现代精密仪器设计第一章_概述

1、精精 密密 仪仪 器器 设设 计计 Design of Precision Instrument现代精密仪器设计李庆祥现代精密仪器设计李庆祥/李玉和等编著李玉和等编著 清华大学出版社清华大学出版社现代仪器仪表技术与设计现代仪器仪表技术与设计王大珩王大珩 主编主编 ，北京，北京 : 科学出版社科学出版社, 2002 内容新、全内容新、全精密仪器设计天大、上交大合编，机械工业出版社，精密仪器设计天大、上交大合编，机械工业出版社，1992年年 内容类似、简单内容类似、简单测控仪器设计浦昭邦、王宝光主编，机械工业出版社，测控仪器设计浦昭邦、王宝光主编，机械工业出版社，2001年年 哈尔滨工业大学教材哈

2、尔滨工业大学教材课程简介课程简介“现代精密仪器设计”是国内外许多大学机电类、测控仪器类、电子信息类专业的专业课程。本课程主要内容：第第1 1章章 概述概述第第2 2章章 精密仪器总体设计精密仪器总体设计第第3 3章章 精密仪器设计的精度理论精密仪器设计的精度理论第第4 4章章 精密机械系统精密机械系统第第5 5章章 微位移技术微位移技术第第6 6章章 光学系统设计光学系统设计第第7 7章章 定位与测量系统定位与测量系统第第8 8章章 瞄准与对准系统瞄准与对准系统第第9 9章章 自动调焦系统自动调焦系统第第1010章章 精密机械伺服系统设计精密机械伺服系统设计第第1111章章 微机电系统微机电系

3、统现代精密仪器实例介绍第第1 1章章 概概 述述中中国国航航天天清清华华一一号号 “航天清华”卫星在离地球600800千米高的太阳同步轨道上运行。它可以进行存储转发式的通信，或进行定点实时通信，特别适用于无地面网络的地区使用，在数据采集、远程教育等方面有着独特优势。它不仅可以进行光学成像观测，还可以用于环境、资源、水文、地理勘察和气象观测、科学实验等多种用途。除具备以上用途外，它也具有发射入轨后再上载软件的能力，可随时通过上载新的软件改变卫星的任务，并能修正高能粒子对电脑芯片辐射而导致的程序突变问题，提出并开展了“软件卫星”的概念研究。 中国航天科工集团公司与清华大学研制和开发比“航天清华小卫

4、星”更小、集成化程度更高的微小卫星皮星和纳星。 第第1 1章章 概概 述述第第1 1章章 概概 述述表面形貌（轮廓）测量仪表面形貌（轮廓）测量仪 一、基本概念一、基本概念仪器仪表是用来对物质是用来对物质(自然界自然界)实体及其属性进行实体及其属性进行观察观察、监视监视、测定测定、验证验证、记录记录、传输传输、变换变换、显示显示、分析处理分析处理与与控制控制的各种器具的各种器具与装置的总称，是一种与装置的总称，是一种 获取信息获取信息 的手段。的手段。机械学科机械学科仪器仪表学科仪器仪表学科精密仪器精密仪器从学科角度从学科角度仪器仪器机器机器机械机械！ 精密仪器精密仪器仪器仪表的重要组成部分。仪

5、器仪表的重要组成部分。精密仪器测量各种物理量所用的高精度、高分辨率的仪器仪表。测量各种物理量所用的高精度、高分辨率的仪器仪表。 长度长度、热工热工、电磁电磁、光学光学、时间时间、频率频率等等 现代现代仪器仪表仪器仪表信息系统体现，包括信息系统体现，包括信息获取信息获取、处理处理、转换转换、传递传递、 控制控制和和应用应用的全过程。的全过程。信息获取信息获取信息处理信息处理信息转换信息转换信息利用信息利用自然界自然界实质二、仪器分类二、仪器分类 仪器分类相当复杂，目前尚无统一的分类方法仪器分类相当复杂，目前尚无统一的分类方法!！计量测试角度计量测试角度 计量仪器计量仪器 非计量仪器非计量仪器 计

