《測控儀器設(shè)計(第2版)》課后習題答案-浦昭邦-王寶光

1.1.測控儀器的概念是什么？

測控儀器則是利用測量和限制的理論，采納機、電、光各種計量測試原理及限制系統(tǒng)與計算

機相結(jié)合的一種范圍廣泛的測量儀器。

12為什么說測控儀器的發(fā)展與科學技術(shù)發(fā)展親密礪

儀器儀表的用途和重要性一

遍及國民經(jīng)濟各個部門，深化到人民生活的各個角落，儀器儀表中的計量測試儀器與

限制儀器統(tǒng)稱為測控儀器，可以說測控儀器的水平是科學技術(shù)現(xiàn)代化的重要標記。

儀器儀表的用途：

在機械制造業(yè)中：對產(chǎn)品的靜態(tài)與動態(tài)性能測試；加工過程的限制與監(jiān)測；設(shè)備運行中的故

障診斷等。

在電力、化工、石油工業(yè)中：對壓力、流量、溫度、成分、尺寸等參數(shù)的檢測和限制；對壓

力容器泄漏和裂紋的檢測等。

在航天、航空工業(yè)中：對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、振動、噪聲、動力特性、噴油壓力、管道流量

的測量；對構(gòu)件的應力、剛度、強度的理量;對限制系統(tǒng)的電流、電壓、絕緣強度的測量等。

1.3.現(xiàn)代測控儀器技術(shù)包含哪些百耘

發(fā)展趨勢：

高精度與高牢靠性、高效率、智能化、多樣化與多維化（1）高精度與高牢靠性隨著科

學技術(shù)的發(fā)展，對測控儀器的精度提出更高的要求，如幾何量nm精度測量，力學量的mg

精度測量等。同時對儀器的牢靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的測控儀器，其牢

靠性尤為重要。（2）高效率大批量產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏，要求測量儀器具有高效率，因此非接

觸測量、在線檢測、自適應限制、模糊限制、操作與限制的自動化、多點檢測、機光電算一

體化是必定的趨勢。（3）高智能億在信息拾取與轉(zhuǎn)換、信息測量、推斷和處理及限制方面

大量采納微處理器和微計算機，顯示與限制系統(tǒng)向三維形象化發(fā)展，操作向自動化發(fā)展，并

且具有多種人工智能從學習機向人工智能機發(fā)展是必定的趨勢。（4）多維化、多功能化（5）

開發(fā)新原理（6）動態(tài)測量

現(xiàn)代設(shè)計方法的特點：

（1）程式性強調(diào)設(shè)計、生產(chǎn)與銷售的一體化。

（2）創(chuàng)建性突出人的創(chuàng)建性，開發(fā)創(chuàng)新性產(chǎn)品。

（3）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)，同時要考慮人-機-環(huán)

境的大系統(tǒng)關(guān)系。

（4）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、性能價格比高的產(chǎn)

品。

（5）計算機協(xié)助設(shè)計計算機將更全面地引入設(shè)計全過程，計算機協(xié)助設(shè)計不僅用于計算和

繪圖，在信息儲存、評價決策、動態(tài)模擬、人工智能等方面將發(fā)揮更大作用。

14測控儀器由哪幾部分組成？各部分功能是什行

工作原理：

Z向運動具有自動調(diào)焦功能，通過計算機對CCD攝像器件攝取圖像進行

分析，用調(diào)焦評價函數(shù)來推斷調(diào)焦質(zhì)量。被檢測的印刷線路板或IC芯片

的瞄準用可變焦的光學顯微鏡和CCD攝像器件來完成。攝像機的輸巴經(jīng)圖

像卡送到計算機進行圖像處理實現(xiàn)精密定位和圖像識別與計算，并給出

被檢測件的尺寸值、誤差值及缺陷狀況。

按功能將儀器分成以下幾個組成部分：

1基準部件5信息處理與運算裝置

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)動限制器部件

4瞄準部件8機械結(jié)構(gòu)部件

基準部件

測量的過程是一個被測量與標準量比較的過程，因此，儀器中要有與被測量相比較的標

準量，標準量與其相應的裝置一起，稱為儀器的基準部件。

有的儀器中無標準器而是用校準的方法將標準量復現(xiàn)到儀器中。標準量的精度對儀

器的測量精度影響很大，在大多數(shù)狀況下是1：1,在儀器設(shè)計時必需予以重視。

傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件

測控儀器中的傳感器是儀器的感受轉(zhuǎn)換部件，它的作用是感受被測

量，拾取原始信號并將它轉(zhuǎn)換為易于放大或處理的信號。

放大部件

分類實例名稱

齒輪放大，杠桿放大，彈性及剛度放大等機械系統(tǒng)

機械式放大部件

光準直式、顯微鏡式、投影放大、攝影放大式、莫爾條光學系統(tǒng)

光學式放大部件紋、光干涉等

前置放大、功率放大等電子信息處理

電子放大部件系統(tǒng)

光電放大部件光電管放大、倍增管放大等光電系統(tǒng)

瞄準部件

用來確定被測量的位置（或零位），要求瞄準的重復性精度要好。

信息處理與運算裝置

數(shù)據(jù)處理與運算部件主要用于數(shù)據(jù)加工、處理、運算和校正等?？梢岳糜布娐?、

單片機或微機來完成。

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、監(jiān)視器等將測量結(jié)果顯示

出來。

驅(qū)動限制器部件

驅(qū)動限制部件用來驅(qū)動測控系統(tǒng)中的運動部件，在測控儀器中常用步進電機、交直流伺

服電機、力矩電機、測速電機、壓電陶究等實現(xiàn)驅(qū)動。限制一般用計算機或單片機來實現(xiàn),

這時要將一個限制接口卡插入到計算機的插槽中。

機械結(jié)構(gòu)部件

儀器中的機械結(jié)構(gòu)部件用于對被測件、標準器、傳感器的定位，支承和運動，如導軌、

軸系、基座、支架、微調(diào)、鎖緊、限位愛護等機構(gòu)。全部的零部件還要裝到儀器的基座或支

架上，這些都是測控儀器必不行少的部件，其精度對儀器精度影響起確定作用。

分度值

在計量器具的刻度標尺上，最小格所代表的被測尺寸的數(shù)值叫做分度值，分度值

又稱刻度值。

辨別力(resolution)

顯示裝置能有效辨別的最小示值。對于數(shù)字式儀器，辨別力是指儀器顯示的最末一位

數(shù)字間隔代表的被測量值。對模擬式儀器，辨別力就是分度值。辨別刀是與儀器的精度親密

相關(guān)的。要提高儀器精度必需有足夠的辨別力來保證；反過來儀器的辨別力必需與儀器精度

相適應，不考慮儀器精度而一味的追求高辨別力是不行取的。

示值誤差(errorofindication)

測量儀器的示值與對應輸入量的真值之差。由于真值不能確定，事實上用的是約定

真值，即常用某量的多次測量結(jié)果來作為約定真值。測量儀器的示值誤差，包含有儀器的隨

機誤差和系統(tǒng)誤差，因此用測量的方法確定儀器示值誤差時，同一個值測量次數(shù)一般不要超

過三次。示值誤差越小，表明儀器的精確度越高。

測量范圍(measuringrange)

測量儀器誤差允許范圍內(nèi)的被測量值。測量范圍包含示值范圍還包含儀器的調(diào)整范

圍。如光學計的示值范圍為±0.lmm,但其懸臂可沿立柱調(diào)整180mm,在該范圍內(nèi)仍可保

證儀器的測量精度，則其測量范圍為180±0.1mmo又如千分尺的測量范圍有0?25mm,25?

