精密仪器设计13第六章1
第六章第1节 质量第2课时 质量的测量技巧
课堂教学展示 课堂小结
质量的特殊测量
累积法测质量
质量测量技巧 的应用
天平使用中常出 现的错误和问题
用天平正确称量 一定液体的质量
课后反馈总结 布置作业
1.从课后习题中选取； 2.完成练习册本课时的习题。
课后反馈总结 习题解答（见教材P112 动手动脑学物理）
2.如何称出一个大头针的质量？说出你的测量方 法，并实际测一测.
课堂教学展示 随堂演练
1．在用托盘天平测量质量的实验中，如果使
用了沾有油污的砝码，则（ B ）
A.测量值比真实值偏大 解析：砝码沾满了油污，
B.测量值比真实值偏小 砝码本身的质量会变大，
C.测量结果仍然很准确
而物体的质量经过这样的 砝码测出来会仍按砝码所
D.测量结果偏大偏小是 示的质量读数，物体的测
不能确定的
量值会比真实值偏小.
2．要测量出一张普通邮票的质量，下列方案中可行
的是（ B ）
A.先测一只信封的质量，再将邮票贴在信封上，测出 信封和邮票的总质量，两次相减得邮票质量
B.先测出数百张相同邮票的质量，再除以邮票的张数
C.天平是测质量的精密仪器，直接把一张邮票放在托 盘内可以测量出其质量
D.用刻度尺测出邮票的长宽厚，计算出邮票体积，再 查找出有关纸的密度，算出邮票的质量
不能准确测出物体的质量. 应采取累积法 （测多算少）取同样的物体若干，直到 天平能测出其总质量为止，然后用总质 量除以数量.
2.质量测量技巧的应用
如图所示，测量自己所在地区在地图上 的面积，但发现自己所在的地区的地图 形状不规则. 你会怎么处理？
将地图上的A地区大小不变地描在一块 硬纸板的左边.
第2课时 质量的测量技巧
精密仪器校准技术手册
精密仪器校准技术手册第一章：介绍精密仪器校准是确保仪器准确度和稳定性的关键步骤。
本手册旨在提供一套完整的精密仪器校准技术指南，帮助操作人员正确进行校准工作，以确保测量结果的可靠性和精确性。
第二章：校准的基本原理在进行精密仪器校准之前，我们需要了解校准的基本原理。
校准是通过与已知标准进行比较，来确定仪器的测量误差和偏差。
校准过程中，我们需要考虑到仪器的环境条件、使用限制以及校准过程中的不确定度，以确保校准的准确性。
第三章：校准准备在进行精密仪器校准之前，需要进行一系列的准备工作。
这包括：检查仪器完整性和外观，确保仪器处于良好的工作状态；确认校准设备的可用性和准确性；准备好校准所需的标准物资和校准程序。
第四章：校准步骤校准步骤是根据不同的仪器类型和校准需求而定的。
在本手册中，我们将以示例仪器进行说明，包括温度计校准、压力计校准和电子秤校准等。
针对每种仪器，我们将详细介绍每个校准步骤，包括准备仪器、调整仪器和记录校准结果。
第五章：校准不确定度评估校准过程中存在不确定度的影响，需要对其进行评估和控制。
本章将介绍校准不确定度的计算方法和评估指标，以帮助操作人员理解校准结果的可信度和准确度，并提供一些常见问题的解决方案。
第六章：校准结果分析与报告在完成校准过程后，我们需要对校准结果进行分析和报告。
本章将介绍如何分析校准结果，包括计算测量误差、判断校准合格与否，以及编写校准报告的要点和格式。
第七章：校准记录和追溯校准记录的建立和追溯性是校准的关键要求之一。
本章将介绍良好的校准记录和追溯性的重要性，并提供一些建立和管理校准记录的建议。
结论精密仪器校准是确保仪器工作准确性和可靠性的重要过程。
本手册提供了一系列全面的校准技术指南，包括校准的基本原理、校准准备、校准步骤、校准不确定度评估、校准结果分析与报告，以及校准记录和追溯等方面的内容。
通过正确应用本手册的指南，操作人员将能够保证精密仪器校准的准确性和可靠性，从而提高测量结果的精确性和可靠性。
精密仪器的规章制度
精密仪器的规章制度第一章总则第一条为了规范精密仪器的使用、维护和管理，保障仪器的安全运行和正常使用，制定本规章制度。
第二条本规章制度适用于本单位所有的精密仪器的管理和使用，包括但不限于实验仪器、检测仪器、分析仪器等。
