測控儀器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)題

1、第二章 誤差特性：客觀存在性、不確定性、未知性。 分類：按誤差的數(shù)學(xué)特征 ：隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差； 按被測參數(shù)的時(shí)間特性 ：靜態(tài)參數(shù)誤差、動(dòng)態(tài)參數(shù)誤差；  按誤差間的關(guān)系 ：獨(dú)立誤差：相關(guān)系數(shù)為“零”、非獨(dú)立誤差：相關(guān)系數(shù)非“零”。 來源：設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用，生產(chǎn)中誤差有原理誤差、制造誤差、運(yùn)行誤差。 原理誤差：近似數(shù)據(jù)處理方法、機(jī)械結(jié)構(gòu)、測量與控制電路 （1）采用近似的理論和原理進(jìn)行設(shè)計(jì)是為了簡化設(shè)計(jì)、簡化制造工藝、簡化算法和降低成本 。  （2）

2、原理誤差屬于系統(tǒng)誤差，使儀器的準(zhǔn)確度下降，應(yīng)該設(shè)法減小或消除。 （3）減小的方法：  采用更為精確的、符合實(shí)際的理論和公式進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 。  研究原理誤差的規(guī)律，采取技術(shù)措施避免原理誤差。  采用誤差補(bǔ)償措施 。  制造誤差：產(chǎn)生于制造、支配以及調(diào)整中的不完善所引起的誤差。 主要由儀器的零件、元件、部件和其他各個(gè)環(huán)節(jié)在尺寸、形狀、相互位置以及其他參量等方面的制造及裝調(diào)的不完善所引起的誤差。 運(yùn)行誤差：儀器在使用過程中所產(chǎn)生的誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的

3、誤差，溫度變形引起的誤差，材料的內(nèi)摩擦所引起的彈性滯后和彈性后效，以及振動(dòng)和干擾等 。 儀器誤差分析   目的：正確地選擇儀器設(shè)計(jì)方案； 合理地確定結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)； 為設(shè)置誤差補(bǔ)償環(huán)節(jié)提供依據(jù)。 任務(wù)：尋找影響儀器精度的誤差根源及其規(guī)律； 計(jì)算誤差及其對儀器總精度的影響程度； 過程： 尋找儀器源誤差 ： 分析計(jì)算局部誤差  是各個(gè)源誤差對儀器精度的影響，這種影響可以用誤差影響系數(shù)與該源誤差的乘積來表示；精度綜合   

4、       根據(jù)各個(gè)源誤差對儀器精度影響估計(jì)儀器的總誤差，并判斷儀器總誤差是否滿足精度設(shè)計(jì)所要求的數(shù)值。如果滿足，則表明精度設(shè)計(jì)成功；否則，對精度分配方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或改變設(shè)計(jì)方案或結(jié)構(gòu)后，重新進(jìn)行精度綜合。  誤差獨(dú)立作用原理： 除儀器輸入以外，另有影響儀器輸出的因素 ，假設(shè)某一因素的變動(dòng)（源誤差）使儀器產(chǎn)生一個(gè)附加輸出，稱為局部誤差。      影響系數(shù)是儀器結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)的函數(shù)；一個(gè)源誤差只產(chǎn)生一個(gè)局部誤差，而與其它源

5、誤差無關(guān)；儀器總誤差是局部誤差的綜合。  分析方法：微分法、幾何法、作用線與瞬時(shí)臂法、數(shù)學(xué)逼近法、控制系統(tǒng)的誤差分析法。其它方法：逐步投影法、矢量代數(shù)法、球面三角法 幾何法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、直觀，適合于求解機(jī)構(gòu)中未能列入作用方程的源誤差所引起的局部誤差，但在應(yīng)用于分析復(fù)雜機(jī)構(gòu)運(yùn)行誤差時(shí)較為困難       基于機(jī)構(gòu)傳遞位移的機(jī)理來研究源誤差在機(jī)構(gòu)傳遞位移的過程中如何傳遞到輸出。因此，作用線與瞬時(shí)臂法首先要研究的是機(jī)構(gòu)傳遞位移的規(guī)律。第三章測控儀器總體設(shè)計(jì)，是指在進(jìn)行儀器具體設(shè)計(jì)以前，從儀器自身的功能

