测控仪器设计

测控仪器设计第1页/共173页第三章测控仪器总体设计

概述

第一节设计任务分析与创新点的构思

第二节测控仪器设计原则

第三节测控仪器设计原理

第四节工作原理选择和系统设计

第五节测控系统主要结构参数与技术指标的确定

第六节测控仪器的造型设计第2页/共173页概述总体设计考虑的主要问题：①设计任务分析与创新点的构思②测控仪器若干设计原则的思考和讨论③测控仪器工作原理的选择和系统设计④测控系统主要结构参数与技术指标的确定⑤测控仪器造型设计第3页/共173页第一节设计任务分析与创新点的构思

第4页/共173页一、设计任务分析㈠参数特点㈡参数载体（测控对象）㈢功能要求㈣使用条件㈤国外现状㈥国内现状一、设计任务分析与创新点的构思

第5页/共173页二、创新点的构思三坐标测量机侧头的改进例子体积缩小、Abbe误差减少一、设计任务分析与创新点的构思

第6页/共173页一、设计任务分析与创新点的构思

第7页/共173页一、设计任务分析与创新点的构思

第8页/共173页第二节测控仪器设计原则END：第一节设计任务分析与创新点的构思第9页/共173页对于直线尺寸测量仪器的设计，1890年阿贝提出一条指导性的原则：阿贝原则一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第10页/共173页Abbe原则：为使量仪能给出正确测量结果，必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上被测零件的尺寸线和仪器中作为读数用的基准线（刻线基准）应顺序排成一条直线一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第11页/共173页举例1：游标卡尺一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第12页/共173页举例2：Abbe比较仪标准被测一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第13页/共173页举例2：Abbe比较仪一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第14页/共173页举例2：Abbe比较仪一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第二点读数第二点瞄准第15页/共173页参数计算误差：一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第16页/共173页为什么Abbe比较仪的误差小？比较两个误差公式：一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第17页/共173页误差和倾斜角成一次方关系，习惯上称为一次误差误差和倾斜角成二次访关系，习惯上称为二次（微小）误差遵守阿贝原则可消除一次误差，而仅留有二次微小误差一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第18页/共173页所有的仪器都遵守Abbe了吗？没有！不适合Abbe原则的情况外观尺寸过大多自由度测量仪器一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第19页/共173页思考一次误差和二次误差的几何意义想一想你知道的符合Abbe原则的测量器具、仪器或方法一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第20页/共173页Abbe原则的扩展标尺与被测量一条线若做不到，则应使导轨没有角运动应跟踪测量算出偏移加以补偿一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第21页/共173页（一）Eppenstein光学补偿方法用硬件来实现补偿：结构布局来实现误差补偿一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第22页/共173页（一）Eppenstein光学补偿方法一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第23页/共173页高精度测长机不符合Abbe原则瞄准视场中出现相同偏移再次瞄准即在运动中进行了补偿，∵ΔL=S1S2,h=f误差自动消失一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第24页/共173页（二）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一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第25页/共173页一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第26页/共173页一、阿贝(Abbe)原则及其扩展高精度激光小角