第二章

誤差特性：客觀存在性、不確定性、未知性。

分類：按誤差的數學特征：隨機誤差、系統誤差、粗大誤差：

按被測參數的時間特性：靜態參數誤差、動態參數誤差：按誤差間的關系：獨立誤差：相

關系數為“零"、非獨立誤差：相關系數非"零"。來源：設計、生產、使用，生產中誤差有原

理誤差、制造誤差、運行誤差。

原理誤差：近似數據處理方法、機械結構、測量與控制電路

(1)采用近似的理論和原理進行設計是為了簡化設計、簡化制造工藝、簡化算法和降低成

本。

(2)原理誤差屬于系統誤差，使儀器的準確度下降，應該設法減小或消除。

(3)減小的方法：

?采用更為精確的、符合實際的理論和公式進行設計和參數計算。

?研究原理誤差的規律，采取技術措施避免原理誤差。

?采用誤差補償措施。

制造誤差：產生F制造、支配以及調整中的不完善所引起的誤差。主要由儀器的零件、元

件、部件和其他各個環節在尺寸、形狀、相互位置以及其他參量等方面的制造及裝調的不完

善所引起的誤差。

運行誤差：儀器在使用過程中所產生的誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的誤差，溫度

變形引起的誤差，材料的內摩擦所引起的彈性滯后和彈性后效，以及振動和干擾等。

儀器誤差分析

目的：正確地選擇儀器設計方案；合理地確定結構和技術參數；為設置誤差補償環節

提供依據。

任務：尋找影響儀器精度的誤差根源及其規律；計算誤差及其對儀器總精度的影響程

度；

過程：尋找儀器源誤差：

分析計算局部誤差是各個源誤差對儀器精度的影響，這種影響可以用誤差影響系數與該源

誤差的乘積來表示；

精度綜合根據各個源誤差對儀器精度影響估計儀器的總誤差，并判斷儀器總誤差是否

滿足精度設計所要求的數值。如果滿足，則表明精度設計成功；否則，對精度分配方案進行

適當調整或改變設計方案或結構后，重新進行精度綜合，

誤差獨立作用原理：除儀器輸入以外，另有影響儀器輸出的因素，假設某一因素的變動（源

誤差）使儀器產生一個附加輸出，稱為局部誤差。

影響系數是儀器結構和特征參數的函數：一個源誤差只產生一個局部誤差，而與其它源

誤差無關；儀器總誤差是局部誤差的綜合。

分析方法：微分法、幾何法、作用線與瞬時臂法、數學逼近法、控制系統的誤差分析法。其

它方法：逐步投影法、矢策代數法、球面三角法

幾何法的優點是簡單、直觀，適合于求解機構中未能列入作用方程的源誤差所引起的局部誤

差，但在應用于分析復雜機構運行誤差時較為困難基于機構傳遞位移的機理來研究源誤

差在機構傳遞位移的過程中如何傳遞到輸出。因此，作用線與瞬時臂法首先要研究的是機構

傳遞位移的規律。

第三章

測控儀器總體設計，是指在進行儀器具體設計以前，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。

要考慮的主要問題有：

1.設計任務分析2.創新性為思3.測控儀器若干設計原則的考慮4.測控儀器若干設計原理的

斟酌5.測控儀器工作原理的選擇和系統設計6.測控系統主要結構參數與技術指標的確定

7.儀器總體的造型規劃

儀器總體設計的最終評估，是以其所能達到的經濟指標與技術指標來衡量，精度與可靠性

指標是測控儀器設計的核心問題。

設計任務分析團

了解被測控參數的特點1）了解精度、數值范圍（一維、二維、量值范圍）、1.值性質（單

值、多值）、測量狀態（動態、靜態）等要求；2）按國家標準嚴格的定義確定儀器工作原

理

了解測控參數載體的特點機械與光學載體居多。要考慮載體的大小、形狀、材料、重量、

狀態等四

了解儀器的功能要求是靜態還是動態、開環還是閉環、一維還是多維、單一參數還是復合

參數、檢測效率、測量范圍、承載能力、操作方式、顯示方式、自動診斷、自動保護等。區

了解儀器的使用條件室內還是室外、在線還是脫機、間斷還是連續、環境狀況。11

了解國內外同類產品的原理和技術水平

了解國內加工工藝水平及關鍵元器件的銷售情況

六項設計原則：阿貝（Abbe）原則及其擴展變形最小原則及減小變形影響的措施測吊鏈最

短原則坐標系統一原則精度匹配原則經濟原則

阿貝原則定義：為使量儀能給出正確的測量結果,必須將儀器的讀數刻線尺安放在被測尺寸

線的延長線上?；蛘哒f，被測零件的尺寸線和儀器的基準線（刻線尺）應順序排成一條直線。

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，其原因有二：

1）遵守阿貝原則一般造成儀器外廓尺寸過大，特別是走線值測量范圍大的儀器，情況更為

嚴重。

2）多自由度測審儀器，如圖3-3所示的三坐標測量機，或其它有線值測量系統的儀器。很

難作到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。

許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的各個平面內均能遵

