測控儀器設(shè)計課件

測控儀器的電路系統(tǒng)設(shè)汁第一節(jié)電路系統(tǒng)的組成、要求和設(shè)計準則

一、電路系統(tǒng)的作用及其組成1.測量電路

資訊流的輸入通道，由資訊處理電路和電源組成作用：將感測器輸出的測量信號進行放大、濾波、細分、選通、變換和阻抗匹配等。2.控制電路資訊流的輸出通道，由控制電路、和電源組成。作用：根據(jù)中央處理系統(tǒng)發(fā)出的命令，對被控參數(shù)實行控制。3.中央處理系統(tǒng)是資訊處理單元，整個電路系統(tǒng)的中心，整個測控儀器的核心。作用：對測量電路系統(tǒng)送來的信號進行運算、處理、顯示、存儲、列印等，然後按照儀器的功能要求，向控制電路系統(tǒng)發(fā)出控制命令，並通過控制電路和執(zhí)行器對被控參數(shù)實行控制二、對測控電路的一般要求1.抗干擾能力2.穩(wěn)定性3.頻率特性和回應速度4.量程和解析度5.輸入與輸出阻抗三、電路系統(tǒng)的設(shè)計準則（一）匯流排化準則1.內(nèi)部匯流排：系統(tǒng)內(nèi)部連接晶片與晶片、晶片與微處理器的元件級匯流排。LocalBus從功能上分為：數(shù)據(jù)匯流排、地址匯流排、控制匯流排2.系統(tǒng)匯流排：用於連接範本與範本的板級匯流排ISA:工業(yè)標準匯流排，支持8位和16位數(shù)據(jù)並行傳輸PCI：高性能系統(tǒng)匯流排，支持多個週邊設(shè)備

AGP：為CPU與圖形控制器之間提供一條高速數(shù)據(jù)通道。3.外部匯流排：用於連接系統(tǒng)與系統(tǒng)之間交換資訊與數(shù)據(jù)的通信匯流排。分為並行和串行GP-IB:RS-232C:VXI匯流排：允許用戶將不同廠家的模組用與同一個系統(tǒng)的機箱內(nèi)，儀器的功能主要有軟體決定。（二）模組化準則將整個電路系統(tǒng)分割成幾個功能相互獨立，而又相互聯(lián)繫的模組。（三）可靠性準則兩條途徑：元器件本身可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性第二節(jié)電路系統(tǒng)的精度1.信噪比2.量化誤差減小量化誤差方法3.非線性誤差

非線性誤差對儀器產(chǎn)生的影響4.溫度漂移

減小溫漂措施：5.頻率特性與回應速度第三節(jié)中央處理系統(tǒng)的設(shè)計一、以電腦為核心的中央處理系統(tǒng)（一）特點與功能（1）自動對零（2）量程自動切換（3）多點快速測控（4）數(shù)字濾波（5）自動修正誤差（6）數(shù)據(jù)處理（7）複雜控制規(guī)律（8）多媒體功能（9）通信與網(wǎng)路功能（10）自我診斷功能（二）中央系統(tǒng)組成主機電路、輸入輸出介面電路組成輸入介面電路作用：輸出介面作用：主機電路作用：二、基於微處理器的主機電路（一）單片機特點與功能單片機的選用1.對不同單片機的性能進行比較2．必須具備配套的開發(fā)系統(tǒng)3．選擇市場上的主流產(chǎn)品MCS-51單片機外部引腳1.電源及時鐘引腳

Vcc,Vss,XTAL1,XTAL22.控制引腳

REST,,ALE,3.輸入輸出引腳

P0,P1,P2,P3MCS-51單片機內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)程式記憶體EPROM的擴展方法

擴展一片EPROM擴展兩片EPROMLED顯示器結(jié)構(gòu)LED顯示器的控制方式靜態(tài)顯示：就是當顯示器顯示某一個字元時，相應的發(fā)光二極體恒定的導通或截止。動態(tài)顯示，就是用掃描的方法一位一位輪流點亮顯示器的各個位。六位動態(tài)顯示器介面鍵盤介面鍵盤工作原理

鍵閉合斷開過程行線電壓波形單片機對非編碼鍵盤的掃描方式1．程式控制掃描方式2．定時掃描方式3．中斷掃描方式MCS－51單片機與鍵盤/顯示器介面印表機介面

基於微型電腦的主機電路1.內(nèi)插式特點：構(gòu)成簡便，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低但靈活性差注意事項：匯流排形式和電源容量2.外接式特點：方便靈活，適用於多通道、高速數(shù)據(jù)採集3.組合式模數(shù)轉(zhuǎn)化電路（一）A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標1．解析度對DAC來說，解析度反映了能夠分辨出來的輸出模擬電壓的最小變化量。而對於ADC來說，解析度表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)據(jù)碼所需輸入模擬電壓的變化量，反映了ADC此對輸入模擬信號最小變化的分辨能力。轉(zhuǎn)換器的解析度定義為滿刻度電壓與2n之間比值，其中n為ADC或DAC的位數(shù)。2．量化誤差：量化誤差是由ADC的有限解析度而引起的誤差。在不計其他誤差的情況下，一個解析度有限ADC的階梯狀轉(zhuǎn)移持性曲線與具有無限解析度的ADC轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差，稱之為量化誤差。3.精度絕對精度：在一個轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應的實際模擬電壓與其理想的電壓值之差並非是一個常數(shù)，把這個差的最大值定義為絕對精度。對於ADC而言．可以在每一個階梯的水準中心點進行測量，它包括所有的誤差，也包括量化誤差。對於DAC而言，絕對精度描述了整個工作區(qū)間實際輸出電壓與理想輸出電壓之間的最大偏差。相對精度:它與絕對精度相似，所不同的是把這個最大偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分數(shù)，或者用二進位分數(shù)來表示相對應的數(shù)字量.它通常本包括能被用戶消除的刻度誤差。4.轉(zhuǎn)換時間5.電源穩(wěn)定度（二）A/D轉(zhuǎn)換器介面電路設(shè)計(ADC0809為例)ADC0809引腳及功能28腳雙列直插式封裝ADC0809與MCS51介面1.程式查詢法2.定時採樣法3.中斷法五、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路1.位數(shù)確定2.輸出介面設(shè)計3.轉(zhuǎn)換器的調(diào)整4.時鐘匹配5.參考電壓確定6.輸入介面設(shè)計DAC0832與8031介面六路振動設(shè)備

狀態(tài)監(jiān)測與故障預警儀系統(tǒng)的主要技術(shù)指標及功能(1)儀器處理精度：誤差<0.01％(2)頻率解析度：20Hz(3)頻率範圍：0.1—5kHz(4)溫度範圍：0—50C(5)動態(tài)工作範圍：0.01—80g(6)預、報警限可自動生成(7)有良好的人機介面並可有選擇地輸出某路資訊(8)系統(tǒng)與現(xiàn)場實現(xiàn)完全隔離，具有掉電保護功能。方案論證(1)通過對大量數(shù)據(jù)的頻譜分析及頻率點比較，給正“正?！?、“預警”、“報警”指示；應用FFT演算法以提高數(shù)據(jù)處理的速度。(2)採用6路信號的巡迴檢測。(3)選用測試振動信號的典型器件——壓電加速度感測器，完成對弱振動信號的拾取，並用電荷放大器將振動信號轉(zhuǎn)換為－10—＋10v的電壓信號，以備單片機採集。(4)採用軟硬體抗干擾技術(shù)，以保證整個系統(tǒng)的可靠運行。(5)採用軟面板技術(shù)，使人機介面友好，便於操作。

