自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第3章

1、自 動(dòng) 化 裝 置 設(shè) 計(jì) 基 礎(chǔ)航空自動(dòng)化 費(fèi)春國(guó)第三章 測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì) 測(cè)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、技術(shù)指標(biāo)、檢測(cè)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(duì)儀器設(shè)計(jì)中的全局問(wèn)題進(jìn)行全面的設(shè)想和規(guī)劃。 儀器總體設(shè)計(jì)的最終評(píng)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(lái)衡量，精度與可靠性指標(biāo)是測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。 要考慮的主要問(wèn)題有：1.設(shè)計(jì)任務(wù)分析2.創(chuàng)新性構(gòu)思 （所能達(dá)到的新功能，所實(shí)現(xiàn)的新方 法，所反映出的新技術(shù)，新理論等）3.測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原則的考慮4.測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原理的斟酌5.測(cè)控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.測(cè)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參

2、數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定7.儀器總體的造型規(guī)劃第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)分析測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)一般有三種情況： 1）設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶專(zhuān)門(mén)的需要，針對(duì)特定的測(cè)控對(duì)象，被測(cè)參數(shù)或工作特性來(lái)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的儀器。 2）設(shè)計(jì)者根據(jù)目前市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通用產(chǎn)品和系列產(chǎn)品。在這種情況下，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求作廣泛的調(diào)研，以確定適當(dāng)?shù)膬x器技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到以最少的產(chǎn)品系列和較全的儀器功能來(lái)覆蓋最大的社會(huì)需求。 3）設(shè)計(jì)者超前預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)出先進(jìn)的新型產(chǎn)品，進(jìn)行開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)。 以上不同情況，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，其側(cè)重考慮的內(nèi)容和方面是不同的。通常，設(shè)計(jì)任務(wù)的分析包括以下內(nèi)容：了解被測(cè)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）、

3、量值性質(zhì)（單值、多值）、測(cè)量狀態(tài)（動(dòng)態(tài)、靜態(tài)）等要求；2） 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的定義確定儀器工作原理了解測(cè)控參數(shù)載體（被測(cè)控對(duì)象）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(kāi)環(huán)還是閉環(huán)、一維還是多維、單一參數(shù)還是復(fù)合參數(shù)、檢測(cè)效率、測(cè)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(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的原理和技術(shù)水平了解國(guó)內(nèi)加工工藝水平及關(guān)鍵元器件的銷(xiāo)售情況設(shè)計(jì)任務(wù) 的分析第二節(jié) 追蹤新技術(shù)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì) 創(chuàng)新是對(duì)原設(shè)計(jì)的繼承和發(fā)展，我們對(duì)現(xiàn)有儀器的原理、

4、功能、特點(diǎn)了解的愈多，掌握的愈深入，愈容易發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有儀器的缺陷，從而找到進(jìn)一步完善和發(fā)展的途徑。就測(cè)控儀器的總體設(shè)計(jì)而言,創(chuàng)新設(shè)計(jì)將體現(xiàn)在:儀器設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的原理、所達(dá)到的功能、所反映出的新方法和新技術(shù)等方面。舉例如下:開(kāi)關(guān) 機(jī)械式開(kāi)關(guān)是最早的通斷控制形式，但其反映的頻率低，定位精度差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，慣性大，壽命短。隨著科技的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)出觸摸式、感應(yīng)式、聲控式、光控式、紅外線式等多種新的開(kāi)關(guān)。這些新的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)反映出設(shè)計(jì)者對(duì)各種新技術(shù)和新方法的創(chuàng)新研究。 對(duì) 比 光學(xué)投影式刀具預(yù)調(diào)儀 計(jì)算機(jī)視覺(jué)型刀具預(yù)調(diào)儀 測(cè)量原理圖示 工作過(guò)程 將刀尖到影屏上，采用目視瞄準(zhǔn)定 使用CCD攝像機(jī)采集被測(cè)刀具圖像，測(cè)

5、量時(shí)，計(jì)算機(jī)影屏上的十字線自動(dòng)跟蹤刀具切削點(diǎn)，當(dāng)?shù)都夥€(wěn)定在測(cè)量區(qū)域后，即已完成測(cè)量 優(yōu)缺點(diǎn) 光學(xué)投影光路的加工及調(diào)整復(fù)雜，由人眼控制刀尖對(duì)準(zhǔn)十字線的微細(xì)調(diào)整過(guò)程，要求二維光柵數(shù)字系統(tǒng)的導(dǎo)軌必須具備微調(diào)機(jī)構(gòu)，增加了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度；而且人眼目視瞄準(zhǔn)的精度低，工作效率差。 消除了操作者的人為誤差，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、數(shù)字化、微米級(jí)的測(cè)量精度。結(jié)論 這種由光學(xué)投影式瞄準(zhǔn)原理發(fā)展為利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行瞄準(zhǔn)的創(chuàng)新，開(kāi)創(chuàng)了新一代刀具預(yù)調(diào)儀的發(fā)展，也為生產(chǎn)廠家?guī)?lái)了較大的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)和社會(huì)效益。 創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力的培養(yǎng)突破“思維定勢(shì)”的束縛。人們往往習(xí)慣于從已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)中，從考慮某類(lèi)問(wèn)題獲得成功的思維模式中尋求解

6、題方案，這就是所說(shuō)的思維定勢(shì)。要克服心理上的慣性，從思維定勢(shì)的框框中解脫出來(lái)，善于從新的技術(shù)領(lǐng)域中接受有用的事物，提出新原理、創(chuàng)造新模式、貢獻(xiàn)新方法，闖出新局面。敢于標(biāo)新立異。創(chuàng)新思維的特點(diǎn)不僅是要突破“思維定勢(shì)”的束縛，而且要敢于標(biāo)新立異，即敢于提出與前人甚至多數(shù)人不同的見(jiàn)解，敢于對(duì)似乎完美的現(xiàn)實(shí)事物提出懷疑，尋找更合理的解法。善于從不同角度思考問(wèn)題，探索多種解法，設(shè)想多個(gè)可供選擇的方案，這樣，成功的幾率必然成倍增長(zhǎng)。我們稱(chēng)這種思維方法為多向思維或擴(kuò)散思維。 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的訣竅在于充分依靠現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息資源有針對(duì)性的檢索相關(guān)資料，補(bǔ)充掌握不足的信息來(lái)達(dá)到創(chuàng)新構(gòu)思。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中采用集多人智慧，