6、、技術(shù)指標(biāo)、檢測與控制系統(tǒng)框架及儀器應(yīng)用的環(huán)境和條件等總體角度出發(fā)，對儀器設(shè)計(jì)中的全局問題進(jìn)行全面的設(shè)想和規(guī)劃。 要考慮的主要問題有： 1.設(shè)計(jì)任務(wù)分析 2.創(chuàng)新性構(gòu)思  3.測控儀器若干設(shè)計(jì)原則的考慮 4.測控儀器若干設(shè)計(jì)原理的斟酌 5.測控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.測控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定 7.儀器總體的造型規(guī)劃       儀器總體設(shè)計(jì)的最終評估，是以其所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)來衡量，精度與可靠性指標(biāo)是測控

7、儀器設(shè)計(jì)的核心問題。  設(shè)計(jì)任務(wù)分析  了解被測控參數(shù)的特點(diǎn)    1）了解精度、數(shù)值范圍（一維、二維、量值范圍）、量值性質(zhì)（單值、多值）、測量狀態(tài)（動(dòng)態(tài)、靜態(tài)）等要求； 2） 按國家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的定義確定儀器工作原理 了解測控參數(shù)載體的特點(diǎn)      機(jī)械與光學(xué)載體居多。要考慮載體的大小、形狀、材料、重量、狀態(tài)等  了解儀器的功能要求  是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)、開環(huán)還是閉環(huán)、一維還是多維、單一參數(shù)

8、還是復(fù)合參數(shù)、檢測效率、測量范圍、承載能力、操作方式、     顯示方式、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等。  了解儀器的使用條件  室內(nèi)還是室外、在線還是脫機(jī)、間斷還是連續(xù)、環(huán)境狀況。  了解國內(nèi)外同類產(chǎn)品的原理和技術(shù)水平  了解國內(nèi)加工工藝水平及關(guān)鍵元器件的銷售情況 六項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：阿貝(Abbe)原則及其擴(kuò)展   變形最小原則及減小變形影響的措施    測量鏈最短原則  坐標(biāo)系統(tǒng)一原則

9、          精度匹配原則               經(jīng)濟(jì)原則 阿貝原則   定義：為使量儀能給出正確的測量結(jié)果,必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測尺寸線的延長線上?；蛘哒f，被測零件的尺寸線和儀器的基準(zhǔn)線（刻線尺）應(yīng)順序排成一條直線。  但在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，有些情況不能保證阿貝原則

10、的實(shí)施，其原因有二： 1）遵守阿貝原則一般造成儀器外廓尺寸過大，特別是對線值測量范圍大的儀器，情況更為嚴(yán)重。 2）多自由度測量儀器，如圖3-3所示的三坐標(biāo)測量機(jī)，或其它有線值測量系統(tǒng)的儀器。很難作到使各個(gè)坐標(biāo)方向或一個(gè)坐標(biāo)方向上的各個(gè)平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。 許多線值測量系統(tǒng)的儀器，很難做到使各個(gè)坐標(biāo)方向或一個(gè)坐標(biāo)方向上的各個(gè)平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。 變形最小原則定義：應(yīng)盡量避免在儀器工作過程中，因受力變化或因受溫度變化而引起的儀器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化。 1 減小力變形影響的技術(shù)措施：一米激光測長機(jī)底座變形的補(bǔ)償、光電光波比長儀消除力

11、變形的結(jié)構(gòu)布局2  減小熱變形影響的技術(shù)措施 1、 用恒溫條件，以減小溫度變化量   ； 選擇合適的材料，以減小線膨脹的影響，或選用線脹系數(shù)相反的材料在某些敏感環(huán)節(jié)上進(jìn)行補(bǔ)償； 采用補(bǔ)償法補(bǔ)償溫度變化的影響 測量鏈最短原則  定義：儀器中直接感受標(biāo)準(zhǔn)量和被測量的有關(guān)元件，如被測件、標(biāo)準(zhǔn)件、感受元件、定位元件等均屬于測量鏈 Ø  在精密測量儀器中，根據(jù)各環(huán)節(jié)對儀器精度影響程度的不同，可將儀器中的結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)區(qū)分為測量鏈、放大指示鏈和輔助鏈三類。 Ø&#

