测控仪器设计复习资料.doc

测控仪器设计概论1•测控仪器按照系统工程将产品生产的技术结构分： ？能量流：是以能量和能量 变换为主的技术系统；如锅炉、冷凝器、热交换器、发动机 ？材料流：是以材料和材料变换为主的技术系统；如机床、液压机械、农业机械、纺织机械信息流：贝U包含信息获取、变换、控制、测量、监控、处理、显示等技术系统，如仪器仪表、计算机、通信装置、自动控制系统等2. 用信息流可以控制能量流和材料流3. 仪器仪表包括测量仪器、控制仪器、计算仪器、分析仪器、显示仪器、生物医 疗仪器、地震仪器、天文仪器、航空航天海仪表、汽车仪表、电力仪表、石油化 工仪表等4. 测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志，没有现代化的测量仪器，国民 经济是无法发展的5. 计量测试角度可将仪器分：计量测试仪器、计算仪器、控制仪器及控制装置6. 计量测试仪器的主要测量对象是各种物理量，分： ？几何量计量仪器？热工 量计量仪器？机械量计量仪器 ？时间频率计量仪器 ？电磁计量仪器？无线 电参数测量仪器？光学与声学参数测量仪器 ？电离辐射计量仪器7. 计算仪器：是以信息数据处理和运算为主的仪器8. 控制仪器与控制装置：是针对控制对象按照生产要求设计制作的控制装置和自 动调整与校正装置。

9. 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10•按功能将仪器分：①基准部件 ②传感器与感受转换部件 ③放大部件 ④瞄准 部件⑤信息处理与运算装置⑥显示部件⑦驱动控制部件⑧机械结构部件11. 测控仪器的发展与科学技术发展密切相关？ ？工业？电仪？航空12. 现代测控仪器技术或发展趋势包括：①高精度、高可靠性 ②高效率③高智 能化④多维化、多功能化 ⑤研究新原理的新型仪器 ⑥介观（纳米）动态测量 仪13. 测控仪器设计方法的特点：？程序性？创造性？系统性？优化性？计 算机辅助设计14. 测控仪器的计算机辅助设计功能：①快速的数值计算能力②图像显示和绘图 功能③储存和管理数据信息的功能④逻辑判断和推理功能15. 计算机辅助设计：是指使用计算机系统，统一支持设计过程中各项设计活动， 是一项跨学科的新技术16. 测控仪器的设计要求：？精度？检测效率？可靠性？经济性？使用条 件？造型要求17. 测控仪器的设计程序：？确定设计任务？设计任务分析？调查研究？总 体方案设计？技术设计？制造样机？样机鉴定或验收 ？样机设计定型后 进行小批量生产18. 测量仪器：又称计量器具，是指单独地或同辅助设备一起用以进行测量的器 具。

19. 测量传感器：是指提供与输入量有确定关系的输出量的器件20. 测量系统：指组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其他设备21. 模拟式测量仪器与数字式测量仪器：前者是指仪器的输出或显示是输入信号 的连续函数的测量仪器，后者是提供数字化输出或显示的仪器22. 敏感元件或敏感器：指测量仪器或测量链中直接感受被测量作用的元件23. 检测器：用于指示某个现象的存在而不必提供有关量值的器件或物质24. 指示器：显示装置的固定的或可动的部件25. 测量仪器的标尺：由一组有序的带有数码的标记构成的测量仪器显示装置的 部件26. 标尺间隔：指对应标尺两相邻标记的两个值之差，标尺间隔用标尺上的单位 表示27. 分度值：指一个标尺间隔所代表的被测量值28. 示值范围：极限示值界限内的一组数29. 测量范围：测量仪器误差允许范围内的被测量值30. 敏感度：测量仪器响应的变化除以对应的激励的变化 S=A 丫/ X是仪器对 被测量变化的反映能力31. 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，这种激励变化 应是缓慢而单调地进行32. 分辨力：显示装置能有效辨别的最小示值指仪器显示的最末一位数字间隔 代表的被测量值。

33. 测量仪器的准确度：指测量仪器输出接近于真值的响应的能力34. 测量仪器的示值误差：测量仪器的示值与对应输入量的真值之差示值误差 越小，表明仪器的准确度越高35•测量仪器的重复性：在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，仪器提供 相近示值的能力仪器的示值重复性误差小，表明仪器的随机误差小36. 稳定性：是指测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力37. 漂移：是指仪器计量特性的慢变化；仪器灵敏度随时间变化称为灵敏度漂移38. 测量仪器的引用误差：测量仪器的误差除以仪器特定值39. 测量仪器的校准：在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值40. 测量仪器的偏移误差：测量仪器示值的系统误差41. 回程误差：在相同条件下，被测量值不变，计量器具行程方向不同其示值之 差的绝对值42. 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43. 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，也称为内插误差44. 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45. 设计仪器时应遵守一些重要的设计原则和设计原理：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。

二、仪器精度理论1. 测量误差：对某物理量进行测量，所测得的数值 Xi与其真值Xo之间的差误 差的大小反映了测得值对于真值的偏离程度2. 测量误差的特点：？任何测量手段无论精度多高，总是有误差存在 ？多次 重复测量某物理量时，各次的测得值并不完全相等，这是误差不确定性 ？误 差是未知的，因为通常被测量的真值是未知的3. 误差的数学特征分：？随机误差：由大量的独立微小因素的综合影响所造成的，其数值的大小和方向没有一定的规律，服从统计规律 ？系统误差：由一些稳定的误差因素的影响所造成，其数值的大小和方向在测量过程中恒定不变或按一 定的规律变化粗大误差：指超出规定条件所产生的误差，一般是由于疏忽 或错误所引起，在测量值中一旦出现这种误差，应予以消除4. 静态参数：不随时间而变化或随时间缓慢变化的被测量参数5. 独立误差：彼此相互独立，互不相关，互不影响的误差6. 误差的表示方法：？绝对误差：被测量测得值X与其真值Xo之差△ =XXo ? 相对误差：绝对误差与被测量真值的比值是无量纲£ =△ /Xo表示方法有: ①引用误差：指绝对误差的最大值与仪器示值范围的比值 ②指示值绝对误差与 示值的比值。

