測(cè)控儀器設(shè)計(jì)課件(第一次課)

1、 本課程講授約30個(gè)課時(shí)，其內(nèi)容主要分六個(gè)章節(jié)：v第一章 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)概論v第二章 儀器精度理論v第三章 測(cè)控儀器的總體設(shè)計(jì)v第四章 精密機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)v第五章 電路與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)v第六章 光電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第一章 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)概論第一節(jié) 測(cè)控儀器的概念和組成第二節(jié) 測(cè)控儀器及其設(shè)計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì) 第三節(jié) 測(cè)量?jī)x器通用術(shù)語及定義第四節(jié) 對(duì)測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的要求和設(shè)計(jì)程序 習(xí) 題第一節(jié)第一節(jié) 測(cè)控儀器的概念和組成測(cè)控儀器的概念和組成一、測(cè)控儀器的概念一、測(cè)控儀器的概念按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn),生產(chǎn)過程中有三大技術(shù)系統(tǒng): 以能量到能量變換為主的能量流系統(tǒng) 如鍋爐, 冷凝器, 熱交換器, 發(fā)動(dòng)機(jī)等 以材料到材料

2、變換為主的材料流系統(tǒng) 如機(jī)床, 農(nóng)業(yè)機(jī)械, 紡織機(jī)械, 液壓機(jī)械等 以信息獲取到測(cè)量、變換、控制、處理、顯示等為主的信息流系統(tǒng) ，如儀器儀表、計(jì)算機(jī)、通信裝置、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。儀器儀表的用途儀器儀表的用途: :在機(jī)械制造業(yè)中：在機(jī)械制造業(yè)中：對(duì)產(chǎn)品的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能測(cè)試；加工過程的控制與監(jiān)測(cè)；設(shè)備運(yùn)行中的故障診斷等。在電力、化工、石油工業(yè)中：在電力、化工、石油工業(yè)中：對(duì)壓力、流量、溫度、成分、尺寸等參數(shù)的檢測(cè)和控制；對(duì)壓力容器泄漏和裂紋的檢測(cè)等。在航天、航空工業(yè)中：在航天、航空工業(yè)中：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)、噪聲、動(dòng)力特性、噴油壓力、管道流量的測(cè)量；對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力、剛度、強(qiáng)度的測(cè)量；對(duì)控制系統(tǒng)的

3、電流、電壓、絕緣強(qiáng)度的測(cè)量等。 儀器儀表的用途和重要性儀器儀表的用途和重要性 遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，深入到人民生活的各個(gè)角落，儀器儀表中的計(jì)量測(cè)試儀器與控制儀器統(tǒng)稱為測(cè)控儀器，可以說測(cè)控儀器的水平是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。測(cè)控儀器的分類測(cè)控儀器的分類1. 1. 幾何量計(jì)量?jī)x器幾何量計(jì)量?jī)x器 測(cè)量對(duì)象：包括各種尺寸檢測(cè)儀器，如長(zhǎng)度、角度、形貌、相互位置位移、距離測(cè)量?jī)x器、掃描儀、跟蹤儀等。2. 2. 熱工量計(jì)量?jī)x器熱工量計(jì)量?jī)x器 測(cè)量對(duì)象：包括溫度、濕度、流量測(cè)量?jī)x器，如各種氣壓計(jì)、真空計(jì)、多波長(zhǎng)測(cè)溫儀表、流量計(jì)等。3. 3. 機(jī)械量計(jì)量?jī)x器機(jī)械量計(jì)量?jī)x器 測(cè)量對(duì)象：如各種測(cè)力儀、硬度儀、加速

