测控仪器结构设计第一章(15版)教程
测控仪器设计教案
测控仪器设计教案一、教学目标1. 了解测控仪器的基本概念、组成和分类。
2. 掌握测控仪器的设计原则和方法。
3. 熟悉常见测控仪器的设计案例。
4. 提高学生对测控仪器设计的创新能力和实践能力。
二、教学内容1. 测控仪器的基本概念1.1 测控仪器的定义1.2 测控仪器的作用1.3 测控仪器的分类2. 测控仪器的组成2.1 传感器2.2 信号处理电路2.3 显示与输出2.4 控制与通信3. 测控仪器的设计原则3.1 可靠性3.2 准确性3.3 稳定性3.4 灵敏度3.5 抗干扰性4. 测控仪器的设计方法4.1 需求分析4.2 方案设计4.3 参数设计4.4 系统仿真4.5 硬件选型与设计4.6 软件设计与实现5. 常见测控仪器的设计案例5.1 温度控制器5.2 压力传感器5.3 流量计5.4 液位控制器5.5 超声波测距仪三、教学方法1. 讲授法：讲解测控仪器的基本概念、组成、设计原则和方法。
2. 案例分析法：分析常见测控仪器的设计案例，让学生了解实际应用。
3. 实践操作法：引导学生参与实际设计项目，提高设计能力和创新能力。
4. 讨论法：组织学生进行小组讨论，分享设计经验和心得。
四、教学条件1. 教室环境：宽敞明亮的教室，配备投影仪、计算机等教学设备。
2. 实践基地：具备一定的实验室条件，可供学生进行实践操作。
3. 教材与参考书：选用合适的教材和参考书，为学生提供学习资料。
五、教学评价1. 平时成绩：考察学生的出勤、课堂表现、作业完成情况。
2. 设计报告：评估学生测控仪器设计报告的质量，包括需求分析、设计方案、参数设计、系统仿真等方面。
3. 实践操作：评价学生在实验室实践操作中的表现，包括硬件选型与设计、软件设计与实现等方面。
4. 小组讨论：评估学生在小组讨论中的参与程度和贡献。
六、教学安排1. 课时：共计32课时，包括理论教学和实践教学。
2. 教学计划：第1-4课时：测控仪器的基本概念与分类第5-8课时：测控仪器的组成及其作用第9-12课时：测控仪器的设计原则与方法第13-16课时：常见测控仪器的设计案例分析第17-20课时：设计实践与操作第21-24课时：小组讨论与分享七、教学资源1. 教材：选用国内外权威的测控仪器设计教材。
测控仪器设计
B.从计量测试角度将仪器分为计量仪器和非计量仪器 两大类：
（1）计量仪器： （2）非计量仪器： 指除计量仪器外，借助仪器的作用完成一定任务和程序的各种光、 电精密机械。可分为：
观察仪器
非计量仪器
显示仪器 记录仪器 计算仪器 调节仪器（控制仪）
2、基本组成
仪器种类异常繁多，但不论测控仪器有多大的差别， 我们仍可以从它的功能或其它方面出发将其分为若干 个基本的组成部分。 1．基准部件 2．感受转换部件 3．转换放大部件 4．瞄准部件 5．处理与计算装置 6．显示部件 7．驱动控制器 8．机械结构部件
1.1.2 我国现代测控仪器发展的状况
我国仪器仪表产品与国外的主要差距: 1、品种系列不全，成套水平低。 2、技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低1—2 个等级。 3、标准化程度低。绝大多数产品没有可靠性指标，既影 响制造厂的生产效率，也给用户及维修带来很大的不便。 4、新技术采用缓慢，产品更新换代周期长。 5、产品结构落后、功能少、智能化程度低。 目前与世界先进水平的差距还在不断扩大，大量高档仪 器和重大设备，主要依赖进口。
1.1.3 仪器发展的趋势
1、发展科学仪器已经成为国家的一项战略措施。 2、当今科学仪器技术最引入注目的发展是在生物、医 学、材料、航天、环保、国防等直接关系到人类生存和 发展的诸多领域中。
发展趋势：高分辨率、高选择性、高灵敏度的活体动态研究
技术、原位技术、非接触（无损）检测技术等。
追求目标：超快时间和超息的源头技术
仪器是国家高科技发展水平的标志。 仪器是一种获取信息的工具，起着不可缺少的信息源的作用。仪 器是信息时代的信息获取—处理—利用的源头技术。新技术革命 的关键技术是信息技术。信息技术由测试技术、计算机技术、通 信技术3部分组成。测试技术则是关键和基础。 仪器不是单纯的测控仪器，也不是单纯的精密机械加光学，而是 机、电、光、计算机、材料科学、物理、化学、生物学等先进技 术的高度综合的高技术。
《测控仪器设计》2015课(第一章)
感受转 换部件
转换放 大部件 驱动控 制部件
机械结 构部件
光电测控技术与装备研究所
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精密仪器设计
Z 向光栅、精密驱动系统及 图像采集系统
Y向工作台、光栅及精 密驱动系统
光源
X向光栅
Harbin Institute of Technology PAGE - 15 -
底座 X工作台 X精密驱动系统
光电测控技术与装备研究所
光电测控技术与装备研究所