第三条精密仪器的管理原则是“安全第一、预防为主、维护为重”。
第四条精密仪器的管理工作由设备管理部门负责执行，各部门负有根据本规章制度的要求，合理合法地管理和使用仪器。
第五条本规章制度的内容应当与国家相关法律法规、规章制度相衔接，一致并服从国家和地方的管理要求。
第二章精密仪器的使用第六条精密仪器的使用人员应当经过培训，取得相应的操作资格证书方可操作仪器。
第七条使用人员在操作仪器时，应当严格按照仪器的操作说明书进行操作，不得随意擅自更改操作步骤。
第八条使用人员操作完毕后，应当将仪器归位，清理干净，并且及时向设备管理部门报告仪器的使用情况。
第九条使用人员在使用过程中发现仪器出现故障或异常情况时，应当立即停止使用，并向设备管理部门报告。
第十条禁止未经授权的人员擅自使用精密仪器，一经发现，将严肃处理。
第三章精密仪器的维护第十一条精密仪器的维护工作由设备管理部门负责，包括定期维护、定期校准等。
第十二条维护人员应当按照仪器的维护手册进行定期维护工作，不得因私放松维护工作。
第十三条维护人员应当严格按照仪器的维护规范进行维护工作，做到不拖延、不疏忽。
第十四条维护人员在维护过程中发现仪器出现故障或异常情况时，应当及时向设备管理部门报告，停止使用，维修或更换故障件。
第十五条精密仪器定期校准工作必须由资质权威的机构进行，不得擅自更改校准周期或方式。
第十六条设备管理部门应当建立完善的仪器维护档案，做好每台仪器的维护记录、维修记录等。
第四章精密仪器的管理第十七条精密仪器的管理工作由设备管理部门全权负责，包括仪器的选型、购置、入库管理等。
第十八条精密仪器的购置必须经过设备管理部门层层审批，确定合适的品牌、型号，并签订合同。
第六章 自动调焦技术
其中：K 系统常数 K 通常K 1
cos
该系统在Z方向上灵敏度高。 （1）若Z轴无偏离，虽然有倾斜 但不影响测量结果； （2）若Z轴存在偏差和倾斜，则 造成调焦误差，需要采 取 高精度定位装置。
2.光电转换与信号处理
原理——采用正弦驱动狭缝振动并对刻线标记的二次象进行扫描。 组成—— 显微物镜 L2
精密仪器设计
Design of Precision Instrument
本章内容：
§ 6.1 调焦技术概述 § 6.2 自动调焦类型
§ 6.3 自动调焦方法
§ 6.4 调焦技术应用
§ 6.1 调焦技术概述
自动调焦（Autofocus）技术是精密仪器中提高仪器精 度的重要手段，有着广泛应用。
目的——建立统一评价标准，快速获得高清晰度图像。 调焦——沿光轴方向调整位置（1 DOF）； 调平——调整成像平面与光轴垂直(2 DOF)。
！
上式是喷嘴形状为理想状态得到，实际喷嘴有一定壁厚，需要
考虑喷嘴形状对测量气压Pm影响。
气流在环形口沿半径方 向的压力分布与间隙h满足 伯努利方程 h3 2.5 10
2 2
12 A12 Pw Pm
r42 Pm
h
1.4 10 1 A1
Pw Pm r4 ln 0 Pm r3
！
△I——反映了被测物面离焦的情况。
光束焦点偏离量
3.控制系统
反馈系统执行元件——音圈电机 精度——1μ m
(软铁1+永久磁铁)－>线圈4 －>电流 －>电磁力 －>物镜移动 －>反馈系统
四、比相法自动调焦
1.原理
——检测光波相位来进行自动调焦
《精密仪器设计(1)》课程教学大纲
《精密仪器设计（1）》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程代码：MI3102、课程名称（中/英文）：精密机械设计 Precision Machine