测控仪器设计(全)PPT课件
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测控仪器设计课件第3章(1.2.3节)
结论： 结论 许多线值
测量系统的仪器，很 难做到使各个坐标方 向或一个坐标方向上 的各个平面内均能遵 守阿贝原则。
图3-3 三坐标测量机 1-测头的触球 2-被测工件
图3-3 a)
图3-3 b)
基于上述实际情况，引出了扩展阿贝原则的思路和方法。 美国学者布莱恩（J.B.Bryan）建议将扩展了的阿贝原则表达如下： “位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于一条直线上。 如果这不可能，那么或者必须使传送位移的导轨没有角运动，或者必须用实际 角运动的数据计算偏移的影响"。 它包含三重意思，遵守了这三条中的一条，即遵守了阿贝原则。即： 1）标尺与被测量一条线； 2）如无法做到则确保导轨没有角运动； 3）或应跟踪测量，算出导轨偏移加以补偿。 举几例来了解阿贝原则扩展定义的应用。 举几例来了解阿贝原则扩展定义的应用。 以下实例的共性点：这些实例均采用了动态跟踪测量，随机补偿测量误差 的方法。动态跟踪测量补偿的方法是将监测系统与仪器主体固定为一体，一旦 经过统调和定标，则补偿的精度稳定。
∆ 1 = Stg ϕ
设S=30毫米，ϕ =1ˊ则引起的误差为 =30*0.0003=0.009mm
∆1
用千分尺测量工件的直径。符合阿 贝原则。如果由于安装等原因，测 微丝杆轴线的移动方向与尺寸线方 向有一夹角，则此时带来测量误差 为 ∆L = dϕ 2 / 4 ϕ 设d=20毫米， =1ˊ则引起的误差 为 ∆ 2=20mm × (0.0003)2 / 4 = 4.5 × 10−7 即误差微小到可以忽略不计的程 度。 误差和倾角φ成二次方关系，习惯 上称为二次微小误差 导轨间隙造成运动中的摆角 由于标准刻线尺与被测件的直径共 线误差微小到可以忽略不计
第三章 测控仪器总体设计
测控仪器设计课件第4章
第四章 精密机械系统的设计
保证仪器的测量精度、定位精度、运动精度
对基座的变形要控制在亚微米量级； 对工作台的定位精度和传动精度要求能达到0.1µm； 对导轨的直线度要求达到0.1µm/m； 主轴的回转精度要求达到0.01µm等。
本章共分为五节： 第一节 仪器的支承件设计 第二节 仪器的导轨及设计 第三节 主轴系统及设计 第四节 伺服机械系统设计 第五节 微位移机构及设计
1）稳定性好，花岗石经过了几百万年的天 然时效处理，内应力早已消除，几乎不变 形，稳定性极好。2）加工简便，采用研 磨、抛光会得到很高的精度和好的表面粗糙 度，加工工艺简便，其耐磨性比铸铁高5～ 10倍。 3）温度稳定性好，导热系数和线膨 胀系数均很小，在室内温度缓慢变化情况 下，产生的变形比钢小得多，约为铸铁的 1／2。4）吸振性好，内阻尼系数比钢大15 倍，不传递振动。 5）不导电，不磁化，抗 电磁影响性能好。6）维护保养方便，能抵 抗酸碱气体和溶液腐蚀，不用涂任何防锈油 脂。7）价格便宜。
弹性平均效应原 理
导轨设计应遵守的 原理和原则
定义
图示 图4—14
导向导轨与压紧导 在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为 导向面，另一面作压紧面，即导向和压紧分开，保证通 轨分立原则 过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度。
图4—14 导轨布置图 a）双V形导轨导向与压紧 b）万工显导轨布置图
主要内容
1）减少的办法有：①采用刚度设计，如有限元法；②结构设计，如设计加强 肋；③补偿措施，如用螺钉或其它方法反变形。 2）局部变形发生在载荷集中的地方，如立柱与导轨接触部分。 3）接触变形是由于微观不平度造成实际接触面积仅是名义接触面积的很小一 部分。为了减少接触变形，可采用预加载荷的办法增加接触刚度，对于固定不 动的接触面，预加载荷一般大于活动件及其上部件的重力与外载荷的和；对于 活动的接触面，预加载荷一般等于活动件及其上工件的重力和 。 ①滑动摩擦导轨与导轨面间的比压有关， 一般要求比压不大于0.04。 可采用 卸荷结构导轨。降低比压（导轨接触面部分单位面积上承受载荷的大小）。 ②良好的防护与润滑，也可增加耐磨性。 ③从导轨副的配合上选择，使静导轨硬度为动导轨硬度的1.1—1.2倍。 常用以 下不同硬度材料配合：铸铁—铸铁导轨、铸铁—淬硬铸铁导轨、铸铁—淬硬钢 导轨、铜合金—钢导轨、塑料导轨（聚四氟乙烯）—铸铁导轨，有较好的抗振 性和耐磨性，且温度适应性广（-200～+280℃），摩擦系数小。 ④从材料和热处理工艺上选择 ▼HT200～HT400铸铁高频淬火，淬火后硬度可达48～53HRC； ▼ “镶钢导轨”耐磨性比铸铁导轨高5～10倍。40Cr、T8、T10、GCrl5、 20Cr、20CrMnTi ▼镶塑料导轨具有摩擦系数小、耐磨性好、工艺简单、成本低等优点。对于润 滑不良或无法润滑的垂直导轨以及要求重复定位精度高，微进给移动无爬行 现象的情况下采用此种导轨最为适当
保证仪器的测量精度、定位精度、运动精度
对基座的变形要控制在亚微米量级； 对工作台的定位精度和传动精度要求能达到0.1µm； 对导轨的直线度要求达到0.1µm/m； 主轴的回转精度要求达到0.01µm等。
本章共分为五节： 第一节 仪器的支承件设计 第二节 仪器的导轨及设计 第三节 主轴系统及设计 第四节 伺服机械系统设计 第五节 微位移机构及设计