守阿貝原則。

變形最小原則定義：應盡量避免在儀器工作過程中，因受力變化或因受溫度變化而引起的儀

器結構變形或儀器狀態和參數的變化。

1.減小力變形影響的技術措施：一米激光測長機底座變形的補償、光電光波比長儀消除力

變形的結構布局

2.減小熱變形影響的技術措施

1、用恒溫條件，以減小溫度變化量；②選擇合適的材料，以減小線膨脹的影響，或選用

線脹系數相反的材料在某些敏感環節上進行補償；③采用補償法補償溫度變化的影響

測量鏈最短原則定義：儀器中直接感受標準量和被測量的有關元件，如被測件、標準件、

感受元件、定位元件等均屬于測量鏈

I*在精密測量儀器中，根據各環節對儀器精度影響程度的不同，可將儀器中的結構環節區

分為測量鏈、放大指示鏈和輔助鏈三類。DI

測量鏈的誤差對儀器精度的影響最大，一般都是1:1影響測量結果。因此，對測量鏈各

環節的精度要求應最高。

I，因此測量鏈最短原則顯然指一臺儀器中測量鏈環節的構件數目應最少，即測量鏈應最短。

因此，測量鏈最短原則作為一條設計原則要求設計者予以遵守。

以上設計原則，一般都是從某臺儀器總體出發考慮的。而坐標系統一原則，則是對儀器

群體之間的位置關系，相互依賴關系來說的,或主要是針龍儀器中的零件設計及部件裝配要求

來說的。

坐標系統一原則

對零部件設計來說，這條原則是指：在設計零件時，應該使零件的設計基面、工藝基面和測

量基面i致起來，符合這個原則，才能使工藝上或測量上能夠較經濟地獲得規定的精度要求

而避免附加的誤差。

對儀器群體之間（主系統與子系統之間）的位置關系，相互依賴關系來說，這條原則是指：在

設計某臺儀器或其中的組成部件時，應考慮到該儀器或該部件的坐標系統在主坐標系統中的

轉換關系與實現轉換的方法

精度匹配原則定義：在對儀器進行精度分析的基礎上，根據儀器中各部分各環節對儀器精

度影響程度的不同，分別對各部分各環節提出不同的精度要求和恰當的精度分配。

經濟原則經濟原則是一切工作都要遵守的一條基本而重要的原則。經濟原則反映到測控

儀器的設計之中，可從以下幾方面來考慮：

1）工藝性。選擇正確的加工工藝和裝配工藝，從而達到節省工時，節約能源，不但易

于組織生產，而且降低管理費用。

2）合理的精度要求。精度的高低，決定了成本的高低。因此各環節則應根據不同的要求

分配不同的精度。

3）合理選材。合理選材是儀器設計中的重要環節之一，從減小磨損、減小熱變形、減

小力變形、提高剛度及滿足許多物理性能上來說，都離不開材料性能。而材料的成本又差價

很大，因此合理選材是至關重要的一條。

4）合理的調整環節。設計合理的調整環節，往往可以降低儀器零部件的精度要求，達到降

低儀器成本的目的。

5）提高儀器壽命。為提高儀器壽命要為電氣元件進行老化和篩選；對機械零部件中的易

損系統采用更合理的結構型式。雖然這兩方面的改進會使成本增加，但如果儀器壽命延長一

倍，等于使儀器價格降低了一半。

測控儀器設計原理：平均讀數原理、比較測量原理、補償原理

平均讀數原理：在計量學中，利用多次讀數取其平均值，能夠提高讀數精度。

比較測量原理

（一）位移量同步比較測量原理定義：對復合參數進行測量的近代方法是先分別用激光裝

置或光柵裝置等測出它們各自的位移量，然后再根據它們之間存在的特定關系由計算機系統

直接進行運算比較而實現則量。

位移量同步比較原理主要應用于復合參數的測量：漸開線齒形誤差，齒輪切向綜合誤差，螺

旋線誤差，凸輪型面誤差的測量

特點：這類復合參數一般都是由線位移和角位移，或角位移和角位移以一定關系作相互運

動而成。它們的測量過程，實際上是相應的位移量之間的同步比較過程，故在設計這類參數

的測量儀器中，形成了一種位移量同步比較的測量原理。這一原理的特點是符合按被測參數

定義進行測量的基本原則。

（二）差動比較測量原理

1.電學量差動比較測量電學量差動比較測量可以大大減小共模信號的影響，從而可以提

高測量精度和靈敏度，并可以改善儀器的線性度。

2.光學量差動比較測量降低共模信號的影響，還可哨除雜散光的干擾。

（三）零位比較測量原理補償原理補償原理是儀器設計中一條內容廣泛而意義重大的設

計原理。如果在設計中，采用包括補償、調整、校正環節等技術措施，則往往能在提高儀器

精度和改善儀器性能方面收到良好的效果。

補償原理的核心包括：

1.補償環節的選擇為了取得比較明顯的補償效果，補償環節應選擇在儀器結構、工藝、

精度上的薄弱環節，對環境條件及外界干擾敏感的環節上。

2.補償方法的確定有光電方法、軟件方法、電學方法、標準器比較的方法等。

3.補償要求的分析根據不同的補償對象，有不同的補償要求：

例如，灼于導軌直線度偏差的補償，必須要對整個行程范圍進行連續逐點的補償；而對

儀器示值的校正，一般可要求校正幾個特征點，如首尾兩點，或中間選幾點，達到選定的特

征點保證儀器示值精確即可。

4.綜合補償（最佳調整原理）的實施

