1、測控儀器設計 1 測控儀器設計概論 1.1 概述 n1.1.1儀器儀表是信息的源頭 n 儀器的概念： n 儀器的功能： n 研究內容： n1 儀器及檢測技術已成為促進當代生產 的主流環節，儀器整體發展水平是國家 綜合國力的重要標志之一。 2 先進的科學儀器設備是知識創新和 技術創新的前提 n 當科研工作可以用現成的商品儀器來完成，這時對儀器的 配置，可以認為是科研上技術條件的后勤工作； n 當需靠儀器裝備的創新開發來解決科研和生產中的關鍵問 題時。則探索研究實驗方法和儀器設備的研制探索研究實驗方法和儀器設備的研制，就應該是科研 工作的重要組成部分。也是當前所提倡的知識創新技術創新 研究研究的主

2、體內容之一和創新成就的重要體現形式。 n 科學技術欲轉化為主產力，首先要靠科學儀器儀表去認識科學技術欲轉化為主產力，首先要靠科學儀器儀表去認識 世界。世界。 3儀器是信息的源頭技術 n儀器是國家高科技發展水平的標志儀器是國家高科技發展水平的標志。 n儀器是一種獲取信息的工具，起著不可缺少的信息源的作用。儀儀 器是信息時代的信息獲取器是信息時代的信息獲取處理處理利用的源頭技術利用的源頭技術。新技術革命 的關鍵技術是信息技術。信息技術由測試技術、計算機技術、通 信技術3部分組成。測試技術則是關鍵和基礎。 n儀器不是單純的測控儀器，也不是單純的精密機械加光學，而是儀器不是單純的測控儀器，也不是單純的

3、精密機械加光學，而是 機、電、光、計算機、材料科學、物理、化學、生物學等先進技先進技 術的高度綜合的高技術。術的高度綜合的高技術。 1.1.2 我國現代測控儀器發展的狀況 n我國儀器儀表產品與國外的主要差距: n1、品種系列不全，成套水平低。 n2、技術性能低、質量差：在精度上較國際水平約低12 個等級。 n3、標準化程度低。絕大多數產品沒有可靠性指標，既影 響制造廠的生產效率，也給用戶及維修帶來很大的不便。 n4、新技術采用緩慢，產品更新換代周期長。 n5、產品結構落后、功能少、智能化程度低。 n目前與世界先進水平的差距還在不斷擴大，目前與世界先進水平的差距還在不斷擴大，大量高檔儀大量高檔儀

4、 器和重大設備，主要依賴進口器和重大設備，主要依賴進口。 1.1.3 儀器發展的趨勢 n1、發展科學儀器已經成為國家的一項戰略措施。 n2、當今科學儀器技術最引入注目的發展是在生物、醫 學、材料、航天、環保、國防等直接關系到人類生存和 發展的諸多領域中。 n 發展趨勢發展趨勢：高分辨率、高選擇性、高靈敏度的活體動態研究 技術、原位技術、非接觸（無損）檢測技術等。 n 追求目標追求目標：超快時間和超高空間分辨技術。 n3、儀器的研制和生產趨向智能化、微型化、集成化、 芯片化和系統工程化。 n（1）高精度、高可靠性 n（2）高效率 產品生產的快節奏，必然要求測控儀器具有高效 率 n（3）高智能化

5、n（4）多維化、多功能化。 n 多維的測量空間要求我們研究多維的測量儀器 n在許多場合還需要多參數同時測量 n（5）研究新原理新原理的新型儀器 n4、測試儀器網絡化。這是今后測試技術發展的必然道路。 1.1.4 本課程的目的和要求 n1、通過“測控儀器設計”課程的學習。掌握機、光、 電、算技術結合的儀器總體設計有關基礎理論知識總體設計有關基礎理論知識； n2、初步掌握儀器總體設計和系統設計的方法設計的方法； n3、初步具有正確估算和分析儀器精度的能力估算和分析儀器精度的能力。 1.2 現代測控儀器的分類和基本組成 n1、儀器分類： n A. 從計量測試角度可將儀器分為計量測試儀器計量測試儀器、

6、計算儀器計算儀器和控控 制儀器制儀器，把計量測試儀器與控制儀器及裝置計量測試儀器與控制儀器及裝置統稱為測控儀器測控儀器。 n（1）計量儀器：它是用儀器將被測量取出并與計量標準進行比 較，準確地表示被測量的真實數值。分為： 長度計量儀器 時間頻率計量儀器 力學（機械量）計量儀器 熱工計量儀器 電磁計量儀器 光學聲學計量儀器 電離輻射計量儀器 標準物質計量儀器 計量儀器 n（2 2）計算儀器：）計算儀器：是以信息、數據處理和運算為主的儀器，如各種 專用計算器、通用電子計算機等。 n（3 3）控制）控制儀器與控制裝置：儀器與控制裝置：是針對控制對象按照生產要求設計制 作的控制裝置和自動調整與校正裝置

7、。在現代計量測試儀器中，測 量與控制已經密不可分如在納米測量技術中，精密工作臺的納米 級精密定位則必須采用帶有檢測裝置的閉環控制系統，否則很難達 到預定的高精度、高效率和高可靠性。 n 測控儀器測控儀器：利用測量與控制的理論，采用機、電、光各種計量 測試原理及控制系統與計算機相結合的一種范圍廣泛的測量儀器。 nB.從計量測試角度將儀器分為計量儀器計量儀器和非計量儀器非計量儀器 兩大類： n（1）計量儀器： n（2）非計量儀器： n指除計量儀器外，借助儀器的作用完成一定任務和程序的各種光、 電精密機械。可分為： 觀察儀器 顯示儀器 記錄儀器 計算儀器 調節儀器（控制儀） 非計量儀器 2、基本組成

