精编测控仪器设计课件(第二次课)_图文.ppt
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测控仪器设计节PPT课件
对光速的测定。
当时的人们认为光在太空中传播需要
介质“以太”，正如声音的传递需要
介质（空气等）。
7
美国物理学家。1852 年12月19日出生于普鲁士斯特 雷诺（现属波兰），后随父母移居美国，毕业于美国海军学 院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席，美国科 学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员， 1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。
（1）首先要能够正确得到仪器作用方程； （2）对于不能列入仪器作用方程的源误差，不能用
微分法求其对仪器精度产生的影响，例如仪器中经常遇到的 测杆间隙、度盘的安装偏心等，因为此类源误差通常产生于 装配调整环节，与仪器作用方程无关。
6
补充：迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)
c
d
v
t1 t2
10
结果： 观察者先看到投出后的球，
后看到投出前的球。
球 投
c
出
d
前
球 投
v c v
出
后
t1
d c
t2
c
d
v
t1 t2
11
机械波的传播需要媒质，当时物理学家们认为光波在 宇宙中传播也需要一种媒质----以太。
12
十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预 言了以光速C传播的电磁波的存在。到十九世纪末，实验 完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么？它的传播速度 C是对谁而言的呢？当时流行的看法是整个宇宙空间充满 一种特殊物质叫做“以太”，电磁波是以太振动的传播。 但人们发现，这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是 在一个静止的以太中运动，那么根据速度叠加原理，在地 球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否 定了这个结论。如果认为以太被地球带着走，又明显与天 文学上的一些观测结果不符。
测控仪器设计(全)PPT课件
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
✓ 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
测控仪器设计课件(第二次课)
i xi x0 i 1,2 n
误差 特性
客观存在性 不确定性 未知性
精度 表达
理论真值 约定真值 相对真值
CODATA推荐的阿 伏加德罗常数值为
6.0221367 1023 mol 1
（二）误差的分类
按误差的 数学特征
随机误差 系统误差 粗大误差
按被测参数 的时间特性
静态参数误差 动态参数误差
bm1
d m1x dt m 1
b1
dx dt
b0 x
an , an1, , a0和bm, bm1, , b0为与仪器结构和特性参数，与时间无关。
在动态仪器中，必须考虑弹性、惯性和阻尼对仪器特性的影响，仪 器输出信号不仅与输入信号有关，而且还与输入信号变化的速度、加速 度等有关。由于仪器的基本功能在于输出不失真地再现输入，因此用线 性定常系数微分方程来描述仪器的动态特性 。 根据分析方法的不同，有不同描述方式：
2. 动态偏移误差和动态重复性误差
1)动态偏移误差 输出信号 y(t) 与输入信号 x(t) 之差 (t)
(t) y(t) x(t)
反映仪器的瞬态响应品质。
如果已知仪器的数学模型，可以由传递函数与输入信号拉氏变换 的乘积的拉氏反变换获得对特定激励x(t) 的响应 y(t)。
也可用实验测试的方法得到输出信号 y(t) 的样本集合 Y (t)，将均 值与被测量信号之差作为测量仪器的动态偏移误差，即
二、精度
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。
误差 特性
客观存在性 不确定性 未知性
精度 表达
理论真值 约定真值 相对真值
CODATA推荐的阿 伏加德罗常数值为
6.0221367 1023 mol 1
（二）误差的分类
按误差的 数学特征
随机误差 系统误差 粗大误差
按被测参数 的时间特性
静态参数误差 动态参数误差
bm1
d m1x dt m 1
b1
dx dt
b0 x
an , an1, , a0和bm, bm1, , b0为与仪器结构和特性参数，与时间无关。
在动态仪器中，必须考虑弹性、惯性和阻尼对仪器特性的影响，仪 器输出信号不仅与输入信号有关，而且还与输入信号变化的速度、加速 度等有关。由于仪器的基本功能在于输出不失真地再现输入，因此用线 性定常系数微分方程来描述仪器的动态特性 。 根据分析方法的不同，有不同描述方式：
2. 动态偏移误差和动态重复性误差
1)动态偏移误差 输出信号 y(t) 与输入信号 x(t) 之差 (t)
(t) y(t) x(t)
反映仪器的瞬态响应品质。
如果已知仪器的数学模型，可以由传递函数与输入信号拉氏变换 的乘积的拉氏反变换获得对特定激励x(t) 的响应 y(t)。
也可用实验测试的方法得到输出信号 y(t) 的样本集合 Y (t)，将均 值与被测量信号之差作为测量仪器的动态偏移误差，即
二、精度
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。
测控仪器设计
举例2：Abbe比较仪
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