優點：綜合補償方法具有簡單、易行、補償效果好的特點。

涵義；該方法不必研究儀器產生的誤差來自哪個或哪些環節，但通過對某個環節的調整

后，便起到了綜合補償的效果。

檢測系統工作原理的選擇和系統功能的設計是總體考慮時首先遇到的一個問題。

P1檢測系統是一臺設備的重要組成部分，它相當于人體智能系統的五官，五官獲取外界信

號，大腦相當于設備的控制系統，四肢相當于設備的執行機構，因此，一臺完整的設備能否按

設計要求完成預定的任務，首先取決于檢測系統的精度和可靠性。

檢測系統的設計包括:傳感器的選擇與設計、標準量及其細分方法的應用、數據處理與顯示

裝置的選取等三大部分。

測控儀器結構參數及技術指標的數值是根據儀器的功能、測量范圍、精度要求、分辯力要

求、誤差補償要求、使用要求和條件，以及有關標準規定等許多因素來確定的。

一、從精度要求出發來確定儀器參數一一光學靈敏杠桿的杠桿比的確定

二、從測量范圍要求出發確定儀器參數一一小模數漸開線齒形誤差檢查儀的結構參數的確定

三、從誤差補償要求來確定參數一一電容壓力傳感器的結構參數確定

四、從儀器精度和分辯力要求出發確定儀器參數一一光柵式刀具預調儀電子細分參數與視覺

系統結構參數的選擇。

第四章

在測控儀器中，精密機械系統對保證儀器的測量精度、定位精度和運動精度起著關鍵的作用。

儀器中的支承件包括基座、立柱、機柜、機箱等。

名結構帶點設計要求相應措施

結構尺寸較要且有足夠的剛團度設計京采用的方法有校擬由蛉法（仿直試蛉）、鼬反分析法和育涮元分析法。有限元分析已有成物的分

大，結構比度，力變形要小析軟件可借用。采用正確的結恂設計也是保證支承件剛酬重要手段。

較復雜，要

承受外教荷程定性好，內應力對僑造的基座和立柱要速行時效處理，以消f余內應力，發少應力變形。時效處理的方法有兩種，即自然時

及其變化，受兗形小效和人工時效。

熱變肥影響

較大。熱變形要小產格）W1I作環境溫度，控制儀器內的塊源,采取溫度撲償措施

良好的抗振性在新足剛性要求情況下，盡里蟠重里?以根高固有厥軍，防止共振；如合理地送怪截面影狀和尺寸，合

理胞布？5助板則襁以報富暢剛度?成小內亞報迪的振功影響，如采用氣體、波體跺壓與款或觸系；對蠣

幼電動機的振動加隰密措施；對運動件進行充分聞君以指加阻尼等；采用麻撮或隔振設計，加《例隔報、

穆膠俑振、氣墊溫振等。

名禰印度設計結構設計

1）正確選擇做面形狀與外瞬構：構件受國力變形里與散而R大"洎關；受當、扭時，費形

里與微砒狀有關。緣同袤4T福麟面稅相兩寸不同斷

1）有限元分析法：此分析法是一神杼效學、力學面形狀慣性矩的比較遂行設計

與計籃機技術相結合的對支承件剛度和期將性進2）合理他選擇和布置加建肋，以增加剛度?參閱去4-1-1所示谷種助條（板）的形狀及其優缺

基座行分析的一種方法；點

立柱2）仿直分析法：對結構形1短雜的支承件，可來3）正確的結構布局，充小力變彩

用根膽仿亙，昂然花費些物和時間，但徨出的4）良好的結構工藝性，減小應力雌

結果與實際比裝接近。5）合理地選擇材料通烹委榷座及支承件的材料且有?？偟膹姸群蛣偠取⒛驮?14及良好

的鑄造、焊搔以及機械惘工的工藝性爹聞表4-1-2支承件常用材料性能及改丟措施

6）基座與支承件的聯厚、肋板.肋條厚度設計可參飆4-2

導軌由運動導軌（動導軌）和支承導軌（靜導軌）組成，分為滑動摩擦導軌、滾動導軌、靜

壓導軌和彈性摩擦導軌。

優點

/、:一7,個磨憒后不能自動補償，生用iii條調節。

會其導向面在兩對與軌的外他，兩面能離$變大，受熱時變H厚

TH_____?狡大，為此，窗有較大間源，故星綱導向耨度。

中度戰后不能自動補償，零用i更條調節。

個導向面和壓望面都是平面，制酒和槍粉容易。②箕導向面在兩對與軌某一邊的內外他，兩面花旃較小，受熱

②摩摞系數低，承氧能力大，剛度高時變形小。

TV⑤葷引力位置不寺時，會使工作臺做料，卡死。

①磨攢后不能自動撲償，器用濠條調節。

會箕導向面在中回平尉的兩內側，兩面距蔻裝小，

1執時覲小。對奉引力位置精度要求裝低。

主軸剛度代卜丫K8=M/e（a—為主軸懸伸長度，I一支撐跨距yl-軸承為剛體，主軸為變形

體，y2—主軸為剛體，軸承為變形體，y—總撓度）

提高主軸剛度的措施：

1大主軸直徑，但導致機構尺寸加大。一般D取錐孔大端直徑的1.5—2倍

2合理選擇支撐跨距

3縮短主軸懸伸長度a/10=1/2-1/4

4提高軸承剛度

主軸系統的熱穩定性滾動摩擦軸系優于滑動軸系合理選擇推力支撐位置減小熱源的影

響

a.推力支撐位置在后徑向軸承的兩側。受熱后主軸向前伸長，影響軸向精度。

b.推力支撐位置在前后徑向軸承的外側，裝配方便，受熱伸長會影響軸向間隙。

c.推力支撐位置在前徑向軸承的兩側，避免了主軸受熱向前伸長，剛性較高，但主軸懸伸部

分增加。

d.推力支撐位置在前徑向軸承的內側，是較好的布置。

液體靜壓軸承軸系是由壓力油將軸系浮起進行工作的軸承。

特點：