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Harbin Institute of Technology PAGE - 23 -
投 影 仪
精密仪器设计
分辨率： 0.010mm；角度5′
光电测控技术与装备研究所
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Harbin Institute of Technology PAGE - 24 -
常用量具
光电测控技术与装备研究所
光电测控技术与装备研究所
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Harbin Institute of Technology PAGE - 12 -
精密仪器设计
二、精密仪器的基本组成
精 密 仪 器
Harbin Institute of Technology PAGE - 换 部 件
转 换 放 大 部 件
光电测控技术与装备研究所
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Harbin Institute of Technology PAGE - 11 -
第一节 精密仪器的分类和组成
光电测控技术与装备研究所
精密仪器设计
精密仪器设计
精密仪器测量分类：
几何量计量仪器 热工量计量仪器 机械量计量仪器 时间频率计量仪器 电磁计量仪器 无线电参数计量仪器 光学与声学参数计量仪器 电离辐射计量仪器
测控仪器设计节PPT课件
对光速的测定。
当时的人们认为光在太空中传播需要
介质“以太”，正如声音的传递需要
介质（空气等）。
7
美国物理学家。1852 年12月19日出生于普鲁士斯特 雷诺（现属波兰），后随父母移居美国，毕业于美国海军学 院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席，美国科 学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员， 1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。
（1）首先要能够正确得到仪器作用方程； （2）对于不能列入仪器作用方程的源误差，不能用
微分法求其对仪器精度产生的影响，例如仪器中经常遇到的 测杆间隙、度盘的安装偏心等，因为此类源误差通常产生于 装配调整环节，与仪器作用方程无关。
6
补充：迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)
c
d
v
t1 t2
10
结果： 观察者先看到投出后的球，
后看到投出前的球。
球 投
c
出
d
前
球 投
v c v
出
后
t1
d c
t2
c
d
v
t1 t2
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机械波的传播需要媒质，当时物理学家们认为光波在 宇宙中传播也需要一种媒质----以太。
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十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预 言了以光速C传播的电磁波的存在。到十九世纪末，实验 完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么？它的传播速度 C是对谁而言的呢？当时流行的看法是整个宇宙空间充满 一种特殊物质叫做“以太”，电磁波是以太振动的传播。 但人们发现，这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是 在一个静止的以太中运动，那么根据速度叠加原理，在地 球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否 定了这个结论。如果认为以太被地球带着走，又明显与天 文学上的一些观测结果不符。
测控仪器设计
• 第四代智能仪器。随着微电子技术的发展 和微处理器的普及，20世纪80年代出现了 在数字化的基础上，以微处理器为核心的 第四代测控仪器。 • 1)高精度、高可靠性 • 2)通用化、标准化与高效率 • 3)应用新原理、新技术 • 4)多维化、多功能化 • 5)高智能化
• • • •
6)网络化 1.3.2 虚拟仪器 1)概念 随着微电子技术、计算机软、硬件技术和 网络技术的迅速发展及其在现代仪器中的 广泛应用，新的测试领域和需求不断产生， 新的测试理论、测试方法、测试技术以及 仪器结构也不断涌现，这在许多方面已经 并将继续改变传统仪器的概念。
第1章 概论
