测控仪器设计习题解答.pdf

第一章第一章 1.测控仪器的概念是什么？ 答：测控仪器是利用测量与控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合 的一种范围广泛的测量仪器 2.为什么说测控仪器的发展与科学技术发展密切相关？ 答：…… 3.现代测控仪器技术包含哪些内容？ 答：…… 4.测控仪器由哪几部分组成？各部分功能是什么？ 答：（1）基准部件：提供测量的标准量 （2）传感器与感受转换部件：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 （3）放大部件：提供进一步加工处理和显示的信号 （4）瞄准部件：用来确定被测量的位置（或零位） （5）信息处理与运算部件：用于数据加工、处理、运算和校正等 （6）显示部件：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）驱动控制部件：用来驱动测控系统中的运动部件 （8）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 5.写出下列成组名词术语的概念并分清其差异： 分度值与分辨力：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 示值范围与测量范围：示值范围——极限示值界限内的一组数测量范围——测量仪器误差允许范 围内的被测量值。

灵敏度与鉴别力（灵敏阈）：灵敏度——测量仪器响应（输出）的变化除以对应的激励（输入）的 变化鉴别力——使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化 仪器的准确度、示值误差、重复性误差：仪器的准确度——测量仪器输出接近于真值的响应的能力 示值误差——测量仪器的示值与对应输入量的真值之差重复性误差—— 视差、估读误差、读数误差：视差——当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察 方向进行读数和瞄准所引起的误差估读误差——观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置 而引起的误差，有时也称为内插误差读数误差——由于观测者对计量器具示值读数不准确所引起的误 差，它包括视差和估读误差 6.对测控仪器的设计要求有哪些？ 答：（1）精度要求（2）检测效率要求（3）可靠性要求（4）经济性要求（5）使用条件要求（6）造型 要求 第二章第二章 1.说明分析仪器误差的微分法、几何法、作用线与瞬时臂法和数学逼近法各适用在什么情况下，为什么？ 答：若能列出仪器全部或局部的作用原理方程，那么，当源误差为各特性或结构参数误差时，可以用微 分法求各源对仪器精度的影响 几何法适合于求解机构中未能列入作用方程的源误差所引起的局部误差。

作用线与瞬时臂法…… 数学逼近法适用于难以从理论上确切地掌握仪器实际输出与输入特性的情况 2.什么是原理误差、原始误差、瞬时臂误差、作用误差？ 答：原理误差是由于在仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制 电路所造成的 原始误差（制造误差）是指由仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其 他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差 瞬时臂误差…… 作用误差一对运动副上的一个源误差所引起的作用线上的附加位移 3.机械式测微仪的原理如图2-30所示 答：1）试分析仪器的原理误差 2）阐述仪器各个误差源 3）用作用线与瞬时臂法分析杠杆短臂误差Δa、表盘刻划半径误差Δl和表盘安装偏心e所引起的局部误 差 答：（1）扇形齿轮与连杆运动关系非线性 （2）原理误差，制造误差，杠杆短臂误差，表盘刻划半径误差，表盘安装偏心 （3）…… 4.自准直仪简化原理图如图2-31所示，用分划板上的刻尺来测量反射镜偏转角α，分划板上的刻度间隔 是均匀的，求原理误差 答：…… 5.分析激光测径仪（见图2-6）原理误差，并阐述减小原理误差的方法 答：…… 6.有一光学系统，其放大倍数公式为：M=y'/y=-x'/y'。