1）在液體壓力油作用下將主軸浮起，在軸和軸套之間形成油膜，因此形成液體摩擦，摩擦

力極小，幾乎無磨損，壽命長，轉動靈活，消耗功率塵。

2）與氣體靜壓軸系相比剛度更高，承載能力大，因此常用于大型或重型儀器上，在機床上

應用比較廣泛。

3）回轉精度較高，可達0.05nm.由于油液分子的平均作用，使軸系回轉精度可高于零件加

工精度。

4）抗振性好于氣體靜壓軸承。

5）需要一套高質展的供汨系統，由于油溫變化后會造成回轉中心熱漂移，因而還需油溫控

制系統配套使用。因此不僅系統復雜化而且成本也較高。

第五章

電路設計要求

翁數的室麥性提曷性前的指他

影響因表：信噪比'分講力、級囹S（測控系統的實底鋒

態特性輸出是一條曲線而并非是一條直線八靈被度、里

化誤差、移定性、頻率特性、粕入與輸出用抗。

趣性睜白包容

①非線性的標尺和刻度盤難于制作；①選擇適當的別里電路形式，選取合活的別里段，可以顯著琮小非線慢誤差。

②在系統報檔時需要重新標定；?可以通過適當設計或增加^信和校正環節，降低季線性誤差。靈鈾度與系統的里程及

要求

⑤都nit數據記錄容易失a；分辨力是相互關聯的指標，瞪要統籌考慮

④當進行模/數、數/模轉換時不易保證精度；

⑤當進行反饋控制時，控制方法和算法不易實現等。提高

靈敏度?可以提高信啖比和分耕力?從而得至般高的則里

精度。但靈磁度電高，奧悝范國⑥.窄，穩定性也往往意差。

舊應對十罡個烈腔系統而5，響應里應當包拈傳盅5的響應1、汪總各個環節的龍慢匹配I可題。粒免比現某一環節注度過已和過醐極端情況。

速度速度解潞與軟件耕抑A睡蒯個方面。因此，麟2、對軟件系統而言，計算機的主魁高，位賽越高，軟件運行速度就越快，指領行時

同曲短:系細竭速忌蚪越曳

新與軟件系g詞9響應速度也是十分重要的一個環節。

可霎一是在工藝上提高電路系統元器件本身的可靠性，格元器件失效的影語降M到最衽程度；

性要二是在系蛻結構設計方面提高系線正）可拿性和合理性，派免設計不當造成可鴕性

三是在硬件和軟件中增加適當措施。

1、硬件設蓄的選材應基于保證世能、降低價格的原則，在考慮初期投人的同時還必須考

經濟系統的成本與精度之間呈幾何線數關系，隨著精度的不斷

日后系統的運菅和維護費用。2、軟件系統盡可能自主開發，便于長期維護和開皴，也可

要

松提高，成本增力的勺速度近遠超過精度的增加速度。因此，

以保證軟件系嫻修齊性。3在電路與軟件系統過程中應注意硬件與軟件的配比和平衡，

求確定適宜的、合理的目標精度是非常主要的。另一方面，

應靈運運用“以軟代硬”或“以硬代軟”的方法，尋求開發時間、經濟性與性能的折衷

經濟性設計的尺度，必須以滿足精度和可靠性為前提。

決定硬件與軟件的比垂。

1、簡述測控儀器設計中一般的設計要求包括哪些方面？主要的設計程序包括哪些？

設計要求：①精度要求②檢測效率要求③可靠性要求④經濟性要求⑤使用條件要求⑥造

型要求

設計程序：①確定設計任務②設計任務分析③調查研究④總體方案設計⑤技術設計⑥制

造樣機⑦樣機鑒定或蛉收⑧樣機設計定型后進行小批量生產

2、簡述測控儀器的設計原則，并稍作說明

①阿貝原則

該原則指出，為使量儀能給出正確測量結果，必須將儀器的讀數可先吃安放在被測

尺寸線的延長線上。就是說，被測零件的尺寸線和儀器中作為讀數用的基準線應順

序排成一條直線

②最小變形原則

該原則指出，應盡量避免在儀器工作過程中，因受力變化或因溫度變化而引起的儀

器結構變形或儀器狀態和參數的變化，并使之對儀器精度的影響蚩小

③測量捱最短原則

測量造最矩原則則是指構成儀器測蚩徒環節的構件數目應最少

④坐標系基準統一原則

這條原則是指，在設計零件時，應該使零件的設計基面、工藝基面和測量基面一致

起來，符合這個原則才能使T藝上或測量上能夠較經濟的獲得娘定的精度要求而避

免附加的誤差

⑤精度匹配原則

在對儀器進行精度分析的基礎上，根據儀器中各部分各環節對儀器精度影響的不

同，分別對各部分個環節提出不同的精度要求和恰當的精度分配，這就是精度匹配

原則

⑥經濟原則

經濟原則是一切工作都要遵守的一條基本而重要的原則

3、簡述測控儀器的設計原理，并稍作簡述

①平均讀數原理

在計量學中，利用多次讀數取其平均值，通常能夠提高讀數精度。利用這一原理來

諛計儀器的讀數系統，即稱之為平均讀數原理

②比較測蚩原理

包括位移量同步比較測量原理、差動比較測量原理、零位比較測量原理

③補償原理

應用補償法進行誤差補償是應注意的問題有①補償環節②補償方法③補償要求

④綜合補償

4、①線紋尺、度盤、碼盤都是絕對碼標準量的例子，根據它們的起始和終止的位置就可以

確定所對應的線位移或轉角，與測量的中間過程無關。絕對碼標準量的抗干擾能力優于增量

馬標準量，它不受停電、斷線等意外故障以及測量中間過程的影響，并易于恢復測量

②光柵、激光干涉條紋等屬于增量馬標準量。它的優點是可按需要任意設置零位，這樣可以

