2010测控仪器设计 第三章
测控仪器设计教案
测控仪器设计教案测控03《测控仪器设计》教案第一章绪论1.1、仪器发展过程仪器：是对物质世界信息进行测量与控制的设备。
1、按所采用的电子器件：真空管-→晶体管-→集成电路(三个时代)2、按组成结构、工作原理和功能特点：模拟式-→数字式-→智能化(三个发展阶段)第一代：模拟式仪器。
如指针式的电压表、电流表、功率表。
机械式特点：功能简单、精度低、响应速度慢。
第二代：数字式仪器。
如数字万用表、数字频率计。
数电基本特点：是将待测的模拟信号转换成数字信号进行测量，测量结果以数字形式输出显示并向外传送。
精度高，响应速度快，读数清晰、直观。
第三代：智能仪器。
概念：是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等)，因而被称之为智能仪器。
(1)是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与测量仪器相结合的产物。
微处理器在智能仪器中的作用主要体现在以下两方面：①对测试过程的控制：接受键盘或通信接口的命令，解释并执行这些命令，控制各部分的工作过程，同时对工作状态进行监测。
②对测试数据的处理：表现为硬件电路只需具备最基本的测试能力，能向微型计算机提供原始数据即可。
对数据的进一步处理如滤波、运算等可由软件完成。
(2)智能仪器基本技术指标测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技术指标。
对仪器的误差进行校准可以保证仪器具有规定睥准确度。
而对仪器的故障进行检测和诊断则可及进发现错误、排除故障，使仪器可靠的工作。
保证仪器准确度(精度)措施：温度补偿、非线性校正、滤波；保证仪器可靠性措施：冗余设计、故障诊断。
故障诊断方法：给被测对象施加一定的检测信号，根据其输出响应信号来判断是否存在故障。
由于具有数字存储、运算、逻辑判断能力，可根据被测参数的变化自动选择量程，具有自动校正、自动补偿、自寻故障等功能，可以完成需要人类的智慧才能胜任的工作，即具备了一定的"智能"，故称之为智能仪器。
测控仪器设计课程概要2
图3-5一米激光测长机结构原理 1—底座 2—干涉仪箱体 3—测量头架 4—工作台 5—尾座 6—电动机和变速 箱 7—闭合钢带 8—电磁离合器 9—固定角隅棱镜 10—尾杆 11—测量主轴 12—可动角隅棱镜 13—激光器 14—分光镜
包括：径向误差运动、轴向误差运动、倾角误差运动及端面误差运动。
名称 回转轴 的误差 运动 定义： 指旋转 体回转 轴线相 对于其 造成回转误差的原因
要求
图示
是主轴和轴承的尺寸误差、形状误差、装配误差及刚 度、润滑、阻尼等因素综合作用的结果。 1）例如滑动摩擦轴系存在主轴安装偏心和晃动，由于偏 心的存在（若间隙为△，偏心为e，则e=△/2)，主轴回 转中心不再是O点，而是在以e为半径的圆周上，如图450所示。当主轴转过θ角时，回转中心由O变为O′，这 时带来的回转误差
图d与图b为三角形肋， 不仅刚度较好，工艺也较 简单
图f、图g、图h则铸造工 艺比较复杂，而且铸造泥 芯很多，但刚度很好。
问题二
导轨的功用：
仪器的导轨及设计
1、导轨的功用与分类
导轨是稳定和灵活传递直线运动的部件，起着确保运动精度及部件间相互位 置精度的作用。其由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成。 动导轨上有工作台或拖板（滑板）、头架、尾座及其它夹持部件、测量装置 等。静导轨一般与仪器基座、立柱、横梁等支承件连接在一起或者做成一体。
问题三 主轴系统及设计
在测控仪器中，主轴系统由主轴、轴承及安装在主轴上的传动件或分度元件 组成。
测控仪器 第3章——第3节
36
2．激光两坐标测量仪中监测导轨转 角与平移的光电补偿方法 图3-5为高精度激光两坐标测量 仪，为了补偿由于导轨转角引起的的 阿贝误差，仪器采用双层工作台。下 层工作台2经滚柱在底座1的导轨上 作纵向移动，上工作台3通过三个滚 珠轴承4支承在下工作台上。上工作 台П型框板的左右各有两个孔眼。左 面两个孔眼里装有弹性顶块5，把上 工作台往左拉，右面两个孔眼里装有 压电陶瓷组合体6、7，其端部顶在 下工作台上。利用压电陶瓷的电场压变效应，使上工作台相对于下工作 台实现微小的平移或转角。转角将产 生阿贝误差，故在此仅介绍导轨的转 角运动。
图 3— 1 遵守阿贝原则的测量 1-导轨 2-指示器 3-标准线纹尺
共线。
4-被测件 5-工作台
4
阿贝原则的引出：
游标卡尺的阿贝误差计算：
1 S tan S
（当很小的时候）
5
导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件 的直径不共线而带来测量误差。
1 S tan S
17
补偿举例
1. 爱彭斯坦（Eppenstein，也叫爱宾斯坦） 光学补偿方法
是一种结构布局，用以补偿阿贝误差。被用于高精度测长 机的读数系统中。
问题是如何产生的？
问题是如何解决的？
18
测长仪和测长机
测长仪和测长机结构中带有长度标尺，通常是线纹 尺，也可以是光栅尺。 测量时，用此尺作为标准尺与被测长度做比较，通 过显微镜读数以得到测量结果。 量程较短的称为测长仪。 量程在500mm以上的仪器体形较大，称为测长机。 测长机常用于绝对测量。
扩展阿贝原则：
美国学者布莱恩（J.B.Bryan）建议将扩展了的阿贝原则表达如下：
