第三章 现代仪器总体设计(6学时)

仪器是一个复杂的系统，涉及机、电、光、磁、液、 气、计算机、信号处理等多种学科，仪器总体设计 是复杂而重要的，是必不可少的一个环节。 仪器总体设计主要考虑以下问题： 1.设计任务书 2.信号转换及传输方式 3.精度设计 4.技术指标确定 5.结构参数 6.可靠性、实用性、经济性、外观造型等 7.总体方案确定
第三章 现代仪器总体设计
（Overall Design of Modern Instrument）
主要内容
•了解仪器设计整体流程 •设计任务分析 •仪器结构参数及技术指标确定 •仪器设计若干原则
3.1 概述
一台仪器往往是解决某项工程中的一个环节，因此 仪器的总体设计者首先应了解仪器在该工程项目中 的地位和所起的作用。 仪器作为一个产品，其市场定位要准确，特点要突 出。 仪器总体设计就是根据仪器要解决的工程问题（或 客户要求）、市场定位和现有的技术水平，为用户 提供性能先进、功能合理、经济可靠、美观实用、 操作方便和高效率的测试手段和平台。
3.3 仪器结构参数及技术指标确定
仪器结构参数及技术指标反映仪器的概貌特
点、性能和功用的具体参数。它是设计仪器 的基本依据，也是检验仪器产品质量的依据。 仪器的结构参数及技术指标是根据仪器的功 能、精度要求、测量范围、使用要求和使用 条件以及有关标准规定等诸多因素来确定的。
不同的仪器有不同的结构参数及技术指标。
图（b）采用串联方式，被测尺在标准尺的延长线上。 图（c）是横向移动方式。 （2）.产生测量误差原因 由于导轨不可能作到完全理想，所以总有一些 非测量运动产生。可产生 6个运动分量，分别在6个 自由度上 x, y, z 和 x, y, z 。 图（a）的并联方式中，三个移动对显微镜作用 相同，因此对测量结果没有影响。绕X轴和Y轴的转 动不会产生测量误差，绕Z轴转动会产生测量误差。 误差的大小为：
其中
c
1 2 c 2 2
1 2 c 2 2
现显微镜间的距离
总的误差为：
2 c
2
y M2''
x
φ M1' c 串联时支架绕z轴转动 δ 2’ M2'
2

2 4 1 2 c1 cos c 1 1 2 4 2 c
L2
S
O’ O
O
设测球0点有S的位移，机械杠杆及反射镜随之摆过 角，反射镜由I－I摆到II－II，双刻线在I－I位置成 像在001上，当摆到II－II位置时，成像在a’点上， a’c光线对光轴的夹角是2 ,a’点到光轴的距离为 y,则
y L1 2 S L2
所以，
2 L1 S y L2
对于用户提出的仪器设计指标，要根据此转
换成设计者的参数和指标。 对于创新型的新仪器研制，其指标要根据使 用场合、使用环境及市场调研来确定。
（2）.根据测量（加工）对象的主要尺寸确
定主要参数和技术指标 例1.微细加工中，分步相机或光刻机x、y轴行 程确定。
17型台式紫外深层光刻机
Quintel 4000 光刻机系列
1 a
a
是S与W间的距离

是转动的角度
M1'
a
φ
M2'
δ1
M2''
并联时支架绕z轴转动
1 3 1 5 1 a tan a 3 5
图（b）是串联方式，三个移动产生的效 果是相同的，不会造成测量误差。绕X轴的转 动不会产生误差。绕Z轴和Y轴转动产生的误 差分别为：
使 用 说 明 书
图 纸 及 明 细 表
试 制 报 告
成 本 核 算
鉴 定
修 改
3.2 设计任务分析
仪器的应用场合不同，比如，有专用仪器、通 用化和系列化仪器产品，还有新设计开发的仪器产 品。因此，对设计任务分析的侧重点有所不同。通 常设计任务分析涉及以下几个方面的内容。 1.明确仪器在系统中的地位 测量、控制 工作原理 精度 测量范围 接口方式 工作环境 其它
比如，体积、重量、尺寸、精度、测量范围、 频率响应、灵敏度、信噪比、可靠性、故障 率等等。 参数及指标不能随意增减，技术等级不能随 意更改。要有科学依据。
1. 确定方法
（1）.根据设备用途确定主要参数和技术指标 一般来讲，一台仪器设备，只要能够满足其 使用要求就可以了。 从仪器科学技术的角度讲，高、精、尖是不 断追求的目标。 从市场的角度讲，应适应市场的需求。 技术指标的提高一般伴随着经济成本的提高 和研制周期的增加。
L A φ φ A1 δ2 δ1 测量线
H
S
S’’ φ
以线纹尺测量为例讲解阿贝原则
B M1 M1' S y
x M2 M2' W T (a) z
B
B
B
M1
S
M1'
M2
W
M2'
T (b)
M1
M2
S M1' W M2'
T (c)
图中共有三种测量方式，一是并联方式（图 （a））；二是串联方式（图（b））；三是横向移 动式（图（c））。 问题：三种测量方式哪种产生的测量误差最小？（也 即精度最高意义下的最佳设计方案） 要搞清这个问题首先应该清楚三种方案的测量原理。 （1）.测量原理 图（a）采用并联方式，标准尺S与被测尺W安装 在 x-y平面内，瞄准用显微镜M1与计数显微镜M2都 刚性地固定在悬壁支架B上，并与x-y平面垂直。工 作时，先用M1,M2瞄准，后移动工作台（或支架）， 再对准测量，两次读数之差即被 测尺寸。
2. 使用要求 由使用环境或用户提出 3. 了解被测参数的特点 被测参数定义，如长度、角度等 精度要求（关键），比如，中等精度、高精度及超 高精度，会导致原理、结构、成本等的巨大差异。 通常，仪器的精度应为被测参数精度的1／3,对于高 精度仪器，其设计精度也可为被测参数精度的1／2 －1／10. 被测参数的数值范围。一般仪器的测量范围应大于 被测参数的范围，但不要超过太多。