4、度與速度測(cè)量?jī)x，力矩測(cè)量?jī)x、振動(dòng)測(cè)量?jī)x等。4. 4. 時(shí)間頻率計(jì)量?jī)x器時(shí)間頻率計(jì)量?jī)x器 測(cè)量對(duì)象：時(shí)間、頻率等 5. 5. 電磁量計(jì)量?jī)x器電磁量計(jì)量?jī)x器 測(cè)量對(duì)象：用于測(cè)量各種電量和磁量的儀器，如各種交、直流電流表、電壓表、功率表、電阻測(cè)量?jī)x、電容測(cè)量?jī)x、靜電儀、磁參數(shù)測(cè)量?jī)x等。 6. 6. 無線電參數(shù)測(cè)量?jī)x器無線電參數(shù)測(cè)量?jī)x器 測(cè)量對(duì)象：如示波器、信號(hào)發(fā)生器、相位測(cè)量?jī)x、頻率發(fā)生器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等。 7. 7. 光學(xué)與聲學(xué)量測(cè)量?jī)x器光學(xué)與聲學(xué)量測(cè)量?jī)x器 測(cè)量對(duì)象：如光度計(jì)、光譜儀、色度計(jì)、激光參數(shù)測(cè)量?jī)x、光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x等。 8. 8. 電離輻射計(jì)量?jī)x器電離輻射計(jì)量?jī)x器 測(cè)量對(duì)象：如各種

5、放射性、核素計(jì)量，x、射線及中子計(jì)量?jī)x器等。 以上8大類計(jì)量?jī)x器的共性技術(shù)： 計(jì)量測(cè)試儀器的 設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)理論 和 測(cè)試?yán)碚摐y(cè)試?yán)碚摐y(cè)控儀器的概念測(cè)控儀器的概念 在現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試儀器中，測(cè)量與控制已經(jīng)密不可分，測(cè)控儀器則是利用測(cè)量和控制的理論，采用機(jī)、電、光各種計(jì)量測(cè)試原理及控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的一種范圍廣泛的測(cè)量?jī)x器。 本課程的要求：本課程的要求： 掌握機(jī)、電、光、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的儀器總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論知識(shí)； 學(xué)會(huì)如何從設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的方法； 具有進(jìn)行儀器精度設(shè)計(jì)的能力。 本門課程力求使學(xué)生在測(cè)控儀器設(shè)計(jì)中具有勇于探索、有創(chuàng)新思維的設(shè)計(jì)能力。 二、測(cè)控儀器的組成二、測(cè)控儀器的組

6、成 測(cè)控儀器種類繁多，其組成多種多樣，但可按其各部分的功能來分成若干組成部分。 測(cè)控儀器組成以圖11 “微電子產(chǎn)品視覺檢測(cè)儀” 為例說明。 儀器組成： 支承底座、精密工作臺(tái)、X、Y二維運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、立柱、顯微鏡及CCD攝像器件、光柵系統(tǒng)、精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光源。 圖1-1 微電子產(chǎn)品視覺檢測(cè)儀三維效果圖 圖12 微電子產(chǎn)品視覺檢測(cè)儀組成框圖工作原理工作原理： Z向運(yùn)動(dòng)具有自動(dòng)調(diào)焦功能，通過計(jì)算機(jī)對(duì)CCD攝像器件攝取圖像進(jìn)行分析，用調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)來判斷調(diào)焦質(zhì)量。被檢測(cè)的印刷線路板或IC芯片的瞄準(zhǔn)用可變焦的光學(xué)顯微鏡和CCD攝像器件來完成。攝像機(jī)的輸出經(jīng)圖像卡送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理實(shí)現(xiàn)精密定位和圖像識(shí)別與計(jì)

7、算，并給出被檢測(cè)件的尺寸值、誤差值及缺陷狀況。按按功能功能將儀器分成以下幾個(gè)組成部分：將儀器分成以下幾個(gè)組成部分：1 基準(zhǔn)部件 5 信息處理與運(yùn)算裝置 2 傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件 6 顯示部件 3 放大部件 7 驅(qū)動(dòng)控制器部件 4 瞄準(zhǔn)部件 8 機(jī)械結(jié)構(gòu)部件基準(zhǔn)部件基準(zhǔn)部件 測(cè)量的過程是一個(gè)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較的過程，因此，儀器中要有與被測(cè)量相比較的標(biāo)準(zhǔn)量，標(biāo)準(zhǔn)量與其相應(yīng)的裝置一起，稱為儀器的基準(zhǔn)部件。 有的儀器中無標(biāo)準(zhǔn)器而是用校準(zhǔn)的方法將標(biāo)準(zhǔn)量復(fù)現(xiàn)到儀器中。標(biāo)準(zhǔn)量的精度對(duì)儀器的測(cè)量精度影響很大，在大多數(shù)情況下是11，在儀器設(shè)計(jì)時(shí)必須予以重視。 傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件 測(cè)控儀器中