“位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程 位于一条直线上。如果这不可能，那么或者必须使传送位移 的导轨没有角运动，或者必须用实际角运动的数据计算偏移
《测控仪器设计》(第3章)
11:05
15
1． 图3-6a为用游标卡尺测量工件的直径。
• 它的读数刻线尺和被测件的尺寸线不在一条线上， 故不符合阿贝原则。
11:05
16
测量时，活动量爪在尺架（导轨）上移动，由于导轨之间存
测控系统与仪器设计
第三章 测控仪器总体设计
何谓测控仪器总体设计？
• 总体设计的时机？
仪器具体设计之前
• 总体设计的出发点？
仪器功能、技术指标、测控系统逻辑、应用环境和条件
• 总体设计考虑的主要问题？
设计任务分析、设计原则的考虑、设计原理、工作原理 选择与系统设计、主要结构参数与技术指标的确定、造 型设计
• 如果由于导轨误差，基准读数显微镜和测量使读 数显微镜支架在图示平面内产生的转动，使基准 读数显微镜的第二次瞄准位置由M2′移到M2″， 此时带来的测量误差为：
d d ' d(1 cos) d 2 / 2
因为：（1-cosφ）=2sin2φ/2 设d 被测线纹长度，且d=20mm，φ=1′， 则引起的误差为：Δ=20×(0.0003)2/2=9×10-7 mm
在间隙，使活动量爪发生倾斜角
而带来测量误差，其值为 1 Stg S
(3 1)
设S=30毫米， 1' ，则引起的误差为
1 30 0.0003 0.009 mm
11:05
172. 图ຫໍສະໝຸດ -6 b 为用阿贝比长仪测量线纹尺的刻线间隔
11:05
18
• 被测尺寸线W和仪器基准线S在同一条直线上， 故符合阿贝原则。
智能测控系统设计PPT课件
电流放大
XTR110范围选择
智 能 测 控 系 统 设 计
3.7 电压频率变换器（V/F）
1.基本原理
智 能
2.电压频率变换器AD650
测
控 系
3.电压频率变换器AD652
统
设
计
基本原理：电荷平衡转 换法
复位状态：开关在S端， 对应单稳态正脉冲(暂 态)，电容积累电荷。
qc= ucCint=(IRiI)TR
智 能 测 控 系 统 设 计
AD
210
应
用
示 智能例
测 控 系 统 设 计
光电耦合隔离放大器
ISO100
智 能 测 控 系 统 设 计
ISO100主要技术指标
智 能 测 控 系 统 设 计
ISO100应用示例
精密电桥隔离放大器
智 能 测 控 系 统 设 计
3．2 仪器放大器
高精度差动放大器，输入阻抗高，共模抑制 比大，输入失调电压、电流小，输入偏置电 流小，温漂小，时漂小。
智 能
1. 工作原理
测
2. AD522精密集成仪器放大器
控
系
3. AD521精密集成仪器放大器
统 设
4. AD620低价格低功耗仪器放大器
计
5. AD626低价格单电源仪器放大器
6. LM363精密仪器放大器
工作原理
智 能 测 控 系 统 设 计
G=(1+2R1/RG) RS/R3
AD522精密集成仪器放大器
kp
但衰减差。
1(/0)2n
，带通特性平坦，
智 能 测 控 系 统
切比雪夫滤波器： H()
kp
，为常数，
测控仪器知识点总结
测控仪器知识点总结第⼀章测控仪器设计概论1. 从计量测试⾓度可将仪器分为计量测试仪器、计算仪器、控制仪器及控制装置。
2. 计算仪器是以信息数据处理和运算为主的仪器。
3. 测控仪器是利⽤测量与控制的原理，采⽤机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机结合的⼀种范围⼴泛的测量仪器。
4. 仪器中与被测量相⽐较的标准量以及与其对应的装置⼀起，称为仪器的基准部件。
5. 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。
6. 测量范围：测量仪器误差允许范围内的被测量值。
7. 灵敏度：测量仪器响应(输出)的变化除以对应的激励(输⼊)的变化。
8. 测控的分辨⼒是指显⽰装置的能有效辨别的最⼩⽰值。
9. 测量仪器的准确度是指测量仪器输出接近真值的响应能⼒。
10. 测量仪器的⽰值误差是指测量仪器的⽰值与对应输⼊量的真值之差。
⽰值误差越⼩，仪器的准确度越⾼。
11. 测量仪器的重复性：在相同测量条件下，重复测量同⼀个被测量，仪器提供相近⽰值的能⼒。
重复性误差越⼩，则仪器的随机误差越⼩。
第⼆章仪器精度理论12. 估读误差：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，有时也称为内插误差。
13. 读数误差：由于观测者对计量器具⽰值读数不准确所引起的误差，它包括视差和估读误差。
14. 绝对误差：被测量测得值与其真值(或相对真值)之差。
15. 相对误差：绝对误差与被测量真值的⽐值。
16. 正确度：它是系统误差⼤⼩的反映，表征测量结果稳定地接近真值的程度。
17. 精密度：它是随机误差⼤⼩的反映，表征测量结果的⼀致性或误差的分散性。
18. 准确度：它是系统误差和随机误差两者的综合的反映。
表征测量结果与真值之间的⼀致程度。
19. 螺旋测微机构的误差分析。
如图所⽰，由于制造或装配的不完善，使得螺旋测微机构的轴线与滑块运动⽅向成⼀夹⾓θ，求由此引起的滑块位置误差 L 。
测控仪器设计(第3章)
第一节 设计任务分析
测控仪器的设计任务一般有三种情况：