被测参数的性质。比如，单参数、复合参数、
直接测量、间接测量等 被测参数的状态。比如，瞬态、稳定、静态、 动态等。 4. 了解被测参数载体特点 指实测对象，比如，各种机械零件、电气 元件、设备、各种信号 5. 了解仪器其它要求 操作方式、承载能力、外形、尺寸、重量、 工作环境应力水平等。 6. 专利文献、国内外相关技术及产品。
瞄准的工作原理：移动工作台，使被测孔壁的 一侧与杠杆触球相接触，一直到双线分划板上 的双刻线像对中主显微镜中分划板上的米字线 为止。这时，由主刻尺上读下第一个读数x1, 之后，移动工作台，使孔壁另一侧与触球接触， 同样，在主刻尺上读到第二个读数x2,于是， 可得到孔径D=x1-x2+d，其中，d是触球的直径。
例：L1＋L3＝80,取L1＝40,L2＝70,则瞄准误差为
L 2 * ymin 70 0.2 S 0.35 m L1 40
取ymin=0.2um
（4）根据设备与仪器中的薄弱环节确定主要参数与技
术指标
如：变形、振动、测量速度、承载、动态特性等来设 计指标。 （5）根据系列化指标来确定主要参数和技术指标 （6）根据产品可靠性与成本的要求来确定主要参数及 技术指标
为了分辨双线对米字线的偏离，对y值有一定的数值 要求。根据分辨的最小y值，就可求得瞄准误差S。 设双线对米字线的瞄准精度对应的能分辨的最小y 值为ymin，则，瞄准误差为：
L 2 ymin S 2 L1
可见，瞄准精度与L2,L1的比值有关。这个比值称为 灵敏杠杆的杠杆比。 然后，结合测量范围、显微镜的工作距离及结构 布局的大小来确定L1,L2,L3.
在设计灵敏杠杆时，首先要求确定光学杠杆长度L1, 机械杠杆长度L2以及尺寸L3的数值，然后才能进行 具体的设计。 对灵敏杠杆的主要要求是有一定的瞄准精度，现以瞄准 精度为出发点来设计L1,L2,L3的尺寸。 结构原理图如下。
O1 5 L1 L3 2 I C 4 1 II a
I

a ’ 2 y
II
等离子刻蚀光刻机 3 分步重复投影光刻机
确定精密工作台的行程，如加工直径200mm的
硅片，工作台和行程应大于此值，一般选为 205－210mm
例2. 工具显微镜主显微镜工作距离的确定，由测量范 围决定。工作距离应大于测量工件的直径。
万能工具显微镜(简称万工显,见右 图)，是长度计量部门最常见的光学 仪器之一。可用于测量工件长度、 角度、分度及形状和位置误差。测 量可按直角坐标，也可按极坐标进 行。可测量柱形、块形零件、螺纹、 齿轮、锥体及曲线样板，也可测量 切削刀具，如：滚刀、铣刀及丝锥 等。万能工具显微镜是各种制造工 业上不可缺少的计量仪器。 万能工具显微镜有多种附件，利 用这些附件可以扩大其使用范围。 最常用的附件有：螺纹目镜、双象 目镜、灵敏杠杆、测量刀、光学分 度台、光学分度头及调焦棒等。 万能工具显微镜与大型工具显微 镜、小型工具显微镜组成系列仪器。 它们的测量范围各有不同
z
M2'' M1'’ M1' φ O c 串联时支架绕y轴转动 G F H δ 2’ x M2'
2

1 1 2 OH GO csec 1 c cos 1 2 c
串联方式产生的误差是二阶小量，小于并联方 式产生的误差（一阶小量），所以图（b）所示的方 法产生的测量误差小。 图（c）横向移动方式也是产生二阶误差。 综上所述，遵守阿贝原则可减小误差，提高测 量精度。 但是，阿贝原则也有一定的缺点，如尺寸增大 等。所以，如果不能严格遵守阿贝原则，可采用一 些措施平提高测量的精度。 （1）结构上采取措施 从设计及工艺上提高导轨的精度，减小在导轨 上运动的不直线性带来的转动。尽量使读数线与被 测参量的测量线离的近一点。