测控仪器设计版》浦昭邦王宝光PPT课件

1 普通高等教育 十一五 国家级规划教材 第2版测控仪器设计主编 哈尔滨工业大学浦昭邦天津大学王宝光 2 前言 各位老师 由于本书为重新修订版 内容根据各校教学老师的意见作了较大的修改 补充了部分先进的技术和概念 因此 该书的多媒体课件也在重新编辑和制作之中 为了满足部分院校老师开学后的教学要求 特将本书多媒体课件的草稿刻为光盘试用 请各位试用该课件的教师 提出宝贵的意见和有益的补充 我们将不胜感激 由于时间匆忙 难免有错 敬请谅解 希望共同为该课件的正式出版作出贡献 多媒体课件总策划师 机械工业出版社贡克勤老师多媒体课件编辑人员 天津大学精仪学院王宝光教授合肥工业大学刘雯雯教授天津大学精仪学院卢慧卿博士李温温硕士 3 本书共分六章 第一章测控仪器设计概论第二章仪器精度理论第三章测控仪器的总体设计第四章精密机械系统设计第五章电路与软件系统设计第六章光电系统设计 4 第一章测控仪器设计概论 第一节测控仪器的概念和组成第二节测控仪器及其设计的发展状况与趋势第三节测量仪器通用术语及定义第四节对测控仪器设计的要求和设计程序习题 5 第一节测控仪器的概念和组成 一 测控仪器的概念 按照系统工程学的观点 生产过程中有三大技术系统 以能量到能量变换为主的能量流系统如锅炉 冷凝器 热交换器 发动机等 以材料到材料变换为主的材料流系统如机床 农业机械 纺织机械 液压机械等 以信息获取到测量 变换 控制 处理 显示等为主的信息流系统 如仪器仪表 计算机 通信装置 自动控制系统等 6 仪器仪表的用途 在机械制造业中 对产品的静态与动态性能测试 加工过程的控制与监测 设备运行中的故障诊断等 在电力 化工 石油工业中 对压力 流量 温度 成分 尺寸等参数的检测和控制 对压力容器泄漏和裂纹的检测等 在航天 航空工业中 对发动机转速 转矩 振动 噪声 动力特性 喷油压力 管道流量的测量 对构件的应力 刚度 强度的测量 对控制系统的电流 电压 绝缘强度的测量等 仪器仪表的用途和重要性 遍及国民经济各个部门 深入到人民生活的各个角落 仪器仪表中的计量测试仪器与控制仪器统称为测控仪器 可以说测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志 7 测控仪器的分类 1 几何量计量仪器测量对象 包括各种尺寸检测仪器 如长度 角度 形貌 相互位置位移 距离测量仪器 扫描仪 跟踪仪等 2 热工量计量仪器测量对象 包括温度 湿度 流量测量仪器 如各种气压计 真空计 多波长测温仪表 流量计等 3 机械量计量仪器测量对象 如各种测力仪 硬度仪 加速度与速度测量仪 力矩测量仪 振动测量仪等 4 时间频率计量仪器测量对象 时间 频率等 8 9 10 5 电磁量计量仪器测量对象 用于测量各种电量和磁量的仪器 如各种交 直流电流表 电压表 功率表 电阻测量仪 电容测量仪 静电仪 磁参数测量仪等 6 无线电参数测量仪器测量对象 如示波器 信号发生器 相位测量仪 频率发生器 动态信号分析仪等 7 光学与声学量测量仪器测量对象 如光度计 光谱仪 色度计 激光参数测量仪 光学传递函数测量仪等 8 电离辐射计量仪器测量对象 如各种放射性 核素计量 x 射线及中子计量仪器等 以上8大类计量仪器的共性技术 计量测试仪器的设计理论和测试理论 11 12 测控仪器的概念 在现代计量测试仪器中 测量与控制已经密不可分 测控仪器则是利用测量和控制的理论 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 本课程的要求 掌握机 电 光 计算机技术相结合的仪器总体设计的基础理论知识 学会如何从设计任务出发 进行总体设计的方法 具有进行仪器精度设计的能力 本门课程力求使学生在测控仪器设计中具有勇于探索 有创新思维的设计能力 13 二 测控仪器的组成 测控仪器种类繁多 其组成多种多样 但可按其各部分的功能来分成若干组成部分 测控仪器组成以图1 1 微电子产品视觉检测仪 为例说明 仪器组成 支承底座 精密工作台 X Y二维运动导轨 立柱 显微镜及CCD摄像器件 光栅系统 精密驱动系统 光源 14 图1 1微电子产品视觉检测仪三维效果图 15 图1 2微电子产品视觉检测仪组成框图 