已知像面的轴向位置误差Δx'=0.1mm，物高 y=20mm像高为y'，像面到像方焦点间距x'=1000mm，求因此引起的仪器误差Δy？ 答：…… 7.有一摩擦盘直尺运动副（见图2-17b），其原始误差有摩擦盘直径误差ΔD，摩擦盘回转偏心e，摩擦 盘转角从φ1转到φ2，求它们带来的作用误差？（ΔD=0.005mm，e=0.002mm，φ1=0，φ2=30） 答：…… 8.有一测杆在轴套孔中运动，测杆和轴套孔的公差分别为d−0.003 0 、D 0 0.013 ，轴套长l=30mm，测 杆长l=50mm，求测杆倾斜带来的误差 答：…… 9.采用标准砝码校准测力弹簧特性，所得测量数据如下： 质量/g51015202530 长度/cm7.258.128.959.9210.712.8 求：1）测力弹簧特性表达式 2）绘制校正曲线 3）估计测力弹簧线性特性表达式并给出非线性误差 答：…… 第三章第三章 1.测控仪器的发展趋势可以概括为哪几个方面，其中高效率、高智能化指的是哪些内容？ 答：可将测控仪器的发展趋势概括为高精度、高效率、高可靠性及智能化、多样性与多维性 高效率指非接触测量、检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、光机电算 一体化。

高智能化指新一代测控仪器在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和 计算机、显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展，并且具有多种人工智能，从学习机向 人工智能机发展 2.归纳测控仪器的设计流程 答：（1）确定设计任务（2）设计任务分析，制定设计任务书（3）调查研究，熟悉现有资料（4）总体 方案设计（5）技术设计（6）制造样机（7）样机鉴定或验收（8）样机设计定型后进行小批量生产 3.测控仪器设计的6项基本原则是什么？ 答：（1）阿贝原则（2）变形最小原则（3）测量链最短原则（4）坐标系基准统一原则（5）精度匹配原 则（6）经济原则 4.测控仪器设计的基本原理哪些？ 答：（1）平均读数原理（2）比较测量原理（3）补偿原理 5.阿贝误差产生的本质原因是什么？结合图3-3分析三坐标测量机测量某一工件时，哪个坐标方向上的各 个平面均能遵守阿贝原则 答：导轨发生偏移 6.结合书中图3-9分析为何当滑块绕O点为圆心发生摆动时，测端处于A的位置可以补偿阿贝误差，而 处于A1或A2两个位置均不能补偿阿贝误差 答：发生转动时，可以保证测量与读数同步变化 7.举例说明减小阿贝误差的方法。

答：（1）爱彭斯坦光学补偿方法（2）激光两坐标测量仪中监测导轨转角与平移的光电补偿方法（3）以 动态准直仪来检测导轨摆角误差的电学补偿方法（4）平直度测量过程中的阿贝误差补偿 8.1m激光测长机和光电光波比长仪为减小底座变形对测量精度的影响，在结构布局上采用了几种措施， 这些措施的依据是什么？(P74、P75) 答： 9.丝杠动态测量仪对环境条件变化产生的测量误差进行补偿的先决条件是什么？ 答：当实时测定环境的温度、气压和湿度数值后，这些因素引起的误差会影响激光波长的变化，故可看 作是与测量长度成线性关系的系统误差，其全长上的误差是递增或递减的 10.采用电子式位移量同步比较原理的仪器可以大大缩短测量链，试举出几种复合参数测量仪器来加深理 解 答：位移量同步比较测量原理：对复合参数进行测量时先分别用激光装置或光栅装置等测出各自单参数 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给出准确值，直接与测量值进行运算比较 而实现测量 11.视觉型刀具预调仪的坐标系基准统一指的是哪两个坐标系的统一？如何检查由于两个坐标系归一不准 确而带来的误差？ 答：主坐标系xoz与CCD光敏面坐标x'o'z'统一。