8、 n儀器種類異常繁多，但不論測控儀器有多大的差別， 我們仍可以從它的功能功能或其它方面其它方面出發將其分為若干 個基本的組成部分。 n1基準部件 n2感受轉換部件 n3轉換放大部件 n4瞄準部件 n5處理與計算裝置 n6顯示部件 n7驅動控制器 n8機械結構部件 1.3 測控儀器設計的指導思想(要求)、原則與程 序 1.3.1設計指導思想 n1、精度： n 對于測量儀器，首要的是精度。根據不同的儀器及不同的測量條件， 選用相應的靜態或動態精度特性指標。一般儀器的測量誤差取被測件公一般儀器的測量誤差取被測件公 差的差的1/3，有時取被測件公差的，有時取被測件公差的15或或110。不應要求儀器所有

9、零件 都高精度，而只應對儀器中直接參與測量的那些零部件規定嚴格的精度 要求。同時還應采取補償措施，提高整體精度。 n2、經濟性 n 采用某種最簡單的方案便能滿足所提出的功能要求，則此方案便是 最經濟的設計方案。因為采用最簡單的方案意味著零部件少、元件少、 可靠性高、成本低等。在考慮儀器經濟性時，不應僅限于儀器的制造成在考慮儀器經濟性時，不應僅限于儀器的制造成 本，還應考慮儀器的使用成本本，還應考慮儀器的使用成本。 n3、效率 n 一般情況下，測量或檢驗效率應與生產制造效率相適應。實際上，測測 量效率通常比生產效率低量效率通常比生產效率低。在這種情況下，則應盡量考慮采用自動化或半 自動化測量方案

10、。提高測量速度，不僅提高了生產率，有時也可以起到提有時也可以起到提 高精度的作用高精度的作用。（生產效率提高，會縮短測量時間而減少溫度變化對降低 測量精度的影響。） n4、可靠性 n 可靠性是指一種產品在一定時間內和一定條件下，不出故障地發揮其 規定功能的概率。常用產品平均壽命、故障率或稱失效率、有效性、平均 保養間隔時間或平均壽命等來表示。 n5、壽命 n 在設計中應注意考慮提高壽命的方法。 n6、造型 n 要使人們感到是一臺現代測控儀器，必須小心維護，細致操作，從 而提高儀器的精度保持性和儀器的使用壽命。 1.3.2 設計原則 n 1從原理上提高精度的原則 n 誤差平均原理。 n 位移量同

11、步比較原理。即采用不同方法對同一量位移同步 運動的方法進行比較的原理。 n 誤差補償原理。通過校正、補償環節、使儀器中的系統誤系統誤 差減小或消除差減小或消除，從而提高儀器的精度。 n2阿貝原則 n 將儀器的讀數刻線尺，安排在被測尺寸線的延長線上。 n3運動學設計原理 n 空間體具有6個自由度，根據物體要求運動的方式，即要求的 自由度數，確定施加的約束數。 n4變形最小原則 n 使儀器當受力、重力、熱、內應力、振動等作用時變形最小。 n5基面合一原則 n 零件設計時，設計基準、加工基推、檢驗基準、裝配基準設計基準、加工基推、檢驗基準、裝配基準要 統一。 n6最短傳動鏈原則 n 影響測量精度的測

12、量鏈系統和傳動效率的傳動鏈最短，零件 最少。 n7精度匹配原則 n 在分析精度的基礎上，對機、光、電各部分精度分配恰當，對各 部分提出不同的精度要求。 n8儀器零部件的標準化、系列化、通用化原則 n9儀器可靠性、安全、維修與操作方便原則 n10結構工藝性好原則 n11造型與裝飾宜人原則 n12價值系數最優原則 133 設計程序 n(1)確定儀器任務：根據用戶要求、國家發展要求、國 內外市場需求來確定。 n(2)調查研究國內外同類產品、性能和特點技術指 標。 n(3)對設計任務進行分析，制定設計任務書設計任務書。 n(4)總體方案設計：在明確設計任務和深人調查之后， 就可進行總體方案的構思和設計

13、。總體設計包括： n實現功能的分析； n確定信號轉換原理與流程； n確定有關機、光、電、算系統的配合并建立數學模型 n主要參數的確定； n技術經濟的評價。 總體設計是儀器設計的關鍵一步總體設計是儀器設計的關鍵一步。在分析時，要： n示意草圖示意草圖 n關鍵部件的結構草圖關鍵部件的結構草圖 n初步的精度試算初步的精度試算 n精度分配精度分配 n方案論證方案論證 n必要的模擬試驗必要的模擬試驗 考查所擬的方案是 否可行，是否最優 具體技術設計 n(5)技術設計。 n總體結構設計； n部件設計； n零件設計； n精度計算； n技術經濟評價； n編寫包括分析和計算的設計說明書。 n(6)制造樣機、樣機

14、鑒定。 n(7)批量投產。 2 測控儀器總體設計 n 總體設計是一個戰略性的工作總體設計是一個戰略性的工作，它的優劣直接影響到測控儀器 的性能和使用，如果總體設計不合理，很可能制造出后不久就被淘 汰，缺乏競爭力。 n 總體設計是創造性的工作總體設計是創造性的工作，特別是現代測控儀器，是光、機、 電、液、氣、計算機技術的綜合。 n 在進行總體設計時，要充分運用科學原理和設計理論，在充分 調查研究掌握大量第一手資料的基礎上，重視科學實驗，做到理論 和實踐緊密結合，盡力使總體設計在原理上正確、實踐上可行、經 濟上合理，使產品具有競爭力。 n 測控儀器總體設計：測控儀器總體設計： n 是指在進行儀器具

15、體設計以前從儀器自身的功能、技 術指標、檢測與控制系統框架及儀器應用的環境和條件等總 體角度出發、對儀器設計中的全局問題進行全面的設想和規 劃。 n 總體設計是設計中的一個部分，總體設計給具體設計規總體設計是設計中的一個部分，總體設計給具體設計規 定了總的原則和布局，指導具體設計的進行，而具體設計則定了總的原則和布局，指導具體設計的進行，而具體設計則 是在總體設計的基礎上的具體化，同時還要不斷地豐富和修是在總體設計的基礎上的具體化，同時還要不斷地豐富和修 改總體設計，兩者相輔相成，有機結合，改總體設計，兩者相輔相成，有機結合，不能斷然分開，常常 常交叉進行常交叉進行。 n注：注： n （1）總

