测控仪器设计复习资料.doc

一、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：则包含信息获取、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：基准部件 传感器与感受转换部件 放大部件 瞄准部件 信息处理与运算装置 显示部件 驱动控制部件 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：高精度、高可靠性 高效率 高智能化 多维化、多功能化 研究新原理的新型仪器 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：快速的数值计算能力 图像显示和绘图功能 储存和管理数据信息的功能 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=Y/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。=X-Xo 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：引用误差：指绝对误差的最大值与仪器示值范围的比值。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Q。16.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：微分法 几何法 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：设计任务分析 创新性设计 测控仪器若干设计原则的考虑 测控仪器若干设计原理的讨论 测控仪器工作原理的选择和系统设计 测控系统主要结构参数与技术指标的确定 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：爱彭斯坦光学补偿方法 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 以动态准直仪来检测导轨摆角误差的电学 平直度测量过程中的阿贝误差 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：合理的工艺性 合理的精度要求 合理选材 合理的调整环节 提高仪器寿命 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：具有足够的刚度，力变形要小。稳定性好，内应力变形小。热变形要小。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：有限元分析法。仿真设计法：就是将基座等实物根据相似准则按比例缩小制成模型，利用模型来做仿真试验，如刚度试验、抗振性与热变形试验。基座与支承件的结构设计：正确选择截面形状与外形结构。合理地选择和布置加强肋增加刚度。正确的结构布局，减少力变形。良好的结构工艺性，减少应力变形。合理地选择材料。3.花岗石具有的优点：稳定性好。加工简便。温度稳定性好。吸振性好。不导电，不磁化，抗电磁影响性能好。维护保养方便。价格便宜。4.导轨部件由：运动导轨和支承导轨组成。5.按导轨面间摩擦性分：滑动摩擦、滚动、静压、弹性摩擦导轨。6.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，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。7.导轨的几何精度包括导轨在垂直平面内与水平面内的直线度，导轨面间的平行度和导轨间的垂直度。8.导轨运动的不平稳现象，主要出现在其低速运动时，导轨运动的驱动指令是均匀的而与动导轨相连的工作台却出现一慢一快，一跳一停的现象，称为“爬行”。9.“爬行”是一个复杂的现象，其主要原因有：导轨间的静、动摩擦系数差值较大。动摩擦系数随速度变化。系统刚度差。10.主轴系统设计的基本要求：主轴回转精度。主轴系统的刚度。主轴系统的振动。主轴系统的热稳定性。合理地设计结构，减少力变形。主轴系统的寿命。11.主轴回转精度：指该主轴轴系的误差运动的大小。12.主轴刚度：指主轴某处在外力F作用下与主轴在该处的位移量y之比。13.提高主轴刚性的措施：加大主轴直径。合理选择支承跨距。缩短主轴悬伸长度。提高轴承刚度。14.主轴系统的热稳定性：指主轴系统的回转精度对温度的敏感性。15.“抱轴”现象：轴承等元件会因温度而改变已调好的间隙和润滑状况，影响轴承正常工作，严重时会产生“抱轴”现象。16.提高主轴系统热稳定性的措施：正确选择和设计轴系。合理选择推力支承位置。减少热源影响。采用热补偿措施。17.液体动压轴承轴系特点：回转精度高，可达0.025um。承载能力较大。刚性较好。动态情况下无磨损，寿命长。制造、使用和维修都比较方便。起动时主轴和轴承是刚性接触。主轴只能向油楔减少方向转动，不能反转。18.点位控制系统：指控制点与点之间位置，而对运动轨迹没有严格规定，如精密定位工作台的定位。19.连续控制系统：指用控制装置连续控制两个轴或多个轴同时连续运动、实现平面或空间曲面内的精密定位。20.