不必通過兩點的絕對坐標差去確定位移或轉角。有的增量馬標準量還設有絕對零位。增量馬

標準量需從測量條件、屏蔽、電路等方面采取措施，以提高其抗干擾能力

5、導軌運動的不平穩現象產生的原因是什么？如何加以改善？

原因：導軌運動的不平穩現象主要是因為“爬行”現象。

導致爬行現象的原因有①導軌間的靜、動摩擦系數差值較大②動摩擦系數隨速度

變化③系統剛度差

改善：要減小爬行，影視臨界速度降低，即應;就小動摩摭力與靜摩擦力之差AF,熠加

系統阻尼和增加彈性環節剛度。當運動部分潤滑較好時也可使爬行減小

6、試述線性直流穩定電源和開關型穩定電源的工作原理，說明其特點和優勢。

①線性直滂穩定電源的原理是，靠調整管之間的電壓來穩定輸出，因此線性電源的

出特點是工作在線性區，穩定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路。輸出連續可調，但是

體積大、較笨重、效率相對較低

②開關型直滂穩定電源的功率器件調整管不是工作在線性區，而是工作在飽和區及

止區，即始終處于功率開關狀態，開關電源因此而得名。開關電源的優點是體積小，重量輕，

穩定可靠，尤其是渝入電壓范圍很寬；缺點相對于線性電源來說文波較大

7、干擾相合的方式主要有哪些？分別是怎么形成的？

干擾羯合的方式主要有①靜電福合②電磁相合③共阻抗播合④漏電流相合

①靜電相合亦稱電容性相合，產生的原因主要是由于兩個電子器件或者兩

電路之間存在寄生電容，經寄生電容是一個電路的電荷影響另一個電路

②電磁相合的產生原因主要由于兩個電路存在互感，使得一個電路的電流

化通過電磁耦合干擾另一個電路

③共阻抗耦合一般發生在兩個電路的電流流經一個公共阻抗其中一個電

在該阻抗的壓降會影響另一路

④漏電流耦合主要是由于絕緣不良，而流經絕緣電阻的電流所引起的的干擾

8、試述在印刷電路板設計中的布線要掌提的一些原則？（對應電源線，信號線和地線）。

①電源線的布線原則；電源線和地線要盡量粗，除減小壓降外，更重要的是降低耦合嗓

聲。只要允許，還是盡可能用寬線。導線的最小寬度主要有導線與絕緣基板間的粘附強度和

流過它們的電流值決定。導線之間的最小距離主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓

決定

②信號線的布線原則：布線時，盡蚩避免90°折線，使用45。折線或圓弧布線，以減

少高頻信號對外的發射和相合。布線時盡量減少回路環的面積，以降低感應噪聲。盡可能縮

短高頻元件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。諭入端和輸i出端用

的導線應盡量避免相鄰平行。

③地線的布線原則：數字地與模擬地要分離，最后在一點接于電源地，A/D、D/A

片布線也以此為原則。單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減少互相干擾。低頻模擬

電路采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后在并聯接地。高頻模擬電路采用多

點串聯接地，地線應短而用，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。

9、接地設計的兩個基本要求是什么？什么是“浮地系統”，有何優劣點？

接地設計的兩個基本要求是：①消除各電路電流流經一個公共地線阻抗時所產生的噪聲

電壓②避免形成地環路

浮地系統，是指儀器的整個地線系統和大地之間沒有歐姆連接，僅以“浮地”作為它的

電平基準，即參考電平。

浮地系統的優點是不受大地電流的影響。因此，作為系統“地”的參考電平是按水漲船

高的原理歲電壓的感應而相應的提高。所以，儀器內剖的電子器件不會因高電壓的干音而擊

穿，這對COMS電路尤為有利。

浮地系統的缺點是，當附近有高壓設備時，其機殼易感應較高電壓，形成噪聲干擾，因

此安全性較差。

10、在光學檢測系統中，什么是直接檢測系統和相干檢測系統？各有何特點？

不論是相干光源還是非相干光源來攜帶光信息，而檢測器件只直接檢測光強度，這種

光電系統稱為直接檢測系統；如果采用相干光源利用光波的振幅、頻率、相位來攜帶信息,

光電檢測器檢測不是直接檢測光強而是檢測干涉條紋的振唱、頻率、或相位則稱為相干檢測

系統。直接檢測系統簡單、應用范圍廣，而相干檢測具有更高的檢測能力和更高的信噪比，

因而系統精度更高，穩定性也更好。

11、說明干涉條紋外差檢測原理及特性。

(1)原理

信號光I-------------1---------夕卜謝、；反

—多禽:宸光也接收拼H放大器3s-3。

參考光-0

本機振蕩?

圖6?51光學外差探測原理

光學外差檢測原理如圖a所示。入射信號光波的復振幅和本機振蕩參考光波的復振幅分別為

Us(t)=aIsin(wtt+ipx)

U：(t)=a：sin(w：t+qj°)