7、互相啟發(fā)來(lái)尋求解決問(wèn)題的途徑；也可通過(guò)有針對(duì)性、有系統(tǒng)地提問(wèn)來(lái)激發(fā)智慧，尋找解決辦法通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的觀察，優(yōu)缺點(diǎn)分析，或采用數(shù)學(xué)建模，或采用系統(tǒng)分析及形態(tài)學(xué)矩陣的理論分析方法尋求各種解決辦法。創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的訓(xùn)練 1） 學(xué)習(xí)，掌握創(chuàng)造學(xué)理論的基本思想，掌握創(chuàng)新思維規(guī)律，面對(duì)來(lái)自于自然界生存壓力、社會(huì)發(fā)展需求壓力、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)壓力、個(gè)人工作壓力及自我責(zé)任心，事業(yè)心的主客觀強(qiáng)大壓力，激發(fā)出積極、主動(dòng)創(chuàng)造精神。 2）摸索創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法和技巧第三節(jié) 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原則 在儀器設(shè)計(jì)長(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上,形成了一些帶有普遍性的或在一定場(chǎng)合下帶有普遍性的儀器設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的基本原則與基本原理。這些設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)原理,作為

8、儀器設(shè)計(jì)中的技術(shù)措施,在保證和提高儀器精度,改善儀器性能,以及在降低儀器成本等方面帶來(lái)了良好的效果。 如何在儀器的總體方案中遵循或恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用這些原則與原理,便是在儀器總體設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)突出考慮的一個(gè)內(nèi)容。一. 阿貝(Abbe)原則及其擴(kuò)展 對(duì)于線性尺寸測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)，1890年，阿貝提出了一條指導(dǎo)性原則。 阿貝原則定義：為使量?jī)x能給出正確的測(cè)量結(jié)果,必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測(cè)尺寸線的延長(zhǎng)線上?；蛘哒f(shuō)，被測(cè)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。 因此，遵守阿貝(Abbe)原則的儀器，應(yīng)符合圖3-1所示的安排。儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑共線。舉例說(shuō)明阿貝原則 圖31 遵守

9、阿貝原則的測(cè)量1-導(dǎo)軌 2-指示器 3-標(biāo)準(zhǔn)線紋尺 4-被測(cè)件 5-工作臺(tái)導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動(dòng)中的擺角由于標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑共線誤差微小到可以忽略不計(jì) 導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動(dòng)中的擺角由于標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑不共線而帶來(lái)測(cè)量誤差 阿貝誤差產(chǎn)生的原因誤差和傾角成二次方關(guān)系，習(xí)慣上稱(chēng)為二次微小誤差 誤差和傾角成一次方關(guān)系，習(xí)慣上稱(chēng)為一次誤差 結(jié)論 用千分尺測(cè)量工件的直徑。符合阿貝原則。如果由于安裝等原因，測(cè)微絲桿軸線的移動(dòng)方向與尺寸線方向有一夾角，則此時(shí)帶來(lái)測(cè)量誤差為 設(shè)d=20毫米， =1則引起的誤差為 =20mm即誤差微小到可以忽略不計(jì)的程度。 用游標(biāo)卡尺測(cè)量工件的直徑。不符合阿貝原則。測(cè)量時(shí)，

10、活動(dòng)量爪在尺架（導(dǎo)軌）上移動(dòng)，由于導(dǎo)軌之間存在間隙，使活動(dòng)量爪發(fā)生傾斜角而帶來(lái)測(cè)量誤差，其值為 設(shè)S=30毫米， =1則引起的誤差為 =300.0003=0.009mm測(cè)量過(guò)程 測(cè)量圖示 用千分尺測(cè)量工件的直徑 用游標(biāo)卡尺測(cè)量工件的直徑 對(duì)比 再舉一例：用阿貝比長(zhǎng)儀測(cè)量線紋尺的刻線間隔，被測(cè)尺寸線W和儀器基準(zhǔn)線S在同一條直線上，故符合阿貝原則。如果由于導(dǎo)軌誤差，基準(zhǔn)讀數(shù)顯微鏡和測(cè)量讀數(shù)顯微鏡支架在下圖示平面內(nèi)產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)動(dòng)，使基準(zhǔn)讀數(shù)顯微鏡的第二次瞄準(zhǔn)位置由 移到 此時(shí)帶來(lái)的測(cè)量誤差為：因?yàn)椋海?-cos）=2sin2/2設(shè)d 被測(cè)線紋長(zhǎng)度，且d=20mm，=1，則引起的誤差為：=20（0.00

11、03）2/2=910-7 mm即誤差微小到可以忽略不計(jì)的程度。 圖3-2 工件的直徑測(cè)量 b）用阿貝比較儀測(cè)量 1被測(cè)工件 2工作臺(tái) 3底座 4基準(zhǔn)刻線尺 5支架 可見(jiàn)，阿貝原則在量?jī)x設(shè)計(jì)中的意義重大。 阿貝原則被公認(rèn)為是量?jī)x設(shè)計(jì)中最基本的原則之一，在一般的設(shè)計(jì)情況下應(yīng)盡量遵守。 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(guò)大，特別是對(duì)線值測(cè)量范圍大的儀器，情況更為嚴(yán)重。2）多自由度測(cè)量?jī)x器，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，或其它有線值測(cè)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。圖3-3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 1-測(cè)頭

12、的觸球 2-被測(cè)工件 許多線值測(cè)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。 基于上述實(shí)際情況，引出了擴(kuò)展阿貝原則的思路和方法。美國(guó)學(xué)者布萊恩（J.B.Bryan）建議將擴(kuò)展了的阿貝原則表達(dá)如下： “位移測(cè)量系統(tǒng)工作點(diǎn)的路程應(yīng)和被測(cè)位移作用點(diǎn)的路程位于一條直線上。如果這不可能，那么或者必須使傳送位移的導(dǎo)軌沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)，或者必須用實(shí)際角運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算偏移的影響。 它包含三重意思，遵守了這三條中的一條，即遵守了阿貝原則。即： 1）標(biāo)尺與被測(cè)量一條線； 2）如無(wú)法做到則確保導(dǎo)軌沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)； 3）或應(yīng)跟蹤測(cè)量，算出導(dǎo)軌偏移加以補(bǔ)償。 針對(duì)上述問(wèn)題，可采用了動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)