8、的傳感器是儀器的感受轉(zhuǎn)換部件，它的作用是感受被測(cè)量，拾取原始信號(hào)并將它轉(zhuǎn)換為易于放大或處理的信號(hào)。 不同測(cè)量對(duì)象可以用不同測(cè)量原理的傳感器進(jìn)行感受與轉(zhuǎn)換，因此正確選用和設(shè)計(jì)傳感器是十分重要的，通常要遵守儀器設(shè)計(jì)的精度原則和經(jīng)濟(jì)原則等。 常用的傳感器有機(jī)械式、電子式、光電式、光學(xué)式、聲學(xué)式、壓電式等等，有數(shù)千種，選用時(shí)一定要分析清楚其工作原理、精度指標(biāo)、測(cè)量范圍、使用場(chǎng)合、特點(diǎn)和成本。同時(shí)一定要注意要按照被測(cè)參數(shù)的定義來選用和設(shè)計(jì)傳感器。 放大部件放大部件分類實(shí)例名稱機(jī)械式放大部件齒輪放大，杠桿放大，彈性及剛度放大等機(jī)械系統(tǒng) 光學(xué)式放大部件 光準(zhǔn)直式、顯微鏡式、投影放大、攝影放大式、莫爾條紋、光

9、干涉等 光學(xué)系統(tǒng) 電子放大部件 前置放大、功率放大等 電子信息處理系統(tǒng) 光電放大部件 光電管放大、倍增管放大等 光電系統(tǒng) 瞄準(zhǔn)部件瞄準(zhǔn)部件 用來確定被測(cè)量的位置(或零位），要求瞄準(zhǔn)的重復(fù)性精度要好。 信息處理與運(yùn)算裝置信息處理與運(yùn)算裝置 數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算部件主要用于數(shù)據(jù)加工、處理、運(yùn)算和校正等。可以利用硬件電路、單片機(jī)或微機(jī)來完成。 顯示部件顯示部件 顯示部件是用指針與表盤、記錄器、數(shù)字顯示器、打印機(jī)、監(jiān)視器等將測(cè)量結(jié)果顯示出來。驅(qū)動(dòng)控制器部件驅(qū)動(dòng)控制器部件 驅(qū)動(dòng)控制部件用來驅(qū)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件，在測(cè)控儀器中常用步進(jìn)電機(jī)、交直流伺服電機(jī)、力矩電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、壓電陶瓷等實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)?？刂埔话阌糜?jì)算

10、機(jī)或單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，這時(shí)要將一個(gè)控制接口卡插入到計(jì)算機(jī)的插槽中。 機(jī)械結(jié)構(gòu)部件機(jī)械結(jié)構(gòu)部件 儀器中的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件用于對(duì)被測(cè)件、標(biāo)準(zhǔn)器、傳感器的定位，支承和運(yùn)動(dòng),如導(dǎo)軌、軸系、基座、支架、微調(diào)、鎖緊、限位保護(hù)等機(jī)構(gòu)。所有的零部件還要裝到儀器的基座或支架上,這些都是測(cè)控儀器必不可少的部件，其精度對(duì)儀器精度影響起決定作用。第二節(jié) 測(cè)控儀器及其設(shè)計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)一、發(fā)展趨勢(shì)一、發(fā)展趨勢(shì) : 高精度與高可靠性、高效率、智能化、多樣化與多維化。（1）高精度與高可靠性高精度與高可靠性 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)控儀器的精度提出更高的要求，如幾何量nm精度測(cè)量，力學(xué)量的mg精度測(cè)量等。同時(shí)對(duì)儀器的可靠性要求也日