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》(第4章)《测控仪器设计(第3版)》精选全文
（3）滚动轴承导轨
– 摩擦力矩小 – 运动灵活 – 承载能力大 – 调整方便 – 用于大型仪器（如万工显、三座标、测长机等）
（二）滚动摩擦导轨的组合应用
（1）滚动与滑动摩擦导轨 的组合应用
– 滚动轴承导轨摩擦力 小 ，运动灵活 ，用做
导向
滚动轴承和滑动导轨的组合 1—平面滑动导轨 2—滚动轴承导轨
导轨的几何精度包括导轨在垂直平面内与水平面内的直线度，导轨面间 的平行度和导轨间的垂直度
（2）导轨的接触精度
垂直面内的直线度
水平面内的直线度
导轨面间的平行度
（二）导轨运动的平稳性
爬行现象：在其低速运动时，导轨运动的驱动指令是均匀的
而与动导轨相连的工作台却出现一慢一快，一跳一停的现象 产生爬行现象的主要原因有： ①导轨间的静、动摩擦系数差值较大； ②动摩擦系数随速度变化； ③系统刚度差
高
液体静压
高
导轨
空气静压
高
导轨
较好 较好
好 好
大 较低 较大 较低
差 较好
好
要求不 高
要求较 高
要求高
好 要求高
成本
低 较高
高 高
（二）标准导轨的选用
b） a）
直线球滑座系列导轨 a）直线球滑座导轨 b）球滑座LSP型结构示意图
• 1．滚珠导轨
▪ （1）双V形滚珠导轨
▪ 运动灵敏度较高，能承受 不大的倾复力矩
▪ (2)双圆弧滚珠导轨
▪ 计量光学仪器中（如小型 工具显微镜、投影仪等） 使用
▪ 接触面积较大，接触点 应力较小，变形也较小， 承载能力强、寿命长。
V形滚珠导轨 a）常用双V形滚珠导轨 b）V形小圆弧导轨
c）双圆弧导轨
测控仪器设计第章ppt课件
（3）滚柱和滚珠导轨的组合
灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱导轨承 载大的优点。
（4）滚柱与长圆柱轴导轨组合
轻载部件中使用
滚动导轨计算
1、运动导轨的长度
L
LB
l 2
2、滚动体的尺寸和数量
Z柱
W 4l
3、强度与刚度计算
Z珠
W 9.5
d
六、静压导轨及设计要点
静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油 或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之 间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦
（1）导轨的几何精度
二、导轨部件设计的基本要求 （一）导向精度
导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。
对一副导轨来说其直线度是非常重要的精 度指标，它取决于导轨面的几何精度、接 触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚 度及导轨与基座的热变形等。
（1）导轨的几何精度
（2）接触精度
减少接触面的表面粗糙度：滑动导轨—动导轨Ra 0.8-0.2µm ，静导轨0.4-0.1µm 。滚动导轨面Ra 小于0.2µm
运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩
(2)双圆弧滚珠导轨
计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用
接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、 寿命长。
（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨
优点：运动精度和灵活性较高，维修方便
缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器 上（如掩膜检查显微镜工作台）
a）两滚道型导轨结构简图 b） 四滚道型导轨结构简图
第四节 主轴系统及设计
一、主轴系统设计的基本要求
主轴系统设计的主要要求:
是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要 求有一定的刚度和热稳定性
灵活运用了滚珠导轨运动的灵活性和滚柱导轨承 载大的优点。
（4）滚柱与长圆柱轴导轨组合
轻载部件中使用
滚动导轨计算
1、运动导轨的长度
L
LB
l 2
2、滚动体的尺寸和数量
Z柱
W 4l
3、强度与刚度计算
Z珠
W 9.5
d
六、静压导轨及设计要点
静压导轨是在动导轨与静导轨之间，因液体压力油 或气体静压力而使动导轨及工作台浮起，两导轨之 间工作面不接触，而形成完全的液体或气体摩擦
（1）导轨的几何精度
二、导轨部件设计的基本要求 （一）导向精度
导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。
对一副导轨来说其直线度是非常重要的精 度指标，它取决于导轨面的几何精度、接 触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚 度及导轨与基座的热变形等。
（1）导轨的几何精度
（2）接触精度
减少接触面的表面粗糙度：滑动导轨—动导轨Ra 0.8-0.2µm ，静导轨0.4-0.1µm 。滚动导轨面Ra 小于0.2µm
运动灵敏度较高，能承受不大的倾复力矩
(2)双圆弧滚珠导轨
计量光学仪器中（如小型工具显微镜、投影仪等）使用
接触面积较大，接触点应力较小，变形也较小，承载能力强、 寿命长。
（3）四圆柱棒滚道的滚珠导轨
优点：运动精度和灵活性较高，维修方便
缺点是承载能力不大，故多适用于较轻巧的仪器 上（如掩膜检查显微镜工作台）
a）两滚道型导轨结构简图 b） 四滚道型导轨结构简图
第四节 主轴系统及设计
一、主轴系统设计的基本要求
主轴系统设计的主要要求:
是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要 求有一定的刚度和热稳定性