16、的來說。儀器總體設計的最終評估儀器總體設計的最終評估：是 以其所能達到的經濟指標經濟指標與技術指標技術指標來衡量。故作為 儀器的總體設計，也應從這一角度出發來考慮。 n （2）一般在所有的技術指標中精度精度與可靠性指可靠性指 標標是測控儀器設計的核心問題核心問題。 n總體設計要考慮的主要問題有：總體設計要考慮的主要問題有： n、設計任務分析與創新點的構思； n、測控儀器若干設計原則的考慮； n、測控儀器若干設計原理的討論； n、測控儀器工作原理的選擇和系統設計； n、測控系統主要結構參數與技術指標的確定； n、測控儀器造型設計。 2.1 設計方法概述 n 一項工程設計決策的錯誤或者技術上的失敗

17、，會 導致企業的經濟損失，喪失市場信譽，以致危及企業 的生存。因此設計方法的探討引起世界科學家的重視。 近十年來設計方法學設計方法學在國外得到迅速發展并在實際工 作中的應用愈來愈廣泛。 現代設計方法 ： 系統工程 優化設計優化設計 可靠性設計 計算機輔助設計 價值工程 有限元分析 創造性設計 虛擬儀器技術 優化設計三次設計技術 n 任何產品，均可以看成一個系統。一個系統的輸入輸出指標提出之 后，系統的優化問題便由下列兩個集合中挑選最佳元素：一個是系統的系統的 結構集合結構集合；另一個是系統的參數集合系統的參數集合。 n優化設計優化設計：是將優化技術應用于設計過程中，最終獲得比較合理的設計 參數

18、。 n在優化設計中，目前采用三次設計在儀器設計中應用較多，三次設計可 分為三個階段。 n 系統設計 n 參數設計 n 允差設計 n（1）系統設計 n 它是由專業技術人員利用專業知識和工程學原理對具有某種功能的產品它是由專業技術人員利用專業知識和工程學原理對具有某種功能的產品 給出給出基本結構基本結構。 n 這個階段主要采用的是傳統設計方法，即用傳統的實驗方式、經驗設計公 式以及設計者的經驗。一般來說該階段尚未考慮系統參數的優化該階段尚未考慮系統參數的優化問題。 n（2）參數設計（應用正交設計） n 在給定基本結構后，系統中在給定基本結構后，系統中各參數如何確定各參數如何確定，使得產品性能指標既

19、能達，使得產品性能指標既能達 到目標值，又使它在各種環境下波動小，穩定性好。到目標值，又使它在各種環境下波動小，穩定性好。 n 從龐大的組合關系中找出最好的參數搭配關系，使質量最穩定可靠。通過 該階段設計、往往可以使產品的質量從精度和穩定性上獲得很大提高。是設計 一個高質量產品的最重要的階段最重要的階段。 n（3）允差設計（應用正交設計） n 它是用來確定參數的最佳公差。它是用來確定參數的最佳公差。 n 找出對產品質量影響顯著的重要元件，然后對其進行經濟效益計算，最后 定出高質量低成本的方案。 n 三次設計后，產品的質量接近三次設計后，產品的質量接近最佳平均值最佳平均值，工廠在生產，工廠在生產

20、 時的質量接近時的質量接近正態分布。正態分布。 F yC BA DE 譬如市場需要能準確測量電阻器阻值 的設備，在系統設計階段系統設計階段，工程師利用電 路知識，確定設備應如惠斯頓電橋那樣的 基本結構。 在參數設計階段參數設計階段，要選擇A、B、D、 F的電阻值和電動勢E，使得電阻y能準確 測量出來，并且在各種使用環境下測量值 波動小，穩定性好。 在容差設計階段容差設計階段要揭示出設計中哪些 組件對測量值很敏感，哪些組件不敏感。 對敏感的組件公差要設定得窄一些，對不 敏感的組件公差可設定寬一些。 惠斯頓電橋 （其中電阻A、B、D、F可給 定，C是可調電阻，E為電源 電動勢；調節C，使電流計X

21、為0，即可得知電阻y的值） 例：例： 電源電路設計電源電路設計: 要設計一個電源電路，它能把交流電要設計一個電源電路，它能把交流電110V變為變為 直流電直流電115V。工程中已有成熟的電路可使用，但其中有兩個電子元器工程中已有成熟的電路可使用，但其中有兩個電子元器 件的參數有待確定，一個是電阻件的參數有待確定，一個是電阻(記為因子記為因子A)的阻值（單位：歐姆的阻值（單位：歐姆)， 另一個是晶體管的電流放大倍數另一個是晶體管的電流放大倍數(記為因子記為因子B)，為了尋找合適的參數為了尋找合適的參數 搭配，特對因子搭配，特對因子A與與B各選五個水平，并安排各選五個水平，并安排11次試驗，其因子

22、水平次試驗，其因子水平 與試驗結果列于下表上。與試驗結果列于下表上。 從上表可見，有三組參數搭配可使輸出直流電壓為115V，這三組參數搭配是 我們應該選用哪一組參數搭配呢？ 按參數設計思想，應該選這樣一組參數搭配，它使得偏差 |Ey-115| 和波動 都較小的搭配。如果 已為零或近似為零，那就要看三個搭配的 波動大小。這時要用到一些相關專業以及正交設計方面的知識。 對系統設計部分要有全面的了解，特別對其對系統設計部分要有全面的了解，特別對其功能和質量特性功能和質量特性要有清楚要有清楚 的認識，要選好質量特性的認識，要選好質量特性y，找出影響質量特性找出影響質量特性y的因子，要了解的因子，要了解

23、y與這些因與這些因 子的函數關系能否確定：若能確定，則寫出子的函數關系能否確定：若能確定，則寫出函數關系函數關系；若不能確定，那看；若不能確定，那看 能否確定能否確定因子水平的變化對因子水平的變化對y的影響趨勢的影響趨勢，哪怕是部分因子也好。最后還要，哪怕是部分因子也好。最后還要 明確明確y的測量系統，使其能準確和精確地測量的測量系統，使其能準確和精確地測量y的值的值。 A B 200 800 A = 250 B = 500 A = 350 B = 260 2 可靠性設計 n 產品的可靠性是指在規定條件和規定時間內，完成規定功 能的概率。它用產品的可靠度、失效率、壽命及維修度與有效度 來表征。