12.为什么在高精度的圆分度测量装置设计中，在度盘的对径方向上安装两个读书头，这一布局可以消除 读数误差中哪些次谐波误差？ 答：可以消除安装偏心，主轴转动时轴系晃动产生误差平均读数原理：可消除m=2c阶谐波以外的所 有谐波对读数误差的影响 13.对径方向上安装两个读数头，是否可完全消除轴系晃动、度盘安装偏心即度盘刻划误差等对读数精度 的影响？为什么？ 答：多读数头结构平均读数原理不能消除测量过程中轴系晃动对测量结果的影响轴系晃动，工件随之 晃动，工件晃动对测量结果的影响不能用平均读数原理来补偿，即轴系晃动仍然要反映到被测件的测量 精度上来 14.零位比较测量方法与利用仪器指示测量绝对值的方法相比，优点是什么？ 答：零位比较测量原理的测量精度仅取决于指示表的零位漂移 15.综合补偿的优点是什么？试举例证明 答：综合补偿简单、易行、补偿效果好举例：如对杠杆齿轮式机械测微仪中的应用 16.选择几种传感器，说明其对原始信号的转换功能、感受方式即转换放大原理 答：转换功能：位置检测，数值检测 感受方式：接触式，非接触式，直接引入式 放大原理：机械式，光学式，光电式，电学式，气动式 17.万能工具显微镜的光学灵敏杠杆的杠杆比是如何确定的？ 答：瞄准精度确定。

18.测控仪器设计中对光栅参数及电子细分倍数是如何考虑的？ 答：从经济性、技术方法、分辨力方面进行考虑 19.造型设计的要点包括哪些项？（P110） 答：（1）外形设计，包括外形比例的选择、外形的均衡与稳定、外形的风格、外形形体的过渡、表面装 饰处理；（2）人机工程，包括人体尺度、视角要求、作用力要求、工作环境和安全设计 第六章第六章 1.光电系统的主动系统与被动系统、直接检测系统与相干检测系统各有何特点？（P255） 答：主动系统：比被动系统复杂，但信息的对比度好、信噪比高 被动系统：光电系统由自然光照明，或用不是为光电系统特殊设计的光源 直接检测系统：简单、应用范围广 相干检测系统：具有更高的检测能力和更高的信噪比，系统精度更高、稳定性更好 2.说明光电系统的光电特性、光谱特性、光电灵敏度特性及频率响应特性的含义P256） 答：光电系统的光电特性即该系统输入、输出特性，又称为静特性 光谱特性为提高光能的利用效率，要求检测器件的光谱灵敏度分配与辐射源的辐射度分布及各传输环节 的透射率分布相覆盖 光电灵敏度特性是光电系统的光电检测器件的输出（电压U或电流I）与入射光通量之比 频率响应特性指光电器件响应率随光照频率的变化产生的变化。

3.什么是光电系统的光谱匹配、功率匹配与阻抗匹配？（P258） 答：光电系统的光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测期间的光谱灵敏度特性相匹配 功率匹配是指尽量最佳地使用光功率 阻抗匹配是指选择光电检测器件的最佳工作点，并根据光电检测器件的频率特性进行动态设计，以保证 光电系统达到最佳的信号检测能力 4.光电系统设计要考虑哪些重要原则？（P258） 答：（1）匹配原则（2）干扰光最小原则（3）共光路原则 5.光电系统常用光源有哪几种，选择它们时应考虑哪些问题？（P262、P270） 答：光电系统常用光源有：太阳光，白炽灯，气体放电光源，半导体发光器件，激光光源 选择光源时，应考虑：（1）光源的光谱能量分布特性（2）光度特性（3）发光面的形状、尺寸及光源的 结构（4）满足光电系统的功能要求 6.写出直接检测光电系统输出的光电流、光功率及信噪比的表达式并说明其物理意义P272、P275） 答：光电检测器件的输出光电流为Ids=SPs= 1 2 Sas 2 ，表明光电检测器件的输出电流正比于器件的光 电灵敏度与入射信号光波振幅平方的乘积 光功率为PL=Ids 2 RL= q hv 2 Ps 2 RL，表明光电检测器件输出的功率正比于入射功率的平方。

信噪比为SNRd= Ids 2 IN 2 = S2Ps 2 2S q f PsPb2qId f 4k T  f /R ，…… 7.如何提高直接检测光电系统的稳定性？（P274） 答：（1）用稳定的直流电压给灯丝供电（2）将电流的引线焊在灯头上（3）采用光电反馈的方法来稳定 光源（4）用差动测量系统来减少光源的影响（5）光源调制法 8.距离检测有哪些方法？作用距离与哪些因素有关？（P279、P282） 答：常用。