精密仪器设计基础

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。测控仪器的分类：1.几何量计量仪器2.热工量计量仪器3.机械量计量仪器4.时间频率计量仪器5.电磁量计量仪器6.无线电参数测量仪器7.光学与声学量测量仪器8.电离辐射计量仪器按功能将仪器分成以下几个组成部分：1基准部件2传感器与感受转换部件3放大部件4瞄准部件5信息处理与运算装置6显示部件7驱动控制器部件8机械结构部件发展趋势：高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化。现代设计方法的特点：(1)程式性(2)创造性(3)系统性(4)优化性(5)计算机辅助设计设计要求：(1)精度要求(2)检测效率要求(3)可靠性要求(4)经济性要求(5)使用条件要求(6)造型要求设计程序：(1)确定设计任务(2)设计任务分析，制定设计任务书(3)调查研究，详细占有资料(4)总体方案设计(5)技术设计(6)制造样机(7)产品鉴定或验收(8)设计定型后进行小批量生产误差的分类：按误差的数学性质分1）随机误差是由大量的独立微小因素的综合影响所造成的，其数值的大小和方向没有一定的规律，但就其总体而言，服从统计规律，大多数随机误差服从正态分布。2）系统误差由一些稳定的误差因素的影响所造成，其数值的大小的方向在测量过程中恒定不变或按一定的规律变化。3）粗大误差粗大误差指超出规定条件所产生的误差，一般是由于疏忽或错误所引起，在测量值中一旦出现这种误差，应予以剔除。按被测参数的时间特性分1）静态参数误差不随时间而变化或随时间而缓慢变化的被测参数称为静态参数，测定静态参数所产生的误差2）动态参数误差随时间而变化或时间的函数的被测参数称为动态参数，测定动态参数所产生的误差按误差间的关系分1）独立误差彼此相互独立，互不相关，互不影响的误差2）非独立误差（或相关误差）一种误差的出现与其他的误差相关联，这种彼此相关的误差绝对误差：被测量测得值x与其真值(或相对真值)xo之差△=x-xo特点：有量纲、能反映出误差的大小和方向。相对误差：绝对误差与被测量真值的比值δ=△/xo特点：无量纲测量误差：对某物理量进行测量，所测得的数值xi与其真值xo之间的差△i=xi-xoi=1,2,3,…n正确度系统误差大小的反应，表征测量结果稳定地接近真值的程度精密度随机误差大小的反应，表征测量结果的一致性或误差的分散性准确度系统误差和随机误差两者的综合反应，表征测量结果与真值之间的一致程度原理误差仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所引起的误差。它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。减小或消除原理误差影响的方法：1）采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算。2）研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。3）采用误差补偿措施。制造误差产生于制造、支配以及调整中的不完善所引起的误差。主要由仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。减小或制造原理误差影响的方法：制造过程中1）提高加工精度2）装配精度设计过程中1）合理地分配误差和确定制造公差2）正确应用仪器设计原理和设计原则3）合理地确定仪器的结构参数4）合理的结构工艺性5）设置适当的调整好补偿环节运行误差仪器在使用过程中所产生的误差。如力变形误差、磨损和间隙造成的误差，温度变形引起的误差，材料的内摩擦所引起的弹性滞后和弹性后效，以及振动和干扰等。（一）力变形为了减小力变形，在设计过程中要着重提高仪器结构件的刚度，合理选择支点的位置和材料，适当采用卸荷装置，使重力引起的变形达到最小（二）测量力变形在设计中应尽量减小测量力同时确保测量力在测量过程中的恒定（三）应力变形结构件在加工和装配过程中形成的内应力的释放所引发的变形同样影响仪器精度（四）磨损磨损使零件产生尺寸、形状、位置误差，配合间隙增加，降低仪器的工作精度的稳定性仪器误差分析步骤：1）寻找仪器误差源，找出影响仪器精度的各项误差2）计算分析各个源误差对仪器精度的影响3）精度综合误差独立作用原理：一个源误差仅使仪器产生一个局部误差，局部误差是源误差的线性函数，与其他源误差无关；仪器总误差是局部误差的综合基座与立柱结构特点：结构尺寸较大，结构比较复杂，要承受外载荷及其变化，受热变形影响较大。