24、可靠性是產品質量的指標之一而不是全部，即可靠性高可靠性高 未必質量好未必質量好。 n1）產品可靠性分析 n 產品可靠性分析是可靠性設計中的基本內容之一，可從不同 的角度對產品進行分析，以保證產品的可靠度。 n2）產品的設計與研制中的可靠性問題 n 可靠性設計：就是要保證產品在整個壽命期間各階段都能夠 可靠地工作。 n（1）可行性研究 n 它是指在達到目標的多種可能途徑與手段中，選擇最優的一種在達到目標的多種可能途徑與手段中，選擇最優的一種，是 一種工程決策，應充分考慮產品的效果及長遠利益。在可行性研究的基 礎上，還要進行論證，結合試驗，做出進一步肯定。 n（2）產品的可靠性設計 n失效模式、后

25、果及致命度分析 n 分析硬件單元所有可能的故障模式及其原理和影響，最終提出設計 的修改意見。 n 目的：是在實驗前消滅故障。 n可靠性預計及可靠度分配 n 可靠性預計：在沒有該產品失效的數據的條件下通過可靠性預計即 通過元器件的失效數據等，首先確定元器件的可靠性，其次確定部件和 產品的可靠性。使產品可靠性的設計定量化。 n 可靠度分配：根據產品的可靠度具體情況合理地分配到部件和元件。 n結構、漂移及兼容設計 n 結構設計：根據設計給定的條件如精度、體積等進行合理的結構設計。 n 漂移設計：由于元器件的參數容許誤差、寄生參數(如電路)等進行 漂移設計。 n 兼容設計：為防止外界干擾包括防止誤操作

26、的兼容設計。 n安全與維修設計等 n（3）可靠性試驗 n可靠性試驗：為確定產品的可靠性特征量的數值而做的試驗。 n分為破壞性試驗和非破壞性試驗。 n注：產品的可靠性應說明試驗條件、試驗方法及數據處理方法才有意義產品的可靠性應說明試驗條件、試驗方法及數據處理方法才有意義。 n（產品的復雜程度不同，使用條件、抽樣方法、失效數據及統計方法也 有差異） n（4）可靠性統計評定 n 當產品的批量很大時，只能采用隨機抽樣方法做試驗來評定 這一些產品的可靠性指標。通常采用的統計方法有點估計法點估計法和區區 間估計法間估計法。 n點估計法：如果數據經過統計處理，得出的數值是一個單值，叫 點估計法； n區間估計

27、法：如果統計處理結果是一個有上限及下限區間稱為區 間估計法。 n（5）可靠性管理 n管理工作與技術規劃等工作均屬可靠性管理。 2.2 設計任務分析 n目的： n 弄清設計任務對儀器設計提出的各項指標要求和限制，以便所 設計的儀器能實現和滿足設計任務提出的各項指標和要求。這些指 標和要求要寫進設計任務書中，并且根據總體設計的基本原則，逐 一地進行分析研究。 n測控儀器的設計任務一般有三種情況： n 1)設計者根據用戶專門的需要，針對特定的測控對象、被測設計者根據用戶專門的需要，針對特定的測控對象、被測 參數或工作特性來設計專門的儀器參數或工作特性來設計專門的儀器。這種情況下的儀器技術指標一 般由

28、用戶提出。 n 2)設計者根據市場需求，設計通用產品和系列產品設計者根據市場需求，設計通用產品和系列產品。在這種情況 下，設計者自己或與儀器生產廠家合作應對市場需求作廣泛的調 研以確定適當的儀器技術指標，達到以最少的產品系列和較全的儀 器功能來覆蓋最大的社會需求。 n 3)根據技術的發展和社會需求的預測根據技術的發展和社會需求的預測推比性能好功能全，技 術先進的新型產品，新型儀器，進行開發性設計進行開發性設計。 n 總之，通過設計任務分析，可對任務有一個梗概的了解通過設計任務分析，可對任務有一個梗概的了解。所以這 個階段要盡可能多地收集有關資料，經驗總結及計算資料要盡可能多地收集有關資料，經驗

29、總結及計算資料等分析哪 些是關鍵問題，哪些是次要問題，抓住影響全局性的關鍵問題，進行 深入調查研究，比較多種方案，為總體設計打下基礎。 n設計任務分析包含的設計任務分析包含的內容： n1、使用要求 n 測控儀器在一定的工作范圍內能有效地實現預期的功能并在一定的 使用期間內不喪失原有功能的要求。 n了解被測控參數的特點 n 測控儀器的工作任務，首先是實現對被測參數的測量與跟蹤。因此。 了解被測參數的特點是儀器設計的基礎了解被測參數的特點是儀器設計的基礎。 n 被測參數的特點被測參數的特點：指被測參數的定義和精度要求，數值范圍指被測參數的定義和精度要求，數值范圍(一維、 多維及量值范圍)，性質性質

30、(單值、多值)及狀態及狀態(瞬態量、穩態量、動態量、 靜態量)等等等等。只有掌握了這些特點以后才能確定儀器的主要技術指標。 n 了解被測參數的特點還包括要了解被測參數的定義被測參數的定義，以便所設計的以便所設計的 儀器在測量原理上嚴格與被測參數的定義相符合儀器在測量原理上嚴格與被測參數的定義相符合。如：量塊的長度，零 件表面的粗糙度及各種形位誤差等等都有明確的定義。如果不清楚這些 定義，將會使設計的儀器在測量原理上或數據處理方法上出現原理性錯 誤、造成設計失敗。 了解測控參數載體(測控對象)的特點 測控參數載體，即測控對象，一般是各種各樣的機械或光學載 體。這些載體的大小、形狀、材料、重量、狀