1）稳定性好，花岗石经过了几百万年的天 然时效处理，内应力早已消除，几乎不变 形，稳定性极好。2）加工简便，采用研 磨、抛光会得到很高的精度和好的表面粗糙 度，加工工艺简便，其耐磨性比铸铁高5～ 10倍。 3）温度稳定性好，导热系数和线膨 胀系数均很小，在室内温度缓慢变化情况 下，产生的变形比钢小得多，约为铸铁的 1／2。4）吸振性好，内阻尼系数比钢大15 倍，不传递振动。 5）不导电，不磁化，抗 电磁影响性能好。6）维护保养方便，能抵 抗酸碱气体和溶液腐蚀，不用涂任何防锈油 脂。7）价格便宜。
弹性平均效应原 理
导轨设计应遵守的 原理和原则
定义
图示 图4—14
导向导轨与压紧导 在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为 导向面，另一面作压紧面，即导向和压紧分开，保证通 轨分立原则 过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度。
图4—14 导轨布置图 a）双V形导轨导向与压紧 b）万工显导轨布置图
主要内容
1）减少的办法有：①采用刚度设计，如有限元法；②结构设计，如设计加强 肋；③补偿措施，如用螺钉或其它方法反变形。 2）局部变形发生在载荷集中的地方，如立柱与导轨接触部分。 3）接触变形是由于微观不平度造成实际接触面积仅是名义接触面积的很小一 部分。为了减少接触变形，可采用预加载荷的办法增加接触刚度，对于固定不 动的接触面，预加载荷一般大于活动件及其上部件的重力与外载荷的和；对于 活动的接触面，预加载荷一般等于活动件及其上工件的重力和 。 ①滑动摩擦导轨与导轨面间的比压有关， 一般要求比压不大于0.04。 可采用 卸荷结构导轨。降低比压（导轨接触面部分单位面积上承受载荷的大小）。 ②良好的防护与润滑，也可增加耐磨性。 ③从导轨副的配合上选择，使静导轨硬度为动导轨硬度的1.1—1.2倍。 常用以 下不同硬度材料配合：铸铁—铸铁导轨、铸铁—淬硬铸铁导轨、铸铁—淬硬钢 导轨、铜合金—钢导轨、塑料导轨（聚四氟乙烯）—铸铁导轨，有较好的抗振 性和耐磨性，且温度适应性广（-200～+280℃），摩擦系数小。 ④从材料和热处理工艺上选择 ▼HT200～HT400铸铁高频淬火，淬火后硬度可达48～53HRC； ▼ “镶钢导轨”耐磨性比铸铁导轨高5～10倍。40Cr、T8、T10、GCrl5、 20Cr、20CrMnTi ▼镶塑料导轨具有摩擦系数小、耐磨性好、工艺简单、成本低等优点。对于润 滑不良或无法润滑的垂直导轨以及要求重复定位精度高，微进给移动无爬行 现象的情况下采用此种导轨最为适当
测控仪器设计课件第3章(4.5.6.7节)
由此可知位移量同步比较测量原理的定义是：对复合参数进行测量的近代方法 是先分别用激光装置或光栅装置等测出它们各自的位移量，然后再根据它们之间 存在的特定关系由计算机系统直接进行运算比较而实现测量。
图3-24是采用电子式位移量同步比较原理所设计的万能齿轮整体误差测量机的 原理图。
图3—24 万能齿轮整体误差测量机原理图
图3—32 平行光管测量原理简图
图3—33 正切杠杆三条特性曲线
平行光管是一种能产生平行光束的仪器，是装校调整光学仪器的重要 工具之一，也是光学量度的重要仪器。当配用不同的分划板时，可用 来测量透镜或透镜组的焦距、分辨率等。 D550电子平行光管采用高分辨率电子目镜系统将分划板图像清晰成像 于CCD光敏面上，图像通过USB线传输至电脑显示器，通过专用图像 采集软件可实现分划板图像的放大显示、保存、及图像再处理。
由上述两个公式可以看出，差动式电感传 感器的灵敏度比非差动式提高一倍。
2．光学量差动比较测量
图3—27 双通道差动法 透过率 测量原理
1-辐射光 2-反射镜 3-透镜 4-汇聚透镜 5-光电元件 6-差动放大器 7-指示表
辐射光源1借助反射镜2和透镜3分别沿着标准通道I和测量通道II并行输送， 实现被测样品与标准台样品比较，以差值指示。因此，降低共模信号的影响，还 可消除杂散光的干扰。
三、补偿原理
补偿原理是仪器设计中一条内容广泛而意义重大的设计原理。如果在设计中， 采用包括补偿、调整、校正环节等技术措施，则往往能在提高仪器精度和改善仪 器性能方面收到良好的效果。
1．补偿环节的选择 为了取得比较明显的补偿效果，补偿环节应选择在仪器结构、工艺、精度上的薄弱环 节，对环境条件及外界干扰敏感的环节上。 2．补偿方法的确定 有光电方法、软件方法、电学方法、标准器比较的方法等。 3．补偿要求的分析 根据不同的补偿对象，有不同的补偿要求： 例如，对于导轨直线度偏差的补偿，必须要对整个行程范围进行连续逐点的补偿；而 对仪器示值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间选几点，达到选 定的特征点保证仪器示值精确即可。 4．综合补偿（最佳调整原理）的实施 优点：综合补偿方法具有简单、易行、补偿效果好的特点。
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
11
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。
12
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。
测控仪器设计课件(第四次课)
l
分度圆
o2
图2—19 齿轮传动
例2-6 测杆与导套之间的配合间隙所引起的作用误差 测杆与导套为摩擦传动作用副，专用线为导套中心先，
由于两着之间存在间隙使测杆倾斜 h ，引起的作
用误差可按几何关系折算为
F s(1 cos ) s
2
2
总结
大体上可以按照上面所述三种情况来计算一对 运动副作用误差。通常，能转换成瞬时臂误差的源