11、益增高，尤其是航空、航天用的測(cè)控儀器，其可靠性尤為重要。 （2）高效率高效率 大批量產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏，要求測(cè)量?jī)x器具有高效率，因此非接觸測(cè)量、在線檢測(cè)、自適應(yīng)控制、模糊控制、操作與控制的自動(dòng)化、多點(diǎn)檢測(cè)、機(jī)光電算一體化是必然的趨勢(shì)。（3）高智能化高智能化 在信息拾取與轉(zhuǎn)換、信息測(cè)量、判斷和處理及控制方面大量采用微處理器和微計(jì)算機(jī)，顯示與控制系統(tǒng)向三維形象化發(fā)展，操作向自動(dòng)化發(fā)展，并且具有多種人工智能從學(xué)習(xí)機(jī)向人工智能機(jī)發(fā)展是必然的趨勢(shì)。（4）多維化、多功能化多維化、多功能化 多維的測(cè)量空間，要求我們研究多維的測(cè)量?jī)x器，在許多場(chǎng)合，除了三維測(cè)量外還需要多參數(shù)同時(shí)測(cè)量，如要求同時(shí)測(cè)出某點(diǎn)溫度、濕度和應(yīng)

12、變；同時(shí)測(cè)得力、速度、振動(dòng)、應(yīng)變等多種參數(shù)，使現(xiàn)有儀器系列化、多樣化，以滿足不同用戶的要求，也是勢(shì)在必行的。 （5）開發(fā)新原理開發(fā)新原理 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要測(cè)量的極端參數(shù)（超高壓、超高溫、超低溫、超大尺寸、原子空間）和特種參數(shù)（識(shí)別顏色、氣味）也在增加，要求也更奇特，因此要不斷研究新原理、開發(fā)新儀器。如仿生儀器等。（6）動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量 研究的對(duì)象已經(jīng)從靜態(tài)轉(zhuǎn)入動(dòng)態(tài)，如研究原子的價(jià)態(tài)、分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)、固體結(jié)晶形態(tài)、生命化學(xué)物理進(jìn)程的激發(fā)態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施檢測(cè)手段，需要研究超快時(shí)間和超高空間的分辨技術(shù)。二、發(fā)展概況二、發(fā)展概況現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)： (

13、1)程式性程式性 強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售的一體化。 (2)創(chuàng)造性創(chuàng)造性 突出人的創(chuàng)造性，開發(fā)創(chuàng)新性產(chǎn)品。 (3)系統(tǒng)性系統(tǒng)性 用系統(tǒng)工程思想處理技術(shù)系統(tǒng)問題。力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，同時(shí)要考慮人-機(jī)-環(huán)境的大系統(tǒng)關(guān)系。 (4)優(yōu)化性優(yōu)化性 通過優(yōu)化理論及技術(shù)，以獲得功能全、性能良好、成本低、性能價(jià)格比高的產(chǎn)品。 (5)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)將更全面地引入設(shè)計(jì)全過程，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不僅用于計(jì)算和繪圖，在信息儲(chǔ)存、評(píng)價(jià)決策、動(dòng)態(tài)模擬、人工智能等方面將發(fā)揮更大作用。 圖13 CAD系統(tǒng)的基本組成第三節(jié) 測(cè)量?jī)x器通用術(shù)語及定義 儀器的技術(shù)指標(biāo)是用來說明一臺(tái)儀器的性能和作用的，主要技術(shù)指標(biāo)既作為設(shè)

14、計(jì)依據(jù)，也用來考核所設(shè)計(jì)的儀器是否成功。 作為測(cè)量?jī)x器還必須要有規(guī)范的語言，稱之為測(cè)量?jī)x器的術(shù)語。本節(jié)敘述的有關(guān)測(cè)量?jī)x器的術(shù)語是根據(jù)JJFl0011998全國(guó)法制計(jì)量技術(shù)委員會(huì)頒布的“通用計(jì)量術(shù)語及定義”來說明的。 1. 測(cè)量?jī)x器測(cè)量?jī)x器（measuring instrument) ) 測(cè)量?jī)x器又稱計(jì)量器具，它是指單獨(dú)地或同輔助設(shè)備一起用以進(jìn)行測(cè)量的器具。而測(cè)量是指用以確定量值為目的的一組操作。 測(cè)量?jī)x器是指將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成指示值或等效信息的一種計(jì)量器具，即具有轉(zhuǎn)換和指示功能。 測(cè)量器具是指以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供給定量的一個(gè)或多個(gè)已知值的器具，如砝碼、標(biāo)準(zhǔn)電阻、量塊、線紋尺、參考物質(zhì)等。 2. 2