50mm,50~75mm等規(guī)格，但其示值范圍均為25mm。

靈敏度(sensitivity)

測量儀器響應(輸出)的變更除以對應的激勵(輸入)的變更。若輸入激勵量為AX,相應

輸出是AY,則靈敏度表示為：

S=AY/AX

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帶來的誤差，稱為非線性誤差。特性曲線的

斜率即為靈敏度。

員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；而齒輪傳動的百分表其輸入量是位移，輸出量也

是位移，在這樣狀況下，靈敏度又稱為放大比。

靈敏度是儀器對被測量變更的反映實力。

鑒別力(閾)(discrimination)

使測量儀器產(chǎn)生未察覺的響應變更的最大激勵變更，這種激勵變更應是緩慢而單調(diào)地

進行。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)或與激勵值有關(guān)。

測量儀器的精確度(accuracyofmeasuringinstrument)

測量儀器的精確度是一個定性的概念，它是指測量儀器輸出接近于真值的響應的實

力。符合肯定的計量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的測量儀器的等級或級別稱為測量儀

器的精確度等級，如零級、一級、二級等。

測量儀器的示值誤差(errorofindication)

測量儀器的示值與對應輸入量的真值之差。由于真值不能確定，事實上用的是約定

真值，即常用某量的多次測量結(jié)果來作為約定真值。測量儀器的示值誤差，包含有儀器的隨

機誤差和系統(tǒng)誤差，因此用測量的方法確定儀器示值誤差時，同一個值測量次數(shù)一般不要超

過三次。示值誤差越小，表明儀器的精確度越高。

視差(parallaxerror)

當指示器與標尺表面不在同一平面時，觀測者偏離正確視察方向進行讀數(shù)和瞄準所引

起的誤差。

估讀誤差(interpolationerror)

觀測者估讀指示器位于兩相鄰標尺標記間的相對位置而引起的誤差，有時也稱為內(nèi)插

誤差。

讀數(shù)誤差(readingerror)

由于觀測者對計呈器具示值讀數(shù)不精確所引起的誤差,它包括視差和估讀誤差。

1.6.對測控儀器的設(shè)計要求有哪函'

⑴精度要求精度是測控儀器的生命，精度本身只是一種定性的概念。為表征一臺儀器的

性能和達到的水平，應有一些精度指標要求，如靜態(tài)測量的示值誤差、重復性誤差、復現(xiàn)性、

穩(wěn)定性、回程誤差、靈敏度、鑒別力、線性度等，動態(tài)測量的穩(wěn)態(tài)響應誤差、瞬態(tài)響應誤差

等。這些精度指標不是每一臺儀器都必需全部滿意，而是依據(jù)不同的測量對象和不同的測量

要求，選用最能反映該儀器精度的一些指標組合來表示。

儀器的精度應依據(jù)被測對象的要求來確定，當儀器總誤差占測量總誤差比重較小時，

常采納1/3原則，即儀器總誤差應小于或等于被測參數(shù)總誤差的1/3；若儀器總誤差占測量

總誤差的主導部分時，可允許儀器總誤差小于或等于被測參數(shù)總誤差的1/2。

為了保證儀器的精度，儀器設(shè)計時應遵守一些重要的設(shè)計原則和設(shè)計原理，如阿貝原

則、變形最小原則、測量鏈最短原則、精度匹配原則、誤差平均作用原理、補償原理、差動

比較原理等。

⑵檢測效率要求一般狀況下儀器的檢測效率應與生產(chǎn)效率相適應。在自動化生產(chǎn)狀況下，

檢測效率應適合生產(chǎn)線節(jié)拍的要求。提高檢測效率不僅有經(jīng)濟上的效益，有時對提高檢測精

度也有肯定作用，因為縮短了測量時間可削減環(huán)境變更對測量的影響。同時還可以節(jié)約人力，

消退人的主觀誤差，提高測量的牢靠性。

(3)牢靠性要求一臺測量儀器或一套自動測量系統(tǒng)，無論在原理上如何先進，在功能上如

何全面，在精度上如何高，若牢靠性差，故障頻繁，不能長時間穩(wěn)定工作，則該儀器或系統(tǒng)

就無運用價值。因此對儀器的牢靠性要求是非常必要的。牢靠性要求，就是要求設(shè)備在肯定

時間、肯定條件下不出故障地發(fā)揮其功能的概率要高。牢靠性要求可由牢靠性設(shè)計來保證。

(4)經(jīng)濟性要求儀器設(shè)計時應采納各種先進技術(shù)，以獲得最佳經(jīng)濟效果。盲目追求困難、

高級的方案，不僅會造成儀器成本的急劇增加，有時甚至無法實現(xiàn)。因此儀器設(shè)計時應盡量

選擇最經(jīng)濟的方案，即技術(shù)先進、零部件少、工藝簡潔、成本低、牢靠性高、裝調(diào)便利，這

樣在市場上才有競爭力。同時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

值系數(shù)高。

⑸運用條件要求運用條件不同，儀器的設(shè)計也不同。如在室外運用的儀器儀表應適應寬范

圍的溫度、濕度變更，以及抗振和耐鹽霧；在車間運用除了防振外，電磁干擾，尤其是強電

設(shè)名起動的干擾應重點防范；在易燃易爆場合下工作的儀器儀表則要求防爆和阻燃；在線測

量與離線測量，連續(xù)工作與間歇工作……其條件都有不同，在設(shè)計儀器時應慎重考慮，以滿

意不同運用條件的要求。

⑹造型要求儀器的外觀設(shè)計極為重要，美麗的造型、柔軟的色澤是人們選擇產(chǎn)品的考慮因

素之一，有利于銷售，同時也會使操作者加倍愛惜和保養(yǎng)儀器，延長運用壽命，提高工作效

率。

2.1.說明分析儀器誤差的微分法，幾何法，作用線與瞬時臂法和數(shù)學靠近法各適用在什么狀

況下，為什么？一

微分法若能列出儀器全部或局部的作用方程，那么，當源誤差為各特性或結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差時，

可以用對作用原理方程求全微分的方法來求各源誤差對儀器精度的影響。微分法的優(yōu)點是具

有簡潔、快速，但其局限性在于對于不能列入儀器作用方程的源誤差，不能用微分法求其對

儀器精度產(chǎn)生的影響，例如儀器中常常遇到的測桿間隙、度盤的安裝偏心等，因為此類源誤

差通常產(chǎn)生于裝配調(diào)整環(huán)節(jié)，與儀器作用方程無關(guān)。

幾何法能畫出機構(gòu)某一瞬時作用原理圖，按比例放大地畫出源誤差與局部誤差之間的關(guān)系，

依據(jù)其中的幾何關(guān)系寫出局部誤差表達式。幾何法的優(yōu)點是簡潔、直觀，適合于求解機構(gòu)中

未能列入作用方程的源誤差所引起的局部誤差，但在應用于分析困難機構(gòu)運行誤差時較為困

難。

作用線與瞬時臂法基于機構(gòu)傳遞位移的機理來探討源誤差在機構(gòu)傳遞位移的過程中如何

傳遞到輸出。因此，作用線與瞬時臂法首先要探討的是機構(gòu)傳遞位移的規(guī)律

數(shù)學靠近法評定儀器實際輸出與輸入關(guān)系方法：測量（標定或校準）一一測出在一些離散

點上儀器輸出與輸入關(guān)系的對應值，應用數(shù)值靠近理論，依據(jù)儀器特性離散標定數(shù)據(jù)，以一

些特定的函數(shù)（曲線或公式）去靠近儀器特性，并以此作為儀器實際特性，再將其與儀器志

向特性比較即可求得儀器誤差中的系統(tǒng)誤差重量。常用代數(shù)多項式或樣條函數(shù)，結(jié)合最小二

乘原理來靠近儀器的實際特性。

|2.2.什么是原理誤差，原始誤差,瞬時臂誤差，作用誤差？

原理誤差儀器設(shè)計中采納了近似的理論、近似的數(shù)學模型、近似的機構(gòu)和近似的測量限制

電路所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)計有關(guān)，而與制造和運用無關(guān)。