1．源误差可以转换成瞬时臂误差时的作用误差计算
设一对运动副的理论瞬时 臂是 r0 ( ) ，若运动副中存在一源误差直接表现为瞬时臂误差 r0 ( ) ，那么位移沿作用 线传递的基本公式为
dl [r0 ( ) r0 ( )]d
由瞬时臂误差
r0 ( ) 而引起的作用线上的附加位移(作用误差)为
（一）机构传递位移的基本公式
• 推力传动 传递位移时一对运动副之间的相互作用力为推力
•
摩擦力传动 传递位移时一对运动副之间的相互作用力为摩擦力
作用线 为一对运动副之间瞬时作用力的方向线
• 推力传动，其作用线是两构件接触区的公法线
•
摩擦力传动，其作用线是两构件接触区的公切线
如图2-17
位移沿作用线传递的基本公式为
arctan( r0 / R)
图2—21 小模数渐开线齿形检查仪
1—被测齿轮 2—基圆盘 3—主拖板 4—传动丝杠 5—斜尺 6—主导轨
7—手柄 8—测量拖板 9—测杆 10—测微仪 11—测量导轨 12—推力弹簧
测量拖板的位移距离为
s Ltan L r0 R r0
上式表明：测量拖板水平位移与基圆盘的转角位移之间的位移关系形成的是 一种以r0为基圆半径的标准渐开线。当被测齿形的展开长度有误差时，测微仪输
测控仪器设计
举例2：Abbe比较仪
2
d
d
d
(1
cos)
d 2
2
第二点瞄准
第二点读数
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
参数计算误差：
2
d
d
d
(1
cosΒιβλιοθήκη )d 22
2
20mm 0.0003 2 2
9107 (mm)
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
为什么Abbe比较仪的误差小？ 比较两个误差公式：
R' 1 at R1 at R
' R
R RS
a R a 串联电阻后其电阻
R RS
'
温度系数降低
二、变形最小原则及措施(热)
2)在扩散电阻上并联电阻RP
并联电阻
R RRP R RP
a
RP a
R RP Rat
• 标准和批量是减少成本的最佳方案
END：第二节 测控仪器设计原则
第三节 测控仪器设计原理
第三节 测控仪器设计原理
一、平均读数原理 二、比较测量原理 三、补偿原理
§3-3 一、平均读数原理
§3-3 一、平均读数原理
误差：
e sin
R
对径：
e sin( 180 ) e sin
R
R
§3-3 一、平均读数原理
一般情况：一个读数头的误差用 周期波来表示：
随力变化 而变化
二、变形最小原则及措施(热)
设计若能满足以下条件，则可消 除误差：
R10 R40 R20 R30
2
d
d
d
(1
cos)
d 2
2
第二点瞄准
第二点读数
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
参数计算误差：
2
d
d
d
(1
cosΒιβλιοθήκη )d 22
2
20mm 0.0003 2 2
9107 (mm)
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
为什么Abbe比较仪的误差小？ 比较两个误差公式：
R' 1 at R1 at R
' R
R RS
a R a 串联电阻后其电阻
R RS
'
温度系数降低
二、变形最小原则及措施(热)
2)在扩散电阻上并联电阻RP
并联电阻
R RRP R RP
a
RP a
R RP Rat
• 标准和批量是减少成本的最佳方案
END：第二节 测控仪器设计原则
第三节 测控仪器设计原理
第三节 测控仪器设计原理
一、平均读数原理 二、比较测量原理 三、补偿原理
§3-3 一、平均读数原理
§3-3 一、平均读数原理
误差：
e sin
R
对径：
e sin( 180 ) e sin
R
R
§3-3 一、平均读数原理
一般情况：一个读数头的误差用 周期波来表示：
随力变化 而变化
二、变形最小原则及措施(热)
设计若能满足以下条件，则可消 除误差：
R10 R40 R20 R30
测控仪器设计第章ppt课件
（3）滚柱和滚珠导轨的组合
灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱导轨承 载大的优点。
（4）滚柱与长圆柱轴导轨组合
轻载部件中使用
滚动导轨计算
1、运动导轨的长度
L
LB
l 2
2、滚动体的尺寸和数量
Z柱
W 4l
3、强度与刚度计算
Z珠
W 9.5
d
六、静压导轨及设计要点
静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油 或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之 间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦
（1）导轨的几何精度
二、导轨部件设计的基本要求 （一）导向精度
导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。
对一副导轨来说其直线度是非常重要的精 度指标，它取决于导轨面的几何精度、接 触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚 度及导轨与基座的热变形等。
（1）导轨的几何精度
（2）接触精度
减少接触面的表面粗糙度：滑动导轨—动导轨Ra 0.8-0.2µm ，静导轨0.4-0.1µm 。滚动导轨面Ra 小于0.2µm
运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩
(2)双圆弧滚珠导轨
计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用
接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、 寿命长。
（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨
优点：运动精度和灵活性较高，维修方便
缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器 上（如掩膜检查显微镜工作台）
a）两滚道型导轨结构简图 b） 四滚道型导轨结构简图
第四节 主轴系统及设计
一、主轴系统设计的基本要求
主轴系统设计的主要要求:
是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要 求有一定的刚度和热稳定性
灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱导轨承 载大的优点。
（4）滚柱与长圆柱轴导轨组合
轻载部件中使用
滚动导轨计算
1、运动导轨的长度
L
LB
l 2
2、滚动体的尺寸和数量
Z柱
W 4l
3、强度与刚度计算
Z珠
W 9.5
d
六、静压导轨及设计要点
静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油 或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之 间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦
（1）导轨的几何精度
二、导轨部件设计的基本要求 （一）导向精度
导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。
对一副导轨来说其直线度是非常重要的精 度指标，它取决于导轨面的几何精度、接 触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚 度及导轨与基座的热变形等。
（1）导轨的几何精度
（2）接触精度
减少接触面的表面粗糙度：滑动导轨—动导轨Ra 0.8-0.2µm ，静导轨0.4-0.1µm 。滚动导轨面Ra 小于0.2µm
运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩
(2)双圆弧滚珠导轨
计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用
接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、 寿命长。
（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨
优点：运动精度和灵活性较高，维修方便
缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器 上（如掩膜检查显微镜工作台）
a）两滚道型导轨结构简图 b） 四滚道型导轨结构简图
第四节 主轴系统及设计
一、主轴系统设计的基本要求
主轴系统设计的主要要求:
是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要 求有一定的刚度和热稳定性
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量程是7 ℃。
✓ 测量范围
• 测量仪器误差允 许范围内的被测 量值。
如光学计的示值范围 为±0.1mm，但其悬臂可 沿立柱调节180mm，在该 范围内仍可保证仪器的测 量精度，则其测量范围为 180±0.1mm。
光学计
✓ 灵敏度
• 测量仪器输出的变化与对应的输入变化的 比值。 s=△y/△x
• 表征仪器对被测量变化的反应能力。 • 当输出值与输入值为同一量纲时，灵敏度
又称为放大比。
第四节 对测控仪器设计的要求和设计程序
一、设计要求
(1)精度要求 精度是测控仪器的生命，精度是第一位的。
精度本身只是一种定性的概念。为表征一台仪器的性能和 达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值 误差、重复性误差、复现性、稳定性、回程误差、灵敏度、 鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应
2009年9月，Intel总裁兼 CEO Paul Otellini展示世界 上第一块基于22nm工艺的 晶圆。该晶圆上的每个指甲 盖大小的单独硅片内都集成 了多达29亿个晶体管。
↓
努力于2016年实现10nm工 艺。
16
一、精度及其重要性
精度：是误差的反义词，精度的高低是用误差的大小来衡量的。 误差大，精度低；反之，误差小，精度高。
17
二、 精度分析的目的
❖ 仪器误差的客观存在性：决定了仪器的精度无论多高，总存 在误差。
大等
光准直式、显微镜式、投影放大、摄 光学式放大部件 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 光电管放大、倍增管放大等
名称 机械系统
光学系统 电子信息处 理系统 光电系统
6
4.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。
5.信息处理与运算装置
《测控仪器设计》第2版
总复习