Design3、学时/学分：72学时，4学分4、开课院（系）、教研室：电子信息及电气工程学院仪器系5、先修课程：《互换性技术与测量》、《工程制图》、《理论力学》、《材料力学》6、面向对象：测控技术及仪器专业本科三年级学生7、教材、教学参考书：教材名称：《精密机械设计》庞振基、黄其圣等主编出版社：机械工业出版社出版时间：2001年7月教学参考书：《电子精密机械设计(第3版)》徐祥和主编东南大学出版社1986年《金属材料与热处理》何雪涛主编高等教育出版社1998年《机械原理》郑文纬主编高等教育出版社1997年《互换性与测量技术基础》高延新主编哈尔滨工业大学出版社1992年《机械零件》郑志祥主编高等教育出版社1987年《理论力学》王崇斌编写高等教育出版社1988年《材料力学》沈煜高等教育出版社1988年《机械设计课程设计》西北工业大学机械学教研组编著西北工业大学出版社1994年《机械零件学习指南与课程设计》张绍甫徐锦康魏传儒编写机械工业出版社1996年《机械设计课程设计》巩云鹏田万禄张祖立黄秋波编写东北大学出版社2000年《机械设计课程设计》席伟光杨光李波编写高等教育出版社2003年二、课程性质和任务《精密机械设计》是仪器科学与工程专业本科学生学习的与机械类有关的最后一门专业课，同时也是一门与仪器仪表相关的专业基础课。
这门课程综合了《机械原理》、《金属材料及热处理》、《互换性与技术测量》及《机械零件》等课程的知识，因此本门课程涉及知识面广、专业性强、授课难度大。
《精密机械设计》主要研究精密机械中常用机构和常用的零件和部件。
是从机构分析、工作能力、精度和结构等诸方面来研究这些机构和零、部件，并介绍其工作原理、特点、应用范围、选型、材料、精度以及设计计算的一般原则和方法。
第六章 轴
第六章轴主要内容：§6-1 轴的材料及其选择§6-2 轴的结构设计§5-3 轴的强度计算§5-4 轴的刚度计算轴的作用1.轴是组成机器的重要零件之一，轴的主要功用是支承旋转零件、传递转矩和运动。
2.轴的分类直轴按外形的不同，可分为：光轴、阶梯轴按承受载荷不同，可分为：转轴、心轴、传动轴按轴线形状的不同，可分为：直轴、曲轴、挠性钢丝轴转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。
工作时既承受弯矩又承受转矩。
例：减速器中的轴心轴：用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。
分为转动心轴和固定心轴例：自行车的前后轮轴（固定心轴）火车车轴（转动心轴）传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩，或所承受的弯矩很小的轴。
例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。
直轴：可分为光轴和阶梯轴曲轴：常用于往复式机械中挠性钢丝轴：由几层紧贴在一起的钢丝层构成，可将转矩和旋转活动灵活的传到任何位置。
§6-1 轴的材料及其选择种类碳素钢：35、45、50、Q235合金钢: 20Cr 、20CrMnTi 、40CrNi 、38CrMoAlA 等碳素钢：因具有较好的综合力学性能，对应力集中敏感性比较低，应用较多，尤其是45钢应用最广。
合金钢：具有较高的力学性能，比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，但价格较贵，一般多用于特殊场合，如：①在传递大功率并要求减小尺寸和质量、②要求高的耐磨性，③以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢。
正火或调质处理。
§6-1 轴的材料及其选择注意：①合金钢对应力集中相对敏感；②在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量基本相同，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。
即不能靠选合金钢来提高轴的刚度。
③高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点；④钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。
大学_精密机械设计(庞振基黄其圣著)课后答案