度测量法补偿的实质是使θ=0第27页/共173页测量符合Abbe原理平面转角用补偿来消除典型的光机电算一体化仪器系统比较复杂一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第28页/共173页（三）以动态准直仪来检测导轨摆角误差的电学补偿方法(实时补偿概念，计数器直接补偿)一、阿贝(Abbe)原则及其扩展补偿的实质是动态修正第29页/共173页（四）平直度测量过程中的阿贝误差补偿布莱恩：“平面度测量系统的工作点应该位于垂直于滑块移动方向的，并通过测量点的方向线上”一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第30页/共173页（四）平直度测量过程中的阿贝误差补偿布莱恩：“…若做不到在方向线上，则应使导轨没有角运动”针对三座标机等测量直线度一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第31页/共173页一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第32页/共173页（五）遵守阿贝原则的传动部件设计一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第33页/共173页讨论测量孔径时遵守Abbe原则的困难一、阿贝(Abbe)原则及其扩展第34页/共173页思考：一、阿贝(Abbe)原则及其扩展左图正确设置为什么是正确的？第35页/共173页二、变形最小原则及措施第36页/共173页变形最小原则：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状态和参数的变化二、变形最小原则及措施第37页/共173页仪器承重变化，引起仪器结构变形而产生测量误差温度变化引起仪器或传感器结构参数变化，导致光电信号的零点漂移及系统灵敏度变化要求仪器变形要小二、变形最小原则及措施第38页/共173页（一）减小力变形影响的技术措施二、变形最小原则及措施第39页/共173页一米激光测长机测量步骤2二、变形最小原则及措施(力)测量步骤1+工件重量第40页/共173页13二、变形最小原则及措施(力)第41页/共173页重量=测量头架+工件变形尾座轴线有5”倾角时的误差：二、变形最小原则及措施(力)第42页/共173页①固定角隅棱镜与尾座固连在一起②固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆的轴线离底座导轨面等高的同一平面内③可动角隅棱镜的锥顶位于测量主轴的轴心线上（符合阿贝原则）④尽可能减小固定角隅棱镜和尾杆在水平面内的距离d二、变形最小原则及措施(力)第43页/共173页1234二、变形最小原则及措施(力)第44页/共173页1)、尾座有倾角Δθ:对零时：测量时：结果：二、变形最小原则及措施(力)第45页/共173页消除误差的对应措施：第一、第二条措施尾座零位变化Δ1固定角偶棱镜也是变化Δ1相互抵消二、变形最小原则及措施(力)第46页/共173页2)、测量头架有倾角由于第三条措施，符合Abbe原则而忽略不计3)、尾座有摆动不能消除，但是d尽可能减小就是针对这个设计的二、变形最小原则及措施(力)第47页/共173页2.光电光波比长仪消除力变形的结构布局二、变形最小原则及措施(力)第48页/共173页减少误差的措施采用了工作台、床身、基座三层结构光电显微镜、固定参考镜和干涉系统的分光镜：相对位置严格保持不变支撑床身的三个钢球支撑结构各不相同二、变形最小原则及措施(力)第49页/共173页（二）减小热变形影响的技术措施二、变形最小原则及措施第50页/共173页①采用恒温条件：减小温度变化量②选择合适的材料：减小线膨胀的影响，或选用线膨胀系数相反的材料在某些敏感环节上进行补偿二、变形最小原则及措施(热)第51页/共173页③采用补偿法：如测出被测件与标准件的温度t1和t2，被测件与标准件的线胀系数a1和a2，则温度误差的修正公式为：式中，L为被测件的标准长度二、变形最小原则及措施(热)第52页/共173页1.丝杆动态测量仪对环境条件及温度变化影响的补偿温度丝杆波长计算的补偿量在1m范围内均匀以脉冲数进行补偿二、变形最小原则及措施(热)第53页/共173页2.扩散硅压力传感器零点温漂的补偿扩散硅压力传感器(传感+转换)：①扩散电阻的离散性很大，桥路各电阻值不等，即R1≠R2≠R3≠R4②扩散电阻的各个电阻温度系数不等，即a1≠a2≠a3≠a4③扩散电阻随温度非线性变化二、变形最小原则及措施(热)第54页/共173页⑴桥路的平衡条件(压力有关)二、变形最小原则及措施(热)随力变化而变化第55页/共173页设计若能满足以下条件，则可消除误差：二、变形最小原则及措施(热)第56页/共173页⑵串、并联电阻对电阻温度系数的影响1)在电阻为R的扩散电阻上串联电阻RS二、变形最小原则及措施(热)第57页/共173页串联电阻后其电阻温度系数降低二、变形最小原则及措施(热)第58页/共173页2)在扩散电阻上并联电阻RP二、变形最小原则及措施(热)并联电阻第59页/共173页