2013年6月
1
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。
2
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 6 显示器部件
4 瞄准部件
8 机械结构部件
3
1.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。可作 为基准部件的包括：量块、精密线纹尺、激光波长、 光栅尺、标准时间等等。
• 分度值：一个标尺间隔所代表的被测 量值。
✓ 分辨力
• 显示装置能有效辨别的最小示值。 • 对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的
最末一位数字间隔代表的被测量值。 • 对于模拟式仪器，分辨力就是分度值。
✓ 示值范围和量程
• 示值范围：极限示值界限内的一组数。 • 量程：示值最大值与最小值之差。 • 如：体温计的示值范围是35℃~42℃ ，
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。
6.显示部件
显示部件是用指针与表盘、记录器、数字显示器、打 印机、监视器等将测量结果显示出来。
7
7.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。控制一般用计算机或 单片机来实现。
误差等。这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足， 而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选用最能反 映该仪器精度的一些指标组合来表示。
14
仪器的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误
差占测量总误差比重较小时，常采用1/3原则，即仪器总 误差应小于或等于被测参数总误差的1/3；若仪器 总误差占测量总误差的主导部分时，可允许仪器总 误差小于或等于被测参数总误差的1/2。
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。
4
2.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。
精度的重要性：无论是精密仪器还是精密机械设备，其自身的 精度都是一项重要指标。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量 的关键。
仪器的精度是一种定性的概念。
定量地表征仪器的精度水平应由一些精度指标来体现，如：
（1）静态精度指标：示值误差、重复性误差、回程误差、灵 敏度等；
（2）动态精度指标：稳态响应误差、瞬态响应误差等。
为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设
计原则和设计原理，如阿贝原则、变形最小原则、测量 链最短原则、精度匹配原则、误差平均作用原理、 补偿原理、差动比较原理等。
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第二章 仪器精度理论
精度是测控仪器的生命。精度分析和精度设计是
仪器设计的重要内涵。 随着科学技术的发展，对仪器的精度也提
出了越来越高的要求。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量的关键。
8.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。
8
✓ 标尺间隔和分度值
• 标尺间隔：标尺两相邻标记的两个值 之差。
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。 5
3.放大部件：将传感器得到的信号进行放大。
分类
实例
齿轮放大，杠杆放大，弹性及刚度放 机械式放大部件
✓ 测量范围
• 测量仪器误差允 许范围内的被测 量值。
如光学计的示值范围 为±0.1mm，但其悬臂可 沿立柱调节180mm，在该 范围内仍可保证仪器的测 量精度，则其测量范围为 180±0.1mm。
光学计
✓ 灵敏度
• 测量仪器输出的变化与对应的输入变化的 比值。 s=△y/△x
• 表征仪器对被测量变化的反应能力。 • 当输出值与输入值为同一量纲时，灵敏度
又称为放大比。
第四节 对测控仪器设计的要求和设计程序
一、设计要求
(1)精度要求 精度是测控仪器的生命，精度是第一位的。
精度本身只是一种定性的概念。为表征一台仪器的性能和 达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值 误差、重复性误差、复现性、稳定性、回程误差、灵敏度、 鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应
2009年9月，Intel总裁兼 CEO Paul Otellini展示世界 上第一块基于22nm工艺的 晶圆。该晶圆上的每个指甲 盖大小的单独硅片内都集成 了多达29亿个晶体管。
↓
努力于2016年实现10nm工 艺。
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一、精度及其重要性
精度：是误差的反义词，精度的高低是用误差的大小来衡量的。 误差大，精度低；反之，误差小，精度高。
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二、 精度分析的目的