12、160;測量鏈的誤差對儀器精度的影響最大，一般都是1:1影響測量結(jié)果。因此，對測量鏈各環(huán)節(jié)的精度要求應(yīng)最高。 Ø  因此測量鏈最短原則顯然指一臺儀器中測量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少，即測量鏈應(yīng)最短。因此，測量鏈最短原則作為一條設(shè)計(jì)原則要求設(shè)計(jì)者予以遵守。 以上設(shè)計(jì)原則，一般都是從某臺儀器總體出發(fā)考慮的。而坐標(biāo)系統(tǒng)一原則,則是對儀器群體之間的位置關(guān)系,相互依賴關(guān)系來說的,或主要是針對儀器中的零件設(shè)計(jì)及部件裝配要求來說的。 坐標(biāo)系統(tǒng)一原則    對零部件設(shè)計(jì)來說，這條原則是指：在設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)該使零件的設(shè)計(jì)基面、

13、工藝基面和測量基面一致起來，符合這個(gè)原則，才能使工藝上或測量上能夠較經(jīng)濟(jì)地獲得規(guī)定的精度要求而避免附加的誤差。 對儀器群體之間（主系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間）的位置關(guān)系,相互依賴關(guān)系來說, 這條原則是指：在設(shè)計(jì)某臺儀器或其中的組成部件時(shí)，應(yīng)考慮到該儀器或該部件的坐標(biāo)系統(tǒng)在主坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換關(guān)系與實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的方法 精度匹配原則   定義：在對儀器進(jìn)行精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器中各部分各環(huán)節(jié)對儀器精度影響程度的不同，分別對各部分各環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙洹?#160;經(jīng)濟(jì)原則    經(jīng)濟(jì)原則是一切工作都要遵守的一條基

14、本而重要的原則。經(jīng)濟(jì)原則反映到測控儀器的設(shè)計(jì)之中，可從以下幾方面來考慮： 1）工藝性。          選擇正確的加工工藝和裝配工藝，從而達(dá)到節(jié)省工時(shí)，節(jié)約能源，不但易于組織生產(chǎn)，而且降低管理費(fèi)用。 2）合理的精度要求。  精度的高低，決定了成本的高低。因此各環(huán)節(jié)則應(yīng)根據(jù)不同的要求分配不同的精度。 3）合理選材。        合理選材是儀器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一，從

15、減小磨損、減小熱變形、減小力變形、提高剛度及滿足許多物理性能上來說，都離不開材料性能。而材料的成本又差價(jià)很大，因此合理選材是至關(guān)重要的一條。 4）合理的調(diào)整環(huán)節(jié)。  設(shè)計(jì)合理的調(diào)整環(huán)節(jié)，往往可以降低儀器零部件的精度要求，達(dá)到降低儀器成本的目的。 5）提高儀器壽命。    為提高儀器壽命要對電氣元件進(jìn)行老化和篩選；對機(jī)械零部件中的易損系統(tǒng)采用更合理的結(jié)構(gòu)型式。雖然這兩方面的改進(jìn)會(huì)使成本增加，但如果儀器壽命延長一倍，等于使儀器價(jià)格降低了一半。 測控儀器設(shè)計(jì)原理：平均讀數(shù)原理、比較測量原理、補(bǔ)償原理 

16、平均讀數(shù)原理：在計(jì)量學(xué)中，利用多次讀數(shù)取其平均值，能夠提高讀數(shù)精度。 比較測量原理 （一） 位移量同步比較測量原理    定義：對復(fù)合參數(shù)進(jìn)行測量的近代方法是先分別用激光裝置或光柵裝置等測出它們各自的位移量，然后再根據(jù)它們之間存在的特定關(guān)系由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接進(jìn)行運(yùn)算比較而實(shí)現(xiàn)測量。 位移量同步比較原理主要應(yīng)用于復(fù)合參數(shù)的測量：漸開線齒形誤差，齒輪切向綜合誤差，螺旋線誤差，凸輪型面誤差的測量 特點(diǎn)：這類復(fù)合參數(shù)一般都是由線位移和角位移，或角位移和角位移以一定關(guān)系作相互運(yùn)動(dòng)而成。它們的測量過程，實(shí)際上是相應(yīng)的位移量之間的

17、同步比較過程，故在設(shè)計(jì)這類參數(shù)的測量儀器中，形成了一種位移量同步比較的測量原理。這一原理的特點(diǎn)是符合按被測參數(shù)定義進(jìn)行測量的基本原則。（二）差動(dòng)比較測量原理 1電學(xué)量差動(dòng)比較測量      電學(xué)量差動(dòng)比較測量可以大大減小共模信號的影響，從而可以提高測量精度和靈敏度，并可以改善儀器的線性度。 2光學(xué)量差動(dòng)比較測量      降低共模信號的影響，還可消除雜散光的干擾。 （三）零位比較測量原理 補(bǔ)償原理   &#