伺服系统的精度：指伺服系统带动工作台运动，到达点、线、面和空间位置的准确度。21.常用微位移机构种类：柔性支承压电器件驱动的微位移机构。平行片簧导轨电压器件驱动的微位移机构。滚动导轨压电器件驱动。平行片簧导轨步进电动机及机械式位移缩小机构驱动。平行弹簧导轨电磁位移器驱动。气浮导轨步进电动机及摩擦传动。二维X-Y双向微位移工作台。22.精密微动工作台设计要求：微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦、无间隔。具有高的位移分辨力及高的定位精度和重复性精度。具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小。微动工作台应具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。工作台最好采用直接驱动，即无传动环节。系统响应速度要快，便于控制。五、电路与软件系统设计1.电路与软件系统的作用：主要是对传感器的输出信号进行采集和处理，按照测控系统的功能与要求进行相应的运算并将测量结果进行显示，或者输出控制信号，使得执行机构执行相应的动作。2.一个完整的测控仪器的电路与软件系统由：测量电路。中央处理系统。控制电路。电源和软件系统组成。3.测量电路是信息流的输入通道，其作用是将传感器输出的测量信号进行调理、转换或者运算等。4.控制电路是信息流的输出通道，其作用是根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。5.中央处理系统的作用是对测量电路系统送来的信号进行运算、处理和判断，并对测量结果进行显示、存储、打印等，然后按照测控仪器的功能要求，向控制电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行控制。6.电源的作用：为整个电路系统各单元提供必要的能量，为各个电路单元提供电平基准，为测量信号和控制信号提供参考电平等。7.测控仪器对电路与软件系统的要求主要有：精度。响应速度。可靠性。经济性。精度是测控仪器设计的最重要的指标。8.影响精度要求的因素：信噪比。分辨力。线性度。灵敏度。量化误差。稳定性。频率特性。输入与输出阻抗。9.灵敏度：指在稳态工作情况下输出量变化Y对输入量变化X的比值。10.量化误差：对于测量电路，当输入量的变化小于数字电路的一个最小数字所对应的被测量值时，数字系统将没有变化的误差。11.时间稳定性：指测控系统在不同时间段内特性的稳定程度。12.短期稳定性：主要包括表现为测量值或控制指的重复性。13.长期稳定性：表现为测量值或控制值在一个相对较长的时期内发生渐变。14.频率特性：指在动态测试情况下，输出信号幅度和相位随输入信号的频率变化而变化的特性。15.提高电路与软件系统的可靠性：在工艺上提高电路系统元器件本身的可靠性，将元器件失效的影响降低到最低程度。在系统结构设计方面提高系统的可靠性和合理性，避免设计不当造成可靠性下降。在硬件和软件中增加适当措施。16.经济性：指在性能最优的情况下尽量降低成本，追求性价比的最大化。17.电路与软件系统的设计准则：总线化。内部总线。系统总线。外部总线。模块化。电磁兼容性：指电器、电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰。18.测量电路包含3个方面作用：信号调理，信号转换，简单运算。19.对模拟信号调理电路包括：放大电路、滤波电路、调制解调电路。20.对数字信号调理电路包括：整形电路、细分电路、辨向电路。21.测量电路系统对放大电路的要求有：噪声要求。稳定性要求。阻抗要求。增益要求。速度要求。22.放大电路分类方法：按用途分：电压、电流、功率、电荷放大器。按信号形式分：直流和交流放大电路。按器件分：晶体管、场效应晶体管、集成运算放大器。按工作频段分：直流、音频、射频、射频放大器。按工作状态分：甲类、乙类、甲乙类、丙类放大器。23.滤波电路的设计主要考虑方面：特征频率与带宽。增益与衰耗。阻尼与品质因数。群时延函数。24.测量电路放大器的设计要注意的问题：阻抗匹配问题。漂移问题。增益问题。25.A/D转换电路的设计主要因素：A/D转换器的位数。线性误差。转换时间。基准电源稳定度。26.线性误差：指A/D转换器在满量程内的输入和输出之间的比例关系不是完全的线性而产生的误差。27.转换时间：指A/D转换器完成一次转换所需要的时间，是从模拟量输入至数字量输出所经历的时间。28.中央处理系统设计的特点和功能：自动对零功能。量程自动切换功能。多点快速测控。数字滤波功能。自动修正误差。数据处理功能。复杂控制规律。多媒体功能。通信或网络功能。自我诊断功能。29.主机电路主要用来进行数据存储、数据运算、结果显示及打印、数据通信、系统控制。30.单片机的特点：可靠性高。易扩展。控制功能强。存储器容量小。体积小。31.常用单片机：MCS-51系列单片机。PIC系列单片机。AVR系列单片机。MSP430系列单片机。32.对电源的要求：输入参数。输出参数。稳定度。可靠性。体积。33.衡量稳压电源稳定性的指标：稳压系数。电压调整率。负载调整率。纹波抑制比。34.屏蔽主要分3类：防止静电耦合的静电屏蔽；利用导电性良好的金属内的涡流效应，防止高频磁通干扰