1）设计者根据用户专门的需要，针对特定的测控对象，被测参数 或工作特性来设计专用的仪器。 2）设计者根据目前市场需求，设计开发通用产品和系列产品。在 这种情况下，设计者应对市场需求作广泛的调研，以确定适当的仪 器技术指标，达到以最少的产品系列和较全的仪器功能来覆盖最大 的社会需求。 3）设计者超前预测，设计出先进的新型产品，进行开发性设计。
确的测量结果,必须将仪器的读数刻线尺安放 在被测尺寸线的延长线上。或者说，被测零件 的尺寸线和仪器的基准线（刻线尺）应顺序排 成一条直线。
因此，遵守阿贝(Abbe)原则的仪器，应符合 图3-1所示的安排。仪器的标准刻线尺与被测 件的直径共线。
举例说明阿贝原则
图3—1 遵守阿贝原则的测量 1-导轨 2-指示器 3-标准线纹尺 4-被测件 5-工作台
以下实例的共性点：这些实例均采用了动态跟踪测量，随机补偿测量误差 的方法。动态跟踪补偿的方法是将监测系统与仪器主体固定为一体，一旦经过 统调和定标，则补偿的精度稳定。 注：还可采用标准器具，对仪器进行定点测量、修正的方法。这种方法的最大 缺点是：仪器某标定点的定标条件与被测件在此标定点上的被测条件都应完全 一样，否则将造成更大的测量误差。
防止螺纹松动的结构措施，它可以从四个方面考虑：①采用细牙螺纹，使
螺纹升角 减小，则锁紧力矩增大；②采用大牙形角螺纹，使 增大，可使 G 增大，则锁紧力矩增大；③采用锥形压紧端面（锥角2 <180°）， 愈小，M
愈大，则锁紧力矩增大；④采用摩擦系数 大的材料，则锁紧力矩增大。
这种系统分析的方法，使研究更具科学性，减少盲目性。
其中图3-3 b)为YZ平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读 数线共线，但与Y方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。
测控仪器设计(全)PPT课件
✓ 测量范围
• 测量仪器误差允 许范围内的被测 量值。
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。
光学计
✓ 灵敏度
• 测量仪器输出的变化与对应的输入变化的 比值。 s=△y/△x
• 表征仪器对被测量变化的反应能力。 • 当输出值与输入值为同一量纲时，灵敏度
又称为放大比。
第四节 对测控仪器设计的要求和设计程序
一、设计要求
(1)精度要求 精度是测控仪器的生命，精度是第一位的。
精度本身只是一种定性的概念。为表征一台仪器的性能和 达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值 误差、重复性误差、复现性、稳定性、回程误差、灵敏度、 鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应
2009年9月，Intel总裁兼 CEO Paul Otellini展示世界 上第一块基于22nm工艺的 晶圆。该晶圆上的每个指甲 盖大小的单独硅片内都集成 了多达29亿个晶体管。
↓
努力于2016年实现10nm工 艺。
16
一、精度及其重要性
精度：是误差的反义词，精度的高低是用误差的大小来衡量的。 误差大，精度低；反之，误差小，精度高。
17
二、 精度分析的目的
❖ 仪器误差的客观存在性：决定了仪器的精度无论多高，总存 在误差。
大等
光准直式、显微镜式、投影放大、摄 光学式放大部件 影放大式、莫尔条纹、光干涉等
前置放大、功率放大等 电子放大部件
光电放大部件 光电管放大、倍增管放大等
名称 机械系统
光学系统 电子信息处 理系统 光电系统
6
4.瞄准部件
测控仪器设计考试复习资料
说在前面的话，本资料为《测控仪器设计》（第二版）的考试复习资料，本资料包含两份，分别为两个人整理所得，我只是将其整合到一份文档中。
第一章分类：几何量计量仪器、热工量计量仪器、机械量计量仪器、时间频率计量仪器、电磁量计量仪器、无线电参数测量仪器、光学与声学量测量仪器、电离辐射计量仪器以上8大类计量仪器的共性技术：计量测试仪器的设计理论和测试理论测控仪器：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。
发展趋势 :高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化现代设计方法的特点：程式性、创造性、系统性、优化性、计算机辅助设计术语定义：标尺间隔：对应标尺两相邻标记的两个值之差。
分度值：一个标尺间隔所代表的被测量值。
示值范围：极限示值界限内的一组数。
对模拟量显示而言它就是标尺范围；在有些领域中它是仪器所能显示的最大值与最小值之差。
有时又把示值范围称为量程(span)。
测量范围：测量仪器误差允许范围内的被测量值。
灵敏度：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。
灵敏度是仪器对被测量变化的反映能力。
鉴别力(阈)：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。
分辨力：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。
第1章《测控仪器设计》
7、产品鉴定或验收
8、设计定型后进行小批量生产
哈工大（威海）信息学院
第四节 仪器通用名词术语及定义
仪器设计理论
哈工大（威海）信息学院
联系方式