則在光混頻器上的輸出光強為

它的頻譜分布表如圖b所示，其中的倍頻項與和頻項不能被光電器件接受，只有當30和

3s足夠接近，并使△3=3S-30處于探測器的通頻昔范圍內才能被相應。此時探測器的輸

出信號為，此式為光學外差信號表達式

(2)光外差檢測的特性

光外差干涉測量具有以下優點：①檢測能力強②轉換增益高③信噪比高④濾波性好⑤

穩定性和可靠性高。

12、光電系統設計要考慮哪些重要原則？

①匹配原貝J(光譜匹配、功率匹配、阻抗匹配)②干擾光最小原則③共光路原則④光

電系統設計是測控儀器設計的一部分，它還應遵守儀器設計的阿貝原則、差動比較原則、精

度原則、基面統一原則以及補償原理，平均讀數原理等基本原則和理論

13、如圖所示是斐索平面干涉儀原理圖，試說明其工作原理，并說明其共光路情

況。

原理:激光束1裱聚光鏡3匯聚于小孔光欄4處,

光欄4位于準直物鏡7的焦面處，光束透過分光

鏡5向下通過準直物鏡7一平行光束出射，并垂

直入射到參考物鏡Ml±oMl為半反半透鏡，

一部分光線被、口反射作為標準光束，另一部分

光透過參考鏡Ml入射到被測表面M2上有被測

表面反射形成測量光束，兩束光在光欄6處匯合

而產生干涉。在光欄6處放置CCD攝像機便可

記錄下與被測表面相對應的干涉圖。

光路情況：該系統的測量光束與參考光束基本上

處于同一環境中，溫度的變化和外界振動的影響

對兩束光基本上相同，因而有利于提高測量精

度。系統的測量光束與參考光束在參考鏡Ml到

被測物體之間是不同路的

斐索干涉僅原理圖

1-激光支2-反斯統3-聚光鈍4,6-光欄

5-分光鎮7一般直勃統

14、如圖所示光路是用來檢測物面（鏡面）的,試說明其工作原理？采用的是何

種照明？

①原理：光源發出的光經物鏡7投射

到物體8上，物鏡本身兼做聚光鏡。

物鏡將物面成像到CCD器件9的

光敏面上。這種照明系統可以檢測

反射鏡面上的缺陷。如果被測表面

是鏡面，則鏡面的反射光線全部進

人物鏡成像，因此整個圖像都是白

色。當鏡面上有腐蝕斑點或者污漬

時，所產生的漫反射光線進入物鏡

的甚少，因此圖像上將產生黑色的

斑點

②同軸反射照明

1-光源2-集光鏡3孑1徑光4-視場光闌

5-聚光鏡6-分光鏡7-物鏡8-物面

9-CCD

15、試說明其工作原理，并用相應公式推導，設計要點？

光源發出的光通量0=%+,mSinQV+^))

原理：是正弦波調制的激光束在傳播過程中利用其相位變化來測量距離。

如圖所示該系統采用半導體激光器作為光源，在光源的驅動電路中施加正弦電壓。則

光源發出的正弦規律的光通量°=仇十0mSin(O“+Gc)

光輻射經光學系統3發射到放走被測距高物底上的葩鏡4上，光被靶鏡全反射后被光

學器件6接收，經放大、鑒相后可獲得相位差變化中。

若被測距離為D,從發射光到接收到返回光的時間為t,光的傳播速度為c則t=2Dc,

在這段時間里光載波的相位改變了中，即牛=3ot=u)oX2D，c,從而可以計算出待測距離

D=cip,2u)o=cvp4TT%被測相位值甲=(m-Am)X2n=mX2n-△ip

16、試簡要說明時間法測距的原理，設計要點？

強脈沖激光器1發出的激光巨脈沖經光學系統2射向被測距離的目標3,光被目標反射后被

測距儀的光電檢測器件5接收。若該巨脈沖從發射到接收的時間延遲為t,則被測距離為

D=(l2)ct時間t可用脈沖填充法求出t=NAT=N￡)從而可得D=(l2)ct=(12Q)Cn=KN

式中K=c-2f°是測距脈沖當量，即單位脈沖對應的被測距離

17、簡述激光干涉測長的基本原理，并給出公式，分析其原理誤差。

邁克爾遜干涉儀

原理：由激光器發出的光經分束鏡BS分為兩束，一束射向干涉儀的固定參考臂，經參

考反射錢、口返回后形成參考光束；另一束干涉儀的測量臂，測量臂中的反射鏡M2將隨被

測長度位移而移動，這一束光從測量反射鏡返回后形成測量光束J測量光束和豢考光束的相

互嶷加干涉形成干涉信號。干涉信號的明暗變化次數N直接對應于測量靜的位移，可表示

為L=NA/2=NA°，2n測量光路與參考光路的光程差為2n儀工工)對應的干涉條紋數為

Kc，=2n(LHL/人°測蚩時，反射鏡M2隨被測物體一起移動。如移動長度為L,那么干涉條

紋數變為K=2nLAoUnQrLJA。若干涉條紋經m倍細分后，再用計數器計數，所記的數

為K,那么N=Km=2mnL入Ao從而被測長度為L=NAWmn-(LmL)

由于激光干涉測長是熠量碼式測量，在測量開始前應對計數器清零，因而在測量過程

中只要L0rL不在變化，其測量結果為L=N入°?mn改式為激光干涉測長的基本公式

誤差：對L=NA02mn-(LkL)進行全微分，便可用微分法求出影響激光干涉測長的主

要誤差AL=

為計數誤差J為波長不穩定帶來的測量誤差；為由于測量環境下空氣

折射偏離標準環境下的空氣折射率而帶來的誤差；為測量過程中由于溫度、力變形及

振動造成初試程差發生變化而帶來的誤差

18、螺旋測微機構誤差分析。由于制造或裝配的不完善，使得螺旋測微機構的軸

線與滑塊運動方向成一夾角。試求由此帶來的誤差。(P36)

螺桿移動距離為P

滾珠

由于原誤差為夾角誤差8,滑塊的實際移動距離1為1=氏0$8=

19、如圖所示是小模數漸開線尺廓檢查儀。試說明其工作過程及實現測量的原理。

工作過程：被測齒輪1與半徑為R的基圓盤2同心安裝在主軸上，基圓盤2有由鋼帶將其

與主拖板3相連。在主拖板3上安裝了直尺5,其角度可以通過專門的裝置實現調整。在推

力彈雷12的作用下，測量拖板8與直尺5保持接觸，在測蚩拖板上安裝了測量杠桿9和測

微儀10.轉動手柄7時，傳動絲杠4帶動主拖板上下移動，基圓盤在鋼帶的帶動下轉動，被

測齒輪隨之轉動。與此同時，直尺也上下移動，是測量拖板水平移動，此時，測量杠桿感受

的是被測齒輪的齒廓偏差信號，測微儀10將其放大顯示。

實現測蚩的原理：當主拖板在絲杠的帶動下上下移動的距離為L時，直尺也上下移動了L,

在鋼帶的帶動下基圓盤逆時針旋轉ip=LR。此時，在彈蓄的作用下，測量拖板向右移動的

距離s=Lun8:設被測齒輪的基圓半徑為r。，測量之前將直尺傾斜角度調整為6=arctan(r0R)