设计要求：1）要具有足够的刚度，力变形要小2）稳定性好，内应力变形小3）热变形要小4）良好的抗振性刚度设计：1)有限元分析法：此分析法是一种将数学、力学与计算机技术相结合的对支承件刚度和动特性进行分析的一种方法；2)仿真分析法：对结构形状复杂的支承件，可采用模型仿真，虽然花费些物力和时间，但得出的结果与实际比较接近。结构设计：1）正确选择截面形状与外形结构2）合理地选择和布置加强肋，以增加刚度3）正确的结构布局，减小力变形4）良好的结构工艺性，减小应力变形5）合理地选择材料6)基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度导轨的功用：导轨是稳定和灵活传递直线运动的部件，起着确保运动精度及部件间相互位置精度的作用。其由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成。导轨种类：1）滑动摩擦导轨两导轨面间直接接触形成滑动摩擦。2）滚动导轨动静导轨面间有滚动体，形成滚动摩擦。3）静压导轨两导轨面间有压力油或压缩空气，由静压力使动导轨浮起形成液体或气体摩擦。4）弹性摩擦导轨利用材料弹性变形，使运动件做精密微小位移。这种导轨仅有弹性材料内分子间的内摩擦。导向精度动导轨运动轨迹的准确度，直线度运动的平稳性指导轨低速运行时的爬行。表现为忽快忽慢刚度要求1)自重变形2)局部变形3)接触变形运动学原理把动导轨视为有确定运动的刚体，设计是不允许有多余的自由度和多余的约束，即只保留确定运动方向的自由度。弹性平均效应原理如滚动导轨，是在动导轨与静导轨之间加上滚动体组成的。如果滚动体个数很多，那么这些滚动体尺寸不可能完全一致，当导轨装配施加预载荷时，少数偏大的滚动体因受力而产生弹性变形，因而工作台的运动误差，将因导轨副的弹性平均效应而得到平均，从而提高其承载能力和导向精度导向导轨与压紧导轨分立原则在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为导向面，另一面作压紧面，即导向和压紧分开，保证通过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度。滑动摩擦导轨的组合形式：1）V形和平面组合导轨2）双V形组合导轨3）双矩形组合导轨4）燕尾组合导轨5）双圆柱导轨滚动摩擦导轨的结构形式及其特点：滚动导轨按不同的滚动体可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨1、双V型滚珠导轨优点：运动灵敏，能承受不大的倾覆力矩缺点：承载能力小，容易压出沟槽2、双圆弧滚珠导轨优点：接触面积大，承载能力强，寿命长缺点：摩擦力大于V型滚珠导轨，形状复杂，加工困难，不易达到高精度。属过定位。3、4圆柱棒滚道的滚珠导轨优点：运动精度和运动的灵活性比较高，维修方便，圆柱磨损后，只需转个方位，仍保持原精度缺点：承载力小，属过定位4、V型——平面滚珠导轨优点：既保证了确定的运动，又没有过定位。加工与装配方便。受热变形也不会影响精度缺点：左右滚珠的运动速度不等，VnVm，必须使用单独的隔离架。5、V形滚柱导轨优点：承载能力大，耐磨性好，对导轨面的局部缺陷不敏感缺点：对、的差值要求较严6、平面滚动导轨（滚珠或滚柱）优点：形状简单，加工容易。7、滚动轴承导轨优点：摩擦力矩小，运动灵活，承载能力大，调整方便。常用的微位移机构：1、柔性支承——压电器件驱动的微位移机构2、平行片簧导轨——电压器件驱动的微位移机构3、滚动导轨——压电器件驱动4、平行片簧导轨——步进电机及机械式位移缩小机构驱动5、平行弹簧导轨——电磁位移器驱动6、气浮导轨——步进电机及摩擦传动7、二维X-Y双向微位移工作台精密微动工作台设计要点：（一）设计要求1）微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复性精度。