31、態等特點都將對測量和 跟蹤控制的質量產生重大影響。 了解儀器的功能要求 對儀器對儀器使用要求及其必須具備功能的分析使用要求及其必須具備功能的分析是儀器設計的是儀器設計的出發出發 點和歸宿點和歸宿。 如：儀器用途儀器用途(是靜態測量還是動態測量、是開環測量還是閉環 測控、是一維測量還是多維測量、是單一參數測量還是多種參數測 量)；儀器的檢測效率儀器的檢測效率；儀器的測量范圍儀器的測量范圍；儀器的承載能力儀器的承載能力；儀器的儀器的 操作方式操作方式(手動、自動、鍵盤、觸模屏)；測量結果的顯示方式測量結果的顯示方式(儀表、 數字、圖像、記錄、打印等)；儀器的自動診斷要求儀器的自動診斷要求；儀器的自

32、動保儀器的自動保 護要求護要求以及儀器的外廓尺寸與自重要求儀器的外廓尺寸與自重要求等等。 n2、儀器精度 n一般可分為三類： n(1)中等精度：直線位移精度為110 ，主軸回轉精度為110 ，圓 分度精度為1 10 。 n(2)高精度：直線位移精度為0.11 ，主軸回轉精度為0.11 ，圓 分度精度為0.2 1 。 n(3)超高精度：直線位移精度為0.1 ，主軸回轉精度為 0.1 ，圓 分度精度為 0.1。 n精度等級不同，系統的設計將有很大差異，甚至導致實現的甚至導致實現的 原理不同原理不同，價格差別很大，所以精度必須與經濟性相匹配精度必須與經濟性相匹配。 mm mm mm n3生產批量 n

33、 同一種儀器不同的生產批量在設計時的結構不同。 n大批量大批量：應盡可量采用專用專用機床和機床和專用專用工夾具工夾具； n單件小批量生產單件小批量生產：則可采用通用通用機床加工，配作機床加工，配作等。 n4生產效率 n 對精密機械設備、微細加工設備對精密機械設備、微細加工設備來講，生產效率是指在單位時間 內它所加工的工件數量； n 對于計量、檢測儀器對于計量、檢測儀器來說，則是其單位時間內的檢測效率。 n設計時應根據所要求的儀器效率考慮儀器的自動化程度。根據所要求的儀器效率考慮儀器的自動化程度。 n5工作環境 n(1)計量室內使用的儀器: n 一般都是高精度的儀器，設計時應盡量采取措施避免外界

34、條 件變化對它的精度影響，或者設計時有消除外界條件變化時對測 量結果影響的修正環節。 n(2)車間條件下使用的儀器: n 考慮的主要出發點則是防塵、防油、防腐等密封裝置 n(3)其他環境條件下使用的儀器: n 只要在允許的要求范圍內變化時，保證儀器正常工作即可。 n6安全保護 n 當測控儀器在特殊環境下工作時，應采取特種防護裝備，以 保證人身安全；同時需要設計一些安全裝置保護儀器。 n7. 了解國內有關方面的加工工藝水平及關鍵元器件銷售情況 n 加工工藝水平是實現設計目標的可靠保證。尤其對儀器的關鍵零部件設 計，要在落實加工工藝方法的同時對設計進行反復的修改要在落實加工工藝方法的同時對設計進行

35、反復的修改。這樣可避免形成 不可實現的結構設計。儀器測控系統所必需的關鍵電氣元器件應在設計的過 程中邊設計邊落實可選購到的標準器件。 n n 在對設計任務及所設計儀器的有關力面有一個全面了解的基礎上，還應： n弄清上述問題中哪些是主要的、是應在設計中必須首先要解決和保證的，弄清上述問題中哪些是主要的、是應在設計中必須首先要解決和保證的， 哪些是次要的哪些是次要的。這樣，便可集中精力針對關鍵問題進行深入研究。 n通過對設計任務的分析還應進一步審定設計任務中提出的各項技術指標進一步審定設計任務中提出的各項技術指標 的的合理性合理性， n進一步審定將用用戶要求轉換為技術指標的確切程度進一步審定將用用

36、戶要求轉換為技術指標的確切程度， n考慮在儀器的精度儲備儀器的精度儲備以及在儀器功能的進一步擴展儀器功能的進一步擴展方面是否有必要在設 計上留有余地等。 2.3 主要參數與技術指標 n2.3.1概念及內容 n (1)測控儀器的主要參數主要參數:是能夠基本反映該設備的概貌 和特點的一些項目，它包括精度參數、尺寸參數、運動參數、動 力參數等. n 精密計量儀器計量儀器的技術參數：測量精度、測量范圍、示值 范圍、工作距離、放大率、數值孔徑、視場、焦距等，基本上反 映該類儀器的概貌。 n (2)測控儀器的技術指標技術指標:是用來說明一臺測控儀器性能和 功用的具體數據的，因此它既是設計的基本依據，又是檢

37、驗成品 質量的基本依據。 n精密機械設備與儀器的技術指標與用途、功能、特點等有關： 可靠性：可靠性：是產品技術性能在時間上的延續性和穩定性的重復性、也就 是說在指定產品給定的時間內，規定的條件下，完成規定功能的能力在指定產品給定的時間內，規定的條件下，完成規定功能的能力。 n 可靠性可靠性用平均故障間隔時間平均故障間隔時間(MTBF)或平均故障率平均故障率（單位時間內故 障次數1MTBF）等來表示。 n維修性維修性:是產品維修的難易程度產品維修的難易程度，它是衡量產品發生故障后能迅速修好 恢復其功能的指標。 n 常用“平均修理時間”(MTTR)表示。 n安全性安全性：產品使用的安全性是最重要的

38、產品質量特性。最重要的產品質量特性。 n 用故障概率P衡量，安全性1一P n n在設計開發產品的全過程中開展價值分析，使產品的 使用價值和生產成本生產成本相匹配，使該項測控儀器的技術 性能既能滿足實際使用要求，又要使其使用壽命周期 的總成本總成本(包括生產成本、使用成本)最低最低，產品的價格 性能比好。 使用價值使用價值和 生產成本生產成本： 2.3.2 主要參數和技術指標的確定方法 n1根據設備的用途確定主要參數和技術指標。 n2根據測量(加工)對象的主要尺寸確定主要參數 和技術指標。 n 如： 三坐標測量機的外輪廓尺寸及工作行程等參數根據測 量工件尺寸大小決定； n 工具顯微鏡中主顯微鏡工