(6)系統(tǒng)軟硬體採用模組化設(shè)計思想，以提高系統(tǒng)的可維護性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖硬體設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)採用8031晶片，並根據(jù)程式量和數(shù)據(jù)量的大小分別擴展32kB的程式記憶體EPROM27256和32KB的數(shù)據(jù)記憶體62256。由於系統(tǒng)的複雜性，9擴展的晶片較多、考慮列8031的P0口最多可負載8個TTL電路，P2口可負載4個TTL電路，所以8031的匯流排負載過重．因而在Po口擴展雙向數(shù)據(jù)匯流排驅(qū)動器74LS245。J4—2所示。另外，系統(tǒng)採用了12MHz晶振作為時鐘電路，以滿足數(shù)據(jù)採集及處理週期的時間要求，並應用電平式開關(guān)複位電路。數(shù)據(jù)採集介面電路設(shè)計本系統(tǒng)採用CD4051晶片作多路模擬開關(guān)和AD1674作模數(shù)轉(zhuǎn)換器來進行數(shù)據(jù)採集。鍵盤、顯示介面電路設(shè)計鍵盤、顯示器是單片機應用系統(tǒng)的重要組成部分，本系統(tǒng)中基線值的設(shè)定、路數(shù)的顯示以及對相應路數(shù)據(jù)的列印都要通過鍵盤、顯示器來實現(xiàn)，設(shè)計中利用專用鍵盤、顯示器接用介面晶片8279實現(xiàn)鍵盤、顯示器與8031介面電路。選樣6位8段數(shù)碼管LED和3×4鍵盤。列印輸出介面電路設(shè)計報警介面電路設(shè)計軟體設(shè)計(1)開機自檢流程(2)系統(tǒng)設(shè)定軟體流程(3)數(shù)據(jù)採集存儲流程(4)數(shù)據(jù)處理流程

(5)顯示列印流程可靠性設(shè)計本系統(tǒng)採用了抗干擾的可靠性設(shè)計，設(shè)置電源電壓監(jiān)視器和看門狗“WatchDog電路；掉電保護電路與外部RAM相連，當電源掉電時，可防止數(shù)據(jù)丟失；WatchDog使系統(tǒng)在外界干擾下保證正常複位，避免程式跑飛。第四節(jié)電路系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)一、干擾源1.來自信號通道的干擾2.來自電源的干擾3.來自空間輻射干擾二、干擾的耦合方式1.靜電耦合原因：存在寄生電容2.電磁耦合原因：兩個電路存在互感3.共阻抗耦合原因：兩個電路的電路流經(jīng)一個公共阻抗4.漏電流耦合原因：絕緣不良三、干擾的形態(tài)1.差模干擾2.共模干擾相對於公共的電位基準點。在系統(tǒng)的接收電路的兩個輸入端上同時出現(xiàn)的干擾。四、不同干擾的抑制措施（一）信號通道干擾的抑制措施1.在開關(guān)量信號通道中採用光電耦合器件隔離電路特點當開關(guān)量用於控制大負荷設(shè)備時，採用繼電器隔離輸出2.模擬量信號通道中干擾的抑制措施（二）電源系統(tǒng)的抗干擾措施在低通濾波器與交流穩(wěn)壓器之間設(shè)置一個電源低通濾波器（三）空間干擾的抑制措施採用遮罩的方法：靜電遮罩、電磁遮罩、磁遮罩遮罩的結(jié)構(gòu)形式選取遮罩材料注意事項五、接地技術(shù)（一）測控儀器的接地系統(tǒng)三條地線：低電平信號地線、高功率雜訊地線、金屬件地線，通過一點接地。（二）測控儀器的浮地系統(tǒng)儀器的地線系統(tǒng)和大地之間沒有歐姆連接，以浮地作為電平基準，即參考電平。優(yōu)點：不受大地電流的影響缺點：安全性差。（三）測控儀器的接地方式一點接地和多點接地注意：所有導線有一定阻抗，兩個分開的接地點難以做到等電位。1.一點接地串連式一點接地特點：電路簡單，容易相互干擾。並聯(lián)式一點接地特點：防止低頻雜訊，不適何高頻場合。2.多點接地高頻場合縮短地線長度3.電路的單地原則4.電纜遮罩層的接地位置不同，其效果也不一樣六、其他抗干擾措施1.平衡技術(shù)2.隔離技術(shù)3.取耦與濾波技術(shù)4.電路的合理佈置第五節(jié)電路系統(tǒng)的可靠性與故障診斷一、電路系統(tǒng)的可靠性（一）元件失效元件失效規(guī)律結(jié)論：元件的失效形式：（二）設(shè)計不當1.注意元器件的電器性能：能承受的電壓、電流、功率2.考慮環(huán)節(jié)條件對硬體參數(shù)的影響：溫度、干擾、空氣3.組裝工藝二、提高硬體可靠性的一般方法1.電路設(shè)計2.元器件選擇3.抗干擾措施4.結(jié)構(gòu)設(shè)計5.冗餘設(shè)計三、故障診斷技術(shù)故障診斷步驟有效方法：自檢

測控儀器光電系統(tǒng)設(shè)計光電系統(tǒng)的特點：（1）非接觸測量（2）精度高（3）資訊處理能力強第一節(jié)光電探測器的選用一、光電探測器的種類作用：把光資訊(能量)直接轉(zhuǎn)換成電信息(能量)。工作原理是基於材料的光電效應。（一）光電發(fā)射器件光電子發(fā)射效應以頻率的光照射到固體表面，逸出表面的光電子最大動能：外光電效應光電探測器的光譜回應表現(xiàn)出選擇性的物理基礎(chǔ)：典型光電子發(fā)射器件為光電管和光電倍增管光電管：真空光電管和充氣光電管光電管特點：光電倍增管是由光電陰極、電子倍增器和光電子收集器組成的真空光電管。光電倍增管特點：（二）光電導器件光電導效應：光敏電阻：光譜回應範圍寬，工作電流大，光強動態(tài)範圍大，靈敏度高，無極性之分，使用方便。（三）光生伏特器件光生伏特效應光伏器件：光電池、光電二極體光電電晶體等。矽光伏器件特點：特殊結(jié)構(gòu)的光伏器件（1）陣列式光電器件（2）象限式光電器件（3）光電位置探測器（四）電荷耦合器件CCD特點：應用：二、光電探測器的性能參數(shù)（一）回應度：每單位輸入所對應的輸出（二）光譜回應度：對不同波長的回應度（三）雜訊等效功率(NEP)：當信噪比等於1時的入射輻射功率（四）探測度：NEP的倒數(shù)定義為探測度（五）時間回應特性：表徵探測器對變化信號回應快慢的能力（1）馳豫時間（2）幅頻特性三、光探測器的雜訊（一）熱雜訊：在沒有電流偏置的情況下．由於自由載流子在電阻材料中的隨機運動而造成的基本雜訊

室溫下熱雜訊的有效帶寬為0.28GHz,表明熱雜訊與頻率無關(guān)，因此稱之為”白”雜訊。對於給定的樣品來說，雜訊和溫度有關(guān)。（二）產(chǎn)生——複合雜訊在光導器件中，由於載流子密度起伏造成的雜訊。產(chǎn)生——複合雜訊是在光和熱的作用下．半導體內(nèi)的自由載流子的發(fā)生和複合的起伏引起了平均載流子濃度的變化所致。宏觀效果是電阻發(fā)生變化引起雜訊。（三）散粒雜訊在結(jié)型器件中發(fā)現(xiàn)的雜訊源，是因隨機的熱運動而產(chǎn)生的。四、光電探測器選用原則（一）探測器與光源相匹配（二）探測極限（三）回應時間（四）線性（五）最大額定值第二節(jié)光電探測器的偏置電路一、光電探測器的偏置方式（一）自生偏置或零偏置：無需外加偏置電源（二）外加偏置：外加電場二、幾種常用的偏置電路（一）一般直流偏置電路適用於光電導探測器（二）匹配偏置電路偏置電阻等於探測器內(nèi)阻（三）恒流偏置電路偏置電阻遠大於探測器內(nèi)阻（四）恒壓偏置電路偏置電阻遠小於探測器內(nèi)阻（五）反偏偏置電路1.光電二極體不加外加電壓2.光電二極體加外加電壓

且第三節(jié)光輻射的調(diào)製概念光波調(diào)製光調(diào)製分類：光調(diào)製分為電光調(diào)製、磁光調(diào)製、聲光調(diào)製、光學和機械調(diào)製等。一、電光調(diào)製（一）電光效應雙折射現(xiàn)象和基本規(guī)律

取一塊冰洲石，放在一張有字的紙上，我們將看到雙重的像(左方)．平常我們把一決厚玻璃磚放在字紙上，我們只看到一個像(右方)，這個像好象比實際的物體浮起了一點，這是因為光的折射引起的，折射率越大，像浮起來的高度越大．我們可以看到，在冰洲石內(nèi)的兩個浮起的高度是不同的，這表明，光在這種晶體內(nèi)成了兩束，它們的折射程度不同．這種現(xiàn)象叫做雙折射．自然光與偏振光線偏振光：當光波只存在單一振動方向時.振動面：線偏振光中電向量振動方向與傳播方向構(gòu)成的平面。部分偏振光：偏振度：1.克爾效應：各向同性的透明體，在外加電場的作用下變成雙折射了，介質(zhì)具有單軸晶體的特性，其光軸對應於所加電場方向。2．泡克耳效應：將折射率的變化與外加電場成正比的效應稱為泡克耳效應，或線性電光效應。光電效應的應用：1.光強調(diào)制2.光開關(guān)二、磁光調(diào)製