原始誤差

由機床、夾具、刀具和工件組成的機械加工工藝系統(tǒng)（簡稱工藝系統(tǒng)）會有各種各樣的誤

差產(chǎn)生，這些誤差在各種不同的造細工作條件下都會以各種不同的方式（或擴大、或縮?。┓?/p>

映為工件的加工誤差。

能轉(zhuǎn)換成瞬時臂誤差的源誤差多發(fā)生在轉(zhuǎn)動件上；而既不能換成瞬時臂誤差，其方向又不

與作用線方向一樣的源誤差多發(fā)生在平動件上。

2.3.誤差的分類及表示方法

按誤差的數(shù)學性質(zhì)分1）隨機誤差是由大量的獨立微小因素的綜合影響所造成的，其數(shù)值

的大小和方向沒有肯定的規(guī)律，但就其總體而言，聽從統(tǒng)計規(guī)律，大多數(shù)隨機誤差聽從正態(tài)

分布。2）系統(tǒng)誤差由一些穩(wěn)定的誤差因素的影響所造成，其數(shù)值的大小的方向在測量過程

中恒定不變或按肯定的規(guī)律變更。3）粗大誤差粗大誤差指超出規(guī)定條件所產(chǎn)生的誤差，一

般是由于疏忽或錯誤所引起，在測量值中一旦出現(xiàn)這種誤差，應予以剔除。

按被測參數(shù)的時間特性分1）靜態(tài)參數(shù)誤差2）動態(tài)參數(shù)誤差

按誤差間的關(guān)系分1）獨立誤差2）非獨立誤差

肯定誤差：被測量測得值x與其真值（或相對真值）xO之差

特點：有量綱、能反映出誤差的大小和方向。

相對誤差：肯定誤差與被測量真值的比值

特點：無量綱

2.4誤差的來源寫桂版

原理誤差儀器設(shè)計中采納了近似的理論、近似的數(shù)學模型、近似的機構(gòu)和近似的測量限制

電路所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)計有關(guān)，而與制造和運用無關(guān)。

（1）采納近似的理論和原理進行設(shè)計是為了簡化設(shè)計、簡化制造工藝、簡化算法和降低成

本。

（2）原理誤差屬于系統(tǒng)誤差，使儀器的精確度下降，應當設(shè)法減小或消退。

（3）方法：

?采納更為精確的、符合實際的理論和公式進行設(shè)計和參數(shù)計算。

?探討原理誤差的規(guī)律，實行技術(shù)措施避開原理誤差。

?采納誤差補償措施。

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

其他各個環(huán)節(jié)在尺寸、形態(tài)、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。

運行誤差

儀器在運用過程中所產(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，以及振動和干擾等。

（一）力變形誤差（二）測量力（三）應力變形（四）磨損（五）間隙與空程

（六）溫度（七）振動與干擾（八）干擾與環(huán)境波動引起的誤差

3.1.測控儀器的發(fā)展趨勢可以概括為那幾個方面，其中高效率，高智能化的是指那些內(nèi)容？

高精度與高牢靠性、高效率、智能化、多樣化與多維化（1）高精度與高牢靠性隨著科學技

術(shù)的發(fā)展，對測控儀器的精度提出更高的要求，如幾何量nm精度測量，力學量的mg精度

測量等。同時對儀器的牢靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的測控儀器，其牢靠性

尤為重要。（2）高效率大批量產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏，要求測量儀器具有高效率，因此非接觸測

量、在線檢測、自適應限制、模糊限制、操作與限制的自動化、多點檢測、機光電算一體化

是必定的趨勢。（3）高智能化在信息拾取與轉(zhuǎn)換、信息測量、推斷和處理及限制方面大量

采納微處理器和微計算機，顯示與限制系統(tǒng)向三維形象化發(fā)展，操作向自動化發(fā)展，并且具

有多種人工智能從學習機向人工智能機發(fā)展是必定的趨勢。（4）多維化、多功能化（5）開

發(fā)新原理（6）動態(tài)測量

32歸納測控儀器的設(shè)計流程

測控儀器總體設(shè)計，是指在進行儀器詳細設(shè)計以前，從儀器自身的功能、技術(shù)指標、檢測與

限制系統(tǒng)框架及儀器應用的環(huán)境和條件等總體角度動身，對儀器設(shè)計口的全局問題進行全面

的設(shè)想和規(guī)劃。

要考慮的主要問題有：

L設(shè)計任務(wù)分析

2.創(chuàng)新性構(gòu)思（所能達到的新功能，所實現(xiàn)的新方法，所反映出的新技術(shù)，新理論等）

3.測控儀器若干設(shè)計原則的考慮

4.測控儀器若干設(shè)計原理的斟酌

5.測控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計

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

7.儀器總體的造型規(guī)劃

3.3.測量儀器設(shè)計的六項基本原則是什么？

共有六項設(shè)計原則：

一、阿貝（Abbe）原則及其擴展

阿貝原則定義：為使量儀能給出正確的測量結(jié)果,必需將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測尺寸

線的延長線上。或者說，被測零件的尺寸線和儀器的基準線（刻線尺）應依次排成一條直線。

二、變形最小原則及減小變形影響的措施

變形最小原則定義：應盡量避開在儀器工作過程中，因受力變更或因受溫度變更而引起的儀

器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變更。

三、測量鏈最短原則

測量鏈定義：儀器中干脆感受標準量和被測量的有關(guān)元件，如被測件、標準件、感受元件、

定位元件等均屬于測量鏈。

在精密測量儀器中，依據(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、放大指示鏈和協(xié)助鏈三類。

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)

的精度要求應最高。

因此測量鏈最短原則明顯指一臺儀器中測量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應最少，即測量鏈應最短。因

此，測量鏈最短原則作為一條設(shè)計原則要求設(shè)計者予以遵守。

四、坐標系統(tǒng)一原則

在設(shè)計零件時，應當使零件的設(shè)計基面、工藝基面和測量基面一樣起來，符合這個原則，才

能使工藝上或測量上能夠較經(jīng)濟地獲得規(guī)定的精度要求而避開附加的誤差。

五、精度匹配原則

在對儀器進行精度分析的基礎(chǔ)上，依據(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?shù)木劝才牛@就是精度匹配原則。

六、經(jīng)濟原則

經(jīng)濟原則

經(jīng)濟原則是一切工作都要遵守的一條基本而重要的原則。

1）工藝性。2）合理的精度要求。3）合理選材。4）合理的調(diào)整環(huán)節(jié)。5）提高儀器壽命。

34測量儀器設(shè)計的基本原理有哪國-

一、平均讀數(shù)原理

在計量學中，利用多次讀數(shù)取其平均值，能夠提高讀數(shù)精度，即稱之為平均讀數(shù)原理。

二、比較測量原理

差動比較測量原理

■）位移量同步比較測量原理

位移量同步比較原理主要應用于復合參數(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：這類復合參數(shù)一般都是由線位移和角位移，或角位移和角位移以肯定關(guān)系作相互運

