测控仪器设计ppt(全)

• 量程：示值最大值与最小值之差。
• 如：体温计的示值范围是35℃~42℃ ， 量程是7 ℃。
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
标尺间隔和分度值
• 标尺间隔：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。
分辨力
• 显示装臵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。
• 对于模拟式仪器，分辨力就是分度值。
示值范围和量程
• 示值范围：极限示值界限内的一组数。

影响，以便合理的选择方案、设计结构、确定参数、设置必
要的精度调整和补偿环节，从而在保证经济性的基础上
达到理想的精度。

精度分析是仪器设计中的重要一环，通常贯穿于仪器设计、 制造和使用的全过程。
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（一）误差定义：测量值 xi与其真值 x0之间的差
i xi x0 i 1,2 n
误差特性：
《测控仪器设计》第2版 总复习
2013年6月
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第一节
测控仪器的概念和组成
一、测控仪器的概念
按照系统工程学的观点,生产过程中有三大技术系统:
★ 以能量到能量变换为主的能量流系统
如锅炉, 冷凝器, 热交换器, 发动机等 ★ 以材料到材料变换为主的材料流系统 如机床, 农业机械, 纺织机械, 液压机械等 ★ 以信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等为 主的信息流系统 ，如仪器仪表、计算机、通信装置、自 动控制系统等。
当用该温度计进行测量时，其最大绝对误差为 多少？
A A YF S 1.5% 400 6℃
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表示静态响应特性的参数，主要有：灵敏度、线性度、回 程误差。
(1) 灵敏度
当测试装置的输入x有一增量△x，引 起输出y发生相应的变化△y时，则
S=△y/△x — 测试系统的灵敏度
• 线性装置：S（常数）=X-Y关系直线的斜率
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7.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。
8.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。 8
↓ 努力于2016年实现10nm工 艺。
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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。 精度的重要性：无论是精密仪器还是精密机械设备，其自身的 精度都是一项重要指标。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量 的关键。
仪器的精度是一种定性的概念。

含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时， 应剔除。在作误差分析时要考虑的误差只有系统误差与随
机误差两类。
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二、精度
精度是误差的反义词。 误差大←→精度低，误差小←→精度高。 通常把精度区分为： 1）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。
2）精密度 它是随机误差大小的反映，表征测量结果的一
斜率越大，其灵敏度就越高。 • 非线性装置：S（变量）=X－Y关系曲线的斜率 输入量不同，灵敏度就不同。 装置的灵敏度越高 易受外界干扰 装置的稳定性越差 30
(2) 线性度 • 线性度—标定曲线与拟合直线的偏离程度。 线性误差—若在标称（全量程）输出范围A内，标 定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B,则定义
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随机误差的特点
1. 单峰性 绝对值小的误差出现的次数多，绝对 值大的误差出现的次数少。在误差为零处，概 率最大。 2. 有界性 绝对值>某值，这类误差几乎不出现。 3. 对称性 测量次数足够多后，大小相等符号相 反的误差出现的次数（概率）大致相同。 4. 抵偿性 对称性→正负误差互相抵消，测量次 数足够多时，随机误差的代数和趋于零。 ∴可用数理统计方法对随机误差进行估算，估 计对测量结果的影响程度。
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3.放大部件：将传感器得到的信号进行放大。
分类 实例 齿轮放大，杠杆放大，弹性及刚度放 大等 光准直式、显微镜式、投影放大、摄 影放大式、莫尔条纹、光干涉等 前臵放大、功率放大等 光电管放大、倍增管放大等 光学系统 电子信息处 理系统 光电系统 名称 机械系统
机械式放大部件
光学式放大部件 电子放大部件
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
（二）误差的分类
按误差的 数学特征
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随机误差 服从统计规律，大多数服从正态分布。 系统误差 由一些稳定的误差因素的影响所造成，可以 调整或修正。
粗大误差超出规定条件所产生的误差。应予以剔除。
按被测参数 的时间特性
静态参数误差：静态参数：不随时间变化或随时间缓 慢变化 动态参数误差 ：动态参数：随时间变化而变化 独立误差：相关系数为“零” 互不影响 非独立误差：相关系数非“零” A误差与B误差相互关 联
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按误差间 的关系
系统误差
定义：同一测量条件下，多次测量重复同一量
时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或 在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称 为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差， 或值随温度变化的误差。
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系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。 系统误差越小，测量就越准确。 系统误差可以归结为某一个或某几个因素的函数，可以用 解析公式、曲线或数表表达。系统误差具有规律性。 消除方法：可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算
定量地表征仪器的精度水平应由一些精度指标来体现，如： （1）静态精度指标：示值误差、重复性误差、回程误差、灵 敏度等； （2）动态精度指标：稳态响应误差、瞬态响应误差等。
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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。 找出产生误差的根源和规律，分析误差对仪器设备的精度的