(一)磁光效應一些非旋光物質(zhì)、在強磁場作用下變成具有旋光特性的物質(zhì)、這種現(xiàn)象稱為磁光效應。旋光：一束線偏振光通過某些物質(zhì)時，其振動面隨著在該物質(zhì)中傳播距離增大而逐漸旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為旋光。當線偏振光沿石英晶片的光軸方向通過時，出射光仍為線偏振光，但其振動面相對於入射時的振動面旋轉(zhuǎn)了一個角度。1．法拉第效應在磁場的作用下，不具有光性的物質(zhì)產(chǎn)生了光性．即能使光向量發(fā)生旋轉(zhuǎn)、這種現(xiàn)象稱為磁致旋轉(zhuǎn)效應或法拉第效應。磁致旋光的方向與磁場方向有關(guān)，與光的傳播方向無關(guān)?？衫枚啻畏瓷鋪砑訌姶殴庑D(zhuǎn)效應。2．康頓一莫頓效應（二）磁光效應的應用1.磁光隔離器（2）磁光調(diào)製器根據(jù)磁致旋光角隨磁場大小變化而變化，因而從磁光物質(zhì)射出的線偏振光的振動面與檢偏器P2透光軸夾角隨磁場大小的變化而變化。透出P2的光強與有關(guān)。這樣通過改變線圈電流的大?。ǜ淖兇艌觯?，可以調(diào)製從P2輸出的光強。三、聲光調(diào)製光彈現(xiàn)象聲光效應：當光波射入聲光介質(zhì)時發(fā)生衍射現(xiàn)象，改變聲波的領(lǐng)率和振幅、便可控制衍射光的頻率、強度或偏振態(tài)．這就是聲光效應。喇曼——奈斯光譜光束平行於聲波波振面布拉格衍射光束斜入射時聲光調(diào)製器原理常用聲光材料四、其他類型光輻射調(diào)製第四節(jié)光學系統(tǒng)參數(shù)的確定（一）光源類型1.熱輻射光源（1）白熾燈（2）鹵素燈2.氣體放電光源3.固體發(fā)光光源

LED4．鐳射光源

鐳射特點：方向性好，單色性好，相干性好，亮度高雷射器分類：固體、氣體、染料、半導體雷射器（二）光源的選用時應考慮的問題1.光源的光譜能量分佈特性2.光度特性3.發(fā)光面的形狀、尺寸及光源的結(jié)構(gòu)4.其他因素第五節(jié)鐳射干涉儀的設(shè)計干涉測量特點：具有很高的靈敏度和精度。干涉：因波的疊加而引起強度的重新分佈產(chǎn)生干涉的必要條件（相干條件）：（1）頻率相同（2）存在相互平行的振動分量（3）相位差穩(wěn)定一、干涉儀的一般特性與設(shè)計要點1.組成：光源及照明系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、觀察接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)。2.光程差：是干涉儀兩支光路的幾何路程與相應的介質(zhì)折射率的乘積積之差。3.干涉儀的分類（1）按用途分類（2）按對波前分割的方式不同分類（3）按接受處理的方式不同分類4.干涉儀設(shè)計原則（1）共路原則（2）等光強原則（3）光電匹配原則（4）非期望光最小原則二、鐳射干涉測長儀設(shè)計（一）鐳射干涉測長的基本原理組成：（1）鐳射光源（2）干涉系統(tǒng)（3）干涉信號處理（4）瞄準系統(tǒng)干涉信號明暗變化次數(shù)與測量鏡位移的關(guān)係：干涉儀處於起始位置，干涉條紋數(shù)：測量時干涉條紋數(shù)變?yōu)椋焊缮鏃l紋經(jīng)m倍細分後，用計數(shù)器所計數(shù)N為：鐳射干涉測長儀基本公式用微分法求鐳射干涉測長的主要誤差1.計數(shù)誤差2.波長不穩(wěn)帶來的測量誤差3.空氣折射率改變帶來誤差4.環(huán)境變化造成初始光程差變化而產(chǎn)生的誤差鐳射干涉儀設(shè)計時要解決的幾個主要問題：（1）干涉儀佈局合理（2）採取穩(wěn)頻措施（3）空氣折射率修正方法（4）選擇合適的分辨力和提高細分精度採用簡單麥克爾遜干涉結(jié)構(gòu)存在的問題（1）對光源輸出產(chǎn)生影響（2）干涉信號的變化（3）方位的鑒別（二）實際鐳射干涉測長儀的光路設(shè)置採用角錐棱鏡作為反射鏡1.避免反射光束回饋回雷射器對光源產(chǎn)生的影響。2.保證出射光與入射光平行干涉系統(tǒng)的光路佈局（1）整體式反射鏡、分光鏡、雷射器密封於一體（2）最短程差式使在最大測量行程時，兩相干光束具有最短的相干長度（3）齊端式：參考鏡與測量鏡在開始測量時齊端使零點漂移誤差為零(4)光學倍程式：使測量光束在測量鏡內(nèi)多次往返(三)干涉信號的辨向與計數(shù)通過辨向計數(shù)電路把計數(shù)脈衝分為加減兩種脈衝，當測量鏡正向移動時產(chǎn)生的脈衝為加脈衝，而測量鏡反向移動時引起的脈衝為減脈衝。把這兩種脈衝送入可逆計數(shù)器，就可以得出測量鏡的真正位移量。（四）干涉信號的移相技術(shù)（1）機械移相技術(shù)將干涉參考臂上的固定反射鏡傾斜一定角度，產(chǎn)生位相偏移。容易引起誤差可採用狹縫移相法（2）翼形板移相（3）鍍移相膜法獲得穩(wěn)定的信號移相（4）利用偏振光的移相法（五）提高精度的措施1.遵守共路原則：儘量使測量光束與參考光束走近乎同一路徑。在結(jié)構(gòu)上把測量鏡與參考鏡安放在同一基座上。2.光波長的穩(wěn)定和修正波長不穩(wěn)定所引起的被測長度的相對誤差為：鐳射頻率的穩(wěn)定度與雷射器的腔長以及介質(zhì)折射率的穩(wěn)定度有關(guān)；此外，雷射器的輸出功率也隨腔長的變化呈週期性變化。因此對於精密測量中選用的激光器採用穩(wěn)頻措施。3.空氣折射率的修正空氣折射率變化與鐳射波長值變化之間的關(guān)係：4.光學退耦：為了消除回綬現(xiàn)象（1）光束分離法（2）偏振法5.非期望光線的抑制和消除1）減少干涉系統(tǒng)中光學零件的數(shù)量2）採用光楔，用立方棱鏡形成分光器3）放置針孔光闌4）光學元件清潔，提高光學材料品質(zhì)5）用偏振干涉的方法消除非期望光線6.正確選擇光電器件回應度、線性區(qū)、與光源光譜匹配、頻響特性。常用的光電元件有PIN管、光電二極體、光電池、光電倍增管。三、雙頻鐳射干涉儀概述目的：提高鐳射干涉儀抗干擾性特點：在干涉儀中引入一定頻率的載波分類：調(diào)頻型交流干涉儀調(diào)相型交流干涉儀雙頻鐳射干涉儀原理：測控儀器總體設(shè)計

總體設(shè)計：在進行儀器總體設(shè)計之前從總體角度出發(fā)，對儀器設(shè)計中的全局問題進行全面設(shè)想和規(guī)劃，要考慮的主要問題有：