6、量仪器被测量被测量真实数值真实数值计量标准计量标准大尺寸、微尺寸、角度、热、光等导出量，如速度、加速度等物理量工具显微镜、电感工具显微镜、电感(电容电容)测微仪、表面形貌仪、测微仪、表面形貌仪、光电光波比较仪、压力计、原子钟、色度计、光电光波比较仪、压力计、原子钟、色度计、电子隧道加速度计等。电子隧道加速度计等。举例计量院 非计量仪器非计量仪器观察、显示、记录以及控制与分析等。观察、显示、记录以及控制与分析等。 如：显微镜、望远镜、夜视仪、如：显微镜、望远镜、夜视仪、 监视器、显示器、电子电位差计、监视器、显示器、电子电位差计、 流量指示计、流量指示计、 X-Y坐标记录仪、坐标记录仪、 打印设

7、备、分析仪以及打印设备、分析仪以及 自动化生产自动化生产 调节器。调节器。扫描隧道显微镜纳米算盘原子操作硅表面STM利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。其分辨率可达原子水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，其分辨率可达原子水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，可观察大分子和生物膜的分子结构。可观察大分子和生物膜的分子结构。 AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和

8、液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。 原子力显微镜AFMAFM的原理： 当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息！三、精密仪器在国民经济中的地位三、精密仪器在国民经济中的地位1.1.历史回顾历史回顾 古代古代祖先是仪器发明者，首创四大发明之指南针是其一，祖先是仪器发明者，首创四大发明之指南针是其一， 还有算盘

9、、还有算盘、记里鼓车、地动仪等，在世界领先。记里鼓车、地动仪等，在世界领先。16/40指南车记里鼓车 近代近代由于各种原因，仪器仪表水平远远落后于世界水平。由于各种原因，仪器仪表水平远远落后于世界水平。 解放后解放后新中国带来新的生命力，经努力正向世界先进水平前进。新中国带来新的生命力，经努力正向世界先进水平前进。1955年年，全国第一次，全国第一次12年科技发展规划年科技发展规划仪器仪表作为保证仪器仪表作为保证 我国科技发展的重要手段。我国科技发展的重要手段。 1979年年10月月，专家建议、国务院批准，专家建议、国务院批准成立国家仪器仪表工业总局成立国家仪器仪表工业总局 目前，我国关键仪器

10、仪表装备仍落后国际水平十几年！目前，我国关键仪器仪表装备仍落后国际水平十几年！2.2.国内发展状况国内发展状况 与国外差距：与国外差距： (1) (1)品种系列不全品种系列不全 仪表仪表2.5万种，我国万种，我国1.2万种（大多为万种（大多为中低档中低档） (2) (2)技术性能低、质量差技术性能低、质量差 无故障时间短、寿命低、标准化与通用化不足无故障时间短、寿命低、标准化与通用化不足 (3) (3)产品结构落后产品结构落后 功能单一、智能化程度低、可操作性差、外观设计粗糙功能单一、智能化程度低、可操作性差、外观设计粗糙18/40 1995年年，20位院士位院士联名向国务院递交联名向国务院递

11、交 “ 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 ” 科技部颁发科技部颁发 “关于九五期间科学仪器发展的若干意见关于九五期间科学仪器发展的若干意见 ”, 并将科学仪器研究并将科学仪器研究 开发列为开发列为 “ 九五九五 ” 国家科技攻关计划国家科技攻关计划。 发展现状发展现状 国务院国务院、国家计委、经委、科技部、科学院、自然科学基金委等部门国家计委、经委、科技部、科学院、自然科学基金委等部门为科学仪器的发展作出了一定的安排为科学仪器的发展作出了一定的安排。 仪器仪表学报仪器仪表学报膜厚测量仪 (七五科技攻关) 测量精度 10线宽轮廓测量仪 (七五科技攻关) 测量精度0.05 m

