現代精密儀器設計第一章_概述

1、精精 密密 儀儀 器器 設設 計計 Design of Precision Instrument現代精密儀器設計李慶祥現代精密儀器設計李慶祥/李玉和等編著李玉和等編著 清華大學出版社清華大學出版社現代儀器儀表技術與設計現代儀器儀表技術與設計王大珩王大珩 主編主編 ，北京，北京 : 科學出版社科學出版社, 2002 內容新、全內容新、全精密儀器設計天大、上交大合編，機械工業(yè)出版社，精密儀器設計天大、上交大合編，機械工業(yè)出版社，1992年年 內容類似、簡單內容類似、簡單測控儀器設計浦昭邦、王寶光主編，機械工業(yè)出版社，測控儀器設計浦昭邦、王寶光主編，機械工業(yè)出版社，2001年年 哈爾濱工業(yè)大學教材哈

2、爾濱工業(yè)大學教材課程簡介課程簡介“現代精密儀器設計”是國內外許多大學機電類、測控儀器類、電子信息類專業(yè)的專業(yè)課程。本課程主要內容：第第1 1章章 概述概述第第2 2章章 精密儀器總體設計精密儀器總體設計第第3 3章章 精密儀器設計的精度理論精密儀器設計的精度理論第第4 4章章 精密機械系統(tǒng)精密機械系統(tǒng)第第5 5章章 微位移技術微位移技術第第6 6章章 光學系統(tǒng)設計光學系統(tǒng)設計第第7 7章章 定位與測量系統(tǒng)定位與測量系統(tǒng)第第8 8章章 瞄準與對準系統(tǒng)瞄準與對準系統(tǒng)第第9 9章章 自動調焦系統(tǒng)自動調焦系統(tǒng)第第1010章章 精密機械伺服系統(tǒng)設計精密機械伺服系統(tǒng)設計第第1111章章 微機電系統(tǒng)微機電系

3、統(tǒng)現代精密儀器實例介紹第第1 1章章 概概 述述中中國國航航天天清清華華一一號號 “航天清華”衛(wèi)星在離地球600800千米高的太陽同步軌道上運行。它可以進行存儲轉發(fā)式的通信，或進行定點實時通信，特別適用于無地面網絡的地區(qū)使用，在數據采集、遠程教育等方面有著獨特優(yōu)勢。它不僅可以進行光學成像觀測，還可以用于環(huán)境、資源、水文、地理勘察和氣象觀測、科學實驗等多種用途。除具備以上用途外，它也具有發(fā)射入軌后再上載軟件的能力，可隨時通過上載新的軟件改變衛(wèi)星的任務，并能修正高能粒子對電腦芯片輻射而導致的程序突變問題，提出并開展了“軟件衛(wèi)星”的概念研究。 中國航天科工集團公司與清華大學研制和開發(fā)比“航天清華小衛(wèi)

4、星”更小、集成化程度更高的微小衛(wèi)星皮星和納星。 第第1 1章章 概概 述述第第1 1章章 概概 述述表面形貌（輪廓）測量儀表面形貌（輪廓）測量儀 一、基本概念一、基本概念儀器儀表是用來對物質是用來對物質(自然界自然界)實體及其屬性進行實體及其屬性進行觀察觀察、監(jiān)視監(jiān)視、測定測定、驗證驗證、記錄記錄、傳輸傳輸、變換變換、顯示顯示、分析處理分析處理與與控制控制的各種器具的各種器具與裝置的總稱，是一種與裝置的總稱，是一種 獲取信息獲取信息 的手段。的手段。機械學科機械學科儀器儀表學科儀器儀表學科精密儀器精密儀器從學科角度從學科角度儀器儀器機器機器機械機械！ 精密儀器精密儀器儀器儀表的重要組成部分。儀

5、器儀表的重要組成部分。精密儀器測量各種物理量所用的高精度、高分辨率的儀器儀表。測量各種物理量所用的高精度、高分辨率的儀器儀表。 長度長度、熱工熱工、電磁電磁、光學光學、時間時間、頻率頻率等等 現代現代儀器儀表儀器儀表信息系統(tǒng)體現，包括信息系統(tǒng)體現，包括信息獲取信息獲取、處理處理、轉換轉換、傳遞傳遞、 控制控制和和應用應用的全過程。的全過程。信息獲取信息獲取信息處理信息處理信息轉換信息轉換信息利用信息利用自然界自然界實質二、儀器分類二、儀器分類 儀器分類相當復雜，目前尚無統(tǒng)一的分類方法儀器分類相當復雜，目前尚無統(tǒng)一的分類方法!！計量測試角度計量測試角度 計量儀器計量儀器 非計量儀器非計量儀器 計