E-mail: kangwj@ (O): 5687580 办公地点：主楼413
哈工大（威海）信息学院
教材： 《测控仪器设计》
哈尔滨工业大学 浦昭邦 天 津 大 学 王宝光
参考教材： 《现代精密仪器设计》
清华大学 李庆祥等
哈工大（威海）信息学院
7个标准量，标准传递
长度（米）：一米是光在真空中1/299792458s时间间隔 内所经路径的长度 时间（秒）：铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃 迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间
哈工大（威海）信息学院
(1) 计量仪器：7个标准量，标准传递
电流（安培）：真空中，截面积可以忽略的两根相距1m的无 限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作 用力在每米长度上为210-7N,则每根导线中的电流为1A 热力学温度（K）：水的三相点热力学温度的1/237.16 物质的量（摩尔）：是一系统的物质的量，该系统中所包含 的基本单元数与0.012千克碳12的原子数相等 发光强度（坎德拉）：光源在给定方向上的发光强度，该光 源发出频率为540 1012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射 强度为1/683瓦特每球面度单色光在给定方向上的辐射强度 质量（千克）： 国际千克元器质量
哈工大（威海）信息学院
三、测控仪器的基本组成
测控仪器
基 准 部 件
感受 转换 部件
转换 放大 部件
瞄准 部件
数据 处理 与计 算部 件
测控仪器设计教案
测控仪器设计教案第一章：测控仪器概述1.1 教学目标了解测控仪器的基本概念、分类和特点掌握测控仪器的基本组成和原理了解测控仪器在工程应用中的重要性1.2 教学内容测控仪器的定义和分类测控仪器的基本组成和原理测控仪器的主要性能指标测控仪器在工程应用中的案例分析1.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解测控仪器在工程中的应用1.4 教学资源教材：测控仪器设计基础课件：测控仪器概述案例分析材料1.5 教学评估课堂讨论和提问案例分析报告第二章：测控仪器的设计原则与方法2.1 教学目标掌握测控仪器设计的基本原则和方法熟悉测控仪器的系统设计与模块划分了解测控仪器的设计流程和注意事项2.2 教学内容测控仪器设计的基本原则测控仪器的系统设计与模块划分测控仪器的设计流程和注意事项测控仪器设计实例分析2.3 教学方法采用讲授、案例分析和讨论相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解测控仪器的设计方法和流程2.4 教学资源教材：测控仪器设计方法课件：测控仪器的设计原则与方法案例分析材料2.5 教学评估课堂讨论和提问设计原则和方法的实践练习第三章：测控仪器的传感器技术3.1 教学目标了解传感器的基本概念和分类掌握传感器的选择和应用方法熟悉常见传感器的原理和特性3.2 教学内容传感器的基本概念和分类传感器的选择和应用方法常见传感器的原理和特性传感器技术在测控仪器中的应用案例3.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解传感器在测控仪器中的应用3.4 教学资源教材：传感器技术与应用课件：测控仪器的传感器技术案例分析材料3.5 教学评估课堂讨论和提问传感器选择和应用的实践练习第四章：测控仪器的信号处理技术4.1 教学目标掌握测控仪器信号处理的基本原理和方法熟悉信号处理技术在测控仪器中的应用了解现代信号处理技术的发展趋势4.2 教学内容测控仪器信号处理的基本原理和方法信号处理技术在测控仪器中的应用现代信号处理技术的发展趋势信号处理技术在测控仪器设计中的案例分析4.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解信号处理技术在测控仪器中的应用4.4 教学资源教材：信号处理技术及其应用课件：测控仪器的信号处理技术案例分析材料4.5 教学评估课堂讨论和提问信号处理技术的实践练习第五章：测控仪器的数据采集与通信技术5.1 教学目标掌握测控仪器数据采集和通信的基本原理和方法熟悉数据采集与通信技术在测控仪器中的应用了解现代数据采集与通信技术的发展趋势5.2 教学内容测控仪器数据采集和通信的基本原理和方法数据采集与通信技术在测控仪器中的应用现代数据采集与通信技术的发展趋势数据采集与通信技术在测控仪器设计中的案例分析5.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解数据采集与通信技术在测控仪器中的应用5.4 教学资源教材：数据采集与通信技术及其应用课件：测控仪器的数据采集与通信技术案例分析材料5.5 教学评估课堂讨论和提问数据采集与通信技术的实践练习第六章：测控仪器的误差分析与补偿6.1 教学目标理解测控仪器误差的来源和分类掌握误差分析的基本方法和补偿技术学习如何提高测控仪器的测量精度6.2 教学内容测控仪器误差的来源和分类误差分析的基本方法常见误差的补偿技术提高测控仪器测量精度的措施6.3 教学方法采用讲授、分析和实验相结合的方式进行教学引导学生通过实验理解误差分析与补偿的方法6.4 教学资源教材：误差分析与补偿技术课件：测控仪器的误差分析与补偿实验设备与数据6.5 