1設(shè)計任務分析與創(chuàng)新點的構(gòu)思；

2測控儀器若干設(shè)計原則的考慮；

3測量儀器若干設(shè)計原理的討論；

4測控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計；

5測控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標的確定；

6測控儀器造型設(shè)計。

第一節(jié)設(shè)計任務分析與創(chuàng)新點的構(gòu)思一、設(shè)計任務分析瞭解被測控參數(shù)的特點瞭解測控對象特點瞭解儀器的功能要求瞭解儀器使用條件瞭解國內(nèi)外同類產(chǎn)品的類型、原理、技術(shù)水準和特點瞭解國內(nèi)外有關(guān)方面的加工工藝水準及關(guān)鍵元器件銷售情況二、創(chuàng)新點的構(gòu)思第二節(jié)測控儀器設(shè)計原則一、阿貝原則及擴展為使測量儀能給出正確測量結(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，就是說．被測零件的尺寸線和儀器中作為讀數(shù)用的基準線(刻線基準)應順序排成一條直線。因此．遵守阿貝原則的儀器．應符合右所示的安排。圖中儀器的標淮刻線尺與被測件的直徑共線。阿貝原則的意義1.用遊標卡尺測量工件的直徑由活動量爪傾斜所引起測量誤差2.用阿貝比長儀測量線紋尺刻線間隔阿貝誤差產(chǎn)生的原因：作直線運動的運動件（工作臺或滑塊）在運動過程中產(chǎn)生角運動造成的。阿貝誤差補償方法：動態(tài)跟蹤、定點補償（一）Eppenstein光學補償方法是一種通過結(jié)構(gòu)佈局隨機補償阿貝誤差的方法（二）鐳射兩座標測量儀中監(jiān)測導軌轉(zhuǎn)角與平移的光電補償方法：利用測得值校正導軌的運動方向（轉(zhuǎn)角、平移）以鐳射兩座標測量儀為例（三）以動態(tài)準直儀來檢測導軌擺角誤差的電學補償方法：利用測得偏差值直接修正測量結(jié)果（四）平直度測量過程中的阿貝誤差補償(五)遵守阿貝原則的傳動部件設(shè)計二、變形最小原則及減小變形影響的措施變形最小原則指的是：儘量進免在儀器工作過程中，因受力變化或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．並使之對儀器精度的影響最小。（一）減小力變形影響的技術(shù)措施以鐳射測長儀機底座變形的結(jié)構(gòu)佈局補償法和光電光波比長儀的結(jié)構(gòu)佈局說明減小力變形的方法（二）減小熱變形影響的技術(shù)措施1.恒溫條件2.材料選擇3.溫度補償方法4.即時補償法三、測量鏈最短原則四、坐標系基準統(tǒng)一原則五、精度匹配原則六、經(jīng)濟原則第三節(jié)測控儀器設(shè)計原理一、平均讀數(shù)原理：利用多次讀數(shù)取其平均值，提高讀數(shù)精度在消除軸系晃動、度盤安裝偏心及度盤刻劃誤差等對讀數(shù)精度的影響方面具有良好效果。二、比較測量原理三、補償原理第四節(jié)測控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計一、信號轉(zhuǎn)換與傳輸原理的選擇1.轉(zhuǎn)換功能不同2.對原始信號感受方式不同3.轉(zhuǎn)換放電原理不同二、標準量及其細分方法的選用（一）標準量的分類及作用（二）幾何量標準器的類型及特點（三）標準量的細分方法1.光學機械細分法

1）直讀法2）微動對零法2.光電細分法1）光學倍程法2）電氣細分法三、數(shù)據(jù)處理與顯示裝置的選取（一）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的功能、類型及其選擇方法1）快速數(shù)據(jù)處理2）擴大儀器使用範圍3）提高儀器測量精度4）實現(xiàn)測量過程自動化分為模擬式和數(shù)字式兩類（二）顯示系統(tǒng)的功能、類型及選擇方法1.指示式顯示部件2.記錄式顯示部件3.數(shù)字式顯示部件4.列印式顯示部件5.其他顯示部件四、運動方式與控制方式

精密機械系統(tǒng)的設(shè)計測控儀器中，精密機械系統(tǒng)的設(shè)計起著十分重要的作用：對儀器各部分起支撐作用，保證完成各種複雜的測量工作，以獲取被測量的各種資訊，對保證測量精度，定位精度和運動精度起著關(guān)鍵作用。對精密機械系統(tǒng)的精度要求：（包括基座、支撐件、導軌、測量頭架、尾架、司服機械和讀數(shù)機構(gòu)）基座變形控制在亞微米量級；工作臺的定位傳動精度要求達到0.1um導軌的直線度要求達到0.1um/m主軸的回轉(zhuǎn)精度要求達到0.01um功能要求：對運動部分進行即時監(jiān)測和控制，對點、線和空間曲面進行檢測、自動採集和處理數(shù)據(jù)。為了達到上述要求，不僅要提高機構(gòu)本身的精度和功能，必須與電腦、光學電氣、液壓等技術(shù)相結(jié)合，達到高精度、高效率和多種功能的要求。本章重點：第一節(jié)儀器的支承件設(shè)計支承件包括基座、立柱、機櫃、機箱等。支承件作用：起支承、連接各種零部件的作用，還起確定零部件間相互位置的作用，以保證儀器的工作精度。支承件直接與被測件相連，是測量環(huán)節(jié)中的一部分，其力變形、溫度變形將直接影響測量精度。一、支承件的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要求1.特點（1）結(jié)構(gòu)尺寸大（2）結(jié)構(gòu)複雜2.設(shè)計要求（1）有足夠的剛度，力變形要小（2）穩(wěn)定性好，內(nèi)應力變形小

a.自然時效處理

b.人工時效處理（3）熱變形要小舉例說明：對於一個長度為L、高度為jH的矩形基座．當其上表面溫度高於下底而時會產(chǎn)生上凸下凹的形變．熱變形造成的誤差最大凹凸量可由下式求得：推出鑄件長度L=2000mm．高H＝500mm，溫差為1C時產(chǎn)生溫度變化的原因為減小熱變形可採用如下措施：(1)嚴格效制工作環(huán)境溫度(恒溫)(2)控制儀器內(nèi)的熱源(3)採取溫度補償措施（四）有良好的抗振性提高抗振性的方法1)在滿足剛性要求情況下，儘量減輕重量，以提高固有頻率，防止共振。2)合理地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計3)減小內(nèi)部振源的振動影響4)採用減振或隔振設(shè)計二、基座與立柱等支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(一)剛度設(shè)計剛度設(shè)計就是要使支承件具有足夠的靜剛度和動剛度，在滿足剛度要求情況下減輕重量、以減小重力變形和避免共振。（1）有限元分祈法：用電腦技術(shù)與有限元分析相結(jié)合，對支承件的剛度進行計算的方法。基本原理：（2）仿真分析法：模型仿真和電腦仿真相似準則可用微分方程法和量綱分析法確定以粱的彎曲變形模型試驗中相似判據(jù)的確定方法為例，來說明微分方程法在相似判據(jù)確定中的應用。

1.梁的彎曲變形方程為式中為沿彎曲撓度方向的座標；L為沿梁長度方向的座標；E為材料的彈性模量；I為梁的截面慣性矩；M為彎矩。

以下標1代表實物,下標2代表模型.則有2.確定相似係數(shù)、、M、E、I相似係數(shù)分別為、……..則……..