6、量儀器被測量被測量真實數值真實數值計量標準計量標準大尺寸、微尺寸、角度、熱、光等導出量，如速度、加速度等物理量工具顯微鏡、電感工具顯微鏡、電感(電容電容)測微儀、表面形貌儀、測微儀、表面形貌儀、光電光波比較儀、壓力計、原子鐘、色度計、光電光波比較儀、壓力計、原子鐘、色度計、電子隧道加速度計等。電子隧道加速度計等。舉例計量院 非計量儀器非計量儀器觀察、顯示、記錄以及控制與分析等。觀察、顯示、記錄以及控制與分析等。 如：顯微鏡、望遠鏡、夜視儀、如：顯微鏡、望遠鏡、夜視儀、 監(jiān)視器、顯示器、電子電位差計、監(jiān)視器、顯示器、電子電位差計、 流量指示計、流量指示計、 X-Y坐標記錄儀、坐標記錄儀、 打印設

7、備、分析儀以及打印設備、分析儀以及 自動化生產自動化生產 調節(jié)器。調節(jié)器。掃描隧道顯微鏡納米算盤原子操作硅表面STM利用量子隧道效應產生隧道電流的原理制作的顯微鏡。利用量子隧道效應產生隧道電流的原理制作的顯微鏡。其分辨率可達原子水平，即觀察到原子級的圖像。在生物學中，其分辨率可達原子水平，即觀察到原子級的圖像。在生物學中，可觀察大分子和生物膜的分子結構?？捎^察大分子和生物膜的分子結構。 AFM全稱Atomic Force Microscope，即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）之后發(fā)明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，可以在大氣和

8、液體環(huán)境下對各種材料和樣品進行納米區(qū)域的物理性質包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱；現已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關學科的研究實驗等領域中，成為納米科學研究的基本工具。 原子力顯微鏡AFMAFM的原理： 當原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息！三、精密儀器在國民經濟中的地位三、精密儀器在國民經濟中的地位1.1.歷史回顧歷史回顧 古代古代祖先是儀器發(fā)明者，首創(chuàng)四大發(fā)明之指南針是其一，祖先是儀器發(fā)明者，首創(chuàng)四大發(fā)明之指南針是其一， 還有算盤

9、、還有算盤、記里鼓車、地動儀等，在世界領先。記里鼓車、地動儀等，在世界領先。16/40指南車記里鼓車 近代近代由于各種原因，儀器儀表水平遠遠落后于世界水平。由于各種原因，儀器儀表水平遠遠落后于世界水平。 解放后解放后新中國帶來新的生命力，經努力正向世界先進水平前進。新中國帶來新的生命力，經努力正向世界先進水平前進。1955年年，全國第一次，全國第一次12年科技發(fā)展規(guī)劃年科技發(fā)展規(guī)劃儀器儀表作為保證儀器儀表作為保證 我國科技發(fā)展的重要手段。我國科技發(fā)展的重要手段。 1979年年10月月，專家建議、國務院批準，專家建議、國務院批準成立國家儀器儀表工業(yè)總局成立國家儀器儀表工業(yè)總局 目前，我國關鍵儀器

10、儀表裝備仍落后國際水平十幾年！目前，我國關鍵儀器儀表裝備仍落后國際水平十幾年！2.2.國內發(fā)展狀況國內發(fā)展狀況 與國外差距：與國外差距： (1) (1)品種系列不全品種系列不全 儀表儀表2.5萬種，我國萬種，我國1.2萬種（大多為萬種（大多為中低檔中低檔） (2) (2)技術性能低、質量差技術性能低、質量差 無故障時間短、壽命低、標準化與通用化不足無故障時間短、壽命低、標準化與通用化不足 (3) (3)產品結構落后產品結構落后 功能單一、智能化程度低、可操作性差、外觀設計粗糙功能單一、智能化程度低、可操作性差、外觀設計粗糙18/40 1995年年，20位院士位院士聯名向國務院遞交聯名向國務院遞

11、交 “ 關于振興儀器儀表工業(yè)的建議關于振興儀器儀表工業(yè)的建議 ” 科技部頒發(fā)科技部頒發(fā) “關于九五期間科學儀器發(fā)展的若干意見關于九五期間科學儀器發(fā)展的若干意見 ”, 并將科學儀器研究并將科學儀器研究 開發(fā)列為開發(fā)列為 “ 九五九五 ” 國家科技攻關計劃國家科技攻關計劃。 發(fā)展現狀發(fā)展現狀 國務院國務院、國家計委、經委、科技部、科學院、自然科學基金委等部門國家計委、經委、科技部、科學院、自然科學基金委等部門為科學儀器的發(fā)展作出了一定的安排為科學儀器的發(fā)展作出了一定的安排。 儀器儀表學報儀器儀表學報膜厚測量儀 (七五科技攻關) 測量精度 10線寬輪廓測量儀 (七五科技攻關) 測量精度0.05 m