教学评估课堂讨论和提问误差分析与补偿的实验报告第七章：测控仪器的抗干扰技术7.1 教学目标了解测控仪器干扰的来源和分类掌握抗干扰技术的基本方法和措施学习如何提高测控仪器的抗干扰能力7.2 教学内容测控仪器干扰的来源和分类抗干扰技术的基本方法提高测控仪器抗干扰能力的措施抗干扰技术在测控仪器设计中的应用案例7.3 教学方法采用讲授、分析和案例相结合的方式进行教学引导学生通过案例理解抗干扰技术在测控仪器中的应用7.4 教学资源教材：抗干扰技术及其应用课件：测控仪器的抗干扰技术案例分析材料7.5 教学评估课堂讨论和提问抗干扰技术应用的实践练习第八章：测控仪器的可靠性与维护8.1 教学目标理解测控仪器可靠性的重要性掌握提高测控仪器可靠性的方法学习测控仪器的维护和故障处理8.2 教学内容测控仪器可靠性的概念和重要性提高测控仪器可靠性的方法测控仪器的维护和故障处理测控仪器可靠性在工程应用中的案例分析8.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解测控仪器的可靠性与维护8.4 教学资源教材：测控仪器可靠性工程课件：测控仪器的可靠性与维护案例分析材料8.5 教学评估课堂讨论和提问可靠性与维护的实践练习第九章：测控仪器的智能化技术9.1 教学目标理解测控仪器智能化的重要性掌握测控仪器智能化技术的基本原理学习智能测控仪器的应用和发展趋势9.2 教学内容测控仪器智能化的重要性测控仪器智能化技术的基本原理智能测控仪器的应用和发展趋势测控仪器智能化技术在工程应用中的案例分析9.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解测控仪器的智能化技术9.4 教学资源教材：测控仪器智能化技术课件：测控仪器的智能化技术案例分析材料9.5 教学评估课堂讨论和提问智能化技术应用的实践练习第十章：测控仪器的设计实践与案例分析10.1 教学目标掌握测控仪器设计的全过程熟悉测控仪器设计实践中的问题和解决方法学习测控仪器设计案例的分析方法10.2 教学内容测控仪器设计的全过程测控仪器设计实践中的问题和解决方法测控仪器设计案例的分析方法测控仪器设计实践与案例分析的讨论10.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解测控仪器的设计实践与案例分析10.4 教学资源教材：测控仪器设计实践与案例分析课件：测控仪器的design practice and case analysis案例分析材料10.5 教学评估课堂讨论和提问设计实践与案例分析的实践练习第十一章：现代测控技术与系统11.1 教学目标理解现代测控技术的发展趋势掌握现代测控系统的组成与特点学习现代测控技术在工程中的应用11.2 教学内容现代测控技术的发展趋势现代测控系统的组成与特点现代测控技术在工程中的应用案例现代测控技术的未来发展11.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解现代测控技术及其应用11.4 教学资源教材：现代测控技术与系统课件：现代测控技术与系统案例分析材料11.5 教学评估课堂讨论和提问现代测控技术应用的实践练习第十二章：网络化测控系统12.1 教学目标理解网络化测控系统的概念与特点掌握网络化测控系统的设计与实现方法学习网络化测控系统在工程中的应用12.2 教学内容网络化测控系统的概念与特点网络化测控系统的设计与实现方法网络化测控系统在工程中的应用案例网络化测控技术的发展趋势12.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解网络化测控系统及其应用12.4 教学资源教材：网络化测控系统课件：网络化测控系统案例分析材料12.5 教学评估课堂讨论和提问网络化测控技术应用的实践练习第十三章：虚拟仪器技术与应用13.1 教学目标理解虚拟仪器技术的概念与特点掌握虚拟仪器的设计与实现方法学习虚拟仪器技术在工程中的应用13.2 教学内容虚拟仪器技术的概念与特点虚拟仪器的设计与实现方法虚拟仪器技术在工程中的应用案例虚拟仪器技术的发展趋势13.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解虚拟仪器技术及其应用13.4 教学资源教材：虚拟仪器技术与应用课件：虚拟仪器技术与应用案例分析材料13.5 教学评估课堂讨论和提问虚拟仪器技术应用的实践练习第十四章：测控仪器的发展趋势14.1 教学目标理解测控仪器的发展趋势掌握测控仪器技术的发展方向学习测控仪器在未来的应用前景14.2 教学内容测控仪器的发展趋势测控仪器技术的发展方向测控仪器在未来的应用前景测控仪器技术发展的挑战与机遇14.3 教学方法采用讲授、讨论和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解测控仪器的发展趋势及其影响14.4 教学资源教材：测控仪器的发展趋势课件：测控仪器的发展趋势案例分析材料14.5 教学评估课堂讨论和提问对测控仪器发展趋势的理解和分析报告第十五章：测控仪器的创新与实践15.1 教学目标培养学生的创新思维提高学生解决实际问题的能力学习测控仪器创新的实践方法15.2 教学内容测控仪器创新的意义与挑战培养创新思维的方法与技巧测控仪器创新实践的方法与步骤测控仪器创新案例分析15.3 教学方法采用讲授、讨论、创新实践和案例分析相结合的方式进行教学引导学生通过实际案例理解测控仪器的创新过程和实践方法15.4 教学资源教材：测控仪器的创新与实践课件：测控仪器的创新与实践案例分析材料15.5 教学评估课堂讨论和提问创新实践项目的报告和展示学生创新思维和问题解决能力的评估重点和难点解析本文主要介绍了测控仪器设计教案的内容，包括测控仪器的基本概念、分类和特点，测控仪器的设计原则与方法，传感器的选择和应用，信号处理技术，数据采集与通信技术，误差分析与补偿，抗干扰技术，可靠性与维护，智能化技术，网络化测控系统，虚拟仪器技术与应用，以及测控仪器的发展趋势和创新与实践。