精密机械设计(庞振基黄其圣著)课后答案精密机械设计(庞振基黄其圣著)内容简介前言基本物理量符号表绪论第一章精密机械设计的基础知识第一节概述第二节零件的工作能力及其计算第三节零件与机构的误差估算和精度第四节工艺性第五节标准化、系列化、通用化第六节零件的设计方法及其发展思考题及习题第二章工程材料和热处理第一节概述第二节金属材料的力学性能第三节常用的工程材料第四节钢的热处理第五节表面精饰第六节材料的选用原则思考题及习题第三章零件的几何精度第一节概述第二节极限与配合的基本术语和定义第三节光滑圆柱件的极限与配合及其选择第四节形状与位置公差及其选择第五节表面粗糙度及其选择思考题及习题第四章平面机构的结构分析第一节概述第二节运动副及其分类第三节平面机构的运动简图第四节平面机构的自由度第五节平面机构的组成原理和结构分析思考题及习题第五章平面连杆机构第一节概述第二节铰链四杆机构的基本型式及其演化第三节平面四杆机构曲柄存在的条件和几个基本概念第四节平面四杆机构的设计思考题及习题第六章凸轮机构第一节概述第二节从动件常用运动规律第三节图解法设计平面凸轮轮廓第四节解析法设计平面凸轮轮廓第五节凸轮机构基本尺寸的确定思考题及习题第七章摩擦轮传动和带传动第一节概述第二节磨擦轮传动第三节磨擦无级变速器第四节带传动第五节同步带传动第六节其它带传动简介思考题及习题第八章齿轮传动第一节概述第二节齿廓啮合基本定律第三节渐开线齿廓曲线第四节渐开线齿轮各部分的名称、符号和几何尺寸的计算第五节渐开线直齿圆柱齿轮传动第六节渐开线齿廓的切制原理、根切和最少齿数第七节变位齿轮第八节斜齿圆柱齿轮传动第九节齿轮传动的失效形式和材料第十节圆柱齿轮传动的强度计算第十一节圆锥齿轮传动第十二节蜗杆传动第十三节轮系第十四节齿轮传动精度第十五节齿轮传动的空回第十六节齿轮传动链的设计思考题及习题第九章螺旋传动第一节概述第二节滑动螺旋传动第三节滚珠螺旋传动第四节静压螺旋传动简介思考题及习题第十章轴、联轴器、离合器第一节概述第二节轴第三节联轴器第四节离合器思考题及习题第十一章支承第一节概述第二节滑动摩擦支承第三节滚动摩擦支承第四节弹性摩擦支承第五节流体摩擦支承及其它形式支承第六节精密轴承思考题及习题第十二章直线运动导轨第一节概述第二节滑动摩擦导轨第三节滚动摩擦导轨第四节弹性摩擦导轨第五节静压导轨简介思考题及习题第十三章弹性元件第一节概述第二节弹性元件的基本特性第三节螺旋弹簧第四节游丝第五节片簧第六节热双金属弹簧第七节其它弹性元件简介思考题及习题第十四章联接第一节概述第二节机械零件的联接第三节机械零件与光学零件的联接思考题及习题第十五章仪器常用装置第一节概述第二节微动装置第三节锁紧装置第四节示数装置第五节隔振器思考题及习题第十六章机械的计算机辅助设计第一节概述第二节计算机辅助设计系统的原理与构成第三节表格和线图的处理第四节机械优化设计第五节设计举例思考题及习题参考文献精密机械设计(庞振基黄其圣著)目录本书对精密机械及仪器仪表中常用机构和零部件的工作原理、适用范围、结构、设计计算方法，以及工程材料、零件几何精度的基础知识等诸方面均作了较为详细的阐述。
现代精密仪器设计第一章_概述
实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。
AFM的原理： 当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作 用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就 可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表 面形貌的信息
AFM 原子力显微镜
现代仪器仪表分6大类：
工业自动化仪表与控制系统——指工业，特别是流程产业生产过程中应
基因测量仪器问世，使世界基因研究计划提前6年完成。
(3)国防装备－“战斗力“
——1991年海湾战争美国精密制导炸弹和导弹占8%，12年后伊拉克战 提高90%以上, 靠一系列先进仪器仪表系统装备实现。 ——1994年美国国防部成立了“自动测试系统执行局”，统一海路空 测试技术，保证立体作战有效实施。现代武器装备无一不配备先 进的测量控制仪器仪表。