18、160;補(bǔ)償原理是儀器設(shè)計(jì)中一條內(nèi)容廣泛而意義重大的設(shè)計(jì)原理。如果在設(shè)計(jì)中，采用包括補(bǔ)償、調(diào)整、校正環(huán)節(jié)等技術(shù)措施，則往往能在提高儀器精度和改善儀器性能方面收到良好的效果。 補(bǔ)償原理的核心包括：1補(bǔ)償環(huán)節(jié)的選擇     為了取得比較明顯的補(bǔ)償效果，補(bǔ)償環(huán)節(jié)應(yīng)選擇在儀器結(jié)構(gòu)、工藝、精度上的薄弱環(huán)節(jié)，對環(huán)境條件及外界干擾敏感的環(huán)節(jié)上。 2補(bǔ)償方法的確定     有光電方法、軟件方法、電學(xué)方法、標(biāo)準(zhǔn)器比較的方法等。3 補(bǔ)償要求的分析    &

19、#160; 根據(jù)不同的補(bǔ)償對象，有不同的補(bǔ)償要求：       例如，對于導(dǎo)軌直線度偏差的補(bǔ)償，必須要對整個(gè)行程范圍進(jìn)行連續(xù)逐點(diǎn)的補(bǔ)償；而對儀器示值的校正，一般可要求校正幾個(gè)特征點(diǎn)，如首尾兩點(diǎn)，或中間選幾點(diǎn)，達(dá)到選定的特征點(diǎn)保證儀器示值精確即可。 4. 綜合補(bǔ)償（最佳調(diào)整原理）的實(shí)施      優(yōu)點(diǎn)：綜合補(bǔ)償方法具有簡單、易行、補(bǔ)償效果好的特點(diǎn)。        涵義：該方法不必

20、研究儀器產(chǎn)生的誤差來自哪個(gè)或哪些環(huán)節(jié)，但通過對某個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)整后，便起到了綜合補(bǔ)償?shù)男Ч?#160; Ø 檢測系統(tǒng)工作原理的選擇和系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)是總體考慮時(shí)首先遇到的一個(gè)問題。 Ø 檢測系統(tǒng)是一臺設(shè)備的重要組成部分，它相當(dāng)于人體智能系統(tǒng)的五官，五官獲取外界信號, 大腦相當(dāng)于設(shè)備的控制系統(tǒng)，四肢相當(dāng)于設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu),因此，一臺完整的設(shè)備能否按設(shè)計(jì)要求完成預(yù)定的任務(wù)，首先取決于檢測系統(tǒng)的精度和可靠性。  檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括:傳感器的選擇與設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)量及其細(xì)分方法的應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理與顯示裝置的選取等三大部分。&#

21、160;  測控儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)的數(shù)值是根據(jù)儀器的功能、測量范圍、精度要求、分辯力要求、誤差補(bǔ)償要求、使用要求和條件，以及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定等許多因素來確定的。 一、從精度要求出發(fā)來確定儀器參數(shù)光學(xué)靈敏杠桿的杠桿比的確定 二、從測量范圍要求出發(fā)確定儀器參數(shù)小模數(shù)漸開線齒形誤差檢查儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 三、從誤差補(bǔ)償要求來確定參數(shù)電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 四、從儀器精度和分辯力要求出發(fā)確定儀器參數(shù)光柵式刀具預(yù)調(diào)儀電子細(xì)分參數(shù)與視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇。第四章在測控儀器中，精密機(jī)械系統(tǒng)對保證儀器的測量精度、定位精度和運(yùn)動(dòng)精度起著關(guān)鍵的作用

22、。儀器中的支承件包括基座、立柱、機(jī)柜、機(jī)箱等。導(dǎo)軌由運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌（動(dòng)導(dǎo)軌）和支承導(dǎo)軌（靜導(dǎo)軌）組成，分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和彈性摩擦導(dǎo)軌。主軸剛度K=F/y    K=M/（a為主軸懸伸長度 ，l支撐跨距  y1軸承為剛體，主軸為變形體 ，y2主軸為剛體，軸承為變形體 ，y總撓度） 提高主軸剛度的措施：  大主軸直徑，但導(dǎo)致機(jī)構(gòu)尺寸加大。一般D取錐孔大端直徑的1.52倍     合理選擇支撐跨距  縮短主軸懸伸長度a / l0=1/21/4