15、. 測(cè)量傳感器測(cè)量傳感器( (measuring transducer) ) 提供與輸入量有確定關(guān)系的輸出量的器件。如熱電偶、電流互感器、應(yīng)變計(jì)等。3. 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)(measuring system) 組裝起來以進(jìn)行特定測(cè)量的全套測(cè)量?jī)x器和其它設(shè)備。如半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率測(cè)量裝置；光電光波比長(zhǎng)儀；校準(zhǔn)體溫計(jì)的裝置等。 4. 4. 模擬式測(cè)量?jī)x器模擬式測(cè)量?jī)x器( (analogue measuring instrument) )與與數(shù)字式測(cè)量?jī)x器數(shù)字式測(cè)量?jī)x器(digital measuring instrument)。 前者是指儀器的輸出或顯示是輸入信號(hào)的連續(xù)函數(shù)的測(cè)量?jī)x器，而后者是提供數(shù)字

16、化輸出或顯示的儀器。5. 敏感元件敏感元件(sensor)或敏感器或敏感器 測(cè)量?jī)x器或測(cè)量鏈中直接感受被測(cè)量作用的元件。如渦流流量計(jì)的轉(zhuǎn)子；液面測(cè)量?jī)x的浮子；光譜光度計(jì)的光電池。6. 檢測(cè)器檢測(cè)器(detector) 用于指示某個(gè)現(xiàn)象的存在而不必提供有關(guān)量值的器件或物質(zhì)。如鹵素檢漏儀，石蕊試紙等。 在某些領(lǐng)域中敏感元件與檢測(cè)器的概念界限并不十分明顯，比如在光電測(cè)量領(lǐng)域把光電池稱為檢測(cè)器，用于檢測(cè)光通量。而在光譜光度計(jì)中，光電池則稱為敏感元件，這在概念上也是正確的。7指示器指示器(index) 顯示裝置的固定的或可動(dòng)的部件，根據(jù)它相對(duì)標(biāo)尺標(biāo)記的位置即可確定示值。如指針、光點(diǎn)、液面、記錄筆等。 8

17、 8測(cè)量?jī)x器的標(biāo)尺測(cè)量?jī)x器的標(biāo)尺(scale of a measuring instrument) 由一組有序的帶有數(shù)碼的標(biāo)記構(gòu)成的測(cè)量?jī)x器顯示裝置的部件。如線紋尺、度盤等。 9 9標(biāo)尺間隔標(biāo)尺間隔(scale interval)和分度值和分度值 對(duì)應(yīng)標(biāo)尺兩相鄰標(biāo)記的兩個(gè)值之差，標(biāo)尺間隔用標(biāo)尺上的單位表示。如0100的線紋尺相鄰刻度間隔一般為1mm。 分度值是指一個(gè)標(biāo)尺間隔所代表的被測(cè)量值。如百分表的分度值為001mm。1010示值范圍示值范圍(range of indication) 極限示值界限內(nèi)的一組數(shù)。對(duì)模擬量顯示而言它就是標(biāo)尺范圍；在有些領(lǐng)域中它是儀器所能顯示的最大值與最小值之差。有

18、時(shí)又把示值范圍稱為量程(span)，如某電壓表示值范圍從-10V10 V，則其量程為20V。1111測(cè)量范圍測(cè)量范圍( (measuring range) 測(cè)量?jī)x器誤差允許范圍內(nèi)的被測(cè)量值。測(cè)量范圍包含示值范圍還包含儀器的調(diào)節(jié)范圍。如光學(xué)計(jì)的示值范圍為0.1mm，但其懸臂可沿立柱調(diào)節(jié)180mm，在該范圍內(nèi)仍可保證儀器的測(cè)量精度，則其測(cè)量范圍為1800.1mm。又如千分尺的測(cè)量范圍有025mm，2550mm，5075mm等規(guī)格，但其示值范圍均為25mm。1212靈敏度靈敏度(sensitivity) 測(cè)量?jī)x器響應(yīng)(輸出)的變化除以對(duì)應(yīng)的激勵(lì)(輸入)的變化。若輸入激勵(lì)量為X，相應(yīng)輸出是Y，則靈敏度