12、表面形貌仪(93年鉴定，发明专利) 测量精度 1nm台阶测量仪 (八五科技攻关) 测量精度 现代化宝钢技术装备投资经费现代化宝钢技术装备投资经费中中, 1/3用于购置仪器和自控系统用于购置仪器和自控系统 制酒工业制酒工业，今天也需仪器仪表严格控制温度今天也需仪器仪表严格控制温度、流程才能创出名牌流程才能创出名牌 美国国家标准技术研究院美国国家标准技术研究院 (NIST) 统计统计, 为质量认证和控制为质量认证和控制, 每天要每天要完成完成 2.5 亿亿个检测个检测, 占国民生产总值占国民生产总值(GNP) 3.5% 美国商业部国家标准局美国商业部国家标准局 (NBS)90年代报告年代报告: 仪

13、器仪表工业总产值只仪器仪表工业总产值只占工业总产值占工业总产值 4%, 但它对国民经济但它对国民经济(GNP)影响达影响达66% “倍增器倍增器” “物化法官物化法官”产品质量，环境污染，服违禁药物，指纹，假钞，刑事案件产品质量，环境污染，服违禁药物，指纹，假钞，刑事案件等，无一不依靠仪器仪表等，无一不依靠仪器仪表 “判定判定”。此外，教学实验，气象预报，。此外，教学实验，气象预报，大地测绘，交通指挥，探测灾情，尤其诊治疾病等社会领域都有大地测绘，交通指挥，探测灾情，尤其诊治疾病等社会领域都有广泛应用，广泛应用， “吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空”无所不在。无所不在。4.4.重要

14、作用重要作用 (2) (2)先进科学仪器先进科学仪器知识创新和技术创新的前提知识创新和技术创新的前提和主体内容和主体内容“先行官先行官“ 电子显微镜电子显微镜SEM、 CT断层扫描仪断层扫描仪、 X射线物质结构分析仪、射线物质结构分析仪、 光学相衬显微镜、光学相衬显微镜、 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM) ； 据统计，近据统计，近80年来获诺贝尔奖同科学仪器有关的达到年来获诺贝尔奖同科学仪器有关的达到38人。人。 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者R.R.Ernse： “现代科学进步越来越依靠尖端仪器的发展。现代科学进步越来越依靠尖端仪器的发展。” 基因测量仪器问世，使世界基因研究计划提前基因

15、测量仪器问世，使世界基因研究计划提前6年完成。年完成。 (3) (3)国防装备国防装备“战斗力战斗力“ 1991年海湾战争美国精密制导炸弹和导弹占年海湾战争美国精密制导炸弹和导弹占8%，12年后伊拉克战年后伊拉克战提高提高90%以上以上, , 靠一系列先进仪器仪表系统装备实现。靠一系列先进仪器仪表系统装备实现。 1994年美国国防部成立了年美国国防部成立了“自动测试系统执行局自动测试系统执行局”，统一海路空，统一海路空测试技术，保证立体作战有效实施。现代武器装备无一不配备先测试技术，保证立体作战有效实施。现代武器装备无一不配备先进的测量控制仪器仪表。进的测量控制仪器仪表。 仪器不是单纯精密机械

16、，也不是单纯精密机械仪器不是单纯精密机械，也不是单纯精密机械 + 光学，而是光学，而是 机、电、机、电、光、计算机、材料、物理、化学、生物等先进技术高度综合的高技术。光、计算机、材料、物理、化学、生物等先进技术高度综合的高技术。 ！ (4) (4)信息信息行业行业源头技术源头技术 世界正从世界正从工工业化时代进入信息化时代业化时代进入信息化时代,向知识经济时代迈进向知识经济时代迈进；仪器作仪器作用主要是获取信息用主要是获取信息,作为智能行动的依据作为智能行动的依据 ； “信息技术由测信息技术由测试试技术、计算机技术、通讯技术三部分组成技术、计算机技术、通讯技术三部分组成，而，而测测试试技术则是

