第章測控儀器設計第浦昭邦王寶光

前言

各位老師，由于本書為重新修訂版，內(nèi)容根據(jù)各校教學老師的意見作了較大的修改，補充了部分先進的技術和概念，因此，該書的多媒體課件也在重新編輯和制作之中，為了滿足部分院校老師開學后的教學要求，特將本書多媒體課件的草稿刻為光盤試用，請各位試用該課件的教師，提出寶貴的意見和有益的補充，我們將不勝感激。由于時間匆忙，難免有錯，敬請諒解，希望共同為該課件的正式出版作出貢獻。多媒體課件總策劃師：機械工業(yè)出版社貢克勤老師

多媒體課件編輯人員：天津大學精儀學院王寶光教授合肥工業(yè)大學劉雯雯教授

天津大學精儀學院

盧慧卿博士李溫溫碩士目前一頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點本書共分六章：第一章

測控儀器設計概論第二章

儀器精度理論第三章

測控儀器的總體設計第四章

精密機械系統(tǒng)設計第五章

電路與軟件系統(tǒng)設計第六章光電系統(tǒng)設計

目前二頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點第一章測控儀器設計概論第一節(jié)測控儀器的概念和組成第二節(jié)測控儀器及其設計的發(fā)展狀況與趨勢第三節(jié)測量儀器通用術語及定義第四節(jié)對測控儀器設計的要求和設計程序

習題目前三頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點第一節(jié)測控儀器的概念和組成一、測控儀器的概念按照系統(tǒng)工程學的觀點,生產(chǎn)過程中有三大技術系統(tǒng):★

以能量到能量變換為主的能量流系統(tǒng)如鍋爐,冷凝器,熱交換器,發(fā)動機等★

以材料到材料變換為主的材料流系統(tǒng)如機床,農(nóng)業(yè)機械,紡織機械,液壓機械等

★以信息獲取到測量、變換、控制、處理、顯示等為主的信息流系統(tǒng)，如儀器儀表、計算機、通信裝置、自動控制系統(tǒng)等。目前四頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點儀器儀表的用途:在機械制造業(yè)中：對產(chǎn)品的靜態(tài)與動態(tài)性能測試；加工過程的控制與監(jiān)測；設備運行中的故障診斷等。在電力、化工、石油工業(yè)中：對壓力、流量、溫度、成分、尺寸等參數(shù)的檢測和控制；對壓力容器泄漏和裂紋的檢測等。在航天、航空工業(yè)中：對發(fā)動機轉速、轉矩、振動、噪聲、動力特性、噴油壓力、管道流量的測量；對構件的應力、剛度、強度的測量；對控制系統(tǒng)的電流、電壓、絕緣強度的測量等。儀器儀表的用途和重要性—

遍及國民經(jīng)濟各個部門，深入到人民生活的各個角落，儀器儀表中的計量測試儀器與控制儀器統(tǒng)稱為測控儀器，可以說測控儀器的水平是科學技術現(xiàn)代化的重要標志。目前五頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點測控儀器的分類1.幾何量計量儀器測量對象：包括各種尺寸檢測儀器，如長度、角度、形貌、相互位置位移、距離測量儀器、掃描儀、跟蹤儀等。2.熱工量計量儀器

測量對象：包括溫度、濕度、流量測量儀器，如各種氣壓計、真空計、多波長測溫儀表、流量計等。3.機械量計量儀器

測量對象：如各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀，力矩測量儀、振動測量儀等。4.時間頻率計量儀器

測量對象：時間、頻率等目前六頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點目前七頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點目前八頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點

5.電磁量計量儀器測量對象：用于測量各種電量和磁量的儀器，如各種交、直流電流表、電壓表、功率表、電阻測量儀、電容測量儀、靜電儀、磁參數(shù)測量儀等。

6.無線電參數(shù)測量儀器測量對象：如示波器、信號發(fā)生器、相位測量儀、頻率發(fā)生器、動態(tài)信號分析儀等。7.光學與聲學量測量儀器測量對象：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學傳遞函數(shù)測量儀等。8.電離輻射計量儀器測量對象：如各種放射性、核素計量，x、γ射線及中子計量儀器等。以上8大類計量儀器的共性技術：計量測試儀器的設計理論

和測試理論目前九頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點目前十頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點測控儀器的概念在現(xiàn)代計量測試儀器中，測量與控制已經(jīng)密不可分，測控儀器則是利用測量和控制的理論，采用機、電、光各種計量測試原理及控制系統(tǒng)與計算機相結合的一種范圍廣泛的測量儀器。本課程的要求：①掌握機、電、光、計算機技術相結合的儀器總體設計的基礎理論知識；②學會如何從設計任務出發(fā)，進行總體設計的方法；③具有進行儀器精度設計的能力。本門課程力求使學生在測控儀器設計中具有勇于探索、有創(chuàng)新思維的設計能力。