13、量的方法。動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍⒈O(jiān)測(cè)系統(tǒng)與儀器主體固定為一體，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)導(dǎo)軌的偏移信息，補(bǔ)償阿貝誤差，一旦經(jīng)過(guò)統(tǒng)調(diào)和定標(biāo)，則補(bǔ)償?shù)木确€(wěn)定。愛(ài)彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法 愛(ài)彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法主要被應(yīng)用于高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)的讀數(shù)系統(tǒng)中。圖3-4a為測(cè)長(zhǎng)機(jī)原理圖。 刻尺面位于焦距f相同的兩個(gè)透鏡N1，N2的焦面上。M2，N2與尾座聯(lián)為一體，M1，N1與頭座聯(lián)為一體?？坛哂裳b在尾座內(nèi)的光源照明。對(duì)零時(shí)，設(shè)0刻線成象在s1點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，尾座向左移動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)軌平直時(shí)，設(shè)相應(yīng)于被測(cè)長(zhǎng)度讀數(shù)值的刻線0亦成象在s1處時(shí)不產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)假設(shè)由于導(dǎo)軌直線度的影響，使尾座產(chǎn)生傾角，

14、則在測(cè)量線方向上，測(cè)端因傾斜而向左挪動(dòng) ，如無(wú)補(bǔ)償措施則此值即為阿貝誤差。 但這時(shí)與尾座聯(lián)為一體的M2，N2也隨之傾斜角，這樣，刻線O通過(guò)M2，N2及M1，N1便成象到s2點(diǎn)，則S2點(diǎn)相對(duì)于S1點(diǎn)在刻尺面上也有一挪動(dòng)量 。 為了補(bǔ)償阿貝誤差，頭座檢測(cè)到此偏移成像點(diǎn)后，需向左移動(dòng)靠緊工件 若 則 = 于是，由尾座傾斜而帶來(lái)的阿貝誤差，由于在儀器中設(shè)置了上述光學(xué)系統(tǒng)，在讀數(shù)時(shí)自動(dòng)消失了，即達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹＿@種補(bǔ)償原理被稱(chēng)為愛(ài)彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償原理，是通過(guò)結(jié)構(gòu)布局隨機(jī)補(bǔ)償阿貝誤差的方法。 圖34 愛(ài)彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償方法 a)測(cè)長(zhǎng)機(jī)工作原理圖 b)光學(xué)補(bǔ)償原理以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器的電學(xué)補(bǔ)償方法 以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直

15、儀為標(biāo)準(zhǔn)器來(lái)跟蹤測(cè)量一些高精度、數(shù)字式計(jì)量?jī)x器導(dǎo)軌的直線度誤差，并把測(cè)得的誤差值經(jīng)電路處理后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖數(shù)，輸入給計(jì)數(shù)器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。其電路框圖如圖3-7所示。 準(zhǔn)直儀的輸出電壓隨導(dǎo)軌導(dǎo)角變化而相應(yīng)變化，此輸出值與基準(zhǔn)值（導(dǎo)軌不偏移，無(wú)導(dǎo)角時(shí)準(zhǔn)直儀輸出電壓）通過(guò)比較器產(chǎn)生“閘門(mén)電壓”，使干涉儀產(chǎn)生的加減脈沖信號(hào)（相位不同，加減作用不同）進(jìn)入計(jì)算機(jī)，繼而調(diào)節(jié)導(dǎo)軌導(dǎo)角至平衡狀態(tài)。圖 電學(xué)補(bǔ)償方法原理框圖遵守阿貝原則的傳動(dòng)部件設(shè)計(jì) 阿貝原則雖然主要是針對(duì)幾何量中大量程線值測(cè)量?jī)x器總體布局設(shè)計(jì)的一條原則，但同樣適合各類(lèi)儀器傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)。圖 a）符合阿貝原則；而圖 b）不符合阿貝原則。為什

16、么？圖 傳動(dòng)部件遵守阿貝原則的設(shè)計(jì)a）正確 b)不正確二、變形最小原則變形最小原則定義：應(yīng)盡量避免在儀器工作過(guò)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。例如：儀器承重變化 儀器結(jié)構(gòu)變形 外界溫度變化 儀器或傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，導(dǎo)致光電信號(hào)的零點(diǎn)漂移及系統(tǒng)靈敏度變化。 2減小熱變形影響的技術(shù)措施減小熱變形影響的技術(shù)措施有： 采用恒溫條件，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，如測(cè)出被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件的溫度 和 ，查得被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件的線脹系數(shù) 與 ，則溫度誤差的修正公式

17、為 式中，L為被測(cè)件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。1減小力變形影響的技術(shù)措施 要從總體設(shè)計(jì)上，或從具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮減小或消除力變形的影響。 絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x的補(bǔ)償 絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，利用圓光柵測(cè)量轉(zhuǎn)角角度（產(chǎn)生脈沖信號(hào)），利用激光波長(zhǎng)測(cè)量線位移長(zhǎng)度（產(chǎn)生脈沖信號(hào)），完成對(duì)絲杠參數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。 由于溫度的影響，被測(cè)絲杠將伸長(zhǎng)或縮短，此外，當(dāng)環(huán)境溫度、氣壓、濕度偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，激光波長(zhǎng)也將發(fā)生變化，這些都將帶來(lái)測(cè)量誤差。因此，可以采用在激光一路信號(hào)中增減脈沖數(shù)的辦法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨浮?在補(bǔ)償時(shí)： 先測(cè)出環(huán)境的溫度、氣壓和濕度值； 再據(jù)此計(jì)算出每米需累積補(bǔ)償量 ； 位移每移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng) 時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖，計(jì)算每米補(bǔ)償

18、量的脈沖數(shù) ，1m長(zhǎng)度內(nèi)的激光脈沖數(shù)為 ，要把補(bǔ)償脈沖平均分配到1m移位內(nèi)（注意不是在發(fā)生1m位移后一次性補(bǔ)償），故每隔 脈沖，對(duì)激光一路增減一個(gè)脈沖信號(hào)。 圖 分頻補(bǔ)償原理1分頻器 2補(bǔ)償器 3與門(mén) 擴(kuò)散硅壓力傳感器零點(diǎn)溫漂的補(bǔ)償 擴(kuò)散硅壓力傳感器是在硅材料的基片上，用集成電路的工藝制成擴(kuò)散電阻并組成橋路。由于采用了半導(dǎo)體材料的擴(kuò)散技術(shù)，不可避免地產(chǎn)生了如下問(wèn)題：擴(kuò)散電阻的離散性很大，橋路的四個(gè)電橋臂阻值 R1R2R3R4；擴(kuò)散電阻的各個(gè)電阻溫度系數(shù)不等，即 ；擴(kuò)散電阻隨溫度的非線性變化。 因此，將產(chǎn)生嚴(yán)重的各不相同的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移。為了解決擴(kuò)散硅壓力傳感器零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)償，