12、表面形貌儀(93年鑒定，發(fā)明專利) 測量精度 1nm臺階測量儀 (八五科技攻關) 測量精度 現代化寶鋼技術裝備投資經費現代化寶鋼技術裝備投資經費中中, 1/3用于購置儀器和自控系統(tǒng)用于購置儀器和自控系統(tǒng) 制酒工業(yè)制酒工業(yè)，今天也需儀器儀表嚴格控制溫度今天也需儀器儀表嚴格控制溫度、流程才能創(chuàng)出名牌流程才能創(chuàng)出名牌 美國國家標準技術研究院美國國家標準技術研究院 (NIST) 統(tǒng)計統(tǒng)計, 為質量認證和控制為質量認證和控制, 每天要每天要完成完成 2.5 億億個檢測個檢測, 占國民生產總值占國民生產總值(GNP) 3.5% 美國商業(yè)部國家標準局美國商業(yè)部國家標準局 (NBS)90年代報告年代報告: 儀

13、器儀表工業(yè)總產值只儀器儀表工業(yè)總產值只占工業(yè)總產值占工業(yè)總產值 4%, 但它對國民經濟但它對國民經濟(GNP)影響達影響達66% “倍增器倍增器” “物化法官物化法官”產品質量，環(huán)境污染，服違禁藥物，指紋，假鈔，刑事案件產品質量，環(huán)境污染，服違禁藥物，指紋，假鈔，刑事案件等，無一不依靠儀器儀表等，無一不依靠儀器儀表 “判定判定”。此外，教學實驗，氣象預報，。此外，教學實驗，氣象預報，大地測繪，交通指揮，探測災情，尤其診治疾病等社會領域都有大地測繪，交通指揮，探測災情，尤其診治疾病等社會領域都有廣泛應用，廣泛應用， “吃穿用、農輕重、海陸空吃穿用、農輕重、海陸空”無所不在。無所不在。4.4.重要

14、作用重要作用 (2) (2)先進科學儀器先進科學儀器知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新的前提知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新的前提和主體內容和主體內容“先行官先行官“ 電子顯微鏡電子顯微鏡SEM、 CT斷層掃描儀斷層掃描儀、 X射線物質結構分析儀、射線物質結構分析儀、 光學相襯顯微鏡、光學相襯顯微鏡、 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(STM) ； 據統(tǒng)計，近據統(tǒng)計，近80年來獲諾貝爾獎同科學儀器有關的達到年來獲諾貝爾獎同科學儀器有關的達到38人。人。 諾貝爾獎獲得者諾貝爾獎獲得者R.R.Ernse： “現代科學進步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展?，F代科學進步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展。” 基因測量儀器問世，使世界基因研究計劃提前基因

15、測量儀器問世，使世界基因研究計劃提前6年完成。年完成。 (3) (3)國防裝備國防裝備“戰(zhàn)斗力戰(zhàn)斗力“ 1991年海灣戰(zhàn)爭美國精密制導炸彈和導彈占年海灣戰(zhàn)爭美國精密制導炸彈和導彈占8%，12年后伊拉克戰(zhàn)年后伊拉克戰(zhàn)提高提高90%以上以上, , 靠一系列先進儀器儀表系統(tǒng)裝備實現?？恳幌盗邢冗M儀器儀表系統(tǒng)裝備實現。 1994年美國國防部成立了年美國國防部成立了“自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局”，統(tǒng)一海路空，統(tǒng)一海路空測試技術，保證立體作戰(zhàn)有效實施。現代武器裝備無一不配備先測試技術，保證立體作戰(zhàn)有效實施?，F代武器裝備無一不配備先進的測量控制儀器儀表。進的測量控制儀器儀表。 儀器不是單純精密機械

16、，也不是單純精密機械儀器不是單純精密機械，也不是單純精密機械 + 光學，而是光學，而是 機、電、機、電、光、計算機、材料、物理、化學、生物等先進技術高度綜合的高技術。光、計算機、材料、物理、化學、生物等先進技術高度綜合的高技術。 ！ (4) (4)信息信息行業(yè)行業(yè)源頭技術源頭技術 世界正從世界正從工工業(yè)化時代進入信息化時代業(yè)化時代進入信息化時代,向知識經濟時代邁進向知識經濟時代邁進；儀器作儀器作用主要是獲取信息用主要是獲取信息,作為智能行動的依據作為智能行動的依據 ； “信息技術由測信息技術由測試試技術、計算機技術、通訊技術三部分組成技術、計算機技術、通訊技術三部分組成，而，而測測試試技術則是