❖ 仪器误差的客观存在性：决定了仪器的精度无论多高，总存 在误差。
大等
光准直式、显微镜式、投影放大、摄 光学式放大部件 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 光电管放大、倍增管放大等
名称 机械系统
光学系统 电子信息处 理系统 光电系统
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4.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。
5.信息处理与运算装置
《测控仪器设计》第2版
总复习
2013年6月
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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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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 6 显示器部件
4 瞄准部件
8 机械结构部件
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1.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。可作 为基准部件的包括：量块、精密线纹尺、激光波长、 光栅尺、标准时间等等。
• 分度值：一个标尺间隔所代表的被测 量值。
✓ 分辨力
• 显示装置能有效辨别的最小示值。 • 对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的
最末一位数字间隔代表的被测量值。 • 对于模拟式仪器，分辨力就是分度值。
✓ 示值范围和量程
• 示值范围：极限示值界限内的一组数。 • 量程：示值最大值与最小值之差。 • 如：体温计的示值范围是35℃~42℃ ，
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。
6.显示部件
显示部件是用指针与表盘、记录器、数字显示器、打 印机、监视器等将测量结果显示出来。
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7.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。控制一般用计算机或 单片机来实现。
误差等。这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足， 而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选用最能反 映该仪器精度的一些指标组合来表示。
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仪器的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误
差占测量总误差比重较小时，常采用1/3原则，即仪器总 误差应小于或等于被测参数总误差的1/3；若仪器 总误差占测量总误差的主导部分时，可允许仪器总 误差小于或等于被测参数总误差的1/2。
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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2.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。
精度的重要性：无论是精密仪器还是精密机械设备，其自身的 精度都是一项重要指标。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量 的关键。
仪器的精度是一种定性的概念。
定量地表征仪器的精度水平应由一些精度指标来体现，如：
（1）静态精度指标：示值误差、重复性误差、回程误差、灵 敏度等；
（2）动态精度指标：稳态响应误差、瞬态响应误差等。
为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设
计原则和设计原理，如阿贝原则、变形最小原则、测量 链最短原则、精度匹配原则、误差平均作用原理、 补偿原理、差动比较原理等。
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第二章 仪器精度理论
精度是测控仪器的生命。精度分析和精度设计是
仪器设计的重要内涵。 随着科学技术的发展，对仪器的精度也提
出了越来越高的要求。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量的关键。
8.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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✓ 标尺间隔和分度值
• 标尺间隔：标尺两相邻标记的两个值 之差。
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。 5
3.放大部件：将传感器得到的信号进行放大。
分类
实例
齿轮放大，杠杆放大，弹性及刚度放 机械式放大部件