《测控仪器设计(第2版)》课后习题答案_浦昭邦_王宝光

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。

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。

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。

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（5）开发新原理（6）动态测量

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。

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。

放大部件

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。

分度值

在计量器具的刻度标尺上，最小格所代表的被测尺寸的数值叫做分度值，分度值又称刻度值。

分辨力(resolution)

显示装置能有效辨别的最小示值。对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值。对模拟式仪器，分辨力就是分度值。分辨力是与仪器的精度密切相关的。要提高仪器精度必须有足够的分辨力来保证；反过来仪器的分辨力必须与仪器精度相适应,不考虑仪器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。

示值误差(error of indication)

测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。由于真值不能确定，实际上用的是约定真值，即常用某量的多次测量结果来作为约定真值。测量仪器的示值误差，包含有仪器的随机误差和系统误差，因此用测量的方法确定仪器示值误差时，同一个值测量次数一般不要超过三次。示值误差越小，表明仪器的准确度越高。

测量范围(measuring range)

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，50～75mm……等规格，但其示值范围均为25mm。

灵敏度(sensitivity)

测量仪器响应(输出)的变化除以对应的激励(输入)的变化。若输入激励量为∆X，相应输出是∆Y，则灵敏度表示为：

S=∆Y／∆X

仪器的输出量与输入量的关系可以用曲线来表示，称为特性曲线，特性曲线有线性的也有非线性的，非线性特性用线性特性来代替时带来的误差，称为非线性误差。特性曲线的斜率即为灵敏度。

灵敏度的量纲可以是相同的，也可以是不相同的，如电感传感器的输入量是位移，而输出量是电压，其灵敏度的量纲为V/mm；而齿轮传动的百分表其输入量是位移，输出量也是位移，在这样情况下，灵敏度又称为放大比。

灵敏度是仪器对被测量变化的反映能力。

鉴别力(阈)(discrimination)

使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应是缓慢而单调地进行。它表示仪器感受微小量的敏感程度。仪器的鉴别力可能与仪器的内部或外部噪声有关，也可能与摩擦有关或与激励值有关。

测量仪器的准确度(accuracy of measuring instrument)

测量仪器的准确度是一个定性的概念，它是指测量仪器输出接近于真值的响应的能力。符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等级或级别称为测量仪器的准确度等级，如零级、一级、二级等。

测量仪器的示值误差(error of indication)

测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。由于真值不能确定，实际上用的是约定真值，即常用某量的多次测量结果来作为约定真值。测量仪器的示值误差，包含有仪器的随机误差和系统误差，因此用测量的方法确定仪器示值误差时，同一个值测量次数一般不要超过三次。示值误差越小，表明仪器的准确度越高。

视差(parallax error)

当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察方向进行读数和瞄准所引起的误差。

估读误差(interpolation error)

观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置而引起的误差，有时也称为内插