模型製作要考慮尺寸相似、材料及其彈性變形相似，以保證測量精度。做仿真試驗時，應考慮力學和動力學相似以及邊界條件相似，同時還要注意正確選擇測量儀器和測量方法，以保證必要測量精度。(二)基座與支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計重要性：(1)正確選樣截面形狀與外形結(jié)構(gòu)結(jié)論：1.空心截面的慣性矩比實心截面的慣性矩大，所以在相同截面積的情況下，可用減小壁厚，加大輪廓尺寸的方法，提高支承剛度。2.圓形空心截面能提高抗扭剛度，長方形空心截面對提高長邊方向的抗彎剛度效果明顯。3.不封閉形式的截面，抗扭剛度極差。支承件的外形面：一般有矩形、船形、圓形。(2)合理地選擇和佈置加強肋增加剛度肋：指連接兩壁的內(nèi)壁，形狀、位置應根據(jù)受力的大小方向而定合理地佈置加強肋可以有效地增大剛度，其效果比增加壁厚更明顯。加強肋有肋板和肋條兩種。精度要求較高的儀器其基座都佈置肋板以提局其剛度，減小變形量。肋條一般佈置在基座或支承件的局部，以便增加局部的剛度．肋板的佈置形式分為縱向、橫向和斜置肋1.縱向肋板：應佈置在彎曲平面內(nèi)，對提高抗彎剛度效果明顯。2.橫向肋板：構(gòu)件受扭時，橫向肋對提高抗扭剛度效果明顯。3.斜置肋板：可提高構(gòu)件的抗彎剛度和抗扭剛度。肋條一般佈置在基座或支承件的局部，以增加局部的剛度。肋的佈置形狀多種：如圖4－3所示。（3）正確的結(jié)構(gòu)佈局，減小力變形（4）良好的結(jié)構(gòu)工藝性，減小應力變形（5）合理選擇材料第二節(jié)儀器的導軌及設(shè)計一、導軌的功用與分類功能：傳遞精密直線運動，保證各運動部件的相對位置和相對運動精度以及承受載荷。導軌部件有運動導軌（動）和支承導軌（靜）組成。導軌種類：1）滑動摩擦導軌2）滾動導軌3）靜壓導軌4）彈性摩擦導軌二、導軌部件設(shè)計的基本要求（一）導向精度（精度指標）動導軌運動軌跡的準確性。對於直線運動導軌，導向精度指導軌沿給定方向做直線運動的準確程度。直線度是重要的精度指標，取決於導軌面的幾何精度及其他因素，其大小可以用線值或角度值表示。（1）導軌的幾何精度：包括導軌在垂直平面內(nèi)與水平面內(nèi)的直線度，導軌面間的平行度和導軌間的垂直度。（2)接觸精度在動導軌與靜導軌接觸部位，由於微觀的不平度，造成實際際接只是理論接觸面積的—部分，從而造以接觸變形，在導軌運行一段時間後，由於接觸變形和磨損而產(chǎn)生動導軌及滑架扭擺。減小導軌表面粗糙度值可以有效地提高接觸精度。(二)導軌運動的平穩(wěn)性爬行現(xiàn)象爬行現(xiàn)象影響工作臺運動的平穩(wěn)性和定位精度。爬行現(xiàn)象產(chǎn)生原因：1.導軌間動靜摩擦係數(shù)差值較大2.摩擦係數(shù)隨速度變化3.系統(tǒng)剛度差為了分析方便將帶有導軌、工作臺的機械傳動裝置簡化為力學模型。

實際上爬行是一個摩擦自激振問題，可作如下分析計算通過理論分析可求出不發(fā)生爬行的臨界速度為:式中（靜摩擦力與動摩擦力之差）結(jié)論：減小爬行應採取的措施(三)剛度要求定義：在外力的作用下導軌抵抗變形的能力。導軌受力變形的種類：1.自重變形：是作用在導軌面上的零部件重量造成的。例：三座標機橫樑導軌減小辦法：剛度設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計補償措施2.局部變形：發(fā)生在載荷集中的地方3.接觸變形：由於表面不平度造成接觸剛度壓強與變形之間是非線性關(guān)係減小接觸變形的方法：實際應用時，須取固定的（預加載荷的方法）（四）耐磨性要求導軌精度的磨損是儀器精度下降的主要原因之一，提高耐磨性是延長儀器壽命的重要途徑。採取的措施：1.降低導軌面的比壓（滑動摩擦導軌）比壓：導軌接觸面部分單位面積上承受載荷的大小。2.良好的防護與潤滑3.合理選擇導軌的材料及熱處理工藝固定導軌與運動導軌的硬度不同4.合理選擇加工方法

三、導軌設(shè)計應遵守的原理和準則導向?qū)к壥潜ＷC導向精度的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計時按兩個原理一個準則設(shè)計（一）運動學原理把導軌視為由確定運動的剛體，設(shè)計時不允許由多餘的自由度和多餘的約束，即只保留確定運動方向的自由度。剛體運動在空間有六個自由度：1.直線運動的導軌：限制5個自由度（3個轉(zhuǎn)動，2個移動）2.承重的支承導軌：符合三點定位的運動學原則，支承最穩(wěn)，但要保證運動件運動時重心應落在三個支承點構(gòu)承的三角形內(nèi)。若重心落在支承面以外，導軌上的工作臺會出現(xiàn)傾斜或傾倒。因此可採用四點支承－－過定位（採用提高加工精度，裝配精度解決）。（二）彈性平均效應原理把導軌和滾動體看成彈性體實例：空氣靜壓和液體靜壓導軌（三）導向?qū)к壟c壓緊導軌分立原則為保證導軌運動的直線性常用導軌的一面作為導向面，另一面為壓緊面，導向與壓緊分開，保證通過壓緊力使導向面可靠接觸。四、滑動摩擦導軌及設(shè)計使支承件和運動件直接接觸的導軌。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，製造容易，接觸剛度大缺點：摩擦阻力大，磨損快，動靜摩擦係數(shù)差別大，低速時，容易產(chǎn)生爬行。（一）截面形狀三角形、矩形、圓柱形、燕尾形（二）滑動摩擦導軌的組合形式及其特點考慮如何限制5個自由度及運動軌上有一定的承載力。常用的導軌組合(1)三角形和平面組合導軌平導軌摩擦力V形導軌摩擦力使兩邊力矩相等時所以結(jié)論：合力的位置與V形導軌半角有關(guān)。只有兩導軌均是平導軌合力位置才能在兩導軌之間，與W共線（2）雙三角形(V形)組合導軌（3）雙矩形組合導軌（4）燕尾組合導軌（5）雙圓柱導軌（三）導軌主要尺寸的確定包括寬度、V形導軌角度、兩導軌間距、運動件的導軌長度（1）導軌的寬度（2）V形導軌角度