并联后同样也能降低电阻温度系数二、变形最小原则及措施(热)第60页/共173页⑶串并联电阻补偿原理二、变形最小原则及措施(热)第61页/共173页桥臂1（串联）：等效电阻等效温度系数桥臂2（并联）：等效电阻等效温度系数二、变形最小原则及措施(热)第62页/共173页桥路的各电阻和ａ值Ｋ值再将Ｋ值ＲＰ和ＲＳＲＰ和ＲＳ值能够同时满足平衡方程，电桥总是处在平衡的条件下，达到补偿温度漂移的目的二、变形最小原则及措施(热)第63页/共173页三、测量链最短原则第64页/共173页什么是测量链？测量链的作用是感受被测量和标准量的信号。因此凡是和感受被测量和标准量有关的所有元件，如被测件、标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链三、测量链最短原则第65页/共173页典型仪器三、测量链最短原则第66页/共173页测量链中的元件误差对仪器精度的影响最大，并且一般都是1:1影响到测量结果测量链各环节的精度要求应最高，测量链环节的构件数目应最少，即测量链最短原则三、测量链最短原则第67页/共173页测量链最短，只能从原始设计上加以保证，而不能采用补偿的办法来实现三、测量链最短原则第68页/共173页放大指示链：是将感受的信号进行放大，以便于观察处理和显示放大指示链和辅助链两大环节，它们对仪器精度的影响程度要低于测量链辅助链：游丝、辅助齿轮等三、测量链最短原则第69页/共173页四、坐标基准统一原则第70页/共173页坐标系基准统一原则：设计、加工、测量基面统一经济地获得规定的精度，避免附加的误差对于部件：设计、装配、测量基面统一四、坐标基准统一原则第71页/共173页四、坐标基准统一原则第72页/共173页四、坐标基准统一原则第73页/共173页五、精度匹配原则根据各部分对仪器精度影响程度的不同来提出不同的精度要求和恰当的精度分配测量链精度最高，依次递减五、精度匹配原则第74页/共173页要求低要求高

精度要求三、测量链最短原则第75页/共173页六、经济原则工艺决定成本设计元件按照精度最低原则进行增加调节环节、用光机电算进行补偿等都是有效的降低精度的方法标准和批量是减少成本的最佳方案六、经济原则第76页/共173页第三节测控仪器设计原理END：第二节测控仪器设计原则第77页/共173页第三节测控仪器设计原理一、平均读数原理二、比较测量原理三、补偿原理第78页/共173页§3-3

一、平均读数原理第79页/共173页误差：对径：§3-3

一、平均读数原理第80页/共173页一般情况：一个读数头的误差用周期波来表示：式中，k为各阶谐波的阶次，e为各阶谐波的幅值§3-3

一、平均读数原理第81页/共173页对于n个读数头时的误差：对于某一阶次谐波而言：§3-3

一、平均读数原理第82页/共173页利用：§3-3

一、平均读数原理第83页/共173页对于某一阶次波最后得：K由于为整数，上式改为：§3-3

一、平均读数原理第84页/共173页1）当k=cn时。其中c为正整数，即谐波阶次为读数头n的整数倍时：§3-3

一、平均读数原理第85页/共173页2）当K≠cn时，即谐波阶次不等于读数头数n的整数倍时：§3-3

一、平均读数原理第86页/共173页结论：在光学度盘式圆分度测量装置中，当采用在度盘圆周上均布n个读数头的结构，并取n个读数头读数值的平均值作为读数值时，则可以消除k=cn阶谐波以外的所有谐波对读数误差的影响§3-3

一、平均读数原理第87页/共173页简单：N=2，则2、4、6…次谐波不能消除N=3，则3、6、9…次谐波不能消除N=4，则4、8、12…次谐波不能消除N=∞？§3-3

一、平均读数原理第88页/共173页对径读数例子§3-3

一、平均读数原理第89页/共173页两路信号的平均值读数为：（特殊性为电信号+附加相位）§3-3

一、平均读数原理第90页/共173页平均读数原理小结：多读数头结构平均读数原理不能消除测量过程中轴系晃动对测量结果的影响平均读数原理已成为高精密圆分度测量装置中一条重要设计原理§3-3

一、平均读数原理第91页/共173页平均读数原理应用非常广泛光栅莫尔条纹、多次采样、多次读数等在设计中都是应该重视的§3-3

一、平均读数原理第92页/共173页不足：采用多头读数系统，要求各个读数头的特性完全一致，这会使工艺装配调整的成本增加平均读数原理的实质是起到补偿（抵消）部分系统误差的作用§3-3

一、平均读数原理第93页/共173页第三节测控仪器设计原理二、比较测量原理第94页/共173页比较测量原理(差模信号)广泛地应用于各种物理量的测量比较测量原理尤其适合于几何测量中的复合参数测量，如渐开线齿形误差、齿形切向综合误差、螺旋线误差、凸轮型面误差等的测量工作§3-3