19、表示為： S=S=Y YX X 儀器的輸出量與輸入量的關(guān)系可以用曲線來表示，稱為特性曲線，特性曲線有線性的也有非線性的，非線性特性用線性特性來代替時(shí)帶來的誤差，稱為非線性誤差。特性曲線的斜率即為靈敏度。 靈敏度的量綱可以是相同的，也可以是不相同的，如電感傳感器的輸入量是位移，而輸出量是電壓，其靈敏度的量綱為V/mm；而齒輪傳動(dòng)的百分表其輸入量是位移，輸出量也是位移，在這樣情況下，靈敏度又稱為放大比。 靈敏度是儀器對(duì)被測(cè)量變化的反映能力。靈敏度是儀器對(duì)被測(cè)量變化的反映能力。1313鑒別力鑒別力( (閾閾)()(discrimination) 使測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生未察覺的響應(yīng)變化的最大激勵(lì)變化，這種激勵(lì)

20、變化應(yīng)是緩慢而單調(diào)地進(jìn)行。它表示儀器感受微小量的敏感程度。儀器的鑒別力可能與儀器的內(nèi)部或外部噪聲有關(guān)，也可能與摩擦有關(guān)或與激勵(lì)值有關(guān)。1414分辨力分辨力(resolution) 顯示裝置能有效辨別的最小示值。對(duì)于數(shù)字式儀器，分辨力是指儀器顯示的最末一位數(shù)字間隔代表的被測(cè)量值。對(duì)模擬式儀器，分辨力就是分度值。分辨力是與儀器的精度密切相關(guān)的。要提高儀器精度必須有足夠的分辨力來保證；反過來儀器的分辨力必須與儀器精度相適應(yīng),不考慮儀器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。1515測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度(accuracy of measuring instrument) 測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度是一個(gè)

21、定性的概念，它是指測(cè)量?jī)x器輸出接近于真值的響應(yīng)的能力。符合一定的計(jì)量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的測(cè)量?jī)x器的等級(jí)或級(jí)別稱為測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度等級(jí)，如零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)等。 1616 測(cè)量?jī)x器的示值誤差測(cè)量?jī)x器的示值誤差( (error of indication) 測(cè)量?jī)x器的示值與對(duì)應(yīng)輸入量的真值之差。由于真值不能確定，實(shí)際上用的是約定真值，即常用某量的多次測(cè)量結(jié)果來作為約定真值。測(cè)量?jī)x器的示值誤差，包含有儀器的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，因此用測(cè)量的方法確定儀器示值誤差時(shí)，同一個(gè)值測(cè)量次數(shù)一般不要超過三次。示值誤差越小，表明儀器的準(zhǔn)確度越高。1717測(cè)量?jī)x器的重復(fù)性測(cè)量?jī)x器的重復(fù)性( (repeata

22、bility of a measuring instrument) ) 在相同測(cè)量條件下，重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量，儀器提供相近示值的能力。相同的測(cè)量條件包括：相同的測(cè)量程序、相同的觀測(cè)者、在相同的條件下使用相同的測(cè)量設(shè)備，在相同的地點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)測(cè)量。示值重復(fù)性可用示值的分散性定量地表示；當(dāng)用實(shí)驗(yàn)的方法確定重復(fù)性時(shí)可用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差乘以相應(yīng)的擴(kuò)展因子來定量表示。儀器的示值重復(fù)性誤差小，表明儀器的隨機(jī)誤差小。 1818 穩(wěn)定性穩(wěn)定性( (stability) )和漂移和漂移(drift) ) 測(cè)量?jī)x器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。穩(wěn)定性可以用幾種方式定量的表示，如用計(jì)量特性變化某個(gè)規(guī)定的量所經(jīng)過