動而成。它們的測量過程，事實上是相應的位移量之間的同步比較過程，故在設(shè)計這類參數(shù)

的測量儀器中，形成了一種位移量同步比較的測量原理。這一原理的特點是符合按被測參數(shù)

定義進行測量的基本原則。

二）差動比較測量原理

1.電學量差動比較測量

電學量差動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.光學量差動比較測量

三）零位比較測量原理

三、補償原理

補償原理是儀虢設(shè)計中一條內(nèi)容廣泛而意義重大的設(shè)計原理。假如在設(shè)計中，采納包

括補償、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。補償原理的核心包括：

1.補償環(huán)節(jié)的選擇

為了取得比較明顯的補償效果，補償環(huán)節(jié)應選擇在儀器結(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.補償方法的確定

有光電方法、軟件方法、電學方法、標準器比較的方法等。

3.補償要求的分析

依據(jù)不同的補償對象，有不同的補償要求：

例如，對于導軌直線度偏差的補償，必須要對整個行程范圍進行連續(xù)逐點的補償：而

對儀器示值的校正，一般可要求校正幾個特征點，如首尾兩點，或中間選幾點，達到選定的

特征點保證儀器示值精確即可。

4.綜合補償（最佳調(diào)整原理）的實施

優(yōu)點：綜合補償方法具有簡潔、易行、補償效果好的特點。

涵義：該方法不必探討儀器產(chǎn)生的誤差來自哪個或哪些環(huán)節(jié)，但通過對某個環(huán)節(jié)的調(diào)

整后，便起到了綜合補償?shù)男Ч?/p>

35阿貝誤差產(chǎn)生的本質(zhì)緣由是什么？分析三坐標測量機測量某一工件時，哪個坐標方向上

的各個平面內(nèi)均能遵守阿貝原理

阿貝原則定義：為使量儀能給出正確的測量結(jié)果,必需將儀器的讀數(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線（刻線尺）應依次排成一條直線。

導軌間隙造成運動中的擺角由于標準刻線尺與被測件的直徑不共線而帶來測量誤差

導軌間隙造成運動中的擺角由于標準刻線尺與被測件的直徑共線誤差微小到可以忽視不計

圖3-3所示的三坐標測量機，或其它有線值測量系統(tǒng)的儀器。很難作到使各個坐標方向或一

個坐標方向上的各個平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。

如圖3-3所示的三坐標測量機，其測量點的軌跡是測頭1的行程所構(gòu)成的尺寸線，而

儀器讀數(shù)線分別在圖示的X、Y與Z直線位置處，明顯，在圖示狀況下測量時，X與Y坐

標方向均不遵守阿貝原則。

其中圖3-3a）為XZ平面，測頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀數(shù)線

共線，但與X方向讀數(shù)線相距為L,在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。

其中圖3-3b）為YZ平面，測頭］|在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀數(shù)線

共線，但與Y方向讀數(shù)線相距為L,在該

平面內(nèi)不符合阿貝原則。

圖3-3三坐標測微機

】一冽頭的觸球2一被測工件

3.6.舉例說明減小阿貝誤左則刀俎

愛彭斯坦（Eppenstein）光學補償方法主要

被應用于高精度測長機的讀數(shù)系統(tǒng)中。

激光兩坐標測量儀中監(jiān)測導軌轉(zhuǎn)角與平移

的光電補償方法

3.以動態(tài)準直儀為標準器的電學補償方法

4.標準器工作點與被測點共線的平直度測

量系統(tǒng)

5.遵守阿貝原則的傳動部件設(shè)計

例測長機原理圖。

刻尺面位于焦距f相同的兩個透鏡

Nl,N2的焦面上。M2,N2與尾座聯(lián)為一體，

Ml,N1與頭座聯(lián)為一體?？坛哂裳b在尾座內(nèi)的光源照明。對零時，設(shè)0刻線成象

在si點。測量時，尾座向左移動，當導軌平直時，設(shè)相應于被測長度讀數(shù)值的刻線

0'亦成象在si處時不產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)假設(shè)由于導軌直線度的影響，使尾座產(chǎn)生傾角

0,則在測量線方向上，測端因傾斜而向左挪動△L==htan6,如無補

償措施，則此

值即為阿貝誤差。

但這時與尾座聯(lián)為一體的M2,N2也隨之傾斜。角，這樣，刻線0'通過M2,N2及Ml,

N1便成象到s2點，則S2點相對于S1點在刻尺面上也有一挪動量sis2=ftanO

為了補償阿貝誤差，頭座需向左移

動靠緊工件4L二htan。

為使讀數(shù)正確，S1S也需等于向左

移動sisz=ftan0==AL==h

tan0即h=f

于是，曰尾座傾斜而帶來的阿

貝誤差，由了在儀器中設(shè)置了上述

光學系統(tǒng)，在讀數(shù)時自動消逝了，

即達到了補償?shù)哪康?。這種補償原

理被稱為愛彭斯坦光學補償原理，

是通過結(jié)構(gòu)布局隨機補償阿貝誤差

的方法。

3.7絲桿動態(tài)測量儀對環(huán)境變更產(chǎn)生的測量誤差進行補償?shù)南葲Q條件是什么？

1）.如絲杠動態(tài)測量儀，由于溫度的影響，被測絲杠將伸長或縮短，此外，當環(huán)境溫度、氣

壓、濕度偏離標準狀態(tài)時，激光波長也將發(fā)生變更，這些都將帶來測量誤差。因此，可以采

納在激光一路信號中增減脈沖數(shù)的方法來進行補償?shù)姆桨浮Ｔ谘a償時，

①先測出環(huán)境的溫度、氣壓和濕度，

②再計算出每米需累積補償量同，

③再計算每米補償量的脈沖數(shù)E?;I/2）=N|，1m長度內(nèi)的激光脈沖數(shù)為

|M=IXKW75］，則每隔=脈沖，一寸激光一路增減一個脈沖信號。

7.零位比較測量原理與利用儀器指示測量肯定值的方法相比，優(yōu)點是什么？

1）在2和4之間沒有放入具有偏光性質(zhì)的被測物3,則檢偏器輸出的光通量為零；

2）在2和4之間放入被測物3,引起偏振面旋轉(zhuǎn)。使檢偏器有光通量輸出，使指示表的指針偏

離零位。

3）通過讀數(shù)裝置5轉(zhuǎn)動檢偏器直至指示表示值再次為零，此時，檢偏器的轉(zhuǎn)角等于被測物引

起的偏振面轉(zhuǎn)角。

測量方法的誤差分析:當直新調(diào)整使表指示為零時，則必需使被測量與補償量相平

衡。因此它的測量精度僅取決于指零表的零位漂移，而讀數(shù)裝置的非線性誤差及光通量的不

穩(wěn)定對測量精度的影響大大減小

0T

1一平行光光源2—起偏器3—被測物4—檢偏器5—讀數(shù)裝置6—光電檢測

器7—放大器8—指示表

3.9.綜合補償?shù)膬?yōu)點是什么？試舉例說明

綜合補償（最佳調(diào)整原理）的實施

優(yōu)點：綜合補償方法具有簡潔、易行、補償效果好的特點。

涵義：該方法不必探討儀器產(chǎn)生的誤差來自哪個或哪些環(huán)節(jié)，但通過對某個環(huán)節(jié)的調(diào)