那么測量拖板的位移距離為s=Ltan0=LrcR=rcqj

20、自推直儀簡化原理圖如圖所示，用分劃板上的刻線尺來測量反射情的偏轉角,

分劃板上的刻線是均勻的，求原理誤差。

re1光學自準或原理

十字線與其倒像之間錯開的距離z為z0=ftan2a

當a很小時zgf?2a

o=z02f-/arctan（z（＞，f）

則原理誤差為△a=a-a

=zOf-%[zo/f-l/3（z（/f）3-……]

31z3

=16（zo，f）3=〃Q0

21、有一光學系統，其放大倍數為："=/=--：。已知像面的軸向位置誤差

?v?y

A.V=O.lww,物高y=20用力像高為j，，像面到像方焦點間距f=1000優優，求

因此引起的儀器誤差R，。

22、用游標卡尺測量工件的直徑。測量時，活動量爪在尺架（導軌）上移動，由

于導軌之間存在間隙，使活動量爪發生傾斜角而帶來測量誤差，其值為

設S=30毫米，夕=1’?？ǔ咴O計不符合儀器設計的哪個原則？求由此帶來的誤

差，此誤差屬于何種類型誤差。①游標卡尺的讀數刻線尺和被測件的

尺寸線不在一條線上，故不符合阿貝

原則

卜②活動量爪發生傾斜角而帶來測

量:吳差，其值為Ai=Stanip

因為S=30mm,（p=1/

所以、Ai=30X0.0003mm

=9X10-3

23、試說明愛彭斯坦光學補償法是用來補償何種誤差的？并說明其工作原理。

愛彭斯坦光學補償方法a）測長機工作原理圖b）光學補償原理

①補償阿貝誤差

②工作原理：由尾座內光源照明的雙刻線分劃板及由讀數顯微鏡讀數的100mm刻線尺均

安置于儀器床身上，并分別位于焦距f相同的兩個透鏡Nl、N2的焦平面上。反射鏡

M2、透鏡N2及照明光源與尾座連為一體，反射鏡Mlx透鏡N1與頭座連為一體。對

于1m測長機而言，儀器床身上裝有10塊雙刻線分劃板，每兩塊相距100mm,每塊上

面刻有0~9之間的一個數字。對零時，雙刻線指標成像在100mm刻尺的0刻線位置，

即si點。測量時，若工件長度的基本尺寸為100mm或其整數倍，則需尾座向左移動，

若工件長度的基本尺寸除了100mm的整數信外，還有自0.1700mm的小數時，則還需

同時將頭座向右移動到所需的數值上。

③光學補償原理：由于偵角9的影響，在測量線方向上測端將向左移動AL=htane值，如

無補償措施，則此值即為阿貝誤差。但這時與尾座連為一體的M2、N2也隨之傾斜6角，

這樣，新的雙刻線指豕o通過M2、N2及Ml、N1便成像到s2點、，即s2點相對于si

點在刻尺面上也有一部動蚩sls2=fhn6o這時，由于頭座要向左移動AL來壓緊工件，

而使。點的像也同時向左移動△L再次與si點瞄準。若h=f則htanB=ftan0于是，由尾

座傾斜而帶來的阿貝:吳差，在讀數時自動消失了。

24、一個長度為L,高度為H的矩形基座，當上表面溫度高于下底面溫度時會產

生上凸下凹的形變，其最大凹凸量為5如圖所示。(P117)