17、關鍵和基礎技術則是關鍵和基礎” （錢學森錢學森） 美國商務部美國商務部1999年報告在關于新興數字經濟提出，信息產業(yè)包括計年報告在關于新興數字經濟提出，信息產業(yè)包括計算機軟硬件行業(yè)、通信設備制造及服務行業(yè)、算機軟硬件行業(yè)、通信設備制造及服務行業(yè)、儀器儀表行業(yè)儀器儀表行業(yè)。舉例 光學精密機械系統(tǒng) 光電轉換 電路處理 計算機控制 電機及驅動系統(tǒng)微器件裝配系統(tǒng)（Micro Assembling System）儀器組成光學精密機械光學精密機械系統(tǒng)系統(tǒng)光電轉換光電轉換系統(tǒng)系統(tǒng)電路處理電路處理系統(tǒng)系統(tǒng)計算機控制計算機控制系統(tǒng)系統(tǒng)顯示、打印顯示、打印系統(tǒng)系統(tǒng)電機及驅動電機及驅動系統(tǒng)系統(tǒng)信息獲取與應用信息處理

18、、變換與顯示(1)(1)光學精密機械系統(tǒng)光學精密機械系統(tǒng) 光學成像系統(tǒng)光學成像系統(tǒng)物鏡、光欄等；物鏡、光欄等； 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)光源、濾鏡等光源、濾鏡等 精密機械系統(tǒng)精密機械系統(tǒng)X-Y精密工作臺、微動工作臺（精密工作臺、微動工作臺（Micro-table）、）、真真空吸附臺以及傳動部件（如空吸附臺以及傳動部件（如 Flexure Hinge）等等(3)(3)電路處理與計算機控制電路處理與計算機控制 信息處理、變換與存儲顯示及模塊控制等。信息處理、變換與存儲顯示及模塊控制等。 功放、功放、A/D、D/A、 DSP、 FPGA、CPLD 、F/V I/O、LED、LCD等等 。(2)(2)光電轉換

19、與傳遞系統(tǒng)光電轉換與傳遞系統(tǒng) CCD、攝像機、光電管（攝像機、光電管（Phototube）、）、 硅光電池（硅光電池（Silicon photo-cell）、）、 光柵（光柵（Grating）、）、激光等。激光等。(4)(4)電機及驅動系統(tǒng)電機及驅動系統(tǒng) 電機電機直流電機、交流電機、直線電機、力矩電機、音圈電機直流電機、交流電機、直線電機、力矩電機、音圈電機（Voice Coil Motor）、）、步進電機（步進電機（Stepping Motor）、）、納米電機（納米電機（Nanomotion）等。等。 微位移技術中，采用致動器（微位移技術中，采用致動器（Actuator）作為驅動源，如作為驅

20、動源，如PZT、Electrostatic Force等。等。！儀器組成儀器組成對應對應課程內容：課程內容： 精密機械系統(tǒng)精密機械系統(tǒng) 精密機械精密機械 微位移技術微位移技術 定位檢測系統(tǒng)定位檢測系統(tǒng) 光柵、激光光柵、激光 調焦系統(tǒng)調焦系統(tǒng) 瞄準系統(tǒng)瞄準系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 可靠性設計可靠性設計 有限元分析有限元分析 儀器精度儀器精度整個儀器設計的核心整個儀器設計的核心 課程設計課程設計理論與實踐相結合理論與實踐相結合精密儀器設計是以設計為主的專業(yè)課。是以設計為主的專業(yè)課。 (1)(1)綜合運用已學基礎理論知識，掌握綜合運用已學基礎理論知識，掌握 光光-機機-電電 相結合的現相結合的現代儀器儀表設計理論與方法；代儀器儀表設計理論與方法； (2)(2)科技文獻檢索與分析概述能力（科技文獻檢索與分析概述能力（調研調研、討論討論）；）； (3)(3)培養(yǎng)獨立的設計能力（培養(yǎng)獨立的設計能力（方法方法、創(chuàng)新創(chuàng)新）；）； (4)(4)了解國內外精密儀器學術動態(tài)和最新成就。了解國內外精密儀器學術動態(tài)和最新成就。一、目的一、目的二、課程內容二、課程內容 概述概述介紹學科的概況；介紹學科的概況； 總體設計總體設計設計原理與方法；設計原理與方法； 精度理論精度理論介紹精密儀器精度