整后，便起到了綜合補償?shù)男Ч?/p>

J

1）對菜甫正弦機構(gòu)的儀器誤差進行綜合補償

以杠桿齒輪式測微儀為例來說明：

測微儀的第一級為正弦杠桿放大，放大比為

R/a：第二級放大比為L/r。

但從圖3-30可看出：

被測位移是直線-g*,但傳遞上去的是孤

顯然。爐>s,因此產(chǎn)生原理誤差：

As-=aa>-asing）=a（a>-sin矽

S圖3—29杠桿齒輪式測微儀原理圖

UL

QS

YI

因為:sin<p=§-----H--—

所以:

圖3-an桿桿齒輪涮撇儀的涮桿鈍介記住正弦機構(gòu)產(chǎn)生（正）的誤差

R采用綜合補償法的方法如下：

在刻度盤及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都已經(jīng)確定的情況下，我們采用增長杠桿短臂a的方法

來減小后,即將。調(diào)整為由理論分析可以得知（采用最小二乘法計算），當

調(diào)整。，使公。374%處的原理誤差為零時，達到最佳調(diào)整，這時的最大原理誤

差為&，=1/24卻"即為調(diào)整前的1/4,調(diào)整后的杠桿臂長優(yōu)可由下式求得

,0.374

°=sin（0.874^）

，圖3-31顯示了調(diào)整前后的特性

曲線。其中為調(diào)整前的

-%-0L87FD-OJF.特性曲線,=為調(diào)整后的特

性曲線，…e為刻劃特性曲線。

圖3—31正弦杠桿三條特性曲線

|3.8造型設(shè)計的要點包括哪些

造型設(shè)計是總體設(shè)計中一個重要的問題，造型設(shè)計是與設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、視

覺感受與市場關(guān)系緊密相關(guān)的重要設(shè)計工作。造型設(shè)計也是具有好用功能的設(shè)計，造型中所

采納結(jié)構(gòu)、材料和工藝要符合經(jīng)濟原則。

造型設(shè)計還要使產(chǎn)品的外形、色調(diào)和表面特征符合美學原則，以適應人們的時尚要求,

并從式樣、形態(tài)、風格、氣氛上體現(xiàn)時代的特點。外形輪廓應給人以美的享受，運用戶寵愛

它，使操作者珍愛它，加倍愛護它。

下面主要從造型設(shè)計中如何依據(jù)科學技術(shù)原理和依據(jù)美學原則的兩個方面進行探討。

一、外形設(shè)計

（一）外形比例的選擇

一臺儀器的零部件組合必需勻整諧調(diào)，在尺寸上要符合肯定的比例關(guān)系，這是達到

符合美學原則的前提條件。

（二）外形的均衡與穩(wěn)定

均衡與穩(wěn)定是自然界物體美感的基本規(guī)律，凡是美的形象必定給人以各部分

形體間平衡、安定的視覺感。

（1）均衡，均衡是指儀器的整體各部分輕重對稱，相對和協(xié)。獲得形體均衡

的方法是以支承面的中點為對稱軸線，使形體兩邊的重量矩大致相等。并以圖

形、色調(diào)等視覺重量感來彌補實際較輕的一邊。從而取得較好的視覺平衡，產(chǎn)

生最強的靜態(tài)美、條理美，但又產(chǎn)生心理上的莊重、肅穆的感覺。

（2）穩(wěn)定，對一臺儀器而言，其下部分應大而重，而上面的部分小而輕，從

而使儀器自身重心較低，也給人以穩(wěn)定感。除此之外，還有利用色調(diào)對比的方

法，增加下部色調(diào)的濃度，以達到增加下部重量感的效果。

（三）外形的風格

在藝術(shù)造型中，統(tǒng)一與差別，整體和特性是辯證的統(tǒng)一。在外形設(shè)計中，要

充分考慮到各零部件的功能和結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一性和差別的因素。

（四）外形形體的過渡

（五）表面裝飾處理

二、人機工程

所謂人機工程是指所設(shè)計的儀器設(shè)備要達到機器一人一環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使儀器設(shè)備

適合人的生理和心理要求，從而達到工作環(huán)境舒適平安、操作精確、省力、輕巧，減輕了勞動

強度，提高了工作效率的目的。人機工程包括以下幾方面：

（1）人體尺度在儀器總體設(shè)計時，應考慮操作人員的身高、體重等與人體有關(guān)的數(shù)

據(jù)，以便達到上述要求。

（2）視角要求儀器設(shè)備的顯示和讀數(shù)部件對人的視覺影響最大。

（3）作用力要求作用力要求指人在操作時，需運用的作用力的大個和作用點相對于操作

者的位置。對于精密測控儀器而言，由于操作的對象是按鈕，按動按鈕無需很大的作用力，

因此，按鈕的位置需按視角要求的位置和操作者簡潔達到的位置來設(shè)計。

（4）工作環(huán)境和平安設(shè)計工作環(huán)境應最大限度地減小噪音，工作的時序、操作的難易、

故障的解除應有利于減輕操作者的精神驚慌狀況，盡量減輕人的體力和腦力消耗;在設(shè)計時,

應有干脆平安技術(shù)措施和間接平安技術(shù)措施。

4.1、何謂導向精度？導軌設(shè)計有哪些要求？舉出四種導軌組合，并說明其特點。

導向精度動導軌運動軌跡的精確度，直線度。

1）導軌的幾何精度一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）接觸精度一指動靜導軌之間的微觀不平度，它將影響導軌的接觸變形。因此要求接觸積

大于80%。為此，要有粗糙度指標。對滑動摩擦導軌、動導軌（=0.2-0.8〃?。混o導

軌=0.1—0.4對滾動摩擦導軌Ra<0.2pm

3）事實上因?qū)к壱鸬恼`差是很困難的。以單軸方向?qū)к墳槔浩浯嬖谂[（Raw）誤差、

俯仰（Pitch）誤差和偏轉(zhuǎn)（Roll）誤差，此外還有兩維平行度（Straightness）誤差、線性（Linear）

誤差。

1）滑動摩擦導軌兩導軌面間干脆接觸形成滑動摩擦。

2）滾動導軌動靜導軌面間有滾動體，形成滾動摩擦。

3）靜壓導軌兩導軌面間有壓力油或壓縮空氣，由靜壓力使動導軌浮起形成

液體或氣體摩擦。

4）彈性摩擦導軌利用材料彈性變形，使運動件做精密微小位移。這種導軌

僅有彈性材料內(nèi)分子間的內(nèi)摩擦。

|4?2、基座與支承件的基本要求是筋-

1）支承件的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要求

基座立柱結(jié)構(gòu)尺寸較大，結(jié)構(gòu)比較困難，要承受外載荷及其變更，受熱變形影響較大。

A要具有足夠的剛度，力變形要小B穩(wěn)定性好，內(nèi)應力變形小C熱變形要小D良好的

抗振性

相應措施

A剛度設(shè)計常采納的方法有模擬試驗法（仿真試驗）、量綱分析法和有限元分析法。有限元

分析已有成熟的分析軟件可借用。采納正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是保證支承件剛度的重要手段。