• 1.1 概述 • 1.1.1 测控仪器的概念 • 仪器是人们认识世界、改造世界的手段和 工具，是用来对客观物质实体及其本质属 性进行观察、监视、测量、记录、传输、 转换、显示、分析、处理以及控制的各种 器具、设备与系统的总称，是信息技术的 源头。
• 测量是为确定被测对象的量值而进行的实 验过程，也是通过实验（试验）对客观事 物取得定量意义(或叫信息)的过程。 • 测量仪器：将被测量取出并与测量标准进 行比较，准确地表示被测量的真实数值， 其主要测量对象是各种物理量。 • 测量仪器可分为： • (1)几何量测量仪器 • (2)热工量测量仪器
• 第一代模拟指针式仪器是以电磁感应定律为 基础的，起源于20世纪40年代，主要是针对 某种测试目的而专门设计制造的专用仪器。 • 第二代分立元件仪器。当20世纪50年代出现 电子管，60年代出现晶体管时便产生了以电 子管或晶体管为基础的第二代测控仪器。
• 第三代数字化仪器。20世纪70年代集成电路 出现，随之诞生了以集成电路芯片为基础的 第三代测控仪器——数字化仪器。
示器等各种输出设备、数模转换器和信号 驱动器等构成，其作用是将输出数据以数 据、曲线、图形甚至多维测试结果模型来 显示、打印、存储或再转换成模拟信号输 出。 • 联网是虚拟仪器通信接口中重要的选件， 经过它可以使本仪器与其他计算机系统或 仪器相联，进行广泛的信息交换。 • 2)特点
测控仪器设计教案
测控仪器设计教案一、教学目标1. 了解测控仪器的基本概念、分类和作用。
2. 掌握测控仪器的设计原则和方法。
3. 熟悉测控仪器的组成部件及工作原理。
4. 能够运用测控仪器设计的基本理论解决实际问题。
二、教学内容1. 测控仪器的基本概念1.1 测控仪器的定义1.2 测控仪器的发展历程1.3 测控仪器在工程中的应用2. 测控仪器的分类与作用2.1 分类2.1.1 模拟式测控仪器2.1.2 数字式测控仪器2.1.3 智能式测控仪器2.2 作用2.2.1 测量功能2.2.2 控制功能2.2.3 信号处理功能3. 测控仪器的设计原则和方法3.1 设计原则3.1.1 准确性3.1.2 可靠性3.1.3 稳定性3.1.4 经济性3.2 设计方法3.2.1 系统分析3.2.2 系统设计3.2.3 系统仿真3.2.4 系统实现4. 测控仪器的组成部件及工作原理4.1 传感器4.1.1 传感器的分类4.1.2 传感器的工作原理4.2 信号处理器4.2.1 信号处理器的功能4.2.2 信号处理器的种类4.3 执行器4.3.1 执行器的功能4.3.2 执行器的种类三、教学方法1. 讲授法：讲解测控仪器的基本概念、分类、作用、设计原则和方法。
2. 案例分析法：分析典型测控仪器的设计实例，让学生更好地理解测控仪器的设计过程。
3. 实验法：安排实验室实践，使学生熟练掌握测控仪器的组成部件及工作原理。
四、教学评价1. 平时成绩：考察学生的出勤、课堂表现和作业完成情况。
2. 期中考试：测试学生对测控仪器设计基本知识的掌握程度。
3. 课程设计：评估学生在实际项目中运用测控仪器设计的能力。
五、教学资源1. 教材：选用国内权威的测控仪器设计教材。
2. 课件：制作精美、内容丰富的课件。
3. 实验室设备：提供测控仪器实验设备，便于学生实践操作。
4. 网络资源：利用网络平台，提供相关学术论文、技术资料，方便学生自主学习。
六、教学安排1. 课时：本课程共计32课时，包括16次课。
测控仪器设计教案
12.1 教学目标
1. 了解测控仪器市场的现状和趋势。
2. 学习测控仪器市场分析的方法和技巧。
3. 掌握测控仪器经济分析的基本原理。
12.2 教学内容
1. 测控仪器市场的现状和趋势
2. 测控仪器市场分析的方法和技巧
3. 测控仪器经济分析的基本原理
12.3 教学方法
1. 讲授法：讲解测控仪器市场的现状和趋势。
9. 创新与实践：激发学生创新思维，学习创新方法和步骤，培养实际操作能力和创新实践。
10. 标准化与法规：理解标准化的意义和作用，掌握相关标准和法规，学会使用标准化方法和法规进行设计和生产。
11. 市场与经济分析：了解测控仪器市场的现状和趋势，学会市场分析的方法和技巧，掌握经济分析的基本原理。
12. 项目管理：理解项目管理的重要性，掌握项目管理的基本原理和方法，学会使用项目管理工具进行项目规划和管理。
3. 课后作业：布置相关习题，巩固学生对测控仪器市场与经济分析知识的应用。
第十三章：测控仪器的项目管理
13.1 教学目标
1. 理解项目管理在测控仪器开发中的重要性。
2. 掌握项目管理的基本原理和方法。
3. 学会使用项目管理工具进行测控仪器项目规划和管理。
13.2 教学内容
1. 项目管理在测控仪器开发中的重要性
3. 课后作业：布置相关习题，巩固学生对测控仪器误差处理知识的应用。
第四章：测控仪器的可靠性与维护
4.1 教学目标
1. 理解测控仪器可靠性的重要性。
2. 掌握测控仪器可靠性的评价方法。
3. 学会测控仪器的维护与故障处理。
4.2 教学内容
1. 测控仪器可靠性的重要性