19、提出了串并聯(lián)、雙并 聯(lián)、雙串聯(lián)等幾種補(bǔ)償方案。圖 電阻式橋路（1） 橋路的平衡條件 圖為四個(gè)擴(kuò)散電阻所組成的橋路，若使橋路在所要求的溫度點(diǎn)和溫度變化 后均能平衡，則平衡條件應(yīng)有二個(gè)，即： （3-7） （3-8） 式中， 、 、 、 為在所要求溫度點(diǎn)的電阻， 、 、 、 的阻值 。 圖316 電阻的串聯(lián)或并聯(lián)補(bǔ)償形式 a) 串聯(lián)形式 b）并聯(lián)形式（2） 串、并聯(lián)電阻對(duì)電阻溫度系數(shù)的影響在電阻為 的擴(kuò)散電阻上串聯(lián)補(bǔ)償電阻 。設(shè)串聯(lián)后的等效電阻溫度系數(shù)為 ，等效電阻為 ， 的電阻溫度系數(shù)為 。 如圖 3-16a，則有：得 可見(jiàn) ，即串聯(lián)電阻后其電阻溫度系數(shù)降低。 在擴(kuò)散電阻上并聯(lián)電阻 。如圖3-16

20、b所示，并聯(lián)后其等效電阻為： 即 得 因 故 即并聯(lián)后亦能降低其電阻溫度系數(shù)?？梢?jiàn) 圖317 串并聯(lián)電阻補(bǔ)償原理橋臂2上的等效電阻和等效溫度系數(shù)分別為：（39）（310）（3） 串并聯(lián)電阻補(bǔ)償原理 見(jiàn)圖3-17，在 上串聯(lián) ，在 上并聯(lián) 。這樣，橋臂1上的等效電阻和等效溫度系數(shù)分別為將式（3-9）和（3-10）代入電橋平衡公式（3-7）及（3-8）得：（311） （312）令 ，故 （313）又由式（3-11）得 （3-14）將式（3-13）、（3-14）代入式（3-12），解得由K的定義知K0，故取上式根號(hào)前的正值得 （3-15） 在此，將橋路的各電阻和 值代入(3-15)便可求得K值，再將

21、K值代入式（3-13）、式（3-14）就可以求出 和 。這樣求出的 和 值能夠同時(shí)滿足式（3-11）和式（3-12），也就是說(shuō)在有溫度變化時(shí)，電橋總是處在平衡的條件下，這就達(dá)到了補(bǔ)償溫度漂移的目的。三、測(cè)量鏈最短原則 測(cè)量鏈定義：儀器中直接感受標(biāo)準(zhǔn)量和被測(cè)量的有關(guān)元件，如被測(cè)件、標(biāo)準(zhǔn)件、感受元件、定位元件等均屬于測(cè)量鏈。 在精密測(cè)量?jī)x器中，根據(jù)各環(huán)節(jié)對(duì)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(cè)量鏈、放大指示鏈和輔助鏈三類(lèi)。測(cè)量鏈的誤差對(duì)儀器精度的影響最大，一般都是1:1影響測(cè)量結(jié)果。因此，對(duì)測(cè)量鏈各環(huán)節(jié)的精度要求應(yīng)最高。因此測(cè)量鏈最短原則顯然指一臺(tái)儀器中測(cè)量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少，即

22、測(cè)量鏈應(yīng)最短。因此，測(cè)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。四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則 以上設(shè)計(jì)原則，一般都是從某臺(tái)儀器總體出發(fā)考慮的。而坐標(biāo)系統(tǒng)一原則,則是對(duì)儀器群體之間的位置關(guān)系,相互依賴(lài)關(guān)系來(lái)說(shuō)的,或主要是針對(duì)儀器中的零件設(shè)計(jì)及部件裝配要求來(lái)說(shuō)的。 對(duì)零部件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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、工藝基面和測(cè)量基面一致起來(lái)，符合這個(gè)原則，才能使工藝上或測(cè)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。五、精度匹配原則 在對(duì)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(duì)儀器精度影響程度的不同，分別對(duì)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?，這就是精度匹配

23、原則。六、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本而重要的原則。經(jīng)濟(jì)原則反映到測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)之中，可從以下幾方面來(lái)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(lái)說(shuō)，都離不開(kāi)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

24、儀器成本的目的。5）提高儀器壽命。為提高儀器壽命要對(duì)電氣元件進(jìn)行老化和篩選；對(duì)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(zhǎng)一倍，等于使儀器價(jià)格降低了一半?？偨Y(jié)共有六項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：一、阿貝(Abbe)原則及其擴(kuò)展二、變形最小原則及減小變形影響的措施三、測(cè)量鏈最短原則四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則五、精度匹配原則六、經(jīng)濟(jì)原則 以上六條基本原則是眾多科技工作者在多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐中總結(jié)出的理論成果，這些原則經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期實(shí)踐的檢驗(yàn)，并為大多數(shù)儀器設(shè)計(jì)者所公認(rèn)。第四節(jié) 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原理一、平均讀數(shù)原理 在測(cè)控系統(tǒng)中，利用多次讀數(shù)取其平均值，能夠提高讀數(shù)精度，即稱(chēng)之為平均讀數(shù)

25、原理。 以光學(xué)分度頭為例，當(dāng)采用單面讀數(shù)（單個(gè)讀數(shù)頭）時(shí)，由于軸系晃動(dòng)或度盤(pán)安裝偏心等原因，不可避免地將使儀器帶來(lái)讀數(shù)誤差。圖322 度盤(pán)安裝偏心示意圖 圖a中，設(shè)o為度盤(pán)幾何中心，o為主軸回轉(zhuǎn)中心，即度盤(pán)有安裝偏心。I為讀數(shù)頭瞄準(zhǔn)位置。則當(dāng)主軸轉(zhuǎn)過(guò)角時(shí)，度盤(pán)幾何中心轉(zhuǎn)至O1點(diǎn)（圖b），此時(shí)，相對(duì)讀數(shù)瞄準(zhǔn)位置I來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生讀數(shù)誤差為 （3-16）式中-安裝偏心， -度盤(pán)刻劃半徑。 如儀器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸系有晃動(dòng)，其產(chǎn)生的讀數(shù)誤差與上面分析類(lèi)似。 如果，在度盤(pán)的對(duì)徑方向上安裝兩個(gè)讀數(shù)頭，并取兩個(gè)讀數(shù)頭讀數(shù)值的平均值作為度盤(pán)在這一轉(zhuǎn)角位置上的讀數(shù)值。這樣，度盤(pán)安裝偏心或軸系晃動(dòng)帶來(lái)的讀數(shù)誤差為正的話，則