39、作距離測量范圍決定。 n3根據測量(加工)精度確定主要參數和技術指標。 n(1)根據參數本身對儀器精度的影響。 萬能工具顯微鏡接觸瞄準 系統光學靈敏杠桿的 工作原理示意圖 光學靈敏杠桿是工具顯微鏡等儀器上作 瞄準用的一種附件。使用時，一般都是和工 具顯微鏡的3 3倍倍物鏡相配用。其原理如圖。 由照明光源1照亮的分劃板2上的三對雙三對雙 刻線刻線，經透鏡3后由與測桿相連的反射鏡4反 射，再經物鏡5放大，最后成像在測角目鏡分 劃板6上。反射鏡4隨測桿擺動時，三組雙刻 線的象隨之左右移動。僅當測桿中心線與顯測桿中心線與顯 微鏡光軸重合時，雙刻線的象位于米字分劃微鏡光軸重合時，雙刻線的象位于米字分劃

40、板的中心位置板的中心位置。 聚光鏡 n瞄準誤差： n雙線對單線的瞄準，人眼直接的瞄準精度約為10，所以能分辨最 小的Y值為： n對3倍物鏡而言主顯微鏡物鏡的工作距離 約為250mm。 n在一定的瞄準精度條件下、權衡各方，一般可以取 ，這時的瞄準誤差為： 這個數值對于要求 瞄準精度的靈敏杠桿來說是可以接受的。 n(2)根據力變形對儀器精度的影響。 n 如：懸臂式測量機橫臂變形分析及對測量結果的影響 2 1 2 l l y my4 . 0 30 10250105 35 min )( 31 ll mmlmml70,40 21 mm35. 0 402 704 . 0 m1 ？ 4、從誤差補償要求來選擇

41、參數 電容壓力傳感器的結構參數確定 n 圖為電容壓力傳感器電容壓力傳感器的結構示意閣。圖中膜片1與固定極板2構成電容器， 3為絕緣體。當被測壓力P有所變化時。引起膜片1變形、從而使1與2構成的 電容極板之間有不同的間隙，造成電容量的變化，達到測量壓力的目的。 電容壓力傳感器的結構示意圖 0 0 g 0 b 0 a P 這里我們考慮傳感器在工作過 程中、由于溫度變化引起傳感器有 關零件幾何尺寸的變化，從而導致 傳感器極板間歇發生改變而產生附 加電容變化。 現分析： 設溫度為t0時，各元器件之間的 位置關系如右圖所示，則： 0000 gba n當溫度從t0改變 時，溫度膨脹系數相應為： ，各段尺寸

42、的 變化最后導致間歇改變為 ，則： n n由于間歇改變引起電容變化，這時造成的傳感器溫度誤差為： n欲消除溫度誤差，應使分子為0： n即： n于是可得： t gba , t )1 ()1 ()1 ( 000 tgtbta gbat tgba tgba C CC t gba gba t tt )( )( 0000 000 0 0 0 0 000 gba gba 000 gba a 0)()( 000 agaba gb 只要適當選擇零件的有關幾何尺寸和其材料使其滿只要適當選擇零件的有關幾何尺寸和其材料使其滿 足該式，則溫度變化帶來的誤差，理論上可以消除足該式，則溫度變化帶來的誤差，理論上可以消除

43、n5根據設備或儀器中的薄弱環節確定主要參數和技術指標。 n 測控儀器和設備的共同特點是精度要求高，所受載荷小，有時工作速度也較 低，因此只有很少的情況進行強度核算很少的情況進行強度核算，而著重剛度、變形、振動、精度等計著重剛度、變形、振動、精度等計 算算。所以有些技術指標，則是根據薄弱環節的情況來確定的，例如自動檢測速度 指標，是由儀器的動態特性和振動引起精度的損失來確定的。 n6根據系列化要求確定主要參數和技術指標 n 系列化便于設計、生產和維護 n7根據產品可靠性與成本的要求確定主要參數和技術指標 n 產品的可靠性指標要結合必要性必要性和可能性可能性提出恰當的指標。 n 必要性必要性：指使

44、用者根據實際需要對產品提出的可靠性要求，產品必須達到這 個要求才有使用價值。 n 可能性可能性：根據現有的生產手段、費用、器件等條件，產品達到的可靠性指標。 n可靠性主要指標： n平均故障間隔時間平均故障間隔時間(MTBFMTBF) n平均故障率平均故障率（單位時間內故障次數1 1MTBFMTBF） n平均有效度平均有效度 MTBFMTBF / / （MTBFMTBF + + MTTRMTTR ） 維修性維修性反映了產品提供正確使用的能力 1)( 1T cTP g )2 ,(/2 2 1 nxnc 在置信度v之下MTBF的置信下限 給定置信度 平均壽命的真值(MTBF) 概率自由度分布函數 通

45、過概率論分析產品可靠性通過概率論分析產品可靠性： 2.4 創新點的構思 n 創新包括所設計的儀器在理論上、 所實現的原理上、所達到的功能上、所 反映出的新方法和新技術等方面的創新。 2.4 總體方案的制定 2.4.1 基本設計原則 1阿貝(Abbe)原則（共線原則）（量儀設計的指導性原則） 要使量儀給出準確的測量結果，必須將被測件布置要使量儀給出準確的測量結果，必須將被測件布置 在基準元件沿運動方向的延長線上在基準元件沿運動方向的延長線上。 在長度測量時，為了保證測量的準確，應使被測零件應使被測零件 的尺寸線的尺寸線( (簡稱被測線簡稱被測線) )和量儀中作為標準的刻度尺和量儀中作為標準的刻度

