第1章测控仪器设计(第2版)》浦昭邦_王宝光

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。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。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、γ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：①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；②学会如何从设计任务出发，进行总体设计的方法；③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。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。图1-1微电子产品视觉检测仪三维效果图图1—2微电子产品视觉检测仪组成框图工作原理：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。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。放大部件分类实例名称机械式放大部件齿轮放大，杠杆放大，弹性及刚度放大等机械系统光学式放大部件光准直式、显微镜式、投影放大、摄影放大式、莫尔条纹、光干涉等光学系统电子放大部件前置放大、功率放大等电子信息处理系统光电放大部件光电管放大、倍增管放大等光电系统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。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。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。（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。（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。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。图1—3CAD系统的基本组成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。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。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。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。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。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，