23、的時(shí)間，例如儀器測(cè)頭動(dòng)作一萬次以后再測(cè)量?jī)x器的示值誤差和示值重復(fù)性是否變化；也可用計(jì)量?jī)x器工作某一規(guī)定時(shí)間(如8小時(shí))再考察儀器特性的變化。漂移是指儀器計(jì)量特性的慢變化，如儀器零位隨時(shí)間變化稱為零位漂移；儀器靈敏度隨時(shí)間變化稱為靈敏度漂移。1919測(cè)量?jī)x器的引用誤差測(cè)量?jī)x器的引用誤差 ( (indicial error of a measuring indicial error of a measuring instrument)instrument) 測(cè)量?jī)x器的誤差除以儀器特定值。該特定值一般稱引用值，如儀器的量程或示值范圍的上限。2020 測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)( (calibrat

24、ion of measuring calibration of measuring instrument)instrument) 在規(guī)定條件下，為確定測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)所指示的量值，或?qū)嵨锪烤呋騾⒖嘉镔|(zhì)所代表的量值與對(duì)應(yīng)的由標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的量值之間關(guān)系的一組操作。校準(zhǔn)的結(jié)果既可給出被測(cè)量的示值，又可確定示值的修正值，也可確定其它計(jì)量特性，如影響量的作用。校正的結(jié)果要記錄在校準(zhǔn)證書或校準(zhǔn)報(bào)告之中。 21. 21. 測(cè)量?jī)x器的偏移誤差測(cè)量?jī)x器的偏移誤差( (bias error of measuring instrument) ) 測(cè)量?jī)x器示值的系統(tǒng)誤差。通常用適當(dāng)次數(shù)重復(fù)測(cè)量的示值誤差的平均值來估計(jì)

25、。2222 回程誤差（滯差）回程誤差（滯差）( (hysteresis error) 在相同條件下，被測(cè)量值不變，計(jì)量器具行程方向不同（正程、反程，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等）其示值之差的絕對(duì)值。產(chǎn)生回程誤差的主要原因是儀器零件之間存在間隙或摩擦，或齒輪嚙合面的變動(dòng)；對(duì)于電磁式傳感器或壓電式傳感器由于正反程磁滯或電滯現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)滯后誤差（滯差）。2323視差視差( (parallax error) ) 當(dāng)指示器與標(biāo)尺表面不在同一平面時(shí)，觀測(cè)者偏離正確觀察方向進(jìn)行讀數(shù)和瞄準(zhǔn)所引起的誤差。2424估讀誤差估讀誤差(interpolation error) 觀測(cè)者估讀指示器位于兩相鄰標(biāo)尺標(biāo)記間的相對(duì)位置而引起的誤

26、差，有時(shí)也稱為內(nèi)插誤差。2525讀數(shù)誤差讀數(shù)誤差(reading error) 由于觀測(cè)者對(duì)計(jì)量器具示值讀數(shù)不準(zhǔn)確所引起的誤差，它包括視差和估讀誤差。第四節(jié) 對(duì)測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的要求和設(shè)計(jì)程序 一、設(shè)計(jì)要求一、設(shè)計(jì)要求 (1)(1)精度要求精度要求 精度是測(cè)控儀器的生命，精度本身只是一種定性的概念。為表征一臺(tái)儀器的性能和達(dá)到的水平，應(yīng)有一些精度指標(biāo)要求，如靜態(tài)測(cè)量的示值誤差、重復(fù)性誤差、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、回程誤差、靈敏度、鑒別力、線性度等，動(dòng)態(tài)測(cè)量的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差、瞬態(tài)響應(yīng)誤差等。這些精度指標(biāo)不是每一臺(tái)儀器都必須全部滿足，而是根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象和不同的測(cè)量要求，選用最能反映該儀器精度的一些指標(biāo)組合來表

27、示。 儀器的精度應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的要求來確定，當(dāng)儀器總誤差占測(cè)量總誤差比重較小時(shí)，常采用1/3原則，即儀器總誤差應(yīng)小于或等于被測(cè)參數(shù)總誤差的1/3；若儀器總誤差占測(cè)量總誤差的主導(dǎo)部分時(shí)，可允許儀器總誤差小于或等于被測(cè)參數(shù)總誤差的1/2。 為了保證儀器的精度，儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵守一些重要的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原理，如阿貝原則、變形最小原則、測(cè)量鏈最短原則、精度匹配原則、誤差平均作用原理、補(bǔ)償原理、差動(dòng)比較原理等。 (2) (2)檢測(cè)效率要求檢測(cè)效率要求 一般情況下儀器的檢測(cè)效率應(yīng)與生產(chǎn)效率相適應(yīng)。在自動(dòng)化生產(chǎn)情況下，檢測(cè)效率應(yīng)適合生產(chǎn)線節(jié)拍的要求。提高檢測(cè)效率不僅有經(jīng)濟(jì)上的效益，有時(shí)對(duì)提高檢測(cè)精度也有一定作

