 焦距f = 16.68 mm，f = 22.29 mm瞳孔直徑28 mm，且隨視場的亮度而變化瞳孔到角膜頂點的距離為4 mm，到眼睫毛約8 mm，目視儀器的出瞳距至少要5 mm根據(jù)瞳間距，雙目儀器兩個目視鏡頭之間距離必須在5574 mm內(nèi)可調(diào) 10第三節(jié)人機工程學人機工程設(shè)計原則合理設(shè)計儀器參數(shù)人眼視區(qū)分布 11第三節(jié)人機工程學人機工程設(shè)計原則合理設(shè)計儀器參數(shù)視度調(diào)節(jié)明視近點250 mm，明視遠點無窮遠，正常視度調(diào)節(jié)范圍為4個光焦度一般目視儀器應有5個光焦度

4、的調(diào)節(jié)范圍。視覺暫留人眼在觀察景物時，光信號傳人大腦神經(jīng)需經(jīng)一段時間，光作用結(jié)束后，視覺形象并不立即消失，殘留的視覺稱“后像”殘留的時間大約為0.10.4秒，是顯示設(shè)備決定刷新頻率的依據(jù)。傳統(tǒng)的電影、電視刷新頻率為每秒24-25幀，CRT顯示器一般為60-85 Hz12第三節(jié)人機工程學人機工程設(shè)計原則提高儀器性能分辨力和瞄準精度 人眼的分辨力：人眼可以分清的兩點對人眼的張角正常的分辨力為1 左右瞄準精度：人眼判斷標志物與被測物是否對準的能力 瞄準方式單實線重合虛線對實線單線線端對準雙線線端對準雙線對稱跨單線圖示瞄準精度60 20 (1020) (510) 5 13第三節(jié)人機工程學人機工程設(shè)計原

5、則提高儀器性能顏色對比 偽彩色增強：將一個波段或單一的黑白圖像變換為彩色圖像，把人眼不能區(qū)分的微小的灰度差別顯示為明顯的色彩差異，有利于解譯和提取有用信息根據(jù)：人眼只能分辨幾十種不同深淺的灰度級，卻能分辨幾千種不同的顏色主要方法：密度分割法（直接對亮度范圍進行分割），空間域灰度級-彩色變換（利用色度學原理），頻率域偽彩色增強（利用傅里葉變換）等方法應用領(lǐng)域：使用x光、CT成像等的醫(yī)學、地質(zhì)學、金相分析等領(lǐng)域14第三節(jié)人機工程學人機工程設(shè)計原則改善操作者主觀感受光環(huán)境保證采光照度滿足工作精確度的要求，因為人眼識別的細節(jié)尺寸越小時，所需的光照度越高保證整個工作場所的照度變化不大，否則操作者容易疲勞

6、，也會引起主觀上的不適色彩的心理效應冷色/暖色輕色/重色胖色/瘦色15第四節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法內(nèi)涵將最優(yōu)化原理與計算機技術(shù)應用于設(shè)計領(lǐng)域目的獲得較理想的設(shè)計參數(shù)，同時提高設(shè)計質(zhì)量和速度應用領(lǐng)域機械、宇航、化工、建筑、輕工 光電儀器典型應用：鏡頭設(shè)計優(yōu)化設(shè)計基本過程建立數(shù)學模型求解數(shù)學問題16第四節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法數(shù)學模型的建立設(shè)計變量的提取目標函數(shù)的確定約束函數(shù)的形成 設(shè)計變量在優(yōu)化過程中不確定的、希望獲得最佳取值的儀器參數(shù)目標函數(shù)或評價函數(shù)將方案的好壞量化后得到的衡量指標，包括精度、成本、效率等約束函數(shù)將設(shè)計變量所受的局限、儀器固定的參數(shù)、以及參數(shù)之間的相互關(guān)系表示成各類函數(shù)，構(gòu)成優(yōu)化問題的約束函數(shù)從