為宜（3）兩導軌間距取?。?）運動件導軌的長度L長改善導向精度和工作穩(wěn)定性圖a圖b五、滾動摩擦導軌及設(shè)計滾動摩擦導軌是在兩導軌之間放人滾珠、滾柱、滾針等滾動體，使導軌運動處於滾動摩擦狀態(tài)。優(yōu)點：由於滾動摩擦阻力?。构ぷ髋_移動靈敏．低速移動時也不易產(chǎn)生爬行。工作臺起動和運行消耗的功率?。ㄖ改Σ涟l(fā)熱），滾動導軌磨損小，保持精度持久性好。缺點：這種導軌是點或線接觸．故抗振性差，接觸應力大。在設(shè)計這種導軌時，對導軌的直線度和滾動體的尺寸精度要求高。導軌對髒物比較敏感，要很好的防護，其結(jié)構(gòu)比滑動導軌複雜，製造困難．成本高。(一)滾動導軌的結(jié)構(gòu)形式及其特點1.滾珠導軌（1）雙V形滾珠導軌特點：運動靈敏度高，能承受不大的傾覆力矩V形角一般取90度。承載力較小。適用場合：為提高承載力，可將V形能導軌面做成小圓弧形。（b）（2）雙圓弧導軌為克服V形滾珠導軌承載力小，磨損快，設(shè)計出雙圓弧導軌。特點：導軌與滾珠接觸面積大，接觸點應力小，變形小，承載力強，壽命長。但摩擦力大，形狀複雜，製造困難，不易達到精度。（3）四圓柱棒滾道的滾珠導軌這種導軌由四根耐磨的圓柱棒和滾珠組成，滑板直線運動時，滾珠在圓柱棒間滾動。優(yōu)點：運動精度和運動靈活性比較高，維修方便。缺點：承載力小。（4）V形平面滾珠導軌特點：一邊導軌用V形，另一邊是平面，這樣既保證了確定運動，又沒有過定位。2.滾柱（針）導軌（1）V形滾柱導軌（用在重型儀器上）加工比較困難滾柱結(jié)構(gòu)有空心和實心空心滾柱的作用：滾針導軌：尺寸小於滾柱，結(jié)構(gòu)更緊湊，對導軌的局部缺陷更不敏感，適用於受載大，且結(jié)構(gòu)緊湊的儀器上。（2）平面滾動導軌：形狀簡單加工比較容易（3）滾動軸承導軌適用於大型儀器滾動軸承起滾動體作用，且本身就是一種導軌。可以安裝在運動件（工作臺）上，代替運動導軌，和安裝在支撐件上，代替靜導軌。特點：摩擦力矩小，運動靈活，承載能力大，調(diào)整方便。（二）滾動摩擦導軌的組合應用以上各類導軌各有特點，從承載能力和靈敏性看，滾珠導軌理論上為點接觸，承載能力小，但靈敏。滾柱（針）導軌為線接觸，承載能力大，但靈敏度稍差。滾動軸承導軌界於二者之間，但調(diào)整方便。故導軌設(shè)計時可根據(jù)儀器具體要求選擇其中一類，或不同種類組合應用。（1）滾動與滑動摩擦導軌的組合承載：平面滑動導軌導向：滾動軸承導軌（2）滾柱導軌與滾動軸承導軌的組合承載：滾柱（針）導向：滾動軸承導軌形狀簡單，加工容易（3）滾柱和滾珠導軌的組合輕載時：重載時：優(yōu)點：靈活運用了滾珠導軌運動的靈活性和滾柱導軌承載能力大的優(yōu)點。（4）滾柱與長圓柱軸導軌組合在輕載部件中使用（三）滾動導軌的結(jié)構(gòu)尺寸（1）運動導軌的長度（2）滾動體的尺寸和數(shù)量（3）強度與剛度計算1）接觸強度計算對於圓柱導軌：對於滾珠導軌：2）接觸剛度計算對於圓柱導軌：對於滾珠導軌：六、靜壓導軌及設(shè)計要點靜壓導軌特點：無爬行，不產(chǎn)生磨損，壽命長，驅(qū)動功率小，精度高，承載力大，剛度好，抗振性好。但結(jié)構(gòu)複雜，調(diào)整費事，成本高。（一）液體靜壓導軌工作過程：液體靜壓導軌在導軌上有油腔。當壓力油注入後，動導軌和工作臺浮起，在導軌面間形成一層非常薄的油膜，且油膜的厚度基本上保持恒定不變，使導軌具有高的運動精度。（二）空氣靜壓導軌空氣靜壓導軌導軌上有氣墊，當壓縮空氣引入後，由於壓縮空氣的靜壓力而使動導軌及工作臺浮起。第三節(jié)主軸系統(tǒng)及設(shè)計主軸系統(tǒng)是對象要有回轉(zhuǎn)運動的精密儀器或精密機械的關(guān)鍵部件。組成：由主軸、軸承及安裝在主軸上的傳動件或分度元件組成。作用：作精密旋轉(zhuǎn)運動，分度運動或進行精度分度。一、主軸系統(tǒng)設(shè)計的基本要求在一定載荷下具有一定的回轉(zhuǎn)精度，有一定的剛度和熱穩(wěn)定性。（一）主軸的回轉(zhuǎn)精度是主軸系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。主軸回轉(zhuǎn)精度高，是指該主軸軸系的誤差運動小。1）主軸回轉(zhuǎn)軸線是垂直於主軸截面且其回轉(zhuǎn)速度為零的那條線。它與主軸幾何中心(主軸截的圓心)不同。主軸回轉(zhuǎn)後才有主軸回轉(zhuǎn)軸心，它與幾何中心不一定重合。主軸的回轉(zhuǎn)精度決定於主軸、軸承等的製造和裝配精度。主軸回轉(zhuǎn)軸心在理想狀態(tài)下是不變的，無回轉(zhuǎn)誤差（把主軸實際回轉(zhuǎn)軸線對理想軸線位置的偏移量定義為主軸回轉(zhuǎn)誤差）但由於軸頸和軸承的加工和裝配誤差、溫度變化、潤滑劑的變化、磨損和彈性變形等因素的影響，使主軸在回轉(zhuǎn)過程中，其回轉(zhuǎn)軸心將與理想的軸線產(chǎn)生偏離，產(chǎn)生軸系的誤差運動。2）軸線平均線3）軸系的誤差運動：回轉(zhuǎn)軸線相對於軸線平均線的位置變化。分為徑向、軸向，傾角、端面運動誤差。習慣上，以回轉(zhuǎn)精度代替軸系的誤差運動值，來表達軸系精度。造成主軸回轉(zhuǎn)誤差的主要因素：加工尺寸誤差，形狀誤差，主軸和軸承的裝配誤差，剛度，潤滑與阻尼現(xiàn)象。例：滑動軸系偏心主軸晃動及減小的方法滑動軸系的雙周晃動誤差主軸和軸套之間充滿潤滑油，軸系每轉(zhuǎn)動二周出現(xiàn)誤差運動重複一次的現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因：油膜滾動。影響雙周誤差的大小的因素:減小方法;滾動軸系的誤差運動滾動軸系一般無間歇轉(zhuǎn)動，避免了因間隙而造成的軸心偏移，但由於軸套、主軸軸頸及滾動體有形狀誤差，主軸回轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生有規(guī)律的位移。在一定時間內(nèi)，主軸軸心位置量和位移方向不斷變化。這種變化，稱為主軸漂移。滾珠相對於主軸中心移動角度減小滾動軸系的主軸漂移的方法：（二）主軸系統(tǒng)的剛度第四節(jié)司服機械系統(tǒng)設(shè)計一、伺服系統(tǒng)的分類按控制特點分為點位控制和連續(xù)控制系統(tǒng)。為提高效率並保證精度，一般採用如圖所示位移特性的點位控制系統(tǒng)，實現(xiàn)快速、精確定位。當數(shù)字控制裝置發(fā)出指令時，執(zhí)行機構(gòu)應以盡可能高的速度移動，在接近終點時，分級逐步減速，最終以慢速趨向終點?？焖僖苿涌梢詼p少行程時間，低速趨向終點可以減少中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，價格也較低廉。

按控制技術(shù)分為開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)：（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動控制司服電動機機械裝置工作臺適用場合：（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)增加了檢測裝置，可以隨時測出工作臺的實際位移。位置檢測裝置的解析度是影響司服驅(qū)動精度的重要因素。常用檢測裝置：鐳射干涉儀、光柵系統(tǒng)、CCD攝像系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)分類：按回饋和比較方式不同分為脈衝比較式、幅度比較式、相位比較式等。脈衝比較式閉環(huán)伺服系統(tǒng)工作原理二、司服驅(qū)動裝置：用於驅(qū)動機械傳動裝置步進電機：改變脈衝頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速直流電動機：改變驅(qū)動電壓改變轉(zhuǎn)速壓電陶瓷：三、機械傳動裝置：傳動轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩（1）機械傳動裝置的選擇：工作臺的定位解析度和定位精度（2）主要參數(shù)確定原則機械傳動裝置的減速比（最佳總轉(zhuǎn)速比的確定）最佳加速度的計算公式:一級減速系統(tǒng)從動軸角加速度最佳轉(zhuǎn)速比：最大角加速度：（3）機械傳動裝置的動力設(shè)計司服系統(tǒng)必須在速度變化的情況下，提供足夠的力矩和功率，保證工作臺快速跟蹤指令。動力平衡方程：計算（4）機械傳動裝置的特性分析計算1）司服剛度計算2）機械傳動裝置的縱向剛度3）失動量計算4）固有頻率四、司服系統(tǒng)的精度定義：伺服系統(tǒng)帶動工作臺運動．到達點、線、面和空間位置的準確度。影響開環(huán)司服系統(tǒng)精度的因素：運行誤差、機械傳動誤差等影響閉環(huán)司服系統(tǒng)精度的因素：控制環(huán)節(jié)：小於一個控制脈衝的誤差無法校正，回饋環(huán)節(jié)：位置檢測裝置的檢測誤差、量化誤差。五、司服系統(tǒng)誤差校正