46、尺( (簡稱簡稱 標準線標準線) )重合或順次排成一條直線重合或順次排成一條直線。符合阿貝原則的測量， 可盡量減小導軌直線度誤差直線度誤差對測量結果的影響。 設計任務分析設計任務分析確定主要參數及技術指標確定主要參數及技術指標制定總體方案制定總體方案 并聯式并聯式 串聯式串聯式 橫向移動式橫向移動式 一階誤差一階誤差 二階誤差二階誤差 二階誤差二階誤差 線紋尺計量方式中的線紋尺計量方式中的3 3種基本方式種基本方式 n結論：結論： n遵守阿貝原則可以消除一階誤差，提高儀器的精遵守阿貝原則可以消除一階誤差，提高儀器的精 度度。 n 阿貝原則在儀器設計中的意義重大.該原則至今一直被公認為 是儀器設

47、計中最基本的原則之一。在一般的設計情況下應盡量遵守。 但在實際的設計工作中，有些情況不能保證阿貝原則的實施。 n其原因有： n 、遵守阿貝原則會造成儀器外廓尺寸過大。遵守阿貝原則會造成儀器外廓尺寸過大。例如阿貝比長儀， 其被測件的尺寸線和儀器讀數線串聯排列時，儀器外廓尺寸是并聯 排列的2倍。特別是對線值測量范圍大的儀器、情況更為嚴重； 三坐標測量機 1-測頭的觸球 2-被測工件 X Y 1 2 Z 、多自由度測量儀器 如圖三坐標測量機，其測量 點的軌跡是測頭1的行程所構成的 尺寸線，而儀器讀數線分別在圖示 的x、y與Z直線位置處，顯然，在 圖示情況下測量時，X與y坐標方向 均不遵守阿貝原則。這

48、就是說，許許 多線值測量系統的儀器，很難做到多線值測量系統的儀器，很難做到 使各個坐標方向或一個坐標方向上使各個坐標方向或一個坐標方向上 的各個平面內均能遵守阿貝原則的各個平面內均能遵守阿貝原則。 n 擴展阿貝原則：擴展阿貝原則：標尺與被測量一條線， 若做不到，則應使導軌 沒有角運動， 應跟蹤測量算出偏移加以補償 n 由于實際的設計工作中要嚴格做到遵守阿貝原則，往往是很困難的， 所以實際中可以考慮減小或消除誤差影響的措施實際中可以考慮減小或消除誤差影響的措施。 n措施：措施： n1、首先首先從結構結構上： n 從設計及工藝上提高導軌的運動精度，減小因導軌運動不直線性 帶來的傾角值。 n 從結構

49、布置上，盡量使讀數線(線紋尺或光柵尺、激光等)和被測 參數的測量線靠得近些，減小兩者之間相隔距離。 n2、其次其次采取補償補償措施 n阿貝誤差的補償總體可分為： n 動態跟蹤測量補償動態跟蹤測量補償與定點測量補償法定點測量補償法。 n 動態跟蹤測量補償法動態跟蹤測量補償法：是監測到導軌偏移信息后，隨機補償隨機補償阿 貝誤差的方法。 n 特點：該方法是將監測系統與儀器主體固定為一體，一旦經過統 調與定標，則補償的數值穩定可靠補償的數值穩定可靠。 n 定點測量補償法定點測量補償法：是采用標準器具，對儀器進行定點測量，而 后將逐點所取得的測量誤差輸入計算機在讀數時進行補償讀數時進行補償。 n 特點：

50、這種方法要求：儀器某標定點的定標條件與被測件在此標 定點上的被測條件都應完全祥，否則將造成吏大的測量誤差。因 此定點補償的方法是定點補償的方法是很難達到高精度的要求很難達到高精度的要求。 常用的具體補償方法 n(1)愛彭斯坦(Epstein) 原理光學補償光學補償 n 愛彭斯坦原理是一種用結構布局結構布局來補償阿貝誤差來補償阿貝誤差 的方法的方法，利用各種機構，使可能產生的誤差相互抵消 或削弱或者故意引進新的誤差，以減小某些誤差的影 響。被廣泛應用于高精度測長機的讀數系統高精度測長機的讀數系統中。 n以下以測長機為例來說明Epstein誤差補償原理。誤差補償原理。 測長機 n測長機是機械制造中

51、測量大尺寸的測控儀器，儀器的種類很多， 按其測量范圍來分，有1，2，3，4，6m，甚至還有12m的。 工作原理 n圖中6是機身，在它的床面上鑲有刻線尺7和分劃板14。刻線尺7上從0到 100mm內共有刻線1000條故每格為0.1mm；分劃板14共有10塊，每塊相 距100mm，在每一塊上面刻著兩條刻線和0，1，2，9之間的一個數字， 分別代表每一塊分劃板距刻線尺7零刻線的距離的分米數值。光線自光源 15，經聚光鏡，濾光片、反射鏡后照亮了分劃板14。由于分劃板位于物分劃板位于物 鏡組鏡組1111的焦平面上的焦平面上，故光線通過分劃板14后，經直角棱鏡12和物鏡組II 后便形成平行光束，經過同樣焦

52、距的物鏡組9和棱鏡8后，使分劃板14成 象于刻線尺7上(因刻線尺刻線尺7 7亦放置在物鏡組亦放置在物鏡組9 9的焦平面上的焦平面上)。通過讀數顯微 鏡3 3進行讀數。小于0.1mm的讀數由光學計管2完成。 讀分米、毫米和0.01毫米 Hfl 1 2 2 1 cossinlHllHl 22 1 2 1 2 1 lHHll l 誤差：二階微量（補償效果好）誤差：二階微量（補償效果好） (2) 直接補償電學補償電學補償 n 根據測得的偏差值直接補償阿貝誤差。在采用光柵、 激光等信號轉換原理的數字式計量儀器中，可采用根據測 得的偏差值補償阿貝誤差。 n補償的基本原理：補償的基本原理： 由自動準直儀自動

53、準直儀測得的與導軌不直線性成比例的輸出電 壓，通過128進位計數器及比較線路，用干涉條紋的脈沖當 量數相平衡，并將此脈沖當量數加到計數器計算機進行誤 差補償。在整個測量過程中，補償是自動地連續地進行的。 一般作為標準器來跟蹤測一般作為標準器來跟蹤測 量一些高精度、數字式計量儀量一些高精度、數字式計量儀 器導軌的直線度誤差。器導軌的直線度誤差。 激光干涉測長儀激光干涉測長儀 原理圖原理圖 激光棱鏡7上，而后又返回分光鏡4上。兩路光在 分光鏡處匯合而產生干涉。當工作臺連續移動時， 由于兩束光的光程差的變化，而得到明暗相間的 干涉條紋的變化，黑白條紋的變化變為光信號并 經反射鏡8和9，照射到光敏元件