16 工作原理 Z向运动具有自动调焦功能 通过计算机对CCD摄像器件摄取图像进行分析 用调焦评价函数来判断调焦质量 被检测的印刷线路板或IC芯片的瞄准用可变焦的光学显微镜和CCD摄像器件来完成 摄像机的输出经图像卡送到计算机进行图像处理实现精密定位和图像识别与计算 并给出被检测件的尺寸值 误差值及缺陷状况 按功能将仪器分成以下几个组成部分 1基准部件5信息处理与运算装置2传感器与感受转换部件6显示部件3放大部件7驱动控制器部件4瞄准部件8机械结构部件 17 基准部件测量的过程是一个被测量与标准量比较的过程 因此 仪器中要有与被测量相比较的标准量 标准量与其相应的装置一起 称为仪器的基准部件 有的仪器中无标准器而是用校准的方法将标准量复现到仪器中 标准量的精度对仪器的测量精度影响很大 在大多数情况下是1 1 在仪器设计时必须予以重视 18 传感器与感受转换部件测控仪器中的传感器是仪器的感受转换部件 它的作用是感受被测量 拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号 不同测量对象可以用不同测量原理的传感器进行感受与转换 因此正确选用和设计传感器是十分重要的 通常要遵守仪器设计的精度原则和经济原则等 常用的传感器有机械式 电子式 光电式 光学式 声学式 压电式等等 有数千种 选用时一定要分析清楚其工作原理 精度指标 测量范围 使用场合 特点和成本 同时一定要注意要按照被测参数的定义来选用和设计传感器 19 放大部件 20 瞄准部件用来确定被测量的位置 或零位 要求瞄准的重复性精度要好 信息处理与运算装置数据处理与运算部件主要用于数据加工 处理 运算和校正等 可以利用硬件电路 单片机或微机来完成 显示部件显示部件是用指针与表盘 记录器 数字显示器 打印机 监视器等将测量结果显示出来 21 驱动控制器部件驱动控制部件用来驱动测控系统中的运动部件 在测控仪器中常用步进电机 交直流伺服电机 力矩电机 测速电机 压电陶瓷等实现驱动 控制一般用计算机或单片机来实现 这时要将一个控制接口卡插入到计算机的插槽中 机械结构部件仪器中的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 如导轨 轴系 基座 支架 微调 锁紧 限位保护等机构 所有的零部件还要装到仪器的基座或支架上 这些都是测控仪器必不可少的部件 其精度对仪器精度影响起决定作用 22 第二节测控仪器及其设计的发展状况与趋势 一 发展趋势 高精度与高可靠性 高效率 智能化 多样化与多维化 1 高精度与高可靠性随着科学技术的发展 对测控仪器的精度提出更高的要求 如几何量nm精度测量 力学量的mg精度测量等 同时对仪器的可靠性要求也日益增高 尤其是航空 航天用的测控仪器 其可靠性尤为重要 2 高效率大批量产品生产节奏 要求测量仪器具有高效率 因此非接触测量 在线检测 自适应控制 模糊控制 操作与控制的自动化 多点检测 机光电算一体化是必然的趋势 23 3 高智能化在信息拾取与转换 信息测量 判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机 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是必然的趋势 4 多维化 多功能化多维的测量空间 要求我们研究多维的测量仪器 在许多场合 除了三维测量外还需要多参数同时测量 如要求同时测出某点温度 湿度和应变 同时测得力 速度 振动 应变等多种参数 使现有仪器系列化 多样化 以满足不同用户的要求 也是势在必行的 24 5 开发新原理随着科学技术的发展 需要测量的极端参数 超高压 超高温 超低温 超大尺寸 原子空间 和特种参数 识别颜色 气味 也在增加 要求也更奇特 因此要不断研究新原理 开发新仪器 如仿生仪器等 6 动态测量研究的对象已经从静态转入动态 如研究原子的价态 分子结构和聚集态 固体结晶形态 生命化学物理进程的激发态的现场实施检测手段 需要研究超快时间和超高空间的分辨技术 25 二 发展概况 现代设计方法 现代设计方法的特点 1 程式性强调设计 生产与销售的一体化 2 创造性突出人的创造性 开发创新性产品 3 系统性用系统工程思想处理技术系统问题 