测控仪器制造第2章——第1节

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第二章 仪器精度理论
第一节 仪器精度理论中的若干基本概念 第二节 仪器误差的来源与性质 第三节 仪器误差的分析 第四节 仪器误差的综合 第五节 仪器误差的分析合成举例 第六节 仪器精度设计
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第一节 仪器精度理论中的若干基本概念
一、误差
人们对于被测参数的真实值的认识，随着实践经验的积累 以及科学技术的进步将愈来愈接近。测量的最终目的就是求得 被测值的真实值。但是，真值是不可能测量到的，这是由于测 量过程中始终存在着各种各样的影响因素。这些影响因素的差 异和变化，使被测值和真实值之间始终存在着差别，这一差别
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。
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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。 找出产生误差的根源和规律，分析误差对仪器设备的精度的
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。
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。
（二）误差的来源
①
仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、 检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、 疲劳等因素而使仪器带有的误差。 例：示波器探极带入误差；仪表内的标准电阻 等性能不稳定。 影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振 动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不 一致而引起的误差。
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5nm≈17个硅原子大小！
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概念—纳米：
英文单位 m mm um nm 英文名称 meter millimeter micrometer nanometer 中文名称 米 毫米 微米 纳米 0.001m 0.000001m 0.000000001m
1nm = 10-9 m
表皮层
放大10000倍
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四、精度分析的理论依据——仪器精度 理论
仪器精度理论是研究仪器误差、进行仪器精度分析的 重要理论依据。仪器精度理论的基本内容包括：
①分析影响仪器精度的各项误差来源及特性；
②研究误差的评定和计算方法；
③研究误差的传递、转化和相互作用的规律；
④确定误差合成与分配的原则和方法以及对仪器精度进行
测试等，从而为仪器结构设计和特件参数的确定提供可靠 的依据。
从设计角度看，仪器设计也包括精度的设计，即：需
要合理地确定仪器各个部件乃至零件的精度要求。
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精度分析的内容：
随着精密计量测试技术的发展，近代的精密仪器大 多由光学、机械、电子学和计算机相结合来进行测量或控 制的。所以精度分析的内容自然包括：仪器的机械系统、 光学系统、电子线路和计算机的精度分析。其中机械系统 的精度理论较为成熟，而光学、电子系统稍差，对于某些 光学系统和电子部件，有时需要实验来确定其精度。
②
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③
理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量 方法不合理而造成的误差。 例：万用表测量高内阻回路电压，万用表的输入电阻 较低，引起误差——方法上的误差 理论误差，近似的公式；用近似值计算 y≈a+bx+… 人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、 视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中 使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起 的误差。
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上皮组织
人体组织的纳米世界：
培育6天后的人体胚胎
卵细胞
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人体组织的纳米世界：
血液凝块
大脑神经元
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人体组织的纳米世界：
小肠绒毛
头发
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纳米微加工
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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。 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。
就是误差。我们设法改进检测工具和实验手段，并通过对检测 数据的误差分析和处理，使测量误差处在允许的范围之内，或 者说，达到一定的测量精度。这样的测量结果就被认为是合理 可信的。求知测量误差的目的就在于用来判断测量结果的可靠 程度。 15
（一）误差定义：测量值 xi与其真值 x 0之间的差
i xi x0 i 1,2 n
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在2012年的IDF（Intel Developer Forum，英特尔信息技术峰会） 上，Intel高管Mark Bohr对他们的14nm工艺进程进行了介绍，并阐述 了公司近年来工作制程的发展。据悉，Intel有望在2013年晚些时候引 入14nm工艺——P1272进行大批量生产。 从曝光的PPT来看，从2015年开始，Intel将会陆续升级10nm，之 后则是7nm甚至是5nm。如果一切顺利的话，我们有望在2015年看到 Intel的10nm工艺，2017年是7nm，而5nm将在7年之后的2019年正 式驾到。
误差特性：
1. 客观存在性：无论所采用的测量手段的精度多么高，误差始终存在。
2. 不确定性：多次重复测量，所得到的测量值并不完全相等。
3. 未知性：因为通常测量真值 x 0 未知。
引出问题：如何确定测量真值 x 0 ：
杆秤：精度为 “钱”=5g 电子秤：可精确到 0.1g
1.理论真值：设计时给定或者可以用数学、物理方程计算 得到 2.约定真值：如阿伏伽德罗常数值=6.0221367X1023 mol-1 3.相对真值：若标准仪器的误差比一般仪器的误差小一个 16 数量级，则可将标准仪器的的测量值作为相对真值。

影响，以便合理的选择方案、设计结构、确定参数、设置必
要的精度调整和补偿环节，从而在保证经济性的基础上
达到理想的精度。

精度分析是仪器设计中的重要一环，通常贯穿于仪器设计、 制造和使用的全过程。
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三、精度分析的定义及其所涉及内容
精度分析的定义：
既指仪器中各个零部件误差的合成，也指仪器设计中 公差的分配和主要条件的制定，甚至包括考虑为进一步减 小仪器误差而需要采取的技术措施，如误差的调整方法， 补偿件的设计等等。