测控仪器设计教案
测控仪器设计教案测控03《测控仪器设计》教案第一章绪论1.1、仪器发展过程仪器：是对物质世界信息进行测量与控制的设备。
1、按所采用的电子器件：真空管-→晶体管-→集成电路(三个时代)2、按组成结构、工作原理和功能特点：模拟式-→数字式-→智能化(三个发展阶段)第一代：模拟式仪器。
如指针式的电压表、电流表、功率表。
机械式特点：功能简单、精度低、响应速度慢。
第二代：数字式仪器。
如数字万用表、数字频率计。
数电基本特点：是将待测的模拟信号转换成数字信号进行测量，测量结果以数字形式输出显示并向外传送。
精度高，响应速度快，读数清晰、直观。
第三代：智能仪器。
概念：是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等)，因而被称之为智能仪器。
(1)是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与测量仪器相结合的产物。
微处理器在智能仪器中的作用主要体现在以下两方面：①对测试过程的控制：接受键盘或通信接口的命令，解释并执行这些命令，控制各部分的工作过程，同时对工作状态进行监测。
②对测试数据的处理：表现为硬件电路只需具备最基本的测试能力，能向微型计算机提供原始数据即可。
对数据的进一步处理如滤波、运算等可由软件完成。
(2)智能仪器基本技术指标测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技术指标。
对仪器的误差进行校准可以保证仪器具有规定睥准确度。
而对仪器的故障进行检测和诊断则可及进发现错误、排除故障，使仪器可靠的工作。
保证仪器准确度(精度)措施：温度补偿、非线性校正、滤波；保证仪器可靠性措施：冗余设计、故障诊断。
故障诊断方法：给被测对象施加一定的检测信号，根据其输出响应信号来判断是否存在故障。
由于具有数字存储、运算、逻辑判断能力，可根据被测参数的变化自动选择量程，具有自动校正、自动补偿、自寻故障等功能，可以完成需要人类的智慧才能胜任的工作，即具备了一定的"智能"，故称之为智能仪器。
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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
2018/11/4
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
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）
2018/11/4
第十一章 微型机电系统
第一章
现代精密仪器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
（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）
2018/11/4
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）
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
2018/11/4
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。
2018/11/4
参考书籍
2018/11/4
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√
仪器是信息的源头技术
2018/11/4
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
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。
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
2018/11/4
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。
2018/11/4
原来使用的是天大主编 《测控仪器设计》
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
“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；
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……….
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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