26、對(duì)讀數(shù)頭II來(lái)說(shuō)，其讀數(shù)誤差必為負(fù)，且兩者的絕對(duì)值相等。因此，當(dāng)存在著度盤(pán)安裝偏心或軸系晃動(dòng)誤差時(shí)，對(duì)徑讀數(shù)取它們的平均值，則可自動(dòng)消除讀數(shù)誤差。 結(jié)論：多讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)平均讀數(shù)原理，在消除軸系晃動(dòng)、度盤(pán)安裝偏心及度盤(pán)刻劃誤差等對(duì)讀數(shù)精度的影響方面具有良好的效果。因此，平均讀數(shù)原理已成為高精密圓分度測(cè)量裝置中一條重要設(shè)計(jì)原理，而為量?jī)x設(shè)計(jì)所普遍重視和共同遵循。二、比較測(cè)量原理共模電壓：?jiǎn)胃鶎?dǎo)線與規(guī)定參考點(diǎn)（地、機(jī)殼）之間的電壓。共模干擾：干擾信號(hào)為共模電壓形成的干擾，是導(dǎo)線與地之間的干擾，每接地干擾電流具有相同的方向。差模電壓：帶電導(dǎo)體中任意兩根之間的電壓。差模干擾：干擾信號(hào)為差模電壓形式的干擾，

27、是線與線之間的干擾，干擾電流在兩線上的方向相反。 圖325 電學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量原理 圖3-25a）為橋式差動(dòng)電路， 圖3-25b）為雙端差動(dòng)電路。（一）差動(dòng)比較測(cè)量原理1電學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量 電學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量可以大大減小共模信號(hào)的影響，從而可以提高測(cè)量精度和靈敏度，并可以改善儀器的線性度。 上述每個(gè)電路內(nèi)都有兩個(gè)光電元件，一個(gè)接受信號(hào)光線，另一個(gè)接受同一光源的恒定光線。這樣，溫度變化、光源亮度變化等漸變因素對(duì)其產(chǎn)生的影響可互相抵消，同時(shí)，還可抵消信號(hào)中的直流。從而可提高測(cè)量精度和靈敏度，并可改善儀器的線性度。式中， 為線圈匝數(shù)， 為空氣的磁導(dǎo)率， 為空氣隙的截面積。1-鐵心 2-線圈 3-銜鐵

28、 4-測(cè)桿 5-工件 圖3-26差動(dòng)式電感傳感器 當(dāng)工件5 尺寸改變，測(cè)桿4向上移動(dòng) ，由于上、下氣隙的同步增減，因而使上線圈的電感量變化，總變化量為 電測(cè)儀器中，電感傳感器常設(shè)計(jì)成差動(dòng)式。對(duì)于非差動(dòng)式電感線圈傳感器來(lái)說(shuō)，測(cè)桿4向上移動(dòng)引起電感量的變化量為 由上述兩個(gè)公式可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的靈敏度比非差動(dòng)式提高一倍。 （二）零位比較測(cè)量原理過(guò)零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT =0V。電路如圖(a)所示，集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM 或-UOM 。當(dāng)輸入電壓UI0V時(shí)，UO=-UOM。因此，電壓傳輸特性如圖(b)所示。 在實(shí)用電路中為了滿足負(fù)載的需要，常在集成運(yùn)放的輸出

29、端加穩(wěn)壓管限幅電路，從而獲得合適的UOH和UOL，如圖(a)所示。圖中R為限流電阻，兩只穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓均應(yīng)小于集成運(yùn)放的最大輸出電壓UOM。設(shè)穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓為UZ1，穩(wěn)壓管DZ2的穩(wěn)定電壓為UZ2， UZ1和UZ2的正向?qū)妷壕鶠閁D。 當(dāng)UI0時(shí)，由于集成運(yùn)放的輸出電壓UO= -UOM ，DZ2使工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，DZ1工作在正向?qū)顟B(tài)，所以輸出電壓 UO =UOL = -(UZ2+ UD) UZ1 = UZ2,則可以采用兩只特性相同而又制作在一起的穩(wěn)壓管，其符號(hào)如圖(b)所示，穩(wěn)定電壓標(biāo)為UZ。 當(dāng)UI 0時(shí)，UO=UOL=-UZ。限幅電路的穩(wěn)壓管還可跨接在集成運(yùn)放的輸出端和反

30、相輸入端之間，如圖所示。假設(shè)穩(wěn)壓管截止，則集成運(yùn)放必然工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，輸出電壓不是+UOM，就是-UOM。這樣，必將導(dǎo)致穩(wěn)壓管擊穿而工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，DZ構(gòu)成負(fù)反饋通路，使反相輸入端為“虛地”，限流電阻上的電流iR等于穩(wěn)壓管的電流iZ ，輸出電壓UO=UZ。由于集成運(yùn)放的凈輸入電壓和凈輸入電流均近似為零，從而保護(hù)了輸入級(jí)； 由于集成運(yùn)放并沒(méi)有工作到非線性區(qū)(因?yàn)椴捎昧素?fù)反饋)，因而在輸入電壓過(guò)零時(shí)，其內(nèi)部的晶體管不需要從截止區(qū)逐漸進(jìn)入飽和區(qū)，或從飽和區(qū)逐漸進(jìn)入截止區(qū)，所以提高了輸出電壓的變化速度。電路優(yōu)點(diǎn)三、補(bǔ)償原理 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)

31、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(duì)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 根據(jù)不同的補(bǔ)償對(duì)象，有不同的補(bǔ)償要求： 例如，對(duì)于導(dǎo)軌直線度偏差的補(bǔ)償，必須要對(duì)整個(gè)行程范圍進(jìn)行連續(xù)逐點(diǎn)的補(bǔ)償；而對(duì)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

32、有簡(jiǎn)單、易行、補(bǔ)償效果好的特點(diǎn)。 涵義：該方法不必研究?jī)x器產(chǎn)生的誤差來(lái)自哪個(gè)或哪些環(huán)節(jié)，但通過(guò)對(duì)某個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)整后，便起到了綜合補(bǔ)償?shù)男Ч?。第五?jié) 測(cè)控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)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(wèn)題。檢測(cè)系統(tǒng)是一臺(tái)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(hào), 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(tái)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(cè)系統(tǒng)的精度和可靠性。檢測(cè)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。一、傳感器的選擇與設(shè)計(jì)傳感器的作

