测控仪器结构设计第一章(15版)

1、2021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-20一、测控仪器的概念一、测控仪器的概念按照系统工程学的观点按照系统工程学的观点, ,生产过程中有三大技术系统生产过程中有三大技术系统: : 以以能量到能量变换能量到能量变换为主的能量流系统为主的能量流系统 如锅炉如锅炉, , 冷凝器冷凝器, , 热交换器热交换器, , 发动机等发动机等 以以材料到材料变换材料到材料变换为主的材料流系统为主的材料流系统 如机床如机床, , 农业机械农业机械, , 纺织机械纺织机械, , 液压机械等液压机械等

2、 以以信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等为主为主的信息流系统的信息流系统 ，如仪器仪表、计算机、通信装置、自动控制，如仪器仪表、计算机、通信装置、自动控制系统等。系统等。2021-11-202021-11-20对象：物质实体及其属性课程特点课程特点n本课程是测控技术与仪器专业最后一门专业课，内容不仅涉及光、机、电、算各个方面，而且涉及测控方法学和涉及方法学等知识。n科学思维向工程思维的转变 绝大多数工程问题没有唯一解绝大多数工程问题没有唯一解 没有最好，只有更好没有最好，只有更好n仪器原理的抽象和具体化 根据仪器的原理图可以抽象出仪器的结构根据仪器

3、的原理图可以抽象出仪器的结构 根据仪器的结构可以抽象出仪器的原理图根据仪器的结构可以抽象出仪器的原理图n测控仪器设计方法的抽象与应用n设计创意（个人不同：铅笔+白纸）部分基本工具部分基本工具nMatlab/Simulink/SCILABnAutoCAD/ProEngineering/SolidworksnProtel/DXPnANSYSnVisual C+课程重点课程重点n仪器精度设计是本课程的重点之一n测控仪器总体设计时需要考虑的一些问题n测控仪器设计原理和原则具体应用问题n测控仪器主要结构参数与技术指标的确定方法n创造性设计思想及其在仪器结构设计中的应用问题课程难点课程难点n仪器精度设计是

4、本课程的难点之一n测控仪器总体设计时需要考虑的一些问题n测控仪器设计原理和原则n测控仪器主要结构参数与技术指标的确定方法n测控仪器现代化设计方法基础如何去学如何去学n课程听课是最重要方法n阅读参考文献也是非常重要n及时完成作业n对课堂问题的在线讨论n对重要知识点做部分笔记或补充n预习、思考。2021-11-20n仪器仪表的使用:n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。n在自动化机床、自动化生产线：利用监测仪器与控制装置来控制行程和控制生产过程。n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

5、检测等。n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。2021-11-202021-11-20仪器的发展趋势仪器的发展趋势1.1.发展仪器科学是国家的一项战略举措；发展仪器科学是国家的一项战略举措；19551955年制定年制定1212年科技远景规划，仪器仪表工业处于第年科技远景规划，仪器仪表工业处于第5454项。项。“仪器仪表工业是信息工业，是信息的源头仪器仪表工业是信息工业，是信息的源头”这一论断是这一论断是19951995年我年我国国2020多位院士共同向国务院提交的多位院

6、士共同向国务院提交的“关于振兴仪器仪表工业的建议关于振兴仪器仪表工业的建议”中和第中和第3434次香山科技会议上科学家们达成的共识。次香山科技会议上科学家们达成的共识。2.2.最引人注目的是在生物、医学、材料、航天、国防等关系到人类最引人注目的是在生物、医学、材料、航天、国防等关系到人类生存和发展的诸多领域内；生存和发展的诸多领域内；3.3.仪器的研制和生产趋向高精度、高效率、高可靠性、智能化、微仪器的研制和生产趋向高精度、高效率、高可靠性、智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化；型化、集成化、芯片化和系统工程化；4.4.测试仪器网络化测试仪器网络化2021-11-202021-11-20

7、2021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-20图图12 12 微电子产品视觉检测仪组成框图微电子产品视觉检测仪组成框图2021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-202021-11-206. 检测器检测器(detector) 用于指示

8、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。2021-11-202021-11-202021-11-202021-11-20使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，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。它表示仪器感受微这种激励

9、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。噪声有关，也可能与摩擦有关或与激励值有关。显示装置能有效辨别的最小示值。对于数字式仪器，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。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度密切相关的。要提高仪器精度

10、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证；反过来仪器的分辨力必须与仪器精度相适应, ,不考虑仪不考虑仪器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。2021-11-201515测量仪器的准确度测量仪器的准确度( (accuracy of measuring instrument) ) 测量仪器的准确度是一个定性的概念，它是指测量仪器输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

11、器的准确度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。等级，如零级、一级、二级等。 1616测量仪器的示值误差测量仪器的示值误差( (error of indication) ) 测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。由于真值不能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

12、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要超过三次次数一般要超过三次2021-11-201717测量仪器的重复性测量仪器的重复性( (repeatability of a measuring instrument) ) 在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，仪器提供相在相同测量条件下，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

13、值的分散性定量点，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。仪器的示值重复性误差小，表明仪器的随机误差小。地表示。仪器的示值重复性误差小，表明仪器的随机误差小。 18 18 稳定性稳定性( (stability) )和漂移和漂移( (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( (如如8 8小时小时) )再考察仪器特性的变化。漂移是指仪器计量特性的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；仪器灵敏度随慢变化，如仪器零位随时间变化称为