目前十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點

二、測控儀器的組成

測控儀器種類繁多，其組成多種多樣，但可按其各部分的功能來分成若干組成部分。測控儀器組成以圖1—1“微電子產(chǎn)品視覺檢測儀”

為例說明。儀器組成：支承底座、精密工作臺、X、Y二維運動導軌、立柱、顯微鏡及CCD攝像器件、光柵系統(tǒng)、精密驅動系統(tǒng)、光源。

目前十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點

圖1-1微電子產(chǎn)品視覺檢測儀三維效果圖

目前十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點圖1—2微電子產(chǎn)品視覺檢測儀組成框圖目前十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點工作原理：Z向運動具有自動調焦功能，通過計算機對CCD攝像器件攝取圖像進行分析，用調焦評價函數(shù)來判斷調焦質量。被檢測的印刷線路板或IC芯片的瞄準用可變焦的光學顯微鏡和CCD攝像器件來完成。攝像機的輸出經(jīng)圖像卡送到計算機進行圖像處理實現(xiàn)精密定位和圖像識別與計算，并給出被檢測件的尺寸值、誤差值及缺陷狀況。按功能將儀器分成以下幾個組成部分：1基準部件5信息處理與運算裝置2傳感器與感受轉換部件6顯示部件

3放大部件7驅動控制器部件

4瞄準部件8機械結構部件目前十五頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點基準部件

測量的過程是一個被測量與標準量比較的過程，因此，儀器中要有與被測量相比較的標準量，標準量與其相應的裝置一起，稱為儀器的基準部件。有的儀器中無標準器而是用校準的方法將標準量復現(xiàn)到儀器中。標準量的精度對儀器的測量精度影響很大，在大多數(shù)情況下是1∶1，在儀器設計時必須予以重視。

目前十六頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點傳感器與感受轉換部件

測控儀器中的傳感器是儀器的感受轉換部件，它的作用是感受被測量，拾取原始信號并將它轉換為易于放大或處理的信號。不同測量對象可以用不同測量原理的傳感器進行感受與轉換，因此正確選用和設計傳感器是十分重要的，通常要遵守儀器設計的精度原則和經(jīng)濟原則等。常用的傳感器有機械式、電子式、光電式、光學式、聲學式、壓電式等等，有數(shù)千種，選用時一定要分析清楚其工作原理、精度指標、測量范圍、使用場合、特點和成本。同時一定要注意要按照被測參數(shù)的定義來選用和設計傳感器。

目前十七頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點放大部件分類實例名稱機械式放大部件齒輪放大，杠桿放大，彈性及剛度放大等機械系統(tǒng)

光學式放大部件

光準直式、顯微鏡式、投影放大、攝影放大式、莫爾條紋、光干涉等

光學系統(tǒng)

電子放大部件

前置放大、功率放大等

電子信息處理系統(tǒng)

光電放大部件

光電管放大、倍增管放大等

光電系統(tǒng)

目前十八頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點瞄準部件

用來確定被測量的位置(或零位），要求瞄準的重復性精度要好。信息處理與運算裝置

數(shù)據(jù)處理與運算部件主要用于數(shù)據(jù)加工、處理、運算和校正等?？梢岳糜布娐?、單片機或微機來完成。顯示部件顯示部件是用指針與表盤、記錄器、數(shù)字顯示器、打印機、監(jiān)視器等將測量結果顯示出來。目前十九頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點驅動控制器部件

驅動控制部件用來驅動測控系統(tǒng)中的運動部件，在測控儀器中常用步進電機、交直流伺服電機、力矩電機、測速電機、壓電陶瓷等實現(xiàn)驅動?？刂埔话阌糜嬎銠C或單片機來實現(xiàn)，這時要將一個控制接口卡插入到計算機的插槽中。

機械結構部件

儀器中的機械結構部件用于對被測件、標準器、傳感器的定位，支承和運動,如導軌、軸系、基座、支架、微調、鎖緊、限位保護等機構。所有的零部件還要裝到儀器的基座或支架上,這些都是測控儀器必不可少的部件，其精度對儀器精度影響起決定作用。目前二十頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點第二節(jié)測控儀器及其設計的發(fā)展狀況與趨勢一、發(fā)展趨勢:

高精度與高可靠性、高效率、智能化、多樣化與多維化。（1）高精度與高可靠性

隨著科學技術的發(fā)展，對測控儀器的精度提出更高的要求，如幾何量nm精度測量，力學量的mg精度測量等。同時對儀器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的測控儀器，其可靠性尤為重要。

（2）高效率

大批量產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏，要求測量儀器具有高效率，因此非接觸測量、在線檢測、自適應控制、模糊控制、操作與控制的自動化、多點檢測、機光電算一體化是必然的趨勢。目前二十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點（3）高智能化

在信息拾取與轉換、信息測量、判斷和處理及控制方面大量采用微處理器和微計算機，顯示與控制系統(tǒng)向三維形象化發(fā)展，操作向自動化發(fā)展，并且具有多種人工智能從學習機向人工智能機發(fā)展是必然的趨勢。（4）多維化、多功能化

多維的測量空間，要求我們研究多維的測量儀器，在許多場合，除了三維測量外還需要多參數(shù)同時測量，如要求同時測出某點溫度、濕度和應變；同時測得力、速度、振動、應變等多種參數(shù)，使現(xiàn)有儀器系列化、多樣化，以滿足不同用戶的要求，也是勢在必行的。

目前二十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點（5）開發(fā)新原理

隨著科學技術的發(fā)展，需要測量的極端參數(shù)（超高壓、超高溫、超低溫、超大尺寸、原子空間）和特種參數(shù)（識別顏色、氣味）也在增加，要求也更奇特，因此要不斷研究新原理、開發(fā)新儀器。如仿生儀器等。（6）動態(tài)測量

研究的對象已經(jīng)從靜態(tài)轉入動態(tài)，如研究原子的價態(tài)、分子結構和聚集態(tài)、固體結晶形態(tài)、生命化學物理進程的激發(fā)態(tài)的現(xiàn)場實施檢測手段，需要研究超快時間和超高空間的分辨技術。目前二十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點

二、發(fā)展概況—現(xiàn)代設計方法

現(xiàn)代設計方法的特點：(1)程式性強調設計、生產(chǎn)與銷售的一體化。(2)創(chuàng)造性突出人的創(chuàng)造性，開發(fā)創(chuàng)新性產(chǎn)品。(3)系統(tǒng)性用系統(tǒng)工程思想處理技術系統(tǒng)問題。力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，同時要考慮人-機-環(huán)境的大系統(tǒng)關系。(4)優(yōu)化性通過優(yōu)化理論及技術，以獲得功能全、性能良好、成本低、性能價格比高的產(chǎn)品。(5)計算機輔助設計計算機將更全面地引入設計全過程，計算機輔助設計不僅用于計算和繪圖，在信息儲存、評價決策、動態(tài)模擬、人工智能等方面將發(fā)揮更大作用。目前二十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點圖1—3CAD系統(tǒng)的基本組成目前二十五頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點

第三節(jié)測量儀器通用術語及定義

儀器的技術指標是用來說明一臺儀器的性能和作用的，主要技術指標既作為設計依據(jù)，也用來考核所設計的儀器是否成功。作為測量儀器還必須要有規(guī)范的語言，稱之為測量儀器的術語。本節(jié)敘述的有關測量儀器的術語是根據(jù)JJFl001—1998全國法制計量技術委員會頒布的“通用計量術語及定義”來說明的。目前二十六頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點1.測量儀器（measuringinstrument)測量儀器又稱計量器具，它是指單獨地或同輔助設備一起用以進行測量的器具。而測量是指用以確定量值為目的的一組操作。測量儀器是指將被測量轉換成指示值或等效信息的一種計量器具，即具有轉換和指示功能。測量器具是指以固定形態(tài)復現(xiàn)或提供給定量的一個或多個已知值的器具，如砝碼、標準電阻、量塊、線紋尺、參考物質等。2.測量傳感器(measuringtransducer)提供與輸入量有確定關系的輸出量的器件。如熱電偶、電流互感器、應變計等。目前二十七頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點3.測量系統(tǒng)(measuringsystem)組裝起來以進行特定測量的全套測量儀器和其它設備。如半導體材料電導率測量裝置；光電光波比長儀；校準體溫計的裝置等。

4.模擬式測量儀器(analoguemeasuringinstrument)與數(shù)字式測量儀器(digitalmeasuringinstrument)。前者是指儀器的輸出或顯示是輸入信號的連續(xù)函數(shù)的測量儀器，而后者是提供數(shù)字化輸出或顯示的儀器。5.敏感元件(sensor)或敏感器測量儀器或測量鏈中直接感受被測量作用的元件。如渦流流量計的轉子；液面測量儀的浮子；光譜光度計的光電池。目前二十八頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點6.檢測器(detector)