B對鑄造的基座和立柱要進行時效處理，以消退內(nèi)應力，削減應力變形。時效處理的方法有

兩種，即自然時效和人工時效。

C嚴格限制工作環(huán)境溫度，限制儀器內(nèi)的熱源，實行溫度補償措施

D在滿意剛性要求狀況下，盡量減輕重量，以提高固有頻率，防止共振；如合理地選擇截面

形態(tài)和尺寸，合理地布置肋板或隔板以提高靜剛度；減小內(nèi)部振源的振動影響，如采納氣體、

液體靜壓導軌或軸系；對驅(qū)動電動機的振動加隔離措施；對運動件進行充分潤滑以增加阻尼

等；采納減振或隔振設(shè)計，如彈簧隔振、橡膠隔振、氣墊隔振等。

2）支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容

剛度設(shè)計

1）有限元分析法：此分析法是一種將數(shù)學、力學與計算機技術(shù)相結(jié)合的對支承件剛度和動

特性進行分析的一種方法；

2）仿真分析法：對結(jié)構(gòu)形態(tài)困難的支承件，可采納模型仿真，雖然花費些物力和時間，但

得出的結(jié)果與實際比較接近。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）正確選擇截面形態(tài)與外形結(jié)構(gòu)：構(gòu)件受壓時變形量與截面積大小有關(guān)；受彎、扭時，變

形量與截面形態(tài)有關(guān)。參閱表4-1橫截面積相同時不同斷面形態(tài)慣性矩的比較進行設(shè)計

2）合理地選擇和布置加強肋，以增加剛度，參閱表4-1-1所示各種肋條（板）的形態(tài)及其優(yōu)缺

點3）正確的結(jié)構(gòu)布局，減小力變形4）良好的結(jié)構(gòu)工藝性，減小應力變形5）合理地選擇

材料通常要求基座及支承件的材料具有較高的強度和剛度、耐磨性以及良好的鑄造、焊接

以及機械加工的工藝性參閱表4-1-2支承件常用材料性能及改善措施6）基座與支承件的壁

厚、肋板、肋條厚度設(shè)計可參閱表4-2

4.3、什么是主軸的回轉(zhuǎn)精度？主軸系統(tǒng)設(shè)計的基本要求是什么？

主軸回轉(zhuǎn)精度

包括：徑向、軸向、傾角、端面誤差運動。

①徑向誤差運動一包括傾角運動和純徑向運動之和。

②徑向跳動一包括徑向誤差運動及偏心和圓度誤差

③端面誤差運動一軸向誤差運動

④端面跳動--端面誤差運動及端面與軸線的垂直度、平行度。

主軸回轉(zhuǎn)精度定義：指旋轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)軸線相對于其軸線平均線的位置變動。

基本要求

A主軸回轉(zhuǎn)精度

造成回轉(zhuǎn)誤差的緣由

是主軸和軸承的尺寸誤差、形態(tài)誤差、裝配誤差及剛度、潤滑、阻尼等因素綜合作用的

結(jié)果。

B主軸剛度

提高主軸剛度的措施：

①加大主軸直徑，但導致機構(gòu)尺寸加大。一般D取錐孔大端直徑的1.5—2倍

②合理選擇支撐跨距

③縮短主軸懸伸長度a/10=1/2—1/4

④提高軸承剛度

C主軸系統(tǒng)振動

引起緣由：傳動軸與主軸連接方式不好；主軸上的零部件不平衡。因此，不能采納剛性連接

的方法。一般采納彈性元件連接，以力偶的方式傳遞

D主軸系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性

減小力變形主軸設(shè)計應形態(tài)簡潔，避開產(chǎn)生應力變形。主軸上的緊固件盡量少，以減小夾

緊應力產(chǎn)生變形。必要時應設(shè)計有凸肩。

E壽命

4.4、提高主軸系統(tǒng)的剛度有幾種方法？

①加大主軸直徑，但導致機構(gòu)尺寸加大。一般D取錐孔大端直徑的L5—2倍

②合理選擇支撐跨距

③縮短主軸懸伸長度a/10=1/2—1/4

④提高軸承剛度

4.5、密珠軸系有何特點？

1.密珠軸承軸系的特點及結(jié)構(gòu)密集的滾珠近似于多頭螺旋排列，每個滾珠公轉(zhuǎn)時有自

己滾道，

互不重復。滾珠裝配時過盈，相當于預加載荷，起到消退間隙，減小幾何形態(tài)誤差。這種軸

系成本

低，運用便利，壽命長，精度高，但承載實力不大。

2.密珠軸承設(shè)計要點

滾珠的密集度：適當提高滾珠密集度，即增加滾珠數(shù)量，可以使主軸的“飄移”有所改善，所

以，提高滾珠的密集度是有好處的。但過多的增加不僅使結(jié)構(gòu)尺寸增大，而且摩擦力矩隨之

增大，影響主軸運動的敏捷性。一般依據(jù)受力狀況按公式（4-47）、式（4-50）計算，再考

慮結(jié)構(gòu)的可能性和過盈量確定滾球數(shù)量。

滾珠的排列方式：排列方式必需滿意每個滾珠的滾道互不重疊，并在直徑方向上滾珠的配置

成對稱的原則。

過盈量的確定過盈量能補償軸承零件的加工誤差，提高軸系的回轉(zhuǎn)精度和剛度。過盈量過小

則不能消退軸承間隙，回轉(zhuǎn)精度和剛度均下降；過盈量太大，則摩擦力矩增大，軸系轉(zhuǎn)動的

敏捷性降低，主軸、軸套、滾珠的磨損加快，還簡潔引起軸、套和滾珠的塑性變形，破壞原

有幾何形態(tài)的正確性，同樣會引起回轉(zhuǎn)精度下降。

4.6、液體動壓滑動軸系獲得液體摩擦的條件是什么？運用時應留意什么？

動壓軸承獲得油動壓的條件是：

1）在結(jié)構(gòu)上，軸承必需有斜楔。主軸只有向斜楔減小方向轉(zhuǎn)動時，才會產(chǎn)生油動壓，

若主軸轉(zhuǎn)動速度高，則油膜加厚。因此為保證主軸有高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)速應勻整。不允許向