计量仪器
计量院
大尺寸、微尺寸、角度、热、光等
物理量 导出量，如速度、加速度等
举例
工具显微镜、电感(电容)测微仪、表面形貌仪、 光电光波比较仪、压力计、原子钟、色度计、
电子隧道加速度计等。
自准直仪 ：常用于测量导轨的直线度、平板的平面度(这时称为平面度测 量仪)等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。光电自准直仪多应用 于航空航天、船舶、军工等要求精密度极高的行业，例如机械加工工业的 质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度 测试标准 、棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等
用于RNA样品自动质量控制分析
Gene Logic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或
RNA，并对其进行荧光标记
清华大学生物系程京教授、长江学者 南洋理工大学和国防医学院
——借生物芯片进行血液检验有突破
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ξ一定，ω增大→调整时间减少。
四、伺服系统的基本要求
1、稳定性 2、精度
系统的稳定性、精度、快速 响应性的要求是相互关联的， 在进行伺服系统设计时，要首 先考虑系统的稳定性，然后在 满足精度要求的前提下尽量提 高系统的快速响应性。
3、快速响应性
一、伺服系统概念
伺服系统（随动系统）：是一种能够跟踪输入 的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、 速度或力输出的自动控制系统。
例：数控工作台伺服系统
组成部分：数字控制驱动、机械执行、检测装置等。
二、伺服系统的基本结构
1、数字控制驱动装置 ——将输入的控制信号进行处理，
转化为执行元件输出的速度、位移、力等，包括的功能元
第六章 精密伺服系统设计
了解精密仪器的控制系统的基本概念、 组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统 及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步 骤。
内容
6.1 概述 6.2 开环伺服控制系统设计 6.3 闭环伺服控制系统设计
6.1 概 述
一、伺服系统概念 二、伺服系统的基本结构 三、伺服系统的类型 四、伺服系统的基本要求 五、伺服系统设计方法及步骤
1、设计要求分析，系统方案设计 2、首先系对统伺性服能系统分的析设计要求进行分析，明确其应用场 合技3术和、条目执件的拟、行定基元本几件性种能技及指术传标方感及案其，器它经的性过选能评择指价标、，对比然后，根选据定现一有种 比4较、合机理的械方系案统。 设计 感5器、方及案控其设检制计测系装应统置包选括设择：计；控机制械方传式动选及择执；行执机行构元选件择选等择。；传 6、方案系设统计性是能系统复设查计的第一步，各构成环节的选择只
品，有专门厂家生产，设计时只需根据
4.成本低、要可求靠合性理好选用。。对于不同的执行元件，
∵其工作原理、所需的驱动信号不同， 其对应的驱动线路是不同的。
二、伺服系统的基本结构
1、数字控制驱动装置 2、机械执行装置
3、检测装置
二、伺服系统的基本结构
1、数字控制驱动装置
2、机械执行装置——伺服系统的控制对象，是直接实现
稳定性
伺服系统的稳定性取决于系统结构参数，如：惯性、 刚度、阻尼、增益等，与外界信号的性质或形式无关。 系统稳定性分析可根据系统的传递函数，采用各种自 动控制理论所提供的各种方法来判断。 系统不稳定的表现：外界干扰指令信号作用下，输出 信号不稳定、过渡过程随时间增加而增长，或表现为等 幅振荡，低速下爬行。
