测控仪器结构设计第一章(15版)讲义

2018/5/19
参考书籍
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本书共分十一章：

第一章 第二章 第三章
现代精密仪器设计概论√
（介绍仪器学科的重要性）

精密仪器总体设计√ 精密仪器设计的精度理论√
（把握全局的设计，总体设计原则、方法等）

（精度概念、评价，误差来源及计算等）


第四章
第五章
精密机械系统√
微位移技术√
4.测试仪器网络化
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测控仪器的分类
1. 几何量计量仪器
测量对象：包括各种尺寸检测仪器，如长度、角度、形貌、相 互位置位移、距离测量仪器、扫描仪、跟踪仪等。
2. 热工量计量仪器
测量对象：包括温度、湿度、流量测量仪器，如各种气压计、 真空计、多波长测温仪表、流量计等。
3. 机械量计量仪器
打印机、监视器等将测量结果显示出来。
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驱动控制器部件
驱动控制部件用来驱动测控系统中的运动部件，在测控仪器 中常用步进电机、交直流伺服电机、力矩电机、测速电机、压 电陶瓷等实现驱动。控制一般用Fra Baidu bibliotek算机或单片机来实现，这时 要将一个控制接口卡插入到计算机的插槽中。
机械结构部件
仪器中的机械结构部件用于对被测件、标准器、传感器的定 位，支承和运动,如导轨、轴系、基座、支架、微调、锁紧、限 位保护等机构。所有的零部件还要装到仪器的基座或支架上,这 些都是测控仪器必不可少的部件，其精度对仪器精度影响起决 定作用。
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测控仪器的概念
在现代计量测试仪器中，测量与控制已经密不可分，测控仪器则是利用测量和 控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合 的一种范围广泛的测量仪器。
本课程的要求： ①掌握机、电、光、计算机技术相结合的仪器总体设计的基础 理论知识；
②学会如何从设计任务出发，初步掌握进行总体设计和系统设 计的方法；
仪器仪表的用途和重要性—

仪器及检测技术已经成为促进当代生产的主流环节， 仪器的整体发展水平是国家综合国力重要标志之一 美国国家标准技术研究院（NIST）统计，仪器 仪表总产值占工业总产值4％，但对国民经济的影 响达66％。

先进科学仪器设备是知识创新和技术创新的前提 仪器的进展代表着科技的前沿，是科学发展的支柱
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第一节
测控仪器的概念和组成
一、测控仪器的概念
按照系统工程学的观点,生产过程中有三大技术系统: ★ 以能量到能量变换为主的能量流系统
如锅炉, 冷凝器, 热交换器, 发动机等
★ 以材料到材料变换为主的材料流系统
如机床, 农业机械, 纺织机械, 液压机械等
★ 以信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等为主 的信息流系统 ，如仪器仪表、计算机、通信装置、自动控制 系统等。
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工作原理：
装配开始后，置于工作台和微夹持器上的微装配器件由立 体显微镜成像到CCD摄像机的靶面，经光电转换后送入图像采 集卡，将模拟信号转换成数字信号，传送到微机进行数字信号 处理，从而获得被装配器件的当前位姿信息。根据装配需求， 利用专用软件从位姿信息中提取驱动系统所需的定位参量数据， 控制工作台和微夹持具操作平台运动，以带动被装配器件在三 维装配空间的相对移动或旋转，从而完成最终装配任务。
（机械系统的整体设计，具体部件设计——重点） （微位移器件的原理、特点，微位移机构设计等）
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第六章
光学系统设计
（光学系统基本参数的确定，光辐射源及特征等）


第七章
第八章 第九章 第十章
定位与测量系统√
（涉及激光干涉仪、光栅、线纹尺等）
瞄准与对准系统
（光电自动对准系统等）

仪器是信息的源头技术
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我国现代精密仪器发展的现状
差距很大，大型的高档设备主要依赖进口