33、用和重要性: 它是信息提取的源頭，傳感器的選擇將對(duì)儀器的總體設(shè)計(jì)有很大的影響，如若選擇欠妥，則不僅會(huì)造成整臺(tái)儀器難于獲得好的性能，甚至有時(shí)還會(huì)不能滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。如何進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇: 可依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，綜合考慮傳感器的工作原理和應(yīng)用要求來(lái)?yè)駜?yōu)選取或設(shè)計(jì)最佳方案。按傳感器的工作原理和特性進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)有以下三種方式作為參考：1) 按傳感器轉(zhuǎn)換功能的不同可選擇位置檢測(cè)傳感方式（如幾何量測(cè)量中的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)）,其作用在于確定被測(cè)量對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)量的位置，轉(zhuǎn)換后的位置信息經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)中的放大環(huán)節(jié)來(lái)提高儀器的分辨率。 或選擇數(shù)值檢測(cè)傳感方式, 其作用是為了測(cè)量被測(cè)量的數(shù)值（它包括絕對(duì)測(cè)量的數(shù)值，也包括相

34、對(duì)測(cè)量時(shí)，獲取被測(cè)量的偏差部分，如測(cè)微式三坐標(biāo)測(cè)頭、視覺(jué)成像傳感器等），故要求傳感器靈敏度高、線性好、原理誤差小。2) 按傳感器對(duì)原始信號(hào)感受方式的不同可選擇接觸式感受方式（如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中所配置的機(jī)械式硬測(cè)頭或發(fā)訊式開(kāi)關(guān)測(cè)頭）由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，故適用于復(fù)雜形狀工件的檢測(cè)。或選擇非接觸式感受方式(如光學(xué)式、電容式和氣動(dòng)式)。直接引入式多應(yīng)用于對(duì)于熱工量和電學(xué)量的感受。3）按傳感器轉(zhuǎn)換放大原理的不同 可選擇機(jī)械式（如杠桿式、杠桿齒輪式放大機(jī)構(gòu)等） 光學(xué)式（如顯微式、投影式放大成像原理等） 光電式（如自準(zhǔn)直法、干涉法放大原理等） 電學(xué)式（如電感法、電容法放大原理等） 氣動(dòng)式五種。 根據(jù)上述

35、選擇依據(jù)，即可確定傳感器的類(lèi)型，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中還要進(jìn)一步考慮應(yīng)用要求方面的特殊性，如： 滿足某些極限測(cè)量情況的要求，還要考慮測(cè)量條件的要求， 如熱軋鋼直徑的在線測(cè)量及浮法玻璃厚度的在線測(cè)量，測(cè)量的環(huán)境溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了測(cè)量傳感器的允許范圍。 所謂浮法玻璃生產(chǎn)工藝指的是當(dāng)熔融玻璃液漂浮在650錫槽內(nèi)的金屬錫液面上時(shí)，在重力、表面張力、粘度和拉引力的共同作用下，逐漸完成攤平、拋光、定型、并使玻璃帶具有平衡厚度值?？梢?jiàn)玻璃厚度的在線測(cè)量要將測(cè)厚傳感器置于650的錫槽上方，該處溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了測(cè)量傳感器所允許的溫度極限。 因此，多采用基于激光三角法和圖像處理的計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)CCD攝像機(jī)采集玻

36、璃厚度圖像并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。為達(dá)到之一目的，測(cè)量頭要用循環(huán)冷卻水和氮?dú)鈿饫浔Ｗo(hù)。 滿足現(xiàn)代測(cè)控儀器的高速檢測(cè)效率要求，為了提高效率，顯然首先要確定選擇非接觸式、光電感受方式來(lái)滿足動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)要求。如各種手機(jī)的固緊螺釘，直徑和長(zhǎng)度只有23mm，但要檢查螺桿是否彎曲、螺桿上是否有涂料、螺帽的內(nèi)六方孔是否標(biāo)準(zhǔn)等三項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)這樣的檢驗(yàn)分選儀器，目前可選用內(nèi)嵌高速RISC(Reduced Instruction Set Computing)內(nèi)核的FPGA（Field Programmable Gate Array- a programmable integrated circuit）作為主處理芯片的

37、新一代攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)了快速圖像法視覺(jué)檢測(cè)，達(dá)到了一臺(tái)儀器設(shè)備每秒檢測(cè)5個(gè)螺釘，實(shí)現(xiàn)了一定的生產(chǎn)利潤(rùn)。 滿足對(duì)納米精度和分辨力的測(cè)量要求，要首選激光干涉外差測(cè)量?jī)x；對(duì)超大量程或多維參數(shù)的測(cè)量，傳感器的選擇和設(shè)計(jì)都有許多關(guān)鍵技術(shù)需要考慮。關(guān)于這些方面的設(shè)計(jì)已有許多成熟的實(shí)例，可參閱有關(guān)書(shū)籍。常用傳感器的類(lèi)型、特性及使用范圍列于表3-1中。表3-1 常用傳感器的類(lèi)型、特性及使用范圍類(lèi)型示值范圍示值誤差對(duì)環(huán)境要求特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合機(jī)械式不同類(lèi)型，示值范圍不同 110 對(duì)環(huán)境要求不嚴(yán) 分位置檢測(cè)或數(shù)值檢測(cè)兩類(lèi)，接觸式測(cè)量方式，使用方便、耐用 位置檢測(cè)如三坐標(biāo)開(kāi)關(guān)測(cè)頭，數(shù)值檢測(cè)如各種測(cè)微儀及三坐標(biāo)測(cè)微測(cè)頭，廣

38、泛應(yīng)用于車(chē)間及溫控不嚴(yán)的實(shí)驗(yàn)室 光學(xué)式不同類(lèi)型，示值范圍不同 微米或亞微米數(shù)量級(jí) 對(duì)環(huán)境要求高 感受方式上有接觸式和非接觸式，功能上分位置檢測(cè)或數(shù)值檢測(cè)，性能穩(wěn)定，耐用 位置檢測(cè)如萬(wàn)工顯的光學(xué)靈敏測(cè)頭，數(shù)值檢測(cè)如各種光學(xué)測(cè)微儀，廣泛應(yīng)用于計(jì)量室或計(jì)量站 電感、互感式（0.00130）0.1mm范圍內(nèi)為（0.050.5） 對(duì)環(huán)境要求一般，抗干擾能力較好，要求有密封結(jié)構(gòu)以防灰塵和油污接觸式測(cè)量，使用方便，信號(hào)可進(jìn)行各種運(yùn)算處理，或直接進(jìn)行數(shù)字顯示，或輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ) 作高精度測(cè)微儀及在自動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用電容式（0.0011） 0.1mm范圍內(nèi)為（0.050.5） 易受外界干擾，尤其對(duì)溫度變化敏感，要求有