系统功能的主体，其行为的质量影响系统的性能。包括：传动 机构、导向机构和（或）执行机构。
3、检测装置
二、伺服系统的基本结构
1、数字控制驱动装置 2、机械执行装置
3、检测装置
二、伺服系统的基本结构
1、数字控制驱动装置 2、机械执行装置
3、检测装置——包括传感器及其信号转换电路。提取执
行装置的运动状态信号，转换为控制装置的接收信号，与指令 信号相比较，控制机械执行装置的运动。
按控制点特点： 点位控制系统
连续控制系统
同时控制两个或两个以上坐标轴的瞬时位置和移动 速度，以实现平面或空间曲线运动。
四、伺服系统的基本要求
1、稳定性 ——作用在系统上的扰动消失后，系
统能够恢复到原来的稳定状态下运行 或者在输入指令信号作用下，系统能 够达到新的稳定运行状态的能力。
2、精度
3、快速响应性
b.液压式：液压缸、液压马达等。
输出功率大，动作平稳。但需要相应的液压源，占地面积大， 容易漏油而污染环境，控制性能不如伺服电机。
c.气压式：气缸、气马达等。
气源方便，成本低，动作快，但输出功率小，体积大，工作 噪声大，且难于伺服控制。
伺服系统对执行元件的要求
1.惯性小、动力大。 2.体积小、重量轻。 3.便于计算机目控前制大。多数执行元件都已形成系列产
四、伺服系统的基本要求
1、稳定性
2、精度
3、快速响应性 ——反映系统的动态性能。其有
两方面含义：
快速响应性的含义
一是在动态响应过程中，输出量随输入指令信号 变化的迅速程度。其衡量参数为系统上升时间。 二是在动态响应过程中，输出量随输入指令信号 结束的迅速程度。其衡量参数为系统调整时间。
上升时间
件有：
2、机械执行装置
（1）驱动电路——将指令信号转 换为执行元件的驱动信号。
（2）执行元件——一种能量转换
装置，在驱动信号的驱动下，输
3、检测装置
出机械执行机构所需的机械能， 使之完成特定的任务。
执行元件
伺服系统中，常用的执行元件主要有如下几类： a.电气式：步进电动机，直、交流伺服电动机，
将电能→机械能。它是现代精密仪器中最常用的类型。
四、伺服系统的基本要求
1、稳定性
2、精度 ——输出量与输入指令的精确程度。可
以用输出量与输入量的偏差来衡量 。
3、快速响应性
影响系统精度的因素
1、元件本身的误差：如传感器、伺服放大器、机械 装置等。
2、输入信号的形式：如脉冲信号，方波、三角波、 正（余）弦波。
3、系统的结构形式：如元器件的联接形式、不同的 线路和机械结构。
其它要求：如调速范围，负 载能力，可靠性，寿命，体 积，质量以及成本等方面的 需求。
五、伺服系统设计方法及步骤
伺服系统要求各异，类型繁多，从而决定 了其结构的复杂性。不同的设计方法，决定了其 设计过程的复杂性。往往伺服系统的设计要经过 多次反复修改和调试才能获得较满意的结果，很 难一次成功。
五、伺服系统设计方法及步骤
——系统在阶跃信号作用下，输出响应从零上升到 稳定态值所需的时间。
上升时间主要取决于系统的阻尼比：阻尼比 越小，上升时间越短。
但阻尼比太小将导致最大超调量（系统输出 响应的最大值与稳态值的偏差）和调整时间加大， 而影响系统的稳定性。
调整时间
——系统的输出响应达到并保持其稳态值的一个 允许的误差范围内所需要的时间。
三、伺服系统类型
元件：电气伺服系统、液压伺服系统、电气—液压伺 服系统、电气—气动伺服系统等；
输出量：速度或加速度伺服系统，位置伺服系统等； 信号：模拟式伺服系统、数字式伺服系统； 结构：单回路伺服系统、多回路伺服系统；开环伺服
系统、闭环伺服系统。
三、伺服系统类型
按结构： 开环伺服系统
闭环伺服系统
半闭环伺服系统
三、伺服系统类型
按控制技术： 开环伺服系统
闭环伺服系统
半闭环伺服系统
三、伺服系统类型
按控制技术： 开环伺服系统
闭环伺服系统
半闭环伺服系统
三、伺服系统类型
按控制点特点： 点位控制系统
连续控制系统
只控制点与点间的位置，对于运动 轨迹没有严格限定，常用的有精密 定位工作台。
三、伺服系统类型