测控仪器设计
2
d
d
d
(1
cos)
d 2
2
第二点瞄准
第二点读数
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
参数计算误差：
2
d
d
d
(1
cosΒιβλιοθήκη )d 22
2
20mm 0.0003 2 2
9107 (mm)
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
为什么Abbe比较仪的误差小？ 比较两个误差公式：
R' 1 at R1 at R
' R
R RS
a R a 串联电阻后其电阻
R RS
'
温度系数降低
二、变形最小原则及措施(热)
2)在扩散电阻上并联电阻RP
并联电阻
R RRP R RP
a
RP a
R RP Rat
• 标准和批量是减少成本的最佳方案
END：第二节 测控仪器设计原则
第三节 测控仪器设计原理
第三节 测控仪器设计原理
一、平均读数原理 二、比较测量原理 三、补偿原理
§3-3 一、平均读数原理
§3-3 一、平均读数原理
误差：
e sin
R
对径：
e sin( 180 ) e sin
R
R
§3-3 一、平均读数原理
一般情况：一个读数头的误差用 周期波来表示：
随力变化 而变化
二、变形最小原则及措施(热)
设计若能满足以下条件，则可消 除误差：
R10 R40 R20 R30
测控仪器设计教案
第一章：测控仪器概述1.1 教学目标让学生了解测控仪器的定义、分类和基本原理。
使学生熟悉测控仪器在工程应用中的重要性。
1.2 教学内容测控仪器的概念与定义测控仪器的分类及特点测控仪器的基本原理测控仪器在工程应用中的案例分析1.3 教学方法讲授法：讲解测控仪器的定义、分类和基本原理。
案例分析法：分析测控仪器在工程应用中的实际案例。
1.4 教学评估课堂问答：检查学生对测控仪器概念的理解。
课后作业：要求学生分析某个具体的测控仪器应用案例。
第二章：测控仪器的设计与实现2.1 教学目标让学生掌握测控仪器的设计方法和步骤。
使学生了解测控仪器的实现技术。
2.2 教学内容测控仪器的设计方法测控仪器的实现技术2.3 教学方法讲授法：讲解测控仪器的设计方法和步骤。
实践教学法：引导学生参与测控仪器的实际设计过程。
2.4 教学评估课堂问答：检查学生对测控仪器设计方法的理解。
实践报告：评估学生在实际设计过程中的表现。
第三章：测控仪器的性能评价3.1 教学目标让学生了解测控仪器性能评价的指标和方法。
使学生能够对不同测控仪器的性能进行评价和比较。
3.2 教学内容测控仪器性能评价的指标测控仪器性能评价的方法测控仪器性能评价的实际案例3.3 教学方法讲授法：讲解测控仪器性能评价的指标和方法。
案例分析法：分析测控仪器性能评价的实际案例。
3.4 教学评估课堂问答：检查学生对测控仪器性能评价指标的理解。
课后作业：要求学生对给定的测控仪器进行性能评价。
第四章：现代测控技术及其应用4.1 教学目标让学生了解现代测控技术的发展趋势。
使学生熟悉现代测控技术在各个领域的应用。
4.2 教学内容现代测控技术的发展趋势现代测控技术在工程领域的应用现代测控技术的案例分析4.3 教学方法讲授法：讲解现代测控技术的发展趋势。
案例分析法：分析现代测控技术在工程领域的应用案例。
4.4 教学评估课堂问答：检查学生对现代测控技术发展趋势的理解。
课后作业：要求学生分析现代测控技术在某个领域的应用案例。
测控仪器设计
测控仪器设计第一章：12分1.测控仪器的组成，个部分的作用。
（1）基准部件：提供测量的标准量。
（2）传感器与感受转换部件：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。
（3）放大部件：提供进一步加工处理和显示的信号。
（4）瞄准部件：用来确定被测量位置。
（5）信息处理与运算装置：数据加工，处理，运算和校正。
（6）显示部件：将测量结果显示。
（7)驱动控制部件：驱动测试系统中的运动部件。
（8）机械结构部件：用于对被测件，标准器，传感器的定位，支撑和运动。
2.什么是可靠性：在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
3.测控仪器通用术语及其定义：（名词解释，判断题。
如：鉴别力（阀））（1）鉴别力（阀）：使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化是缓慢而单调的进行。
它表示仪器感受微小量的灵敏程度。
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。
（2）分度值与分辨力：分度值——一个标尺间隔所代表的被测量值。
分辨力——显示装置能有效辨别的最小示值。
（3）示值范围与测量范围：示值范围——极限示值界限内的一组数。
测量范围——测量仪器误差允许范围内的被测量值。