7、數(shù)學上來說，約束函數(shù)一般以等式或不等式的形式表現(xiàn) 17第四節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法數(shù)學問題的求解數(shù)學本質(zhì)在約束函數(shù)的條件下目標函數(shù)的極值問題 目標函數(shù)：多元函數(shù)設(shè)計變量：取值有限求解手段科學計算軟件多目標有約束問題 懲罰函數(shù) 單目標無約束問題 解析法，直接法18基本概念和術(shù)語設(shè)計變量 （個數(shù)：維數(shù)）目標函數(shù)：設(shè)計中要達到的目標例如：效果max，費用min當目標函數(shù)是極大值時，應轉(zhuǎn)換成極小值多目標函數(shù)轉(zhuǎn)換成單目標函數(shù)第四節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法19基本概念和術(shù)語約束條件常量約束約束方程等式約束：hl(X)=0 (l=1,2,L) 不等式約束：gj(X)0, (j=1,2,J)建立數(shù)學模型多目標變成單目標有約束變成無

8、約束最終解無約束極小化問題第四節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法20數(shù)值求解極值問題求解基本思想Matlab優(yōu)化工具箱（Optimization Toolbox）第四節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法類型模型基本函數(shù)名一元函數(shù)極小Min F（x）s.t. x1xx2X = fminbnd(F, x1, x2)無約束極小Min F(X)X = fminunc(F, X0, options)X = fminsearch(F, X0 , options)搜索21第五節(jié)有限元分析計算機輔助工程（Computer-aided Engineering, CAE）用計算機來對設(shè)計產(chǎn)品實時或者進行隨后的分析應用領(lǐng)域求解連續(xù)結(jié)構(gòu)力學、熱傳導、電磁場和

9、流體力學等學科領(lǐng)域 22第五節(jié)有限元分析結(jié)構(gòu)力學 電磁學 流體力學 有限元分析的應用23第五節(jié)有限元分析基本思想將求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體，對每個單元進行數(shù)值求解，單元間通過節(jié)點傳遞待求量，從而獲得整體的解一種離散化的數(shù)值方法 目的結(jié)構(gòu)分割單元足夠小，使得簡單模型能足夠近似地表示精確解單元不能太小，否則計算量很大通用軟件工程分析通用有限元分析程序庫ANSYS，線性結(jié)構(gòu)有限元分析通用程序庫SAP系列，非線性結(jié)構(gòu)有限元分析通用程序庫ADINA24第五節(jié)有限元分析望遠鏡2米主鏡自重變形分析使用ANSYS軟件進行靜力學分析前處理設(shè)置待分析元件幾何參數(shù)、劃分網(wǎng)格

10、、設(shè)置材料力學特性 20節(jié)點六面體結(jié)構(gòu)單元，得到近7萬個單元和10萬余個節(jié)點 施加載荷及求解施加載荷、設(shè)置邊界條件和數(shù)值求解最大位移為70.7 nm，最小位移為38.1 nm 后處理 分析結(jié)果輸出結(jié)合光學設(shè)計軟件換算出使用該主鏡成像時引入的像差進一步優(yōu)化主鏡支撐結(jié)構(gòu)25第六節(jié)可靠性設(shè)計26第六節(jié)可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計(Reliability design)可靠性表示系統(tǒng)、設(shè)備、元器件的功能在時間上的穩(wěn)定程度的特性可靠性設(shè)計事先考慮可靠性的一種設(shè)計方法來源研究起源于軍事 德國、美國在第二次世界大戰(zhàn)期間開始研究軍事裝備經(jīng)過運輸、存儲有50%不能工作電子設(shè)備在規(guī)定的時間內(nèi)只有30%能正常工作1957年

11、美國國防部電子可靠性咨詢小組（AGREE）提出報告確定了研究方向27ttN個n(t)個失效n(t)個失效t第六節(jié)可靠性設(shè)計可靠性評價指標：可靠度，失效率，平均壽命，有效壽命，維修度可靠度R(t) ：產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)完成預定功能的概率 失效概率：F(t) = 1R(t) 失效概率密度：f(t) = dF(t)/dt = dR(t)/dt失效率(t)：系統(tǒng)工作t時間后，單位時間內(nèi)失效的概率28第六節(jié)可靠性設(shè)計可靠性評價指標：可靠度，失效率，平均壽命，有效壽命，維修度平均壽命：（不能修復產(chǎn)品）工作開始到發(fā)生故障的平均時間MTTF (Mean time to failure)（能修復產(chǎn)品）一次故