现代精密仪器设计第一章-概述

精密仪器设计DesignofPrecisionInstrument教材——《现代精密仪器设计》李庆祥/李玉和等编著清华大学出版社参考书——《现代仪器仪表技术与设计》王大珩主编，北京:科学出版社,2002——内容新、全《精密仪器设计》天大、上交大合编，机械工业出版社，1992年——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，2001年——哈尔滨工业大学教材课程简介“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1章概述第2章精密仪器总体设计第3章精密仪器设计的精度理论第4章精密机械系统第5章微位移技术第6章光学系统设计第7章定位与测量系统第8章瞄准与对准系统第9章自动调焦系统第10章精密机械伺服系统设计第11章微机电系统现代精密仪器实例介绍第1章概述中国航天清华一号“航天清华”卫星在离地球600～800千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“航天清华小卫星”更小、集成化程度更高的微小卫星——皮星和纳星。第1章概述第1章概述表面形貌（轮廓）测量仪本章内容：§1.1精密仪器概况§1.2精密仪器组成§1.3课程内容及学习方法§1.1精密仪器概况一、基本概念仪器仪表——是用来对物质(自然界)实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与装置的总称，是一种获取信息的手段。机械学科仪器仪表学科精密仪器从学科角度——仪器≠机器≠机械！精密仪器——仪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。『长度、热工、电磁、光学、时间、频率等』现代仪器仪表——信息系统体现，包括信息获取、处理、转换、传递、控制和应用的全过程。信息获取信息处理信息转换信息利用自然界实质二、仪器分类§1.1精密仪器概况仪器分类相当复杂，目前尚无统一的分类方法!！计量测试角度——计量仪器非计量仪器计量仪器被测量真实数值计量标准比较大尺寸、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(电容)测微仪、表面形貌仪、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。举例计量院自准直仪：常用于测量导轨的直线度、平板的平面度(这时称为平面度测量仪)等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。光电自准直仪多应用于航空航天、船舶、军工等要求精密度极高的行业，例如机械加工工业的质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度测试标准、棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等非计量仪器——观察、显示、记录以及控制与分析等。如：显微镜、望远镜、夜视仪、监视器、显示器、电子电位差计、流量指示计、X-Y坐标记录仪、打印设备、分析仪以及自动化生产调节器。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。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。AFM全称AtomicForceMicroscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope）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工业自动化仪表与控制系统——指工业，特别是流程产业生产过程中应用的各类检测仪表、执行机构与自动控制系统装置；科学仪器——指应用于科学研究、教学实验、计量测试、环境监测、质量和安全检查等各方面仪器仪表；电子与电工测量仪表——指低频、高频、超高频、微波等各频段测试计量专用和仪器仪表；医疗仪器——指用于生命科学研究和临床诊断治疗的仪器；各类专用仪器——指农业、气象、水文、地质、海洋、核工业、航空、航天等各领域应用的专用仪器；传感器与仪器仪表元器件及材料现代仪器仪表分6大类：现代仪器仪表虽然作大致分类，实际存在许多交叉，比如农业所用大量仪器都是科学仪器。！三、精密仪器在国民经济中的地位1.历史回顾古代——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、记里鼓车、地动仪等，在世界领先。16/40指南车记里鼓车近代——由于各种原因，仪器仪表水平远远落后于世界水平。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。1955年，全国第一次12年科技发展规划——仪器仪表作为保证我国科技发展的重要手段。1979年10月，专家建议、国务院批准——成立国家仪器仪表工业总局目前，我国关键仪器仪表装备仍落后国际水平十几年！！2.国内发展状况与国外差距：(1)品种系列不全——仪表2.5万种，我国1.2万种（大多为中低档）(2)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(3)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18/401995年，20位院士联名向国务院递交“关于振兴仪器仪表工业的建议”科技部颁发“关于九五期间科学仪器发展的若干意见”,并将科学仪器研究开发列为“九五”国家科技攻关计划。发展现状——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为科学仪器的发展作出了一定的安排。