（4）灵敏度与分辨力：灵敏度——测量仪器响应（输出）的变化除以对应的激励（输入）的变化。
分辨力——显示装置能有效分辨的最小示值。
（5）仪器的准确度、示值误差、重复性：仪器的准确度——测量仪器输出接近于真值的响应的能力。
示值误差——测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。
重复性——在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，仪器提供相近示值的能力。
（6）回程误差：在相同条件下，被测量值不变，计量器具行程方向不同其示值之差的绝对值。
第二章：26分1.测量误差的分类和表示方法：尤其掌握相对误差的表示方法及其相互关系（选择题）（1）按误差的数学特征分类：随机误差、系统误差、粗大误差。
（2）按被测参数的时间特性：静态参数误差，动态参数误差。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
①采用恒温条件：减小温度变化量
②选择合适的材料：减小线膨胀的影响， 或选用线膨胀系数相反的材料在某 些敏感环节上进行补偿
二、变形最小原则及措施(热)
③采用补偿法：如测出被测件与标准件 的温度t1和t2，被测件与标准件的 线胀系数a1和a2，则温度误差的修 正公式为：
L L a1 t1 20 c a2 t2 20 c
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
所有的仪器都遵守Abbe了吗？ 没有！不适合Abbe原则的情况
• 外观尺寸过大
• 多自由度测量仪器
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
思考
• 一次误差和二次误差的几何意义 • 想一想你知道的符合Abbe原则的
测量器具、仪器或方法
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
（四）平直度测量过程中的阿贝误 差补偿
布莱恩：“平面度测量系统的工
作点应该位于垂直于滑块移动方
向的，并通过测量点的方向线上”
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
（四）平直度测量过程中的阿贝误 差补偿
布莱恩：“…若做不到在方向线
上，则应使导轨没有角运动”
针对三座标机等测量直线度
•①扩散电阻的离散性很大，桥路各电阻 值不等，即R1≠R2≠R3≠R4
•②扩散电阻的各个电阻温度系数不等， 即a1≠a2≠a3≠a4 •③扩散电阻随温度非线性变化
二、变形最小原则及措施(热)
⑴桥路的平衡条件 (压力有关)
随力变化 而变化
二、变形最小原则及措施(热)
设计若能满足以下条件，则可消
a
RP a R RP Rat
R RP Rat
RP a a R RP
a a
并联后同样也能降低电阻温度系数
二、变形最小原则及措施(热)
⑶串并联电阻补偿原理
二、变形最小原则及措施(热)
桥臂1（串联）：
•等效电阻 •等效温度系数
R10 R10 RS R10 a1 a1 R10 RS
1 s tan
当s 30mm 1'时：1 0.009mm ，
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
举例2：Abbe比较仪
标准
被测
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
举例2：Abbe比较仪
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
举例2：Abbe比较仪
d 2 d d d (1 cos ) 2
式中，L为被测件的标准长度
二、变形最小原则及措施(热)
1. 丝杆动态测量仪对环境条件及
温度变化影响的补偿
• 温度丝杆波长 • 计算的补偿量在1m范围内 均匀 以
脉冲数进行补偿
二、变形最小原则及措施(热)
2. 扩散硅压力传感器零点温漂的
补偿
• 扩散硅压力传感器(传感+转换)：
高精度测长机
• 不符合Abbe原则 • 瞄准视场中出现相同 偏移 • 再次瞄准即在运动中 进 行 了 补 偿 ，
∵ΔL=S1S2,h=f误差自动
消失
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
（二）激光两坐标测量仪中监测导 轨转角与平移的光电补偿方法
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
1890年阿贝提出一条指导性的 原则：
阿贝原则
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
Abbe原则：
•为使量仪能给出正确测量 结果，必须将仪器的读数 刻线尺安放在被测尺寸线 的延长线上
•被测零件的尺寸线和仪器 中作为读数用的基准线 （刻线基准）应顺序排成 一条直线
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
举例1：游标卡尺
1)、尾座有倾角Δ θ:
• 对零时：
• 测量时： • 结果：
1 2ns d L1
2 2ns d 1 2nL1 1 L
2ns d L1 L
2 1 2nL
二、变形最小原则及措施(力)
定位元件等均属于测量链
三、测量链最短原则
典 型 仪 器
三、测量链最短原则