产生原因：主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量
因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、 零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、 测量人员感官的无规律变化等。只要测量仪器的分辨力足
够高就可发现随机误差的现象。
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存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差 的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不 能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都 服从正态分布规律。
误差应小于或等于被测参数总误差的 1/3 ；若仪器 总误差占测量总误差的主导部分时，可允许仪器总 误差小于或等于被测参数总误差的1/2。
为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设
计原则和设计原理，如阿贝原则、变形最小原则、测量
链最短原则、精度匹配原则、误差平均作用原理、 补偿原理、差动比较原理等。
致性或误差的分散性。 3）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。
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正确度？精密度？
正确度差，精密度差 正确度好，精密度差
正确度差，精密度好 正确度好，精密度好
图2-1 仪器精度举例说明
准确度好
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精确度的工程表示 精确度的工程表示
在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠程度， 引入一个精度等级的概念，用A表示。它是传感器和 测量仪表在规定条件下，其允许的最大绝对误差相对 A 于其测量范围的百分数。表示为：
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按功能将仪器分成以下几个组成部分： 1 基准部件 2 传感器与感受转换部件 3 放大部件 4 瞄准部件 5 信息处理与运算装臵 6 显示部件 7 驱动控制器部件 8 机械结构部件
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1.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 量与其相应的装臵一起称为仪器的基准部件。可作 为基准部件的包括：量块、精密线纹尺、激光波长、 光栅尺、标准时间等等。 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。
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粗大误差

粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。 产生粗差的原因：
①
② ③
测量操作疏忽和失误。如测错、读错、记错以及实验条 件未达到预定的要求而匆忙实验等。
测量方法不当或错误。如用普通万用表电压档直接测高 内阻电源的开路电压。 测量环境条件的突然变化。如电源电压突然增高或降低， 雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。
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2.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。
不同测量对象可以用不同测量原理的传感器进行感受与转换， 因此正确选用和设计传感器是十分重要的，通常要遵守仪
器设计的精度原则和经济原则等。
常用的传感器有机械式、电子式、光电式、光学式、声学式、 压电式等等，有数千种，选用时一定要分析清楚其工作原 理、精度指标、测量范围、使用场合、特点和成本。同时 一定要注意要按照被测参数的定义来选用和设计传感器。
A
YF S
100%
A----传感器的精度等级； △A----测量范围内允许的最大绝对误差；
YF S Ymax Ymin YF· S---满量程输出。
A 28 100% 1.5% 例：若精度等级为1.5级，则A＝1.5％，即 YF S
课堂小练习：
有一个精度等级为1.5级的温度计，其测量范围 为0~400℃。
1. 客观存在性：无论所采用的测量手段的精度多么高，误差始终存在。
2. 不确定性：多次重复测量，所得到的测量值并不完全相等。
3. 未知性：因为通常测量真值
x0 未知。
引出问题：如何确定测量真值 x0 ：
杆秤：精度为 “钱”=5g 电子秤：可精确到 0.1g
1.理论真值：设计时给定或者可以用数学、物理方程计算 得到 2.约定真值：如阿伏伽德罗常数值=6.0221367X1023 mol-1 3.相对真值：若标准仪器的误差比一般仪器的误差小一个 19 数量级，则可将标准仪器的的测量值作为相对真值。


修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。
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随机误差

定义：同一测量条件下（测量环境、测量人员、测量技术 和测量仪器都相同的条件），多次重复测量同一量值时 （等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可 预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差。随机
误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起 的综合结果。
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第二章 仪器精度理论
精度是测控仪器的生命。精度分析和精度设计是 仪器设计的重要内涵。 随着科学技术的发展，对仪器的精度也提
出了越来越高的要求。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量的关键。
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。
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
误差等。 这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足，
而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选用最能反 映该仪器精度的一些指标组合来表示。 14
仪器的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误 差占测量总误差比重较小时，常采用1/3原则，即仪器总
光电放大部件
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4.瞄准部件
用来确定被测量的位臵（或零位），要求瞄准的重复 性精度要好。
5.信息处理与运算装臵
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。
6.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。