28、用，因?yàn)榭s短了測(cè)量時(shí)間可減少環(huán)境變化對(duì)測(cè)量的影響。同時(shí)還可以節(jié)省人力，消除人的主觀誤差，提高測(cè)量的可靠性。 (3) (3)可靠性要求可靠性要求 一臺(tái)測(cè)量?jī)x器或一套自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，無論在原理上如何先進(jìn)，在功能上如何全面，在精度上如何高，若可靠性差，故障頻繁，不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，則該儀器或系統(tǒng)就無使用價(jià)值。因此對(duì)儀器的可靠性要求是十分必要的。可靠性要求，就是要求設(shè)備在一定時(shí)間、一定條件下不出故障地發(fā)揮其功能的概率要高?？煽啃砸罂捎煽煽啃栽O(shè)計(jì)來保證。 (4) (4)經(jīng)濟(jì)性要求經(jīng)濟(jì)性要求 儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用各種先進(jìn)技術(shù)，以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效果。盲目追求復(fù)雜、高級(jí)的方案，不僅會(huì)造成儀器成本的急劇增加，有時(shí)甚至

29、無法實(shí)現(xiàn)。因此儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇最經(jīng)濟(jì)的方案，即技術(shù)先進(jìn)、零部件少、工藝簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、裝調(diào)方便，這樣在市場(chǎng)上才有競(jìng)爭(zhēng)力。 同時(shí)還要考慮儀器的功能，具有較好的功能與產(chǎn)品成本比，即價(jià)值系數(shù)高。 (5) (5)使用條件要求使用條件要求 使用條件不同，儀器的設(shè)計(jì)也不同。如在室外使用的儀器儀表應(yīng)適應(yīng)寬范圍的溫度、濕度變化，以及抗振和耐鹽霧；在車間使用除了防振外，電磁干擾，尤其是強(qiáng)電設(shè)備起動(dòng)的干擾應(yīng)重點(diǎn)防范；在易燃易爆場(chǎng)合下工作的儀器儀表則要求防爆和阻燃；在線測(cè)量與離線測(cè)量，連續(xù)工作與間歇工作其條件都有不同，在設(shè)計(jì)儀器時(shí)應(yīng)慎重考慮，以滿足不同使用條件的要求。 (6) (6)造型要求造型要求 儀

30、器的外觀設(shè)計(jì)極為重要，優(yōu)美的造型、柔和的色澤是人們選擇產(chǎn)品的考慮因素之一，有利于銷售，同時(shí)也會(huì)使操作者加倍愛護(hù)和保養(yǎng)儀器，延長(zhǎng)使用壽命，提高工作效率。 二、測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)程序二、測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)程序 (1)(1)確定設(shè)計(jì)任務(wù)確定設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)任務(wù)由國(guó)家或部門根據(jù)經(jīng)濟(jì)與事業(yè)發(fā)展需要由計(jì)劃和科技部門下達(dá)，也有企業(yè)或公司根據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)調(diào)查自行確定的新產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)，也有的是由用戶特殊要求而確定的設(shè)計(jì)任務(wù)。 (2)(2)設(shè)計(jì)任務(wù)分析，制定設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)任務(wù)分析，制定設(shè)計(jì)任務(wù)書 接到設(shè)計(jì)任務(wù)后，首先要認(rèn)真、仔細(xì)地閱讀任務(wù)書。要認(rèn)真研究被測(cè)對(duì)象有什么特點(diǎn)?被測(cè)參數(shù)是如何定義的?精度要求是什么?測(cè)量范圍有多大?檢測(cè)效率要求多高?使用條件是什么?經(jīng)濟(jì)情況如何?完成時(shí)間與驗(yàn)收方式是什么?逐一分析后，制定詳細(xì)的任務(wù)書，作為研制的基本文件。 (3