二、比较测量原理第95页/共173页（一）位移量同步比较测量原理（二）差动比较测量原理（三）零位比较测量原理§3-3

二、比较测量原理第96页/共173页齿轮§3-3

二、比较测量原理第97页/共173页万能齿轮整体误差测量机原理§3-3

二、比较测量原理第98页/共173页复合参数测量激光、光栅、电子和计算机的发展，使位移量同步比较由机械式向电子式发展，由于这种发展，使位移量同步比较原理在仪器设计中获得了新的广泛前景测量链短、精度高、性能高§3-3

二、比较测量原理第99页/共173页（二）差动比较测量原理§3-3

二、比较测量原理第100页/共173页减少共模影响抵消缓慢变化参数§3-3

二、比较测量原理第101页/共173页电感传感器采用差动原理§3-3

二、比较测量原理第102页/共173页非差动：差动时：差动式电感传感器的灵敏度比非差动式的提高了一倍§3-3

二、比较测量原理第103页/共173页第三节测控仪器设计原理三、补偿原理第104页/共173页仪器的精度不可能完全靠加工来保证，巧妙的补偿可以取得较好的效果平均读数原理就是补偿的使用例子，还有各种各样的调节环节等这些例子只是一种启发，一定要根据具体情况和要求来选择§3-3

三、补偿原理第105页/共173页1、补偿环节一般应选择仪器中结构上的薄弱环节、工艺上的薄弱环节、精度上的薄弱环节、以及仪器中对环境条件及外界干扰的敏感环节作为补偿环节，在选择具体的补偿环节时，应考虑到通过该环节最易于实现补偿，且补偿效果最灵敏§3-3

三、补偿原理第106页/共173页2、补偿方法结构补偿：如爱彭斯坦光学补偿法数据处理补偿：如在高精度的圆度仪中，为了消除轴系径向误差对测量结果的影响，采用了误差分离技术，通过测量方法及数据处理，把轴系径向误差从测量结果中剔除出去§3-3

三、补偿原理第107页/共173页3、补偿要求不同的补偿对象，有不同的补偿要求有些需要对整个行程范围或量程范围进行连续的逐点的补偿，如对于导轨直线度偏差的补偿一般要求为整个行程范围内做连续的补偿有些则仅要求在几个特征位置上进行，如仪器值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间几个点，达到在选定的特征点保证仪器示值精确即可§3-3

三、补偿原理第108页/共173页4、综合补偿补偿或校正仪器总体或某部分误差，在仪器设计中往往采用综合补偿的办法不论仪器产生的误差来自哪个或哪些环节，通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果§3-3

三、补偿原理第109页/共173页综合补偿案例1（正弦机构）§3-3

三、补偿原理第110页/共173页§3-3

三、补偿原理第111页/共173页综合补偿案例1（正弦机构）理论值：近似值：最大原理误差：§3-3

三、补偿原理第112页/共173页条件最大误差减小至杠杆长度§3-3

三、补偿原理第113页/共173页综合补偿案例2§3-3

三、补偿原理第114页/共173页综合补偿案例2：§3-3

三、补偿原理第115页/共173页END：第三节测控仪器设计原理测控仪器工作原理的

选择和系统设计测控仪器主要结构参数与技术指标的确定测控仪器的造型设计第116页/共173页工作原理选择和系统设计一、传感器的选择与设计二、标准量及其细分方法的选用三、数据处理与显示装置的选取四、运动方式与控制方式的确定一、传感器的选择与设计第117页/共173页按照转换功能划分：位置检测要求准确、分辨率足够数值检测传感器灵敏度高、线性好、原理误差小、最好数字化§3-4

一、信号转换与传输原理的选择第118页/共173页按照对信号的感受方式划分：接触式：光学-机械式；电子-机械式；气动-机械式非接触式：光学式；电容式；气动式直接引入式：热工量、电学量按原理划分：机械、光学、光电、电子、气动等五种§3-4

一、信号转换与传输原理的选择第119页/共173页第四节工作原理选择和系统设计二、标准量及细分方法第120页/共173页（一）标准量的作用用以与被测件进行比较测量用来标定仪器或检定仪器的示值误差§3-4

二、标准量及细分方法的选用第121页/共173页§3-4

二、标准量及细分方法的选用第122页/共173页§3-4

二、标准量及细分方法的选用第123页/共173页§3-4

二、标准量及细分方法的选用第124页/共173页（二）标准量的细分方法光学机械细分：①直读法、②微动对零法电子细分：①非调制信号细分、②调制信号细分法、③相位细分法光学细分（光程、角度）§3-4