仪器仪表的使用: 在机械制造业中：对产品的静态与动态性能测试；
加工过程的控制与监测；设备运行中的故障诊断等。 与控制装置来控制行程和控制生产过程。


在自动化机床、自动化生产线：利用监测仪器
在电力、化工、石油工业中：对压力、流量、 在航天、航空工业中：对发动机转速、转矩、振
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光电管放大、倍增管放大等
瞄准部件
用来确定被测量的位置 (或零位），要求瞄准的重复 性精度要好，即指零准确。不要求高灵敏度（如双频
激光干涉仪的靶镜就是瞄准定位）
信息处理与运算装置
数据处理与运算部件主要用于数据加工、处理、运算
和校正等。可以利用硬件电路、单片机或微机来完成。
显示部件
显示部件是用指针与表盘、记录器、数字显示器、
6、好奇号火星车上的样品分析仪器
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二、测控仪器的组成
测控仪器种类繁多，其组成多种多样，但可按其各 部分的功能来分成若干组成部分。 测控仪器组成以图1—1 “微电子产品视觉检测仪” 为例说明。
仪器组成：
支承底座、精密工作台、 X、Y 二维运动导轨、立
柱、显微镜及 CCD 摄像器件、光栅系统、精密驱动
要求： 掌握机、光、电、计算机技术相结合的仪 器总体设计的基础理论知识； 学会如何从设计任务出发，进行总体设计 的方法； 具有进行仪器精度设计的能力。
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参考书籍



张善钟编，《精密仪器精度理论》 薛实福等编， 《精密仪器设计》 孙祖宝主编， 《量仪设计》 陈非凡编， 《仪器设计技术基础》 相关的书籍及论文……….
按功能将仪器分成以下几个组成部分： 1 基准部件 5 信息处理与运算装置 2 传感器与感受转换部件 3 放大部件 6 显示部件 7 驱动控制器部件
4 瞄准部件
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8 机械结构部件
基准部件
测量的过程是一个被测量与标准量比较的过程， 因此，仪器中要有与被测量相比较的标准量，标准 量与其相应的装置一起，称为仪器的基准部件。 （如量块、精密测量丝杠、度盘、光栅尺、磁栅尺、
此正确选用和设计传感器是十分重要的，通常要遵守仪器设计的
精度原则和经济原则等。 常用的传感器有机械式、电子式、光电式、光学式、声学式、
压电式等等，有数千种，选用时一定要分析清楚其工作原理、精
度指标、测量范围、使用场合、特点和成本。同时一定要注意要 按照被测参数的定义来选用和设计传感器。 （也有接触式－电 感、非接触式－气动、光学、CCD等）
③具有进行仪器精度设计的能力，初步具有正确估算和分析仪 器精度的能力。 本门课程力求使学生在测控仪器设计中具有勇于探索、有创新思 维的设计能力。
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二、测控仪器的组成
先看几个仪器应用： 1、探月 2、原子吸收分光光度法 3、自动加工
4、自动生产线（灌装机）
5、片材专用带摄像头画像处理模切机
测量对象：如示波器、信号发生器、相位测量仪、频率发生器、动 态信号分析仪等。
7. 光学与声学量测量仪器
测量对象：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传 递函数测量仪等。
8. 电离辐射计量仪器
测量对象：如各种放射性、核素计量，x、γ射线及中子计量仪器等。
以上8大类计量仪器的共性技术： 计量测试仪器的 设计理论 和 测试理论
“仪器仪表工业是信息工业，是信息的源头”这一论断是1995年我
国20多位院士共同向国务院提交的“关于振兴仪器仪表工业的建议” 中和第34次香山科技会议上科学家们达成的共识。 2.最引人注目的是在生物、医学、材料、航天、国防等关系到人类 生存和发展的诸多领域内； 3.仪器的研制和生产趋向高精度、高效率、高可靠性、智能化、微 型化、集成化、芯片化和系统工程化；
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放大部件
将感受转换来的微小信号，通过各种原理（如：光、 机、电、气）进一步转换和放大、直接接收、提供 显示或进一步处理。
分类 实例 齿轮放大，杠杆放大，弹性 名称 机械系统
机械式放大部件
及刚度放大等
光学系统 电子信息处理 系统 光电系统
光准直式、显微镜式、投影 光学式放大部件 放大、摄影放大式、莫尔条 纹、光干涉等 前置放大、功率放大等 电子放大部件 光电放大部件
测量对象：如各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪，力 矩测量仪、振动测量仪等。
4. 时间频率计量仪器
测量对象：时间、频率等
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5. 电磁量计量仪器
测量对象：用于测量各种电量和磁量的仪器，如各种交、直流电流 表、电压表、功率表、电阻、电容测量仪、静电仪、磁参数测量仪等。
6. 无线电参数测量仪器