1.試求證圖中6所標示位置為最大變形量發生位置。

2.試求最大變形量的關系式。設基座材料的線膨脹系數為a,上下溫差為△一

②因為6=qj/4XL/2=^L/8

牛=△L/H=La△t/H

所以6=a△tL:/8H

25、主動三角法測距的應用范圍是多少？漫反射式和反射式三角法的測量原理？繪圖說明，

并寫出公式。設計要點？（P279）

①主動三角法測距法用于從數毫米倒數米的精密測距

②漫反射光的三角法：光源與聚光鏡組成的照明部分的光軸垂直被測物表面，照明光被聚光

鏡匯聚于一點A,九點大小約數|微米，光點被物鏡成像與P點、。若被測表面軸向位移4Z

相應像點由P移至P1,則由三角關系可得AZ=PPIBsinB

這種方法的測量范圍可達數百毫米，分辯率可達1|Jm

@反射式三角法：即入射光的光軸與接收光的光軸按反射定律位置放置，用于測蚩光滑物

pp]co$（8/2）

體的軸向位移，有圖示三角形關系的AZ=

三、問答題（每小題10分，共40分）

I.為什么在高粕度的圓分度測量裝置設計中，在度盤的對徑力向上安裝兩個讀數頭，這?布

局可以消除讀數誤差中哪拽次諧波誤差？

答：在度盤的對徑方向上安裝兩個讀數頭，并取兩個讀數頭讀數值的平均值作為度盤在這轉

角位置上的讀數值。這樣，度盤安裝偏心或軸系靈動帶來的讀數誤差為iF?的話，則對讀數頭

II來說，其讀數誤差必為負，且兩者的絕時值相等。因此，當存在著度盤安裝偏心或軸系晃動

誤龍時，對徑讀數取它們的平均值，則可自動消除讀數誤龍。

這布局可以消除讀數誤差中奇數次諧波誤差。

舉例說明減小阿貝誤差的方法O

答：1）標尺與被測量條線：例如用「分尺測量工.件時，被測零件的尺寸線和「分尺的刻線

尺在”條直線上，完全符合阿貝原則。

2）如無法做到則確保導軌沒有角運動；例如用游標k尺測量工件時，活動量爪與尺架（導軌）

之間存在間隙，測顯時可擰緊活動晟爪上的縮緊螺釘消除間隙，避免活動顯爪產生傾斜。

3）或應跟蹤測量，算出導軌偏移加以補償。例如將愛彭斯坦光學補償方法應用于高精度測長

機的讀數系統中，通過結構布局斷機補償阿貝誤差。

2.密珠軸系有何特點？密珠軸系的設計要點有哪些？

答：密珠軸系的特點為密集的滾珠近似于多頭螺旋排列，每個滾珠公轉時有門己滾道，立不承

夏。滾珠裝配時過盈，相當于預加載荷，起到消除間隙，減小幾何形狀誤陰。這種軸系成本

低，使用方便，壽命K，精度高，但承我能力不大。

密珠軸系的設計要點有

滾珠的密集度：適當提高滾珠密集度，即增加滾珠數量，可以使上釉的,,顆移''有所改善。

滾珠的排列方式：排列方式必須滿足每個滾珠的滾道互不重疊，并在宜徑方向上滾珠的配置成

對稱的原則。

過盈量的確定：過盈量能補償軸承零件的加T.凝紫，提高軸系的同軋精度和剛度。

氣體滯壓導軌有哪些類型？各有何特點？

答：I）閉式平面導軌型導軌精度高，剛性大，承蒙能力也大，最適于作精密機械的長行程

導軌。

2）閉式圓柱或矩形導軌型結構簡單，零件的精度可由機械加工保證。隨著工作臺的移動，

導向圓軸可能產生撓度，故不適用做K導軌，可用J?高精技、高穩定性的短行程工作臺的導軌。

3）開式重量平衡型結構簡單、3件加工也比較容易。但剛度小，承載能力低,可用于負載

變動小的精密儀器和測量儀器。

4）開式真空吸附平衡型由真空泵的真空壓力來限制工作臺的浮起最，因此，可以減少工作臺

浮起間隙量，甚至可以減少到lum,故可提高剛度。常在微細加工設備中應用。

3.測控電路-一般由哪幾部分組成？各有什么作用？

答：1）測量電路測量通路是信息流的輸入通道，其作用是將傳感器輸出的測量信號進行調

理、軋換、或者運算等。

2）控制電路控制電路是信息流的輸出通道，其作用是根據中央處理系統發出的命令，對被

控參數實行控制。

3）中央處理系統中央處理系統同時連接著測量電路和控制電路，即連接著信息流的輸入通

道和輸出通道，因此它是鏈個電路。軟件系統的中心，同時也是整個測控儀器的神經中樞。

4）電源電源的主要作用包括：①為整個電路系統各單兒提供必要的能量，②為各個電路單

元提供電平基準，③為測量信號和控制信號提供參考電平等等。

5）軟件系統軟件系統對「完成各種信息處理、提高系統的自動化和智能化水平、提升系統

性能和可宰性、共享測量數據以及系統之間互相通訊和聯絡等具有直接的作用，同時它也是提

高測控儀器附加值的重要手段之-o

測控軟件的設計一般應遵循那些原則？

答：（1）先進性：軟件設計方法與采用的工具要符合計算機技術發展趨勢，采用先進成熟的技

術和手段，易「技術更新，

（2）可擴充性:：軟件系統的架構應當方便系統和支撐平臺的升級，滿足用戶對信息需求不

斷變化的需要，以及系統投資建設的長期性效益。

（3）靈活件：通過采用結構化、模塊化的設計形式，滿足系統及用戶各種不同的需求，適

應不斷變化的要求。

（4）規范件：采用的技術標準要遵循國際標準和國家標準與規范，保證系統發展的延續和

可靠性。

（5）系統性：軟件的設計并不是獨立J?系統硬件之外的，應當在滿足系統設計的總體前提

下綜合考慮。典型的情況，就是經常采用“以軟代硬”的方法。

4.光電系統設計要考慮哪些重要原則？

答：1）匹配原則光電系統的核心是光學變換與光電變換，因而光電系統的光學部分與電子

部分的匹配是十分重要的，這些匹配包括光譜匹配、功率匹配和阻抗匹配。匹配的核心是如何

正常選擇光電檢測器件C

2）干擾光最小原則光電系統中的干擾光上要指雜散光、背景光和“回授光”。干擾光最小原

則指I擾光對光電系統影響最小，以使系統穩定性好，抗「擾能力強。

3）共光路原則測量光束與參考光束基本上處J?同?環境中，溫度變化和外界振動的影響對

兩束光基本上相同，因而有利于提高測量精度。

干涉條紋外差檢測系統設計時要考慮哪些問題？

答：I）光外差檢測的空間條件信號光和本振光的波前必須重合，也就是說，必須保持信號

光和本振光在空間上的角準XL

2）光外差檢測的頻率條件光外壬探測除了要求信號和本振光必須保持空間準立、共軸以外，

還要求兩者具有高度的單色性和頻率穩定度。

3）光外差檢測的偏振條件在光混頻器上要求信號光與本振光的偏振方向致，這樣兩束光

才能按光束疊加規律進行合成。

4）外差檢測的功率穩定外差檢測中，本機振蕩功率P。若不穩定將會引起很大的噪聲，因此

外差檢測要求本振光功率要穩，除了采用穩頻率和穩功率技術來穩定P。之外，在光路中采用

雙通道混頻技術來減小△島的影響是十分有效的。

四、分析計算題：（每小題10分，共20分）

I.自準直儀簡化原理圖如圖所示，用分劃板上的刻尺來測量反射鏡偏轉用。，分劃板上的刻

度間隔是均勻的，求原理誤差。

解：由圖示幾何關系得tan2a二三，則

a--arctan—=)3...]~———(―);

2f2f3f2f6f

其原理誤差為△a二—'(8)3

6J

2.有--摩擦盤直尺運動囿(