二、标准量及细分方法的选用第125页/共173页第四节工作原理选择和系统设计三、数据处理与显示第126页/共173页（一）数据处理系统的功能、类型及选择方法快速、实时扩大仪器的使用范围提高测量精度智能化§3-4

三、数据处理与显示装置的选取第127页/共173页（二）显示系统的功能、类型及选择方法指针记录仪打印数显屏幕显示§3-4

三、数据处理与显示装置的选取第128页/共173页第四节工作原理选择和系统设计四、运动方式与控制方式第129页/共173页直线运动和回转运动连续运动和间歇运动动态采样和静态采样闭环控制和开环控制PID控制、模糊控制、优化控制§3-4

四、运动方式与控制方式第130页/共173页END：第四节原理选择和系统设计第五节测控系统主要结构参数

与技术指标的确定第131页/共173页第五节主要结构参数与技术指标确定一、从精度要求确定参数二、从测量范围确定参数三、从误差补偿确定参数第132页/共173页工具显微镜§3-5

一、从精度要求确定参数第133页/共173页工具显微镜光学灵敏杠杆§3-5

一、从精度要求确定参数第134页/共173页§3-5

一、从精度要求确定参数像点1像点2人眼最小分辨率缩小折合第135页/共173页目的：减小瞄准误差（参公式）减小误差的途径：↓L2或↑L1↓L2：影响使用–结构+量程不允许↑L1：影响工作距离-结构不允许§3-5

一、从精度要求确定参数第136页/共173页在一定的瞄准精度条件下，综合考虑取L1=40mm、L2=70mm，这时的瞄准误差为：这个数值对于要求1μm瞄准精度的灵敏杠杆来说是可以接受的§3-5

一、从精度要求确定参数第137页/共173页第五节主要结构参数与技术指标确定二、从测量范围确定参数第138页/共173页小模数渐开线齿轮齿形误差检查仪结构参数的确定要求：齿轮最大外径120mm

齿轮模数0.2-1mm§3-5

二、从测量范围确定参数第139页/共173页§3-5

二、从测量范围确定参数第140页/共173页比较测量测量拖板与基园产生的渐开线齿轮渐开线§3-5

二、从测量范围确定参数第141页/共173页§3-5

二、从测量范围确定参数第142页/共173页需要确定的参数主拖板最大行程L测量拖板最大行程S直尺摆角θ§3-5

二、从测量范围确定参数第143页/共173页主要参数的关系：§3-5

二、从测量范围确定参数第144页/共173页需要确定的参数：直尺摆角θ和基圆盘半径R：经验θ≤30°，取R=100mm测量拖板最大行程S：l=21.03mm，取s=29mm主拖板最大行程L：L=87.7mm，取L=89mm§3-5

二、从测量范围确定参数第145页/共173页第五节主要结构参数与技术指标确定三、从误差补偿确定参数第146页/共173页电容压力传感器结构示意图§3-5

三、从误差补偿确定参数电极电极第147页/共173页§3-5

三、从误差补偿确定参数第148页/共173页§3-5

三、从误差补偿确定参数第149页/共173页通过误差分析，解析参数，得出使得误差为零的几何参数条件从理论上讲是可行的§3-5

三、从误差补偿确定参数第150页/共173页END：第五节结构参数与技术指标确定第六节测控仪器的造型设计第151页/共173页第六节测控仪器的造型设计一、外形设计二、人机工程

第152页/共173页㈠外形比例的选择㈡外形的均衡与稳定㈢外形的风格㈣外形形体的过渡㈤表面装饰处理§3-6

一、外形设计第153页/共173页1.整数比例整数比例是以正方形为基础单元而派生的一种比例。一个单元正方形形成的比率为1:1，二个单元正方形组合构成的矩形比率为1:2，由此可派生出1:3、1:4等多种矩形图形§3-6

一、外形设计第154页/共173页1.整数比例优点：容易按一定的韵律关系处理形体的配合缺点：由于边长之比为简单的整数关系，整体显得呆板§3-6

一、外形设计第155页/共173页2.均方根比例均方根比例事宜正方形的一条边与此正方形对角线长所形成的矩形比例关系为基础，不断以其新产生的下一个矩形的对角线长尾长边所形成的矩形比例系统§3-6

一、外