39、密封結(jié)構(gòu)以防灰塵和油污非接觸式測(cè)量，頻率特性好，信號(hào)可進(jìn)行各種運(yùn)算處理，或直接進(jìn)行數(shù)字顯示，或輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ) 動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)用較多，測(cè)量效率高，可測(cè)帶磁工件或電纜芯偏心等特殊參數(shù)，多用于測(cè)量金屬或塑料簿膜厚度類(lèi)型示值范圍示值誤差對(duì)環(huán)境要求特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合電觸式0.21 （12） 對(duì)振動(dòng)較敏感，一般應(yīng)有密封結(jié)構(gòu)只能指示被測(cè)參數(shù)是否處于公差范圍內(nèi)，或是否達(dá)到某一定值；其結(jié)構(gòu)與電路簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快，測(cè)力大一般用于自動(dòng)分選與主動(dòng)測(cè)量中光電式不同類(lèi)型，示值范圍不同應(yīng)用情況不同，示值誤差不同 由于半導(dǎo)體激光的應(yīng)用及抗雜光干擾新技術(shù)的出現(xiàn)，改變了易受外界光影響的缺陷 精度高，適宜非接觸測(cè)量，反應(yīng)速度快，分位置檢測(cè)或

40、數(shù)值檢測(cè)兩類(lèi)；易于數(shù)字化或與計(jì)算機(jī)接口 CCD視覺(jué)檢測(cè)、CCD透射或反射外觀尺寸檢測(cè)等新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量、快速尺寸或表面瑕疵的檢測(cè) 氣動(dòng)式（0.020.25）0.04mm范圍內(nèi)為（0.21）對(duì)環(huán)境要求低，對(duì)清潔條件要求較高 便于實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，可進(jìn)行各種運(yùn)算；因氣體慣性，反應(yīng)速度慢；壓縮空氣要凈化 各種氣動(dòng)測(cè)微儀，各種尺寸及形狀的自動(dòng)測(cè)量，特別是內(nèi)孔、內(nèi)表面、軟材料工件等射線式0.005300 （1+10-2L）L-被測(cè)長(zhǎng)度（毫米） 受溫度影響大 非接觸測(cè)量 軋制板、帶及鍍層厚度的自動(dòng)測(cè)量 二、標(biāo)準(zhǔn)量及其細(xì)分（一）標(biāo)準(zhǔn)量的分類(lèi): 在采用絕對(duì)測(cè)量法中，標(biāo)準(zhǔn)量是作為儀器不可分割的一個(gè)組成部

41、分，例如萬(wàn)能工具顯微鏡中的標(biāo)準(zhǔn)尺，測(cè)力機(jī)中的砝碼等。 在采用相對(duì)測(cè)量法中，被測(cè)量是通過(guò)檢測(cè)儀器與標(biāo)準(zhǔn)量相比較，由檢測(cè)儀器讀出兩者的偏差值。雖然標(biāo)準(zhǔn)量不作為檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)組成部分，但這類(lèi)檢測(cè)儀器是經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量（例如量塊）的校準(zhǔn)，所以在相對(duì)測(cè)量中能夠準(zhǔn)確地指示出被測(cè)量的偏差值。 歸納起來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)量的作用有：用來(lái)與被測(cè)件進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)測(cè)量；用來(lái)校準(zhǔn)儀器的示值或檢定儀器的示值誤差。 （二）對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)量的其它概念,如量值、絕對(duì)碼與增量碼、實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)與自然標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)器的類(lèi)型及特點(diǎn)請(qǐng)參考常用的標(biāo)準(zhǔn)量的類(lèi)型、特性及使用范圍。見(jiàn)附表。表3-2 長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器的類(lèi)型、特性及使用范圍類(lèi)型原理量值個(gè)數(shù)計(jì)值方法精度特性及使用

42、范圍備注量塊端面研合單值絕對(duì)碼三等量塊： -被測(cè)長(zhǎng)度（米） 可用各種尺寸的量塊任意選配，用于比較儀作相對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)或作為儀器校準(zhǔn)用基準(zhǔn) 量塊尺寸與規(guī)格已標(biāo)準(zhǔn)化 線紋尺線紋分度與光學(xué)機(jī)械細(xì)分多值絕對(duì)碼一級(jí)精度線紋尺： -被測(cè)長(zhǎng)度（米） 與光學(xué)讀數(shù)頭配套使用，可采用光學(xué)機(jī)械細(xì)分法進(jìn)行細(xì)分，廣泛用于萬(wàn)能工具顯微鏡及光學(xué)測(cè)長(zhǎng)儀中 通?？虅濋g隔為 ； 有玻璃線紋尺和金屬線紋尺； 金屬尺線脹系數(shù)接近金屬工件，因而溫度對(duì)測(cè)量精度的影響較小 絲杠螺旋傳動(dòng)多值增量碼高精度型：（13）一般精度型：（310） 與步進(jìn)或伺服電機(jī)組合，可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)與自動(dòng)控制，用于一般計(jì)量?jī)x器及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 絲杠精度可按需要，在加工中提高；

43、精密絲杠常選用三角形牙型 激光干涉光波干涉多值增量碼雙頻激光干涉儀在波長(zhǎng)穩(wěn)定性為 時(shí)，測(cè)量范圍1050m，準(zhǔn)確度可達(dá)1 高精度、高分辨力，大的測(cè)量范圍，對(duì)環(huán)境要求高，造價(jià)高，可用于計(jì)量室進(jìn)行精密測(cè)量或作為檢定用基準(zhǔn)，也可應(yīng)用于車(chē)間條件，作大量程精密測(cè)量 激光具有單色性好、亮度高、方向性好、波長(zhǎng)穩(wěn)定及相干長(zhǎng)度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)量；對(duì)空氣折射率進(jìn)行修正，還可提高其測(cè)量精度 類(lèi)型原理量值個(gè)數(shù)計(jì)值方法精度特性及使用范圍備注角度量塊端面研合單值絕對(duì)碼根據(jù)需要任意選配，可用于絕對(duì)或相對(duì)測(cè)量中量塊的尺寸和規(guī)格已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 多面棱體角度樣塊多值絕對(duì)碼（15） 棱體的角度經(jīng)加工和檢定達(dá)到規(guī)定的精度，可用來(lái)