17、关键和基础技术则是关键和基础” （钱学森钱学森） 美国商务部美国商务部1999年报告在关于新兴数字经济提出，信息产业包括计年报告在关于新兴数字经济提出，信息产业包括计算机软硬件行业、通信设备制造及服务行业、算机软硬件行业、通信设备制造及服务行业、仪器仪表行业仪器仪表行业。举例 光学精密机械系统 光电转换 电路处理 计算机控制 电机及驱动系统微器件装配系统（Micro Assembling System）仪器组成光学精密机械光学精密机械系统系统光电转换光电转换系统系统电路处理电路处理系统系统计算机控制计算机控制系统系统显示、打印显示、打印系统系统电机及驱动电机及驱动系统系统信息获取与应用信息处理

18、、变换与显示(1)(1)光学精密机械系统光学精密机械系统 光学成像系统光学成像系统物镜、光栏等；物镜、光栏等； 照明系统照明系统光源、滤镜等光源、滤镜等 精密机械系统精密机械系统X-Y精密工作台、微动工作台（精密工作台、微动工作台（Micro-table）、）、真真空吸附台以及传动部件（如空吸附台以及传动部件（如 Flexure Hinge）等等(3)(3)电路处理与计算机控制电路处理与计算机控制 信息处理、变换与存储显示及模块控制等。信息处理、变换与存储显示及模块控制等。 功放、功放、A/D、D/A、 DSP、 FPGA、CPLD 、F/V I/O、LED、LCD等等 。(2)(2)光电转换

19、与传递系统光电转换与传递系统 CCD、摄像机、光电管（摄像机、光电管（Phototube）、）、 硅光电池（硅光电池（Silicon photo-cell）、）、 光栅（光栅（Grating）、）、激光等。激光等。(4)(4)电机及驱动系统电机及驱动系统 电机电机直流电机、交流电机、直线电机、力矩电机、音圈电机直流电机、交流电机、直线电机、力矩电机、音圈电机（Voice Coil Motor）、）、步进电机（步进电机（Stepping Motor）、）、纳米电机（纳米电机（Nanomotion）等。等。 微位移技术中，采用致动器（微位移技术中，采用致动器（Actuator）作为驱动源，如作为驱

20、动源，如PZT、Electrostatic Force等。等。！仪器组成仪器组成对应对应课程内容：课程内容： 精密机械系统精密机械系统 精密机械精密机械 微位移技术微位移技术 定位检测系统定位检测系统 光栅、激光光栅、激光 调焦系统调焦系统 瞄准系统瞄准系统 控制系统控制系统 可靠性设计可靠性设计 有限元分析有限元分析 仪器精度仪器精度整个仪器设计的核心整个仪器设计的核心 课程设计课程设计理论与实践相结合理论与实践相结合精密仪器设计是以设计为主的专业课。是以设计为主的专业课。 (1)(1)综合运用已学基础理论知识，掌握综合运用已学基础理论知识，掌握 光光-机机-电电 相结合的现相结合的现代仪器仪表设计理论与方法；代仪器仪表设计理论与方法； (2)(2)科技文献检索与分析概述能力（科技文献检索与分析概述能力（调研调研、讨论讨论）；）； (3)(3)培养独立的设计能力（培养独立的设计能力（方法方法、创新创新）；）； (4)(4)了解国内外精密仪器学术动态和最新成就。了解国内外精密仪器学术动态和最新成就。一、目的一、目的二、课程内容二、课程内容 概述概述介绍学科的概况；介绍学科的概况； 总体设计总体设计设计原理与方法；设计原理与方法； 精度理论精度理论介绍精密仪器精度