斜楔增大方向轉(zhuǎn)動，這時沒有油動壓，主軸與軸承剛性接觸，而產(chǎn)生磨損。

2）軸系在轉(zhuǎn)動之前必需加有肯定粘度的潤滑油，進行充分潤滑。潤滑油不能隨意代替,

必需用圓度儀主軸專用油。

4.7、氣體靜壓導軌有哪些類型？各有何特點？

閉式平面導軌型導軌精度高，剛性大，承載實力也大，最適于作精密機械的長行程導軌。

經(jīng)過研磨，使導軌面的精度和導軌與工作臺之間的間隙達到所須要的數(shù)值。

閉式圓柱或矩形導軌型結(jié)構(gòu)簡潔，零件的精度可由機械加工保證。隨著工作臺的移動，導

向圓軸可能產(chǎn)生撓度，故不適用做長導軌，可用于高精度、高穩(wěn)定性的短行程工作臺的導軌。

開式重量平衡型這是工作臺重量（包括負載）與空氣靜壓相平衡保持肯定間隙的一種形式,

其結(jié)構(gòu)簡潔、零件加工也比較簡潔。但剛度小，承載實力低，可用于負載變動小的精密儀器

和測量儀器。

開式真空吸附平衡型其結(jié)構(gòu)與重量平衡型相同。由真空泵的真空壓力來限制工作臺的浮起

量，因此，可以削減工作臺浮起間隙量，甚至可以削減到lum,故可提高剛度。常在微細

加工設(shè)備中應用。如250CC型圖形發(fā)生器X向?qū)к墸褪怯脷鈮|中心真空吸附加載的，在

氣墊外環(huán)有氣浮平衡以保持間隙。

4.8、什么是微位移技術(shù)？柔性銳鏈有何特點？

微位移技術(shù)是一行程小、辨別力和精度都很高的技術(shù)，其精度要達到亞微米和納米級。通常

把應用微位移技術(shù)的系統(tǒng)稱為微系統(tǒng)，它由微位移機構(gòu)、精密檢測裝置和限制裝置三部分組

成。

柔性較鏈用于繞軸作困難運動的有限角位移，它的特點是：無機械摩擦、無間隙、運動靈敏

度高。利用柔性較鏈原理研制的角度微調(diào)裝置，在3'的角度范圍內(nèi)，達到了10-7（°）的

穩(wěn)定辨別率。近年來，柔性較鏈又在精密微位移工作臺中得到了好用，并被廣泛地用于陀螺

儀、加速度儀、精密天同等儀器儀表中。柔性較鏈有許多種結(jié)構(gòu)，最一般的形式是繞一個軸

彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。

4.9、采納柔性錢鏈的微動工作臺與其它方案相比有何優(yōu)點？

（一）設(shè)計要求

1）微動工作臺的支承或?qū)к壐睉獰o機械摩擦、無間隙。

2）具有高的位移辨別率及高的定位精度和重復性精度。

3）具有高的兒何精度，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)特性和抗干擾實

力。

5）工作臺最好采納干脆驅(qū)動，即無傳動環(huán)節(jié)，這不僅剛性好，固有頻率高，而且削減

了誤差環(huán)節(jié)。

6）系統(tǒng)響應速度要快，便于限制。

（二）精密微動工作臺設(shè)計中的幾個問題

（1）導軌形式的選擇在微動工作臺微位移范圍內(nèi)，要求工作臺有較高的位移辨別率,

又要求響應特性好。因此要求導軌副導向精度高。

▼滑動摩擦導軌摩擦力不是常數(shù)，動、靜摩擦系數(shù)差較大，有爬行現(xiàn)象，運動勻整性不好。

▼滾動摩擦導軌雖然摩擦力較小，但由于滾動體的尺寸一樣性誤差、滾動體與導軌的形

態(tài)誤差會使?jié)L動體與導軌面間產(chǎn)生相對滑動，使摩擦力在較大范圍內(nèi)變動，即動、靜摩擦力

也有肯定差別，也有爬行現(xiàn)象產(chǎn)生，但運動敏捷性好于滑動導軌。

▼彈性導軌，包括平行片簧導軌和柔性支承導軌，它們無機械摩擦，無磨損，動、靜摩

擦系數(shù)差很小，幾乎無爬行，又無間隙，不發(fā)熱，可達到很高的辨別率，是高精度微動工作

臺常用的導軌形式，但它們行程小，只適合用于微位移。

▼空氣靜壓導軌，這種導軌導向精度高，無機械摩擦、無磨損、無爬行，又具有減震作

用，但成本較高。

▼在要求既要大行程，又要高精度微位移狀況下，可采納粗、細位移相結(jié)合的方法。大

行程時用步進電動機以機械減速機構(gòu)推動工作臺在空氣靜壓導軌上運動，而微位移時用壓電

器件推動工作臺以彈性導軌導向運動。

（2）微動工作臺的驅(qū)動微工作臺的驅(qū)動可采納如下方法：

▼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、楔塊傳動、摩擦傳

動）相結(jié)合，這是一種常規(guī)方法，但結(jié)構(gòu)困難、體積大、定位精度低于0.1um。適于大行程,

中等精度微位移場合。

▼電熱式和電磁式機構(gòu)較簡潔，但伴隨發(fā)熱，易受電磁干擾，難以達到高精度，一般

為0.1um左右，行程較大，可達數(shù)百微米。

▼壓電和電致伸縮器驅(qū)動不存在發(fā)熱問題，穩(wěn)定性和重復性都很好，辨別力可達納米

級，驅(qū)動工作臺的定位精度可達0.01um。但行程小，一般為幾十微米。

（3）微動工作臺的限制微動工作臺的限制有開環(huán)限制和閉環(huán)限制，并配有適當?shù)恼`差校

正和速度校正系統(tǒng)。對于閉環(huán)限制還要有精密檢測裝置。用微機進行限制具有速度快、精確、

敏捷、便于實現(xiàn)精密微工作臺與整機的統(tǒng)一限制等優(yōu)點，是目前發(fā)展的主要方向。

4.10、微驅(qū)動技術(shù)有哪些方法？

一.壓電及電致伸縮器件壓電器件和電致伸縮器件是近年來發(fā)展起來的新型微位移器件，

它結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，位移辨別力高，限制簡潔，不發(fā)熱，抗干擾性強，因而是志向的微位

移器件，辨別力可達至IJ0.001um,定位精度可達到正負0。1um

二.在微位移器件中壓電及電致伸縮器是應用逆壓電效應或電致伸縮效應工作的

壓電微位移器件是用逆壓電效應工作的，廣泛用于激光穩(wěn)頻、精密微動及進給等。對壓電器

件要求其具有壓電靈敏度高、行程大、線性好、穩(wěn)定性好和重復性好等。

電磁驅(qū)動器是用電磁力來驅(qū)動微工作臺。微工作臺可用平行片簧導軌導向，也可用金屬絲懸

掛導向。原理見圖4-96o通過變更電磁鐵線圈的電流來限制電磁鐵的吸引力，克服彈簧的

作用力，達到限制工作臺微位移的目的。電磁微驅(qū)動器方法簡潔，驅(qū)動范圍大，但線圈通電

流后易發(fā)熱，易受電磁干擾。

4.11、試述壓電效應和電致伸縮效應在機理上有何不同？

簡潔說壓電效應分正壓電效應（順壓電效應）和逆壓電效應（電致收縮效應）。前者是機械

能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，后者是電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。

詳細說：當某些物質(zhì)沿其某方向被施加壓力或拉力時，會發(fā)生變形，此時這種材料的兩個

表面將產(chǎn)生符號相反的電荷；當去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫壓電效

應。有時，也把這種機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱為正壓電效應或順壓電效應。反之，在某些

物質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)朝氣械變形，當去掉外加電場后，該物質(zhì)的變形隨之消

逝，這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應或電致收縮效應。

4.12、試總結(jié)各種微位移機構(gòu)的原理及特點。

1、柔性支承一壓電器件驅(qū)動的微位移機構(gòu)這種機構(gòu)是一種新型微位移機構(gòu)，微移動工作臺

被安裝在柔性支承上；壓電元件在電壓驅(qū)動下可精密伸長與縮短，并推動柔性支承與工作臺

一起位移。由于柔性支承無間隙、無摩擦、不發(fā)熱，而壓電驅(qū)動精度高、無噪聲、不受溫度

和電磁場影響、體積小、不老化，因而很簡潔實現(xiàn)0.1?0.001Um的微位移。

2、平行片簧導軌一電壓器件驅(qū)動的微位移機構(gòu)微工作臺由平行片簧導向，壓電器件驅(qū)動,

無間隙，無摩擦。微位移時片簧產(chǎn)生的彈性變形，即為工作臺的微位移。這種微位移機構(gòu)可

以達到0.01um的位移辨別力，方法簡便，精度高，是常用的微位移機構(gòu)。

3、滾動導軌一壓電器件驅(qū)動滾動導軌是精密儀器中常用的導軌形式，它具有運動敏捷、

行程大、結(jié)構(gòu)較簡潔、精度較高等優(yōu)點。用壓電器件驅(qū)動，可以得到高的位移辨別力。這種

組合的微動工作臺，易于實現(xiàn)大行程及微位移的結(jié)合。

4、平行片簧導軌一步進電機及機械式位移縮小機構(gòu)驅(qū)動微位移機構(gòu)用平行片簧導軌，驅(qū)