力求系统整体最优 同时要考虑人 机 环境的大系统关系 4 优化性通过优化理论及技术 以获得功能全 性能良好 成本低 性能价格比高的产品 5 计算机辅助设计计算机将更全面地引入设计全过程 计算机辅助设计不仅用于计算和绘图 在信息储存 评价决策 动态模拟 人工智能等方面将发挥更大作用 26 图1 3CAD系统的基本组成 27 第三节测量仪器通用术语及定义 仪器的技术指标是用来说明一台仪器的性能和作用的 主要技术指标既作为设计依据 也用来考核所设计的仪器是否成功 作为测量仪器还必须要有规范的语言 称之为测量仪器的术语 本节叙述的有关测量仪器的术语是根据JJFl001 1998全国法制计量技术委员会颁布的 通用计量术语及定义 来说明的 28 1 测量仪器 measuringinstrument 测量仪器又称计量器具 它是指单独地或同辅助设备一起用以进行测量的器具 而测量是指用以确定量值为目的的一组操作 测量仪器是指将被测量转换成指示值或等效信息的一种计量器具 即具有转换和指示功能 测量器具是指以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的器具 如砝码 标准电阻 量块 线纹尺 参考物质等 2 测量传感器 measuringtransducer 提供与输入量有确定关系的输出量的器件 如热电偶 电流互感器 应变计等 29 3 测量系统 measuringsystem 组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其它设备 如半导体材料电导率测量装置 光电光波比长仪 校准体温计的装置等 4 模拟式测量仪器 analoguemeasuringinstrument 与数字式测量仪器 digitalmeasuringinstrument 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 而后者是提供数字化输出或显示的仪器 5 敏感元件 sensor 或敏感器测量仪器或测量链中直接感受被测量作用的元件 如涡流流量计的转子 液面测量仪的浮子 光谱光度计的光电池 30 6 检测器 detector 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 如卤素检漏仪 石蕊试纸等 在某些领域中敏感元件与检测器的概念界限并不十分明显 比如在光电测量领域把光电池称为检测器 用于检测光通量 而在光谱光度计中 光电池则称为敏感元件 这在概念上也是正确的 7 指示器 index 显示装置的固定的或可动的部件 根据它相对标尺标记的位置即可确定示值 如指针 光点 液面 记录笔等 31 8 测量仪器的标尺 scaleofameasuringinstrument 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 如线纹尺 度盘等 9 标尺间隔 scaleinterval 和分度值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 如0 100的线纹尺相邻刻度间隔一般为1mm 分度值是指一个标尺间隔所代表的被测量值 如百分表的分度值为0 01mm 32 10 示值范围 rangeofindication 极限示值界限内的一组数 对模拟量显示而言它就是标尺范围 在有些领域中它是仪器所能显示的最大值与最小值之差 有时又把示值范围称为量程 span 如某电压表示值范围从 10V 10V 则其量程为20V 11 测量范围 measuringrange 测量仪器误差允许范围内的被测量值 测量范围包含示值范围还包含仪器的调节范围 如光学计的示值范围为 0 1mm 但其悬臂可沿立柱调节180mm 在该范围内仍可保证仪器的测量精度 则其测量范围为180 0 1mm 又如千分尺的测量范围有0 25mm 25 50mm 50 75mm 等规格 但其示值范围均为25mm 33 12 灵敏度 sensitivity 测量仪器响应 输出 的变化除以对应的激励 输入 的变化 若输入激励量为 X 相应输出是 Y 则灵敏度表示为 S Y X仪器的输出量与输入量的关系可以用曲线来表示 