课程难点

仪器精度设计是本课程的难点之一 测控仪器总体设计时需要考虑的一些问题 测控仪器设计原理和原则 测控仪器主要结构参数与技术指标的确定 方法 测控仪器现代化设计方法基础


如何去学




课程听课是最重要方法 阅读参考文献也是非常重要 及时完成作业 对课堂问题的在线讨论 对重要知识点做部分笔记或补充 预习、思考。。。。

测控仪器设计方法的抽象与应用 设计创意（个人不同：铅笔+白纸）
部分基本工具



Matlab/Simulink/SCILAB AutoCAD/ProEngineering/Solidworks Protel/DXP ANSYS Visual C++
课程重点

仪器精度设计是本课程的重点之一 测控仪器总体设计时需要考虑的一些问题 测控仪器设计原理和原则具体应用问题 测控仪器主要结构参数与技术指标的确定 方法 创造性设计思想及其在仪器结构设计中的 应用问题
自动调焦系统
（对图像处理中的焦距调整等）
机械伺服系统设计
（伺服系统组成、设计等）

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第十一章 微型机电系统
第一章
现代精密仪器设计概论
第一节 测控仪器的概念和组成
第二节 测控仪器的发展状况与趋势
第三节 测量仪器通用术语及定义 第四节 测控仪器设计的要求和设计程序
第五节 测控仪器的设计原则
感应同步器）
有的仪器中无标准器而是用校准的方法将标准量 复现到仪器中。 标准量的精度对仪器的测量精度影响很大，在大 多数情况下是1∶1，在仪器设计时必须予以重视。
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传感器与感受转换部件
测控仪器中的传感器是仪器的感受转换部件，它的作用是感受 被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号。 不同测量对象可以用不同测量原理的传感器进行感受与转换，因
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对象：物质实体及其属性
仪器的功能：
通过物理、化学或生物的方法，获取（被测对 象运动或变化的）信息，通过信息转换的处理，使 其成为人们易于阅读和识别表达的量化形式，或进 一步信息化、图像化，通过显示系统以利于观测、 入库存档或直接进入自动化智能运转控制系统。
研究内容：信息的获取、处理和利用
系统、光源。
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图1-1
微电子产品视觉检测仪三维效果图
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三维表面形貌测量系统
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图1—2
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微电子产品视觉检测仪组成框图
工作原理：
Z 向运动具有自动调焦功能，通过计算机对 CCD 摄像器件摄取图像进行分析，用调焦评价函数来判断 调焦质量。被检测的印刷线路板或IC芯片的瞄准用可 变焦的光学显微镜和 CCD摄像器件来完成。摄像机的 输出经图像卡送到计算机进行图像处理实现精密定位 和图像识别与计算，并给出被检测件的尺寸值、误差 值及缺陷状况。
温度、成分、尺寸等参数的检测和控制；对压力容器泄漏 和裂纹的检测等。 动、噪声、动力特性、喷油压力、管道流量的测量；对构 件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的电流、电压、 绝缘强度的测量等。

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仪器的发展趋势
1.发展仪器科学是国家的一项战略举措； 1955年制定12年科技远景规划，仪器仪表工业处于第54项。
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课程特点


本课程是测控技术与仪器专业最后一门专业课，内容不仅 涉及光、机、电、算各个方面，而且涉及测控方法学和涉 及方法学等知识。 科学思维向工程思维的转变
绝大多数工程问题没有唯一解
没有最好，只有更好




仪器原理的抽象和具体化
根据仪器的原理图可以抽象出仪器的结构 根据仪器的结构可以抽象出仪器的原理图
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
现代精密仪器设计
主编：清华大学 李庆祥
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原来使用的是天大主编 《测控仪器设计》
为测控专业的一门主修课程，是一门 综合性的专业课主修课程。使得学会从设 计任务出发，进行测控仪器的设计分析、 计算与综合。
2018/5/19
原来使用的是天大主编 《测控仪器设计》