44、檢定精密測(cè)角儀或?qū)嵌染幋a器進(jìn)行角度標(biāo)定 棱體可分為4、6、8、10、12、14、36、72面等多種，棱體反射面基體材料為金屬和玻璃兩種；亦可制出奇數(shù)面棱體 度盤(pán)線紋分度與光學(xué)機(jī)械細(xì)分多值絕對(duì)碼高精度：（110）一般精度：（1020） 與光學(xué)讀數(shù)頭配套使用，可采用光學(xué)機(jī)械細(xì)分法進(jìn)行細(xì)分，廣泛用于測(cè)角儀器中 度盤(pán)直徑一般在 之間；刻度間隔值為 或 ；度盤(pán)刻線應(yīng)與主軸同心 多齒分度盤(pán)多齒平均效應(yīng)多值增量碼（0.10.25） 它可配置小角度測(cè)量?jī)x進(jìn)行細(xì)分，用于檢定精密測(cè)角儀 多齒分度盤(pán)的牙數(shù)一般為1440個(gè)，故每齒間隔值為 ；為了獲得更小的分度值，可設(shè)計(jì)成差動(dòng)式多齒分度盤(pán) 表3-3 常用的角度標(biāo)準(zhǔn)器

45、的類(lèi)型、特性及使用范圍（三）標(biāo)準(zhǔn)量的細(xì)分 為了獲得適當(dāng)大小的分度值和提高儀器的分辨力，常需要將標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行細(xì)分。細(xì)分的方法與所采用的標(biāo)準(zhǔn)量類(lèi)型密切相關(guān)，可分為機(jī)械細(xì)分法與光電細(xì)分法兩大類(lèi)。 1.機(jī)械細(xì)分法 其基本原理是：當(dāng)主標(biāo)尺的刻線像沒(méi)有正好對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)指標(biāo)時(shí)，通過(guò)微動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)主標(biāo)尺刻線像或讀數(shù)指標(biāo)線，使它們對(duì)準(zhǔn)，然后由微動(dòng)機(jī)構(gòu)讀出尾數(shù)部分。只要微動(dòng)機(jī)構(gòu)具有足夠的準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)很高的細(xì)分?jǐn)?shù)。其缺點(diǎn)是: 需經(jīng)微動(dòng)對(duì)零，比較麻煩。典型的微動(dòng)對(duì)零法有兩種形式：第一種為測(cè)微螺桿式、阿基米德螺旋線式和楔塊移動(dòng)式所代表的讀數(shù)指標(biāo)移動(dòng)式；第二為轉(zhuǎn)動(dòng)平板玻璃式、移動(dòng)光楔式和移動(dòng)補(bǔ)償透鏡式所代表的主標(biāo)尺刻線像移動(dòng)

46、式。 機(jī)械細(xì)分法的具體原理和設(shè)計(jì)可以參考有關(guān)書(shū)籍。2.光電細(xì)分法光學(xué)倍程法 如圖334所示，光束1射到可動(dòng)角隅棱鏡的A點(diǎn)，經(jīng)反射至B點(diǎn)后沿2線射到固定角隅棱鏡的C點(diǎn)，經(jīng)反射到D點(diǎn)后又沿3線射回棱鏡的E點(diǎn)，經(jīng)F、G、H、I、J最后沿6線返回。這樣當(dāng)可動(dòng)角隅棱鏡移動(dòng) ，光程改變6 。干涉條紋變化一個(gè)周期，對(duì)應(yīng)于可動(dòng)棱鏡移動(dòng)/6，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了六細(xì)分。又如在影像式光柵系統(tǒng)中，主光柵與它自身像形成莫爾條紋，主光柵向前移動(dòng)，光柵像向后移動(dòng)。這樣，主光柵移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋變化兩個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)二細(xì)分。圖334 光學(xué)倍乘法原理三、數(shù)據(jù)處理與顯示裝置的選?。ㄒ唬?shù)據(jù)處理系統(tǒng)的功能、類(lèi)型及其選擇方法 數(shù)據(jù)處

47、理系統(tǒng)的功能: 1）進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理。一些過(guò)去被認(rèn)為數(shù)據(jù)處理十分繁瑣的測(cè)量項(xiàng)目，利用計(jì)算機(jī)可在極短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)的完成。 2）擴(kuò)大了儀器的使用范圍，提高了儀器的通用性。例如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，由于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以用坐標(biāo)測(cè)量法測(cè)得各種型面、箱體、齒輪和形位誤差等。 3）提高了儀器的測(cè)量精度。利用數(shù)據(jù)處理裝置可對(duì)預(yù)先測(cè)得的標(biāo)尺誤差、導(dǎo)軌直線度及測(cè)量環(huán)境條件等引起的誤差進(jìn)行修正。 4）實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化，可方便地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制和程序控制。 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的類(lèi)型: 1）模擬式: 應(yīng)用于簡(jiǎn)單的求和、求差電路到輪廓儀中的算術(shù)平均偏差Ra計(jì)算電路、周節(jié)儀中周節(jié)累積誤差計(jì)算電路等。但運(yùn)算速度較慢，測(cè)量數(shù)據(jù)不

48、易長(zhǎng)期儲(chǔ)存。（二）顯示系統(tǒng)的功能、類(lèi)型及選擇方法顯示系統(tǒng)的功能： 顯示測(cè)量結(jié)果，還可將測(cè)量結(jié)果去控制加工過(guò)程。顯示系統(tǒng)的類(lèi)型：指示式、記錄式、數(shù)字顯示和打印式等。 1指示式顯示部件 采用計(jì)數(shù)指標(biāo)或指針在標(biāo)尺上或光電器件陣列上指示被測(cè)位移變化或連續(xù)變化的模擬量。如，霓虹電光柱、發(fā)光二極管列陣（LED光柱）及液晶條圖顯示器（LCD）等。 它直觀性強(qiáng)，指示清晰。 2）數(shù)字式: 以邏輯代數(shù)為基礎(chǔ)的電路運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)。通用電子計(jì)算機(jī)和單片機(jī)做計(jì)算裝置有更多的優(yōu)越性， 它們具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便、價(jià)格便宜、運(yùn)算速度快、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其性能完全能滿足一般測(cè)量任務(wù)的需要。選用時(shí)應(yīng)視具體情況而定。 為了畫(huà)出被測(cè)參數(shù) 隨自變量 變化的曲線 ，可以采取三種方案。1）長(zhǎng)記錄器，又稱(chēng)直角坐標(biāo)記錄器，見(jiàn)圖3-35。2）圓記錄器，又稱(chēng)極坐標(biāo)記錄器