1）機械電子誤差校正（硬體校正）

2）用微機技術(shù)校正第五節(jié)微位移機構(gòu)及設(shè)計一.微位移機構(gòu)的分類及應用微位移系統(tǒng)：包括微位移機構(gòu)、檢測裝置和控制系統(tǒng)三部分。微位移機構(gòu)（微動工作臺）由微位移器和導軌組成，根據(jù)導軌形式和驅(qū)動方式微位移機構(gòu)可分成五類：（1）柔性支承－壓電器件驅(qū)動的微位移機構(gòu)工作原理：特點：0.1~0.01um（2）平行片簧導軌－電壓驅(qū)動的微位移機構(gòu)原理:分辨力：0.01um（3）滾動導軌－電壓驅(qū)動的微位移機構(gòu)（4）平行片簧導軌－步進電動機及機械式位移縮小機構(gòu)驅(qū)動不適於動態(tài)工作（5）平行彈簧導軌－電磁位移器驅(qū)動（6）氣浮導軌－步進電動機及摩擦傳動微位移系統(tǒng)的應用（三個方向）1.精度補償2.微給進3.微調(diào)二、微驅(qū)動器件（一）壓電及電致伸縮器件優(yōu)點1.工作原理電介質(zhì)在電場的作用下，有兩種效應：壓電效應和電致伸縮效應統(tǒng)稱為機電耦合效應。電致伸縮效應：電介質(zhì)在電場的作用下由於感應極化作用而引起應變，應變於電場方向無關(guān)，應變大小與電場的平方成正比。壓電效應：電介質(zhì)在機械應力作用下產(chǎn)生電極化，電極化的大小與應力成正比，電極化的方向隨應力的方向而改變。在壓電微位移器件中應用的是逆壓電效應，即電介質(zhì)在外界電場作用下，產(chǎn)生應變，應變的大小與電場大小成正比，應變的方向與電場的方向有關(guān)，即電場反向時應變也改變方向。電介質(zhì)在外加電場作用下應變與電場的關(guān)係為：壓電材料：具有壓電效應和電致伸縮的材料。常用：壓電陶瓷PZT壓電晶體：利用逆壓電效應工作的電介質(zhì)材料。電致伸縮材料：利用電致伸縮效應工作的電介質(zhì)材料。2.壓電及電致伸縮材料（1）壓電器件要求：壓電靈敏度高（單位電壓變形大）、行程大、線性度、穩(wěn)定性、重複性好。根據(jù)公式當無電致伸縮效應時壓電陶瓷主要缺點是變形小，提高行程採取的措施：（2）電致伸縮器件優(yōu)點：缺點：滯後、漂移（二）電磁驅(qū)動器（電磁控制的微動工作臺）1.原理：平衡時：電磁力：彈簧拉力：當時因此工作臺與勵磁電流關(guān)係2.位置控制範圍：當時，B和NI近似為線性關(guān)係3.特點：電磁式驅(qū)動器位移分辨力為0.1um，最大初始間隙為800um左右，線性範圍為方法簡單，驅(qū)動範圍大，線圈通電後易發(fā)熱，易受電磁干擾。三、柔性鉸鏈的設(shè)計應用：繞軸作複雜運動的有限角位移特點：無機械摩擦、無間隙、靈敏度高普通結(jié)構(gòu)：繞一個軸彈性彎曲（可逆）（一）柔性鉸鏈的類型（1）單軸柔性鉸鏈：截面形狀有圓形和矩形（2）雙單軸柔性鉸鏈兩個互成90度的單軸柔性鉸鏈組成缺點：雙軸無交叉頸部作成圓形：縱向強度小垂直交叉且延縱向軸高強度的雙柔性鉸鏈（二）柔性鉸鏈的設(shè)計四、精密微動工作臺設(shè)計要點1)微動工作臺的支承或?qū)к壐睉獰o機械摩擦、無間隙。2)具有高的位移解析度及高的定位精度和重複性精度。3)具有高的幾何精度，工作臺移動時直線度誤差要小，即顛擺、扭擺、滾擺誤差小，運動穩(wěn)定性好。4)微動工作臺應具有較高的固有頻率，以確保工作臺具有良好的動態(tài)特性和抗干擾能力。5)工作臺最好採用直接驅(qū)動，即無傳動環(huán)節(jié)，這不僅剛性好，固有頻率高，而且減少了誤差環(huán)節(jié)。6)系統(tǒng)回應速度要快，便於控制。(二)精密微動工作臺設(shè)計中的幾個問題(1)導軌形式的選擇要求導軌副導向精度高，導軌副間的摩擦力及摩擦力變化要小。在為位移範圍內(nèi)，滾動導軌和滑動導軌一樣存在動摩擦力與靜摩擦力的差別，但滾動導軌的摩擦力優(yōu)於滑動導軌彈性導軌：行程小，只適合用於微位移空氣靜壓導軌：要求大行程，高精度微位移情況下，可採用粗、細位移相結(jié)合的方法。2.微動工作臺的驅(qū)動1)電機驅(qū)動與機械位移縮小裝置(杠桿傳動、齒輪傳動、絲杠傳動、摩擦傳動)相結(jié)合，這是一種常規(guī)方法，但結(jié)構(gòu)複雜、體積大、定位精度低。適於大行程，中等精度微位移場合。2)電熱式和電磁式機構(gòu)較簡單，但伴隨發(fā)熱，易受電磁干擾，難以達到高精度，行程達到數(shù)百微米3)壓電和電致伸縮器驅(qū)動這種驅(qū)動不存在發(fā)熱問題，穩(wěn)定性和重複性都很好，分辨力可達納米級，驅(qū)動工作臺的定位精度可達0．01／um。但行程小，一般為幾十微米。（3）微動工作臺的測量與控制位置測量裝置：解析度與之相對應。鐳射測長，光柵測長?？刂疲洪_閉環(huán)控制及適當誤差校正和速度校正。

精儀設(shè)計的精度理論

精度：是誤差的反義詞，精度的高的低是用誤差的大小來衡量的。誤差大，精度低，反之，誤差小，精度高。

精度的重要性：無論是精儀還是精密機械設(shè)備，其自身的精度都是一項重要指標，以其精度的高低是衡量儀器設(shè)計品質(zhì)的關(guān)鍵。一、精度分析的目的：儀器誤差的客觀存在性決定儀器的精度無論多高，總存在誤差。找出產(chǎn)生誤差的根源和規(guī)律，分析誤差對儀器設(shè)備的精度的影響，以便合理的選擇方案、設(shè)計結(jié)構(gòu)，確定參數(shù)和設(shè)置必要的精度調(diào)整和補償環(huán)節(jié)，從而在保證經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上達到理想的精度。可見精度分析是儀器設(shè)計中重要一環(huán)，通常貫穿於儀器設(shè)計製造和使用的全過程。

二、精度分析

精度分析：既指儀器各個零部件誤差的合成，也指儀器設(shè)計中公差的分配和主要條件的制定，甚至包括考慮為進一步減小儀器誤差而需要採取的技術(shù)措施。如誤差的調(diào)整方法，補償件的設(shè)計。

從設(shè)計角度看，儀器設(shè)計也包括精度的設(shè)計，即需要合理地確定儀器各個部件乃至零件的精度要求，因此精度分析的各項工作內(nèi)容是相互聯(lián)繫的。隨著精密計量測試技術(shù)的發(fā)展，近代的精密儀器大多由光學、機械、電子學和電腦相結(jié)合來進行測量或控制的。所以精度分析的內(nèi)容自然包括：儀器的機械系統(tǒng)，光學系統(tǒng)，電子線路和電腦的精度分析。其中機械系統(tǒng)的精度理論較為成熟，而光學，電子系統(tǒng)稍差，對於某些光學系統(tǒng)和電子部件，有時需要實驗來確定其精度。

三、儀器精度理論的基本內(nèi)容：1.分析影響儀器精度的各項誤差來源及特件；2.研究誤差的評定和計算方法；3.研究誤差的傳遞、轉(zhuǎn)化和相互作用的規(guī)律；4.確定誤差合成與分配的原則和方法以及對儀器精度進行測試的過程、從而為儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計和特件參數(shù)的確定提供可靠的依據(jù)。第一節(jié)儀器精度理論中的若干基本概念誤差精度儀器精度指標:<自學>儀器誤差主要來源：1.儀器的原理誤差2.儀器的零部件機測量電路的製造與調(diào)整誤差3.標準件和儀器的定標誤差4.瞄準、讀數(shù)誤差或量化誤差5.定位、安裝誤差6.測量環(huán)境跳進所引起的誤差（如溫度，力變形引起的誤差），以及使用中零部件磨損所引起的誤差。儀器的測量誤差：在儀器的測量過程中，由於環(huán)境條件等因素影響，可能會引入較大的其他誤差分量，這樣得出儀器的測量誤差。針對某一種儀器而言，其測量誤差與儀器誤差一致。在儀器測量過程中，綜合具體環(huán)境條件等因素的影響，這樣得出的就為儀器的測量誤差，其值一般大於儀器誤差。第二節(jié)儀器誤差的來源與性質(zhì)