用于指示某個現(xiàn)象的存在而不必提供有關量值的器件或物質。如鹵素檢漏儀，石蕊試紙等。在某些領域中敏感元件與檢測器的概念界限并不十分明顯，比如在光電測量領域把光電池稱為檢測器，用于檢測光通量。而在光譜光度計中，光電池則稱為敏感元件，這在概念上也是正確的。7．指示器(index)

顯示裝置的固定的或可動的部件，根據(jù)它相對標尺標記的位置即可確定示值。如指針、光點、液面、記錄筆等。目前二十九頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點8．測量儀器的標尺(scaleofameasuringinstrument)由一組有序的帶有數(shù)碼的標記構成的測量儀器顯示裝置的部件。如線紋尺、度盤等。9．標尺間隔(scaleinterval)和分度值

對應標尺兩相鄰標記的兩個值之差，標尺間隔用標尺上的單位表示。如0～100的線紋尺相鄰刻度間隔一般為1mm。分度值是指一個標尺間隔所代表的被測量值。如百分表的分度值為0．01mm。目前三十頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點10．示值范圍(rangeofindication)極限示值界限內(nèi)的一組數(shù)。對模擬量顯示而言它就是標尺范圍；在有些領域中它是儀器所能顯示的最大值與最小值之差。有時又把示值范圍稱為量程(span)，如某電壓表示值范圍從-10V～10V，則其量程為20V。11．測量范圍(measuringrange)

測量儀器誤差允許范圍內(nèi)的被測量值。測量范圍包含示值范圍還包含儀器的調節(jié)范圍。如光學計的示值范圍為±0.1mm，但其懸臂可沿立柱調節(jié)180mm，在該范圍內(nèi)仍可保證儀器的測量精度，則其測量范圍為180±0.1mm。又如千分尺的測量范圍有0～25mm，25～50mm，50～75mm……等規(guī)格，但其示值范圍均為25mm。目前三十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點12．靈敏度(sensitivity)測量儀器響應(輸出)的變化除以對應的激勵(輸入)的變化。若輸入激勵量為?X，相應輸出是?Y，則靈敏度表示為：

S=?Y／?X儀器的輸出量與輸入量的關系可以用曲線來表示，稱為特性曲線，特性曲線有線性的也有非線性的，非線性特性用線性特性來代替時帶來的誤差，稱為非線性誤差。特性曲線的斜率即為靈敏度。靈敏度的量綱可以是相同的，也可以是不相同的，如電感傳感器的輸入量是位移，而輸出量是電壓，其靈敏度的量綱為V/mm；而齒輪傳動的百分表其輸入量是位移，輸出量也是位移，在這樣情況下，靈敏度又稱為放大比。靈敏度是儀器對被測量變化的反映能力。目前三十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點13．鑒別力(閾)(discrimination)使測量儀器產(chǎn)生未察覺的響應變化的最大激勵變化，這種激勵變化應是緩慢而單調地進行。它表示儀器感受微小量的敏感程度。儀器的鑒別力可能與儀器的內(nèi)部或外部噪聲有關，也可能與摩擦有關或與激勵值有關。14．分辨力(resolution)顯示裝置能有效辨別的最小示值。對于數(shù)字式儀器，分辨力是指儀器顯示的最末一位數(shù)字間隔代表的被測量值。對模擬式儀器，分辨力就是分度值。分辨力是與儀器的精度密切相關的。要提高儀器精度必須有足夠的分辨力來保證；反過來儀器的分辨力必須與儀器精度相適應,不考慮儀器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。目前三十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點15．測量儀器的準確度(accuracyofmeasuringinstrument)

測量儀器的準確度是一個定性的概念，它是指測量儀器輸出接近于真值的響應的能力。符合一定的計量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的測量儀器的等級或級別稱為測量儀器的準確度等級，如零級、一級、二級等。

16．測量儀器的示值誤差(errorofindication)測量儀器的示值與對應輸入量的真值之差。由于真值不能確定，實際上用的是約定真值，即常用某量的多次測量結果來作為約定真值。測量儀器的示值誤差，包含有儀器的隨機誤差和系統(tǒng)誤差，因此用測量的方法確定儀器示值誤差時，同一個值測量次數(shù)一般不要超過三次。示值誤差越小，表明儀器的準確度越高。目前三十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點17．測量儀器的重復性(repeatabilityofameasuringinstrument)