動采納步進電機，為獲得微位移，需將步進電機的輸出用機械式位移機構(gòu)縮小，如用精密螺

旋傳動、彈性傳動、齒輪傳動、楔塊傳動等。

5、平行彈簧導軌一電磁位移器驅(qū)動為克服絲杠螺母機構(gòu)的摩擦和間隙，可采納電磁驅(qū)動

的彈簧導軌微動工作臺，其原理見圖4-92。微動工作臺用平行片簧導向，在工作臺端部固

定著強磁體，如坡莫合金制成的小片，與坡莫合金小片相隔適當?shù)拈g隙裝有電磁鐵，通過電

磁鐵的吸力與上述平行片簧導軌的反力平衡，進行移動工作臺的定位。

6、氣浮導軌一步進電機及摩擦傳動彈性導軌是為解決高辨別力而采納的，但行程小。為

解決大行程和亞微米辨別力的沖突，可采納氣浮導軌。氣浮導軌精度高，極靈敏，無摩擦,

無磨損，運動平穩(wěn)。摩擦傳動無振動，運動平穩(wěn)，縮小比大，定位精度可達±0.1um。圖

4-93是用于分步重復照相機上的氣浮導軌一步進電機及摩擦傳動工作臺。

7、二維X-y雙向微位移工作臺由于常用的壓電和電致伸縮傳感器本身的最大伸長量為8?

25um,不能滿意寬范圍微位移工作臺的要求，故常采納?級或兩級杠桿放大機構(gòu)，以達到

寬范圍的位移。

X、y雙向微位移部分，相互垂直地設(shè)計在同一整體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)，其中X向微位移部分，

剛性地嵌套在y向微位移部分工作臺之內(nèi)，即內(nèi)層為X向工作臺，外層為y向工作臺。通

過二級杠桿放大機構(gòu)驅(qū)動，可以實現(xiàn)無爬行、無蠕動、無轉(zhuǎn)角的大范圍移動。

測控電路一般由哪幾部分組成？各有什么作甬亍

1.測量電路

測量電路是信息流的輸入通道，其作用是將傳感器輸出的測量信號進行調(diào)理、轉(zhuǎn)換、

或者運算等。

測量電路包含的電路類型眾多，例如各種放大電路、調(diào)制解調(diào)電路、濾波電路、阻抗

變換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)電路、頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路、傅立葉變換電路、

量程自動切換電路、非線性補償電路、溫度補償電路、運算電路等等。

2.限制電路

限制電路是信息流的輸出通道，其作用是依據(jù)中心處理系統(tǒng)發(fā)出的吩咐，對被控參數(shù)

實行限制。

限制電路也包含多種電路，例如各種電壓放大電路、電流放大電路、功率放大路、驅(qū)

動與隔離電路、數(shù)字模擬(D/A)轉(zhuǎn)換電路、電壓?電流轉(zhuǎn)換電路、遙控電路等。

3.中心處理系統(tǒng)

中心處理系統(tǒng)同時連接著測量電路和限制電路，即連接著信息流的輸入通道和輸出通

道，因此它是整個電路與軟件系統(tǒng)的中心，同時也是整個測控儀器的神經(jīng)中樞。

多數(shù)的中心處理系統(tǒng)一般都采納計算機。小型的測控儀器常采納單片機(MPU)、微處

理器(UP)、可編程邏輯限制器(PLC)、數(shù)字信號處理(DSP)芯片，并配以相應的外圍電路，

組成便攜式測控儀器和工業(yè)過程限制儀器。

4.電源

上述的測量電路、限制電路和中心處理系統(tǒng)在硬件形式上均為電路系統(tǒng)，因此電源是

必不行缺的重要環(huán)節(jié)。電源的主要作用包括：①為整個電路系統(tǒng)各單元供應必要的能量，②

為各個電路單元供應電平基準，③為測量信號和限制信號供應參考電同等等。

5.軟件系統(tǒng)

在基于計算機或各種微處理器構(gòu)建的中心處理系統(tǒng)中，必需配以軟件系統(tǒng)才能正常工

作，否則系統(tǒng)將成為“裸機”。

軟件系統(tǒng)對于完成各種信息處理、提高系統(tǒng)的自動化和智能化水平、提升系統(tǒng)性能和

牢靠性、共享測量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)之間相互通訊和聯(lián)絡(luò)等具有干脆的作用，同時它也是提高測

控儀器附加值的重要手段之一。

影響測控電路精度的因素有那些？各有什么詢-

信噪比：衡量系統(tǒng)抗干擾實力的技術(shù)指標，以有用信號強度與噪音信號強度之間的比率來表

示，稱其為信號噪聲比，簡稱信噪比(Signal/Noise),通常以S/N表示，單位為分貝(dB)

辨別力：對于數(shù)字式儀器辨別力是指儀器顯示的最末一位數(shù)字間隔代表的被測量值。對模擬

式儀器，辨別力就是分度值。

線性度：測控系統(tǒng)的實際靜態(tài)特性輸出是一條曲線而并非是一條直線。

靈敏度：在穩(wěn)態(tài)工作狀況下輸出量變更ay對輸入量變更△x的比值。它是輸出一輸入特

性曲線的斜率。

量化誤差：當輸入量的變更小于數(shù)字電路的一個最小數(shù)字所對應的被測量值時，數(shù)字系統(tǒng)將

沒有變更，這一誤差稱為量化誤差。

穩(wěn)定性（漂移）一般分為時間穩(wěn)定性（時間漂移）和溫度穩(wěn)定性（溫度漂移）兩種。時間穩(wěn)

定性是指測控系統(tǒng)在不同時間段內(nèi)特性的檢定程度。

頻率特性：在動態(tài)測試狀況下，輸出信號幅度和相位隨輸入信號的頻率變更而變更的特性，

即幅頻和相頻特性。

輸入與輸出阻抗

對于模擬式限制電路，抗干擾實力差將導致限制精確性的降低；而對于數(shù)字式限制電路,

抗干擾實力低將有可能產(chǎn)生誤動作，從而帶來破壞性的后果。

其影響包括：①非線性的標尺和刻度盤難于制作；②在系統(tǒng)換檔時須要重新標定；③測

試數(shù)據(jù)記錄簡潔失真；④當進行模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換時不易保證精度；⑤當進行反饋限制時，

限制方法和算法不易實現(xiàn)等。提高靈敏度，可以提高信噪比和辨別力，從而得到較高的測量

精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。

選用不同的傳感器、電子元器件以及電路原理，可對信噪比有較大的改進①選擇適當?shù)臏y量

電路形式，選取合適的測量段，可以顯著減小非線性誤差。②可以通過適當設(shè)計或增加補償

和校正環(huán)節(jié)，降低非線性誤差。靈敏度與系統(tǒng)的量程及辨別力是相互關(guān)聯(lián)的指標，須要統(tǒng)籌

考慮

[5-3]傳感器輸出模擬信號時，測量電路一般由哪幾部分構(gòu)成？試舉例說明

對于輸出模擬信號的傳感器而言〔如圖5-2所示），放大電路和濾波電路般是必需的。對

于須要溝通激勵信號的傳感器而言，還需振蕩器和調(diào)制解調(diào)器。許多測控場合還需運算電路,

來實現(xiàn)一些簡潔的運算和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。對于采納計算機和微處理器的場合，常常還需模數(shù)

轉(zhuǎn)換電路。

中

模

3央

數(shù)

算

傳放處

轉(zhuǎn)

理

感大電

換

器器