54、10上，光敏元件 接收后轉換為電信號，再經放大、整形、脈沖變 換等電路，最后由可逆計數器計下脈沖數。工作 臺移動的距離可用下式算出： 經穩頻的氦一氖激光，由望遠系統2 使之成為平行光，經反射鏡3射到分 光鏡4上，然后光束分成兩路，一路 光透過分光鏡經全反射鏡5射到三面 激光棱鏡6，再返回到分光鏡4上； 另一路反射到裝在工作臺上的三角 6 補償電路框圖 (3)布萊恩原則 n布萊恩將阿貝原則表達成具有更普遍的意義： n “位移測量系統工作點的路程應和被測位移作用點的路程位于位移測量系統工作點的路程應和被測位移作用點的路程位于 同一條直線上；同一條直線上； n 不可能時，必須使傳送位移的導軌沒有角運

55、動；不可能時，必須使傳送位移的導軌沒有角運動； n 或者必須算出角運動產生的位移，然后用補償機構給予補或者必須算出角運動產生的位移，然后用補償機構給予補 償償。”遵守了上述3條中的1條，即遵守了廣義的阿貝原則廣義的阿貝原則。 n 布萊恩原則布萊恩原則和和阿貝原則阿貝原則在內容實質和概念上是有區別的，因此在內容實質和概念上是有區別的，因此它它 們并列為兩個最基本的設計原則和測量原則。們并列為兩個最基本的設計原則和測量原則。 n書上：Y-z兩坐標測量機 布萊恩原則： （1）長度測量 Z方向； 符合：布萊恩原則符合：布萊恩原則 Y方向 符合：布萊恩原則符合：布萊恩原則 （2）平直度測量 Z方向傾斜；

56、 消除Z方向滑塊4在移動過程中由于導軌不直線性所引起傾斜而 帶來的誤差。 第一：滑塊4沒有角運動，只有左右平移。因平移而引起的測頭 6的位移量和測端17的位移量是相同的。 第二：滑塊4在移動過程中有角運動，設計應滿足“平直度測量平直度測量 系統的工作點，應當位于垂直于滑板移動方向的、并通過被測的平系統的工作點，應當位于垂直于滑板移動方向的、并通過被測的平 直度的作用點的方向線上直度的作用點的方向線上”的要求。 a)正確設置 b)不正確設置 (4)傳動部件設計（遵守阿貝原則） n 阿貝原則雖然主要是針對幾阿貝原則雖然主要是針對幾 何量中大量程線值測量儀器總體何量中大量程線值測量儀器總體 布局設計

57、的一條原則，但同樣適布局設計的一條原則，但同樣適 合各類儀器傳動部件的設計合各類儀器傳動部件的設計 n圖a中，測桿與傳動杠桿的接觸點位于 測桿位移的方向線上；而圖b則不是。 (a) (b) 2運動學設計原則運動學設計原則 n空間物體具有空間物體具有6個自由度，可以用個自由度，可以用6個適當配置的約束加以限制。自個適當配置的約束加以限制。自 內度內度S與約束與約束Q有如下關系：有如下關系： n運動學設計原則：運動學設計原則： n根據物體要求運動的方式根據物體要求運動的方式(即要求自由度即要求自由度)按上式確定施加的約束數按上式確定施加的約束數。 n注：注： n（1）對約束的安排不是任意的，）對約

58、束的安排不是任意的，1個平面上最多安置個平面上最多安置3個約束，個約束，1條條 直線上最多安置直線上最多安置2個約束。個約束。 n（2）約束應是點接觸，并且同一平面）約束應是點接觸，并且同一平面(或線或線)上的約束點應盡量離開上的約束點應盡量離開 得遠些。得遠些。 n（3）約束面應垂直于欲限制的自由度的方向。）約束面應垂直于欲限制的自由度的方向。 QS 6 n 滿足運動學設計原則的設計具有以下優點滿足運動學設計原則的設計具有以下優點： n 每個元件是用最少的接觸點來約束的，每個接觸點的位置不變，每個元件是用最少的接觸點來約束的，每個接觸點的位置不變， 這樣作用在物體上的力可以預先進行計算，因此

59、能加以控制。這樣作用在物體上的力可以預先進行計算，因此能加以控制。 n 工作表面的磨損及尺寸加工精度對約束的影響很小，用大公差工作表面的磨損及尺寸加工精度對約束的影響很小，用大公差 可以達到高精度，因而降低了對加工精度的要求。可以達到高精度，因而降低了對加工精度的要求。 n 若結構要求能拆卸，則拆卸后能方便而精確地復位。若結構要求能拆卸，則拆卸后能方便而精確地復位。 符合運動學設計的滑動導軌符合運動學設計的滑動導軌 符合運動學設計的軸系符合運動學設計的軸系 n半運動學設計半運動學設計： n 運動學設計原則要求施加約束的是點接觸，但理想的運動學設計原則要求施加約束的是點接觸，但理想的“點點”在實

60、在實 際中是不存在的；另外際中是不存在的；另外“點點”接觸易磨損，這就限制了運動學設計原接觸易磨損，這就限制了運動學設計原 則的應用。若則的應用。若將約束處適當地擴大成為一有限大的面積，而運動學設將約束處適當地擴大成為一有限大的面積，而運動學設 計原則不變計原則不變，稱為半運動學設計，因而擴大了運動學設計原則的應用，稱為半運動學設計，因而擴大了運動學設計原則的應用 范圍范圍 半運動學設計的滑動導軌半運動學設計的滑動導軌 n既符合運動學設計原則，又可避免因自重造成的變形。既符合運動學設計原則，又可避免因自重造成的變形。 重型平臺的支承 3變形最小原則變形最小原則 n 在儀器工作過程中，無論是受力