在相同測量條件下，重復測量同一個被測量，儀器提供相近示值的能力。相同的測量條件包括：相同的測量程序、相同的觀測者、在相同的條件下使用相同的測量設備，在相同的地點，在短時間內(nèi)重復測量。示值重復性可用示值的分散性定量地表示；當用實驗的方法確定重復性時可用實驗標準差乘以相應的擴展因子來定量表示。儀器的示值重復性誤差小，表明儀器的隨機誤差小。

18．穩(wěn)定性(stability)和漂移(drift)測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力。穩(wěn)定性可以用幾種方式定量的表示，如用計量特性變化某個規(guī)定的量所經(jīng)過的時間，例如儀器測頭動作一萬次以后再測量儀器的示值誤差和示值重復性是否變化；也可用計量儀器工作某一規(guī)定時間(如8小時)再考察儀器特性的變化。漂移是指儀器計量特性的慢變化，如儀器零位隨時間變化稱為零位漂移；儀器靈敏度隨時間變化稱為靈敏度漂移。目前三十五頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點19．測量儀器的引用誤差(indicialerrorofameasuringinstrument)

測量儀器的誤差除以儀器特定值。該特定值一般稱引用值，如儀器的量程或示值范圍的上限。20．測量儀器的校準(calibrationofmeasuringinstrument)

在規(guī)定條件下，為確定測量儀器或測量系統(tǒng)所指示的量值，或實物量具或參考物質所代表的量值與對應的由標準所復現(xiàn)的量值之間關系的一組操作。校準的結果既可給出被測量的示值，又可確定示值的修正值，也可確定其它計量特性，如影響量的作用。校正的結果要記錄在校準證書或校準報告之中。

目前三十六頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點21.測量儀器的偏移誤差(biaserrorofmeasuringinstrument)測量儀器示值的系統(tǒng)誤差。通常用適當次數(shù)重復測量的示值誤差的平均值來估計。22．回程誤差（滯差）(hysteresiserror)在相同條件下，被測量值不變，計量器具行程方向不同（正程、反程，正轉、反轉等）其示值之差的絕對值。產(chǎn)生回程誤差的主要原因是儀器零件之間存在間隙或摩擦，或齒輪嚙合面的變動；對于電磁式傳感器或壓電式傳感器由于正反程磁滯或電滯現(xiàn)象也會出現(xiàn)滯后誤差（滯差）。目前三十七頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點23．視差(parallaxerror)當指示器與標尺表面不在同一平面時，觀測者偏離正確觀察方向進行讀數(shù)和瞄準所引起的誤差。24．估讀誤差(interpolationerror)

觀測者估讀指示器位于兩相鄰標尺標記間的相對位置而引起的誤差，有時也稱為內(nèi)插誤差。25．讀數(shù)誤差(readingerror)由于觀測者對計量器具示值讀數(shù)不準確所引起的誤差，它包括視差和估讀誤差。目前三十八頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點第四節(jié)對測控儀器設計的要求和設計程序

一、設計要求

(1)精度要求精度是測控儀器的生命，精度本身只是一種定性的概念。為表征一臺儀器的性能和達到的水平，應有一些精度指標要求，如靜態(tài)測量的示值誤差、重復性誤差、復現(xiàn)性、穩(wěn)定性、回程誤差、靈敏度、鑒別力、線性度等，動態(tài)測量的穩(wěn)態(tài)響應誤差、瞬態(tài)響應誤差等。這些精度指標不是每一臺儀器都必須全部滿足，而是根據(jù)不同的測量對象和不同的測量要求，選用最能反映該儀器精度的一些指標組合來表示。目前三十九頁\總數(shù)四十三頁\編于十八點儀器的精度應根據(jù)被測對象的要求來確定，當儀器總誤差占測量總誤差比重較小時，常采用1/3原則，即儀器總誤差應小于或等于被測參數(shù)總誤差的1/3；若儀器總誤差占測量總誤差的主導部分時，可允許儀器總誤差小于或等于被測參數(shù)總誤差的1/2。為了保證儀器的精度，儀器設計時應遵守一些重要的設計原則和設計原理，如阿貝原則、變形最小原則、測量鏈最短原則、精度匹配原則、誤差平均作用原理、補償原理、差動比較原理等。(2)檢測效率要求一般情況下儀器的檢測效率應與生產(chǎn)效率相適應。在自動化生產(chǎn)情況下，檢測效率應適合生產(chǎn)線節(jié)拍的要求。提高檢測效率不僅有經(jīng)濟上的效益，有時對提高檢測精度也有一定作用，因為縮短了測量時間可減少環(huán)境變化對測量的影響。同時還可以節(jié)省人力，消除人的主觀誤差，提高測量的可靠