称为特性曲线 特性曲线有线性的也有非线性的 非线性特性用线性特性来代替时带来的误差 称为非线性误差 特性曲线的斜率即为灵敏度 灵敏度的量纲可以是相同的 也可以是不相同的 如电感传感器的输入量是位移 而输出量是电压 其灵敏度的量纲为V mm 而齿轮传动的百分表其输入量是位移 输出量也是位移 在这样情况下 灵敏度又称为放大比 灵敏度是仪器对被测量变化的反映能力 34 13 鉴别力 阈 discrimination 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 它表示仪器感受微小量的敏感程度 仪器的鉴别力可能与仪器的内部或外部噪声有关 也可能与摩擦有关或与激励值有关 14 分辨力 resolution 显示装置能有效辨别的最小示值 对于数字式仪器 分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值 对模拟式仪器 分辨力就是分度值 分辨力是与仪器的精度密切相关的 要提高仪器精度必须有足够的分辨力来保证 反过来仪器的分辨力必须与仪器精度相适应 不考虑仪器精度而一味的追求高分辨力是不可取的 35 15 测量仪器的准确度 accuracyofmeasuringinstrument 测量仪器的准确度是一个定性的概念 它是指测量仪器输出接近于真值的响应的能力 符合一定的计量要求 使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等级或级别称为测量仪器的准确度等级 如零级 一级 二级等 16 测量仪器的示值误差 errorofindication 测量仪器的示值与对应输入量的真值之差 由于真值不能确定 实际上用的是约定真值 即常用某量的多次测量结果来作为约定真值 测量仪器的示值误差 包含有仪器的随机误差和系统误差 因此用测量的方法确定仪器示值误差时 同一个值测量次数一般不要超过三次 示值误差越小 表明仪器的准确度越高 36 17 测量仪器的重复性 repeatabilityofameasuringinstrument 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 相同的测量条件包括 相同的测量程序 相同的观测者 在相同的条件下使用相同的测量设备 在相同的地点 在短时间内重复测量 示值重复性可用示值的分散性定量地表示 当用实验的方法确定重复性时可用实验标准差乘以相应的扩展因子来定量表示 仪器的示值重复性误差小 表明仪器的随机误差小 18 稳定性 stability 和漂移 drift 测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力 稳定性可以用几种方式定量的表示 如用计量特性变化某个规定的量所经过的时间 例如仪器测头动作一万次以后再测量仪器的示值误差和示值重复性是否变化 也可用计量仪器工作某一规定时间 如8小时 再考察仪器特性的变化 漂移是指仪器计量特性的慢变化 如仪器零位随时间变化称为零位漂移 仪器灵敏度随时间变化称为灵敏度漂移 37 19 测量仪器的引用误差 indicialerrorofameasuringinstrument 测量仪器的误差除以仪器特定值 该特定值一般称引用值 如仪器的量程或示值范围的上限 20 测量仪器的校准 calibrationofmeasuringinstrument 在规定条件下 为确定测量仪器或测量系统所指示的量值 或实物量具或参考物质所代表的量值与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作 校准的结果既可给出被测量的示值 又可确定示值的修正值 也可确定其它计量特性 如影响量的作用 校正的结果要记录在校准证书或校准报告之中 38 21 测量仪器的偏移误差 biaserrorofmeasuringinstrument 测量仪器示值的系统误差 通常用适当次数重复测量的示值误差的平均值来估计 22 回程误差 滞差 hysteresiserror 在相同条件下 被测量值不变 计量器具行程方向不同 正程 反程 正转 反转等 其示值之差的绝对值 