测量链中的元件误差对仪器精度的
影响最大，并且一般都是1:1影响到
测量结果
测量链各环节的精度要求应最高，
测量链环节的构件数目应最少，即
测量链最短原则
三、测量链最短原则
测量链最短，只能从原始设计上
加以保证，而不能采用补偿的办 法来实现
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
（五）遵守阿贝原则的传动部件设计
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
讨论
• 测量孔径时遵守Abbe原则的困难
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
思考：
左图正确 设置为什 么是正确 的？
二、变形最小原则及措施
二、变形最小原则及措施
桥臂2（并联）：
•等效电阻 •等效温度系数
R20 RP R20 R20 RP
RP a2 a2 R20 RP
二、变形最小原则及措施(热)
K RP R20 1 K
R20 R30 RS K R10 R40
a4 a3 R10 R40 a1 a 4 a3 K 2a2
第二点瞄准 第二点读数
2
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
参数计算误差：
d 2 d d d (1 cos ) 2
2
2
0.0003 7 2 20m m 9 10 (m m) 2
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
为什么Abbe比较仪的误差小？
比较两个误差公式：
2.光电光波比长仪消除力变形的
结构布局
二、变形最小原则及措施(力)
减少误差的措施 • 采用了工作台、床身、基座三层 结构
• 光电显微镜、固定参考镜和干涉 系统的分光镜：相对位置严格保 持不变
• 支撑床身的三个钢球支撑结构各 不相同
二、变形最小原则及措施
（二）减小热变形影响的技术措施
二、变形最小原则及措施(热)
除误差：
R10 R40 R20 R30
1 4 2 3
二、变形最小原则及措施(热)
⑵串、并联电阻对电阻温度系数
的影响
• 1)在电阻为R的扩散电阻上串联电
阻RS
二、变形最小原则及措施(热)
R' 1 at R1 at R R ' R RS
变形最小原则：尽量避免在仪器
工作过程中，因受力变化或因温
度变化而引起的仪器结构变形或 仪器状态和参数的变化
二、变形最小原则及措施
• 仪器承重变化，引起仪器结构变
形而产生测量误差 • 温度变化引起仪器或传感器结构
参数变化，导致光电信号的零点
漂移及系统灵敏度变化
要求仪器变形要小
二、变形最小原则及措施
高精度激光小角度测量法
补偿的实质 是使θ=0
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
测量符合Abbe原理 平面转角用补偿来消除 典型的光机电算一体化仪器
系统比较复杂
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
（三）以动态准直仪来检测导轨摆角误 差的电学补偿方法(实时补偿概念， 计数器直接补偿)
补偿的实质 是动态修正
（一）减小力变形影响的技术措施
二、变形最小原则及措施(力)
一 米 激 光 测 长 机
测量步骤1
测量步骤2
+工件重量
二、变形最小原则及措施(力)
1 3
二、变形最小原则及措施(力)
重量=测量头架+工件 变形 尾座轴线有5”倾角时的误差：
1 3 5 200 10 m 5m 5 2 10
二、变形最小原则及措施(力)
①固定角隅棱镜与尾座固连在一起
②固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆的轴线
离底座导轨面等高的同一平面内 ③可动角隅棱镜的锥顶位于测量主轴的轴
心线上（符合阿贝原则）
④尽可能减小固定角隅棱镜和尾杆在水平 面内的距离d
二、变形最小原则及措施(力)
1
4
2
3
二、变形最小原则及措施(力)
R a a R RS
串联电阻后其电阻
'
温度系数降低
二、变形最小原则及措施(热)
2)在扩散电阻上并联电阻RP
并联电阻
二、变形最小原则及措施(热)
RRP R R RP
R1 at
R 1 at RP R1 at RP
Abbe原则的扩展
•标尺与被测量一条线 •若做不到，则应使导轨没有角运动 •应跟踪测量算出偏移加以补偿
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
（一）Eppenstein光学补偿方法
•用硬件来实现补偿：结构布局来实现误
差补偿
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
（一）Eppenstein光学补偿方法
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
加的误差
对于部件：设计、装配、测量基
面统一
四、坐标基准统一原则
四、坐标基准统一原则
X X Y R Y T Z Z
五、精度匹配原则
五、精度匹配原则
• 根据各部分对仪器精度影响程度的
不同来提出不同的精度要求和恰当
概述
总体设计考虑的主要问题：
①设计任务分析与创新点的构思 ②测控仪器若干设计原则的思考和讨论 ③测控仪器工作原理的选择和系统设计 ④测控系统主要结构参数与技术指标的确定