儀器誤差：儀器本身所固有的誤差。在儀器製成後，在規(guī)定的使用條件下儀器誤差就基本固定了。儀器測量誤差：既包括儀器誤差，由包括儀器使用和運行時，因為一些使用的環(huán)境條件、測量方法以及測量人員主觀因素的等各項原因造成的綜合誤差，它以測量結(jié)果與被測量值的偏差值來表示。求儀器精度----各項誤差來源分析-----找出主要因素-----控制減小其影響儀器誤差產(chǎn)生的原因：在儀器的設(shè)計、製造和使用的各個階段可能產(chǎn)生誤差，分別稱為原理誤差製造誤差和運行誤差。從數(shù)學特性亡看。原理誤差多為系統(tǒng)誤差、而製造誤差和運行誤差多為隨機誤差。一、原理誤差儀器設(shè)計中採用了近似的理論、近似的數(shù)學模型、近似的機構(gòu)和近似的測量控制電路所造成的。原理誤差只與儀器的設(shè)計有關(guān)，與製造和使用無關(guān)，下麵詳細講述原理誤差產(chǎn)生的原因（主要4點）1.把儀器實際的非線性特性近似為線性，並採用線性的技術(shù)處理非線性特性，引起原理誤差。舉例：以鐳射掃描測徑儀為例，說明其原理誤差的來源儀器清除的途徑。這種儀器精度高，重複性好，測量速度快，在拔絲、軋鋼過程、尺寸線上檢測中有廣泛應用。儀器的工作原理：氦氖雷射器l射出的鐳射經(jīng)反射鏡3、透鏡4(用來減小光束的發(fā)散)、反射鏡2和用同步電動機帶動的多面棱鏡5，再經(jīng)過透鏡6對被測工件7進行掃描．然後經(jīng)過透鏡8由光電二極體9接收實現(xiàn)光信號—電信號的轉(zhuǎn)換。由於多面棱鏡以角速度ω旋轉(zhuǎn)使棱鏡轉(zhuǎn)過

θ

角，則反射光轉(zhuǎn)過2θ

角，實現(xiàn)對工件的掃描。在鐳射光束被工件遮擋的時間內(nèi)，計數(shù)器所計的脈衝數(shù)與被測工件的直徑有一定的對應關(guān)係。為了保證掃描信號與計算電路中計數(shù)脈衝同步，用同一晶體振盪器控制。原理誤差的產(chǎn)生：通常近似認為在與光軸垂直方向上的鐳射光束的掃描速度是均勻的。即式中：n和ω

分別為多面棱鏡的轉(zhuǎn)速和角速度

f為透鏡6的焦距係數(shù)2：考慮了多面棱鏡的反射光束角速度是棱鏡角速度的2倍實際上鐳射光束的掃描速度在光軸垂直方向上是變化的。鐳射掃描.光束距透鏡光軸距離為：在該位置上，鐳射光束在與光軸垂直方向上的掃描速度為：可見實際鐳射掃描速度隨著光束離光軸的距離不同而變化，且離光軸垂直距離越大，掃描速度越高，這就使得該儀器的測量值總小於被測直徑的實際值，從而引起原理誤差。2.數(shù)據(jù)處理方式上的近似所帶來的誤差和數(shù)值舍位代來的誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換中的量化，用二進位中最小單位所代表的電平去度量一個實際的模擬量，帶來誤差。3.儀器結(jié)構(gòu)存在原理誤差如：正切、正弦機構(gòu)，傳動方程為非線性而用線性方程處理時，產(chǎn)生誤差。採用簡單機構(gòu)代替複雜機構(gòu)，或用一個主動件的簡單機構(gòu)實現(xiàn)多元函數(shù)的作用方程，產(chǎn)生機構(gòu)原理誤差。4.在儀器的測量與控制電路系統(tǒng)中的某些環(huán)節(jié)存在原理誤差。如採樣過程總結(jié)：原理誤差產(chǎn)生於儀器設(shè)計的過程－－固有誤差，系統(tǒng)誤差原理誤差使儀器精度下降，設(shè)計儀器時首先考慮原理誤差，採用不同方法減小或消除其對儀器精度的影響。分析原理誤差的途徑：將儀器各個組成環(huán)節(jié)之間的實際關(guān)係與設(shè)計、計算時採用的理論關(guān)係進行比較，如有差異則存在原理誤差。減小或消除原理誤差影響的方法：1)採用更為精確的、符合實際的理論和公式進行設(shè)計和參數(shù)計算。2)研究原理誤差的規(guī)律，採取技術(shù)措施避免原理誤差。3)採用誤差補償措施。二、製造誤差製造誤差是指儀器的零件、元件、部件和其他各個環(huán)節(jié)在尺寸、形狀、相互位置以及其他參量等方面的製造及裝調(diào)的不完善所引起的誤差。舉例：由於內(nèi)外尺寸的配合間隙，對直線運動造成歪斜誤差．對回轉(zhuǎn)起動造成徑向跳動誤差?！?在設(shè)計過程中對製造誤差進行控制的方法：（1）合理地分配誤差和確定製造公差（2）正確應用儀器設(shè)計原理和設(shè)計原則（3）合理地確定儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（4）合理的結(jié)構(gòu)工藝性（5）設(shè)置適當?shù)恼{(diào)整和補償環(huán)節(jié)三、運行誤差儀器在使用過程中所產(chǎn)生的誤差稱為運行誤差。1.力變形引起的誤差如搖臂式座標測量機儀器組成：工作過程：分析：1.結(jié)構(gòu)龐大橫臂自身重量，側(cè)頭部件重量，對立柱產(chǎn)生影響2.側(cè)頭在橫臂上移動，立柱和橫臂受力變形。產(chǎn)生測量誤差總結(jié)：大型儀器，力變形引起的誤差很大。減小的途徑：1.設(shè)計中提高儀器結(jié)構(gòu)件剛度。2.合理選擇支點位置的材料。3.採用卸荷裝置，使重力變形最小2.測量力引起的變形誤差測量時工件表面承受的測量壓力。接觸－－變形－－運行誤差3.應力變形引起的誤差4.磨損5.間隙與空程引起的誤差6.溫度引起的誤差7.振動引起的誤差8.干擾與環(huán)境波動引起的誤差第三節(jié)儀器誤差的分析與計算儀器誤差的分析的目的儀器誤差的分析階段：尋找源誤差，計算分析各原誤差對儀器精度的影響，精度綜合。一、誤差獨立作用原理若儀器特性參數(shù)有誤差實際儀器輸出方程：儀器誤差：當某一原誤差不等於零，其他誤差為零時，由這個原誤差引起的儀器誤差為：物理意義：是由某一原誤差單獨作用造成的儀器誤差，又稱局部誤差。注意：在儀器加工前，儀器的實際方程不知道，輸出偏導數(shù)無意義。但可用理想方程式偏導數(shù)代替實際輸出方程是偏導數(shù)若儀器有關(guān)特性參數(shù)都具有誤差，且各源誤差相互獨立時有

一個源誤差僅使儀器產(chǎn)生一個局部誤差。局部誤差是源誤差的線性函數(shù)．與其他源誤差無關(guān)，儀器總誤差是局部誤差的綜合，這就是誤差獨立作用原理。因此，可以用逐個計算源誤差所引起的局部誤差，然後用綜合局部誤差的方法計算儀器總誤差。注意：誤差獨立作用原理是近似原理，但在大多數(shù)情況下都能適用。二、微分法：對作用原理方程求全微分條件：當源誤差為各特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差時，且能列出全部或局部的作用原理方程。鐳射干涉測長儀的誤差分析與計算1.鐳射測長儀工作原理列出作用方程：1.干涉儀處於起始位置，干涉條紋數(shù)2.測量時誤差源：外界環(huán)境變化造成測量誤差。微分法優(yōu)點：簡單快速局限性：對不能列入作用方程的原誤差，不能用微分法。3.微分法：對L全微分，並寫成增量形式由於鐳射干涉測長是增量碼式測量（零點可以任意設(shè)置）在測量開始前應對計數(shù)器清零，因而在測量過程中只要和不變，則代入上式三、幾何法利用源誤差與其局部誤差之間的幾何關(guān)係、分析計算源誤差對儀器精度的影響。具體步驟是：畫出機構(gòu)某—暫態(tài)作用原理圖．按比例放大地畫出源誤差與局部誤差之間的關(guān)係．依據(jù)其中的幾何關(guān)係寫出局部誤差運算式．將源誤差代入．求出局部誤差大小。例：度盤安裝偏心所引起的讀數(shù)誤差1.找原誤差：安裝偏心量2.局部誤差：讀數(shù)誤差3.找e與幾何關(guān)係度盤安裝偏心所引起的最大讀數(shù)誤差幾何法優(yōu)點：簡單直觀缺點：分析計算複雜機構(gòu)運行誤差時較為困難。四、作用線與暫態(tài)臂法(一)機構(gòu)傳遞位移的基本公式（1）推力傳動（2）摩擦力傳動引入作用線的概念：一對運動副之間暫態(tài)作用力的方向線推力傳動作用線是兩構(gòu)件接觸區(qū)的公法線摩擦力傳動作用線是兩構(gòu)件接觸區(qū)的公