7. 精度的高低是用误差来衡量的，误差大则精度低，误差小则精度高8. 精度分为：？正确度：系统误差大小的反映精密度：随机误差大小的反 映准确度：系统误差和随机误差两者的综合的反映9. 只有在正确度和精密度都高的情况下，才表明准确度高10•仪器的静态特性：当输入量不随时间的变化而变化或变化十分缓慢时，输出 与输入量之间的关系11. 动态重复性误差：指在规定的使用条件下，对同一动态输入信号进行多次重 复测量，所测得的各个输出信号在任意时刻 Tk量值的最大变化范围12. 动态偏移误差和动态重复性误差在时域表征动态测量仪器的瞬态和稳态响应 精度，分别代表了动态仪器响应的准确程度和精密程度13. 仪器误差：指仪器本身所具有的误差分：原理误差、制造误差、运行误差14. 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 只与仪器的设计有关，与制造和使用无 关15. 脉冲当量Q:用二进制最小单位所代表的电平去度量一个实际的模拟量的电 平量化误差的绝对值小于一个脉冲当量 Q16. 减小或消除原理误差影响的方法：？采用更为精确的、符合实际的原论和公 式进行设计和参数计算。

研究原理误差的规律，采取技术撤施避免原理误差采用误差补偿撤施17. 制造误差：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18. 减少制造误差的方法：？合理地分配误差和确定制造公差正确应用仪器 设计原理和设计原则合理地确定仪器的结构参数合理的结构工艺性设置设当的调整和补偿环节19. 运行误差：仪器在使用过程中所产生的误差如：力变形、测量力、应力变 形、磨损和间隙与空程造成、温度变形、材料内摩擦、振动和干扰与环境波动20. 仪器误差的分析目的：是寻找影响仪器精度的误差根源及其规律，进而计算 误差的大小和其对仪器总精度的影响程度21. 仪器误差分析阶段：？寻找仪器误差源，找出影响仪器精度的各项误差，这 些误差称为源误差计算分析各个源误差对仪器精度的影响精度综合22. 仪器误差的方法：①微分法②几何法③作用线与瞬时臂法23作用误差：把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24仪器控制系统由：测量装置、比较元件、放大系统、校正装置和执行机构组 成25. 仪器的总准确度指标：是根据设计任务或仪器的使用要求来确定的。

26. Mcp检测能力指数法：参数检验、参数监控、参数测量27. 系统误差分配：？如果合成总系统误差大于或接近仪器允许的总误差，说明所确定的系统误差值不合理，要重新考虑采取技术撤施减少系统误差， 或推翻原 设计方案，重新设计如果系统误差小于仪器允许的总误差但大于仪器允许 的总误差的1/2时，一般可以先减少有关环节的误差值，然后再考虑采用一些误 差补偿撤施如果系统误差小于或接近仪器允许的总误差的 1/3,则初步认为 所分配的系统误差值是合理的，待确定随机误差值时，再进行综合平衡三、 测控仪器总体设计1•测控仪器总体设计要考虑的问题： ①设计任务分析 ②创新性设计 ③测控仪器 若干设计原则的考虑 ④测控仪器若干设计原理的讨论 ⑤测控仪器工作原理的 选择和系统设计⑥测控系统主要结构参数与技术指标的确定 ⑦仪器总体的造型设计2. 创造设计思维能力的培养：？突破 思维定势”的束缚？敢于标新立异？善 于从不同角度思考问题，探索多种方法，设想多个可供选择的方案，这样，成功 的几率必然成倍增长3. 创新设计方法：是通过学习，掌握创造学理论的基本思想，以创新思维规律为 基础，通过对广泛的创新实践活动进行概括、 总结、提炼而得出的具有创新发明 的设计方法和技巧。

4. 测控仪器设计原则：？阿贝原则：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 ④平直度测量过程中的阿贝误差 ⑤遵守阿贝原则的转动部件设计?变形最小原则：指应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因温度变化 而引起的仪器结构变形或仪器和参数的变化，并使之对仪器精度的影响最小测量链最短：指构成仪器测量链环节的构件数目应最少 ？坐标系基准统一?精度匹配？经济原则5. 经济原则的考虑方面：①合理的工艺性 ②合理的精度要求③合理选材④合 理的调整环节⑤提高仪器寿命⑥尽量使用标准件和标准化模块6. 减少力变形影响的措施：？ 1m激光测长机底座变形的结构布局补偿法 ？光 电光波比长仪消除力变形7. 减少热变形影响的措施：？丝杠动态测量仪对环境条件及温度变化影响的补偿?扩散硅压力传感器零点温漂的补偿四、 精密机械系统的设计1. 仪器的基座与立柱等支承件特点：①具有足够的刚度，力变形要小②稳定性 好，内应力变形小③热变形要小④有良好的抗振性2. 基座与立柱等支承件的结构设计：？刚度设计：①有限元分析法②仿真设计法：就是。