产生回程误差的主要原因是仪器零件之间存在间隙或摩擦 或齿轮啮合面的变动 对于电磁式传感器或压电式传感器由于正反程磁滞或电滞现象也会出现滞后误差 滞差 39 23 视差 parallaxerror 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 24 估读误差 interpolationerror 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 25 读数误差 readingerror 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 40 第四节对测控仪器设计的要求和设计程序 一 设计要求 1 精度要求精度是测控仪器的生命 精度本身只是一种定性的概念 为表征一台仪器的性能和达到的水平 应有一些精度指标要求 如静态测量的示值误差 重复性误差 复现性 稳定性 回程误差 灵敏度 鉴别力 线性度等 动态测量的稳态响应误差 瞬态响应误差等 这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足 而是根据不同的测量对象和不同的测量要求 选用最能反映该仪器精度的一些指标组合来表示 41 仪器的精度应根据被测对象的要求来确定 当仪器总误差占测量总误差比重较小时 常采用1 3原则 即仪器总误差应小于或等于被测参数总误差的1 3 若仪器总误差占测量总误差的主导部分时 可允许仪器总误差小于或等于被测参数总误差的1 2 为了保证仪器的精度 仪器设计时应遵守一些重要的设计原则和设计原理 如阿贝原则 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 差动比较原理等 2 检测效率要求一般情况下仪器的检测效率应与生产效率相适应 在自动化生产情况下 检测效率应适合生产线节拍的要求 提高检测效率不仅有经济上的效益 有时对提高检测精度也有一定作用 因为缩短了测量时间可减少环境变化对测量的影响 同时还可以节省人力 消除人的主观误差 提高测量的可靠性 42 3 可靠性要求一台测量仪器或一套自动测量系统 无论在原理上如何先进 在功能上如何全面 在精度上如何高 若可靠性差 故障频繁 不能长时间稳定工作 则该仪器或系统就无使用价值 因此对仪器的可靠性要求是十分必要的 可靠性要求 就是要求设备在一定时间 一定条件下不出故障地发挥其功能的概率要高 可靠性要求可由可靠性设计来保证 4 经济性要求仪器设计时应采用各种先进技术 以获得最佳经济效果 盲目追求复杂 高级的方案 不仅会造成仪器成本的急剧增加 有时甚至无法实现 因此仪器设计时应尽量选择最经济的方案 即技术先进 零部件少 工艺简单 成本低 可靠性高 装调方便 这样在市场上才有竞争力 同时还要考虑仪器的功能 具有较好的功能与产品成本比 即价值系数高 43 5 使用条件要求使用条件不同 仪器的设计也不同 如在室外使用的仪器仪表应适应宽范围的温度 湿度变化 以及抗振和耐盐雾 在车间使用除了防振外 电磁干扰 尤其是强电设备起动的干扰应重点防范 在易燃易爆场合下工作的仪器仪表则要求防爆和阻燃 在线测量与离线测量 连续工作与间歇工作 其条件都有不同 在设计仪器时应慎重考虑 以满足不同使用条件的要求 6 造型要求仪器的外观设计极为重要 优美的造型 柔和的色泽是人们选择产品的考虑因素之一 有利于销售 同时也会使操作者加倍爱护和保养仪器 延长使用寿命 提高工作效率 44 二 测控仪器的设计程序 1 确定设计任务设计任务由国家或部门根据经济与事业发展需要由计划和科技部门下达 也有企业或公司根据国内外市场调查自行确定的新产品开发任务 也有的是由用户特殊要求而确定的设计任务 2 设计任务分析 制定设计任务书接到设计任务后 首先要认真 仔细地阅读任务书 要认真研究被测对象有什么特点 被测参数是如何定义的 精度要求是什么 测量范围有多大 检测效率要求多高 使用条件是什么 经济情况如何 完成时间与验收方式是什么 逐一分析后 制定详细的任务书 作为研制的基本文件 3 调查研究 详细占有资料在对设计任务心中有数后 应对国内外同类产品的技术资料进行分析 采用各种手段如网上查询 科技情报检索 工厂企业调研