3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好。4）微动工作台应具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。5）工作台最好采用直接驱动，即无传动环节，这不仅刚性好，固有频率高，而且减少了误差环节。（二）精密微动工作台设计中的几个问题（1）导轨形式的选择（2）微动工作台的驱动（3）微动工作台的控制测量电路是信息流的输入通道，其作用是将传感器输出的测量信号进行调理、转换、或者运算等。控制电路是信息流的输出通道，其作用是根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。中央处理系统同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道，因此它是整个电路与软件系统的中心，同时也是整个测控仪器的神经中枢。抗干扰能力：直接影响仪器测量和控制的稳定性和可靠性，信噪比S/N越高，表示抗干扰能力越强稳定性：测控电路的稳定性主要体现在零点稳定性、放大倍数（灵敏度）稳定性、线性度稳定性、输入输出阻抗稳定性等几个方面量程与分辨率：量程越大，分辨率越低；反之，分辨率越高，量程越小。量程与分辨率是两个相互矛盾而又相互制约的指标。对于测量电路系统，当这两个指标无法同时满足时，通常采用量程自动切换技术来解决这一矛盾输入与输出阻抗：电路系统对输入阻抗和输出阻抗的要求随采用传感器和控制器的不同而有所不同，通常要求输入阻抗与传感器的输出12阻抗相匹配，从而使得输出信噪比达到最大值信噪比：衡量系统抗干扰能力的技术指标，以有用信号强度与噪音信号强度之间的比率来表示，简称信噪比，通常以S/N表示。量化误差：当输入量的变化小于数字电路的一个最小数字所对应的被测量值时，数字系统将没有变化，这一误差称为量化误差。非线性误差：主要是由传感器、测量电路或控制电路的非线性引起并共同作用的。温度漂移：将导致被测量和被控量的渐变，同时使电路元器件的特性参数发生变化，使静态工作点偏离原始位置，从而使得测量值和控制值产生偏差频率特性：在动态测试情况下，输出信号幅度和相位随输入信号的频率变化而变化的特性，即幅频和相频特性。响应速度：对于测量电路和控制电路而言，响应速度主要是指电子电路对输入信号的阶跃响应特性和相位频率特性。对于计算机系统及其接口等硬件系统而言，响应速度主要是指数据传输率，即带宽。对于软件系统而言，响应速度主要是指软件的运行速度和指令的执行时间。总线化准则(1)内部总线用于系统内部连接芯片与芯片、芯片与微处理器的元件级总线(2)系统总线用于联接模板与模板的板级总线(3)外部总线用于联接系统与系统之间交换信息与数据的通讯总线优点：采用标准化的通用总线，可大大简化系统的软硬件设计，使系统结构清晰明了，易于扩充和升级，兼容性强，可互换和通用。模块化准则将整个电路与软件系统分割成几个功能相对独立，而有相互联系的模块。模块化设计准则既可以用于硬件设计，也可以用于软件设计。优点：1、模块化设计思想的引入，使复杂的工作得以简化。2、采用模块化设计的电路系统易于维护、修改和扩充，单独的模块还可移植到其它系统之中，可移植性强。单片机的特点与功用：①可靠性高：工业抗干扰能力优于一般的通用CPU，程序指令、系统常数均固化在ROM中，不易破坏；硬件集成度高，使系统整体可靠性大大提高。②易扩展：单片机内具有计算机正常运行所必需的部件，芯片外部有许多供扩展用三总线及并行、串行I/O管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。③控制功能强：为满足工业控制要求，单片机的指令系统均有级为丰富的条件分支转移指令、I/O端口的逻辑操作以及位处理功能。④存储器容量小：受集成度限制，一般ROM为几k字节，RAM仅有几百字节，经扩展后也只能达到几十k字节。⑤体积小：由于单片机的高集成度，使得整个仪器电路系统的体积有可能大幅度缩小，并可以形成便携式仪器，携带和使用非常方便。特别适用于小型测控仪器和便携式测控仪器。干扰源(1)来自信号通道的干扰(2)来自电源的干扰(3)来自空间的辐射干扰(4)来自元器件和电路板的噪声干扰的耦合方式(1)静电耦合由于两个电子器件或