《仪器仪表学报》膜厚测量仪(七五科技攻关)测量精度10Å线宽轮廓测量仪(七五科技攻关)测量精度0.05µm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1Å清华航天一号微机械陀螺微型飞行器空速计高度计加速度计陀螺仪磁强计GPS机载微型计算机(MMCU:MicroMeasurementandControlUnit)升降舵方向舵推进动力摄像机降落伞通信（1）取得部分先进成果，但商品化道路艰难；（2）与世界先进水平的差距还在不断扩大而不是逐年接近；（3）大量高档的仪器和重大设备,主要依赖进口。1995年仪器仪表进口为机械工业的第一位；统计表明,目前国外分析仪器占我国市场份额仍高达70%以上；全自动生化仪器、高档医疗仪器和科学仪器几乎全部进口；工程建设配套,过去还常用国产仪器,而现在则以配套进口仪器作为现代化象征。！继续努力振兴民族仪器工业3.国外发展趋势(1)科学仪器发展己成为国家战略措施——发达国家仪器发展,已从自发状态转到有意识、目标政府行为。(2)最引人注目发展——生物、医学、材料、航天、环保、国防等直接关系人类生存和发展等领域[清华：国防定向、强军计划、宇航中心、医学院](3)仪器研制与生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化——利用现代微制造技术、纳米、计算机、仿生、新材料等高新技术研制新式仪器已成主流，如微型全化学分析系统、微型实验室、生物芯片、芯片实验室等。(4)测试仪器网络化——多仪器联网、虚拟仪器等新技术开始实用化。国际上正在大力发展集采样、样品处理(制作)、自动检测、分析和结果输出于一体的流程分析系统。血细胞分析系统(美)全自动生化分析仪(日本)VeriChip－置入皮肤，扫描识别，与DigitalAngel结合进行全球定位安捷伦和Cakiper公司推出RNA6000Pico的芯片实验室试剂盒，用于RNA样品自动质量控制分析GeneLogic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA，并对其进行荧光标记清华大学生物系程京教授、长江学者南洋理工大学和国防医学院——借生物芯片进行血液检验有突破系友黄勇——仿生芯片（伯克利）正在发展芯片型自动分析元件,不仅有测试功能,还可执行分离、反应等操作，可组合成芯片实验室。4.重要作用精密仪器——当代科技重要组成部分，自动化、智能化高科技的灵魂。社会信息化发展，需要各种仪器获取信息，处理信息，因此仪器仪表是不可缺少重要部门。航空航天（宇宙飞船的发射与控制、人造卫星中的仪器）[钱伟长]；汽车工业（设计、加工制造）；重型工业（检测与控制）；电力工业（大型电站的监控）；生物工程（人体各种疾病诊断与分析，B超、CT、核磁共振等）；农业（各种病虫害检测与分析、蔬菜农药检测）[研究生社会实践]；日常生活（照相、录像、计算机普遍化）；……“卡脖子”产业(1)促进当代生产主流环节,国家综合国力的重要标志——现代化宝钢技术装备投资经费中,1/3用于购置仪器和自控系统——制酒工业，今天也需仪器仪表严格控制温度、流程才能创出名牌——美国国家标准技术研究院(NIST)统计,为质量认证和控制,每天要完成2.5亿个检测,占国民生产总值(GNP)3.5%——美国商业部国家标准局(NBS)90年代报告:仪器仪表工业总产值只占工业总产值4%,但它对国民经济(GNP)影响达66%－“倍增器”“物化法官”——产品质量，环境污染，服违禁药物，指纹，假钞，刑事案件等，无一不依靠仪器仪表“判定”。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广泛应用，“吃穿用、农轻重、海陆空”无所不在。4.重要作用(2)先进科学仪器——知识创新和技术创新的前提和主体内容－“先行官“——电子显微镜SEM、CT断层扫描仪、X射线物质结构分析仪、光学相衬显微镜、扫描隧道显微镜(STM)；据统计，近80年来获诺贝尔奖同科学仪器有关的达到38人。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。”基因测量仪器问世，使世界基因研究计划提前6年完成。(3)国防装备－“战斗力“——1991年海湾战争美国精密制导炸弹和导弹占8%，12年后伊拉克战提高90%以上,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“自动测试系统执行局”，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进的测量控制仪器仪表。仪器不是单纯精密机械，也不是单纯精密机械+光学，而是机、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。！(4)信息行业——源头技术——世界正从工业化时代进入信息化时代,向知识经济时代迈进；仪器作用主要是获取信息,作为智能行动的依据；——“信息技术由测试技术、计算机技术、通讯技术三部分组成，而测试技术则是关键和基础”（钱学森）——美国商务部1999年报告在关于新兴数字经济提出，信息产业包括计算机软硬件行业、通信设备制造及服务行业、仪器仪表行业。§1.2仪器的基本组成举例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（MicroAssemblingSystem）仪器组成——§1.2仪器的基本组成光学精密机械系统光电转换系统电路处理系统计算机控制系统显示、打印系统电机及驱动系统信息获取与应用信息处理、变换与显示(1)光学精密机械系统光学成像系统——物镜、光栏等；照明系统——光源、滤镜等精密机械系统——X-Y精密工作台、微动工作台（Micro-table）、真空吸附台以及传动部件（如FlexureHinge）等(3)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。功放、A/D、D/A、DSP、FPGA、CPLD、F/VI/O、LED、LCD等。(2)光电转换与传递系统——