测控仪器设计复习题.docx

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测控仪器设计复习题

第二章 

误差特性：

客观存在性、不确定性、未知性。

分类：

按误差的数学特征 ：

随机误差、系统误差、粗大误差； 

按被测参数的时间特性 ：

静态参数误差、动态参数误差；  按误差间的关系 ：

独立误差：

相关系数为“零”、非独立误差：

相关系数非“零”。

 来源：

设计、生产、使用，生产中误差有原理误差、制造误差、运行误差。

原理误差：

近似数据处理方法、机械结构、测量与控制电路 

（1）采用近似的理论和原理进行设计是为了简化设计、简化制造工艺、简化算法和降低成本 。

（2）原理误差属于系统误差，使仪器的准确度下降，应该设法减小或消除。

（3）减小的方法：

• 采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算 。

• 研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。

• 采用误差补偿措施 。

制造误差：

产生于制造、支配以及调整中的不完善所引起的误差。

 主要由仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。

运行误差：

仪器在使用过程中所产生的误差。

如力变形误差、磨损和间隙造成的误差，温度变形引起的误差，材料的内摩擦所引起的弹性滞后和弹性后效，以及振动和干扰等 。

仪器误差分析   

目的：

正确地选择仪器设计方案； 合理地确定结构和技术参数； 为设置误差补偿环节提供依据。

任务：

寻找影响仪器精度的误差根源及其规律； 计算误差及其对仪器总精度的影响程度；

 过程：

 寻找仪器源误差 ：

分析计算局部误差  是各个源误差对仪器精度的影响，这种影响可以用误差影响系数与该源误差的乘积来表示；

精度综合          根据各个源误差对仪器精度影响估计仪器的总误差，并判断仪器总误差是否满足精度设计所要求的数值。

如果满足，则表明精度设计成功；否则，对精度分配方案进行适当调整或改变设计方案或结构后，重新进行精度综合。

 误差独立作用原理：

 除仪器输入以外，另有影响仪器输出的因素 ，假设某一因素的变动（源误差）使仪器产生一个附加输出，称为局部误差。

     影响系数是仪器结构和特征参数的函数；一个源误差只产生一个局部误差，而与其它源误差无关；仪器总误差是局部误差的综合。

分析方法：

微分法、几何法、作用线与瞬时臂法、数学逼近法、控制系统的误差分析法。

其它方法：

逐步投影法、矢量代数法、球面三角法 

几何法的优点是简单、直观，适合于求解机构中未能列入作用方程的源误差所引起的局部误差，但在应用于分析复杂机构运行误差时较为困难       基于机构传递位移的机理来研究源误差在机构传递位移的过程中如何传递到输出。

因此，作用线与瞬时臂法首先要研究的是机构传递位移的规律。

第三章

测控仪器总体设计，是指在进行仪器具体设计以前，从仪器自身的功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。

 要考虑的主要问题有：

1.设计任务分析 2.创新性构思  3.测控仪器若干设计原则的考虑 4.测控仪器若干设计原理的斟酌 5.测控仪器工作原理的选择和系统设计 6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定 

7.仪器总体的造型规划      

 仪器总体设计的最终评估，是以其所能达到的经济指标与技术指标来衡量，精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题。

设计任务分析 

了解被测控参数的特点    1）了解精度、数值范围（一维、二维、量值范围）、量值性质（单值、多值）、测量状态（动态、静态）等要求； 2） 按国家标准严格的定义确定仪器工作原理 

了解测控参数载体的特点      机械与光学载体居多。

要考虑载体的大小、形状、材料、重量、状态等 

了解仪器的功能要求  是静态还是动态、开环还是闭环、一维还是多维、单一参数还是复合参数、检测效率、测量范围、承载能力、操作方式、     显示方式、自动诊断、自动保护等。

了解仪器的使用条件  室内还是室外、在线还是脱机、间断还是连续、环境状况。

了解国内外同类产品的原理和技术水平  

了解国内加工工艺水平及关键元器件的销售情况 

六项设计原则：

阿贝（Abbe）原则及其扩展   变形最小原则及减小变形影响的措施    测量链最短原则 坐标系统一原则          精度匹配原则               经济原则 

阿贝原则   定义：

为使量仪能给出正确的测量结果,必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上。

或者说，被测零件的尺寸线和仪器的基准线（刻线尺）应顺序排成一条直线。

 但在实际的设计工作中，有些情况不能保证阿贝原则的实施，其原因有二：

1）遵守阿贝原则一般造成仪器外廓尺寸过大，特别是对线值测量范围大的仪器，情况更为严重。

2）多自由度测量仪器，如图3-3所示的三坐标测量机，或其它有线值测量系统的仪器。

很难作到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原则。

许多线值测量系统的仪器，很难做到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原则。

变形最小原则定义：

应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因受温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化。

1．减小力变形影响的技术措施：

一米激光测长机底座变形的补偿、光电光波比长仪消除力变形的结构布局

2． 减小热变形影响的技术措施 

1、用恒温条件，以减小温度变化量   ； ②选择合适的材料，以减小线膨胀的影响，或选用线胀系数相反的材料在某些敏感环节上进行补偿； ③采用补偿法补偿温度变化的影响 

测量链最短原则  定义：

仪器中直接感受标准量和被测量的有关元件，如被测件、标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链 

在精密测量仪器中，根据各环节对仪器精度影响程度的不同，可将仪器中的结构环节区分为测量链、放大指示链和辅助链三类。

 测量链的误差对仪器精度的影响最大，一般都是1:

1影响测量结果。

因此，对测量链各环节的精度要求应最高。

因此测量链最短原则显然指一台仪器中测量链环节的构件数目应最少，即测量链应最短。

因此，测量链最短原则作为一条设计原则要求设计者予以遵守。

 以上设计原则，一般都是从某台仪器总体出发考虑的。

而坐标系统一原则,则是对仪器群体之间的位置关系,相互依赖关系来说的,或主要是针对仪器中的零件设计及部件装配要求来说的。

坐标系统一原则    

对零部件设计来说，这条原则是指：

在设计零件时，应该使零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致起来，符合这个原则，才能使工艺上或测量上能够较经济地获得规定的精度要求而避免附加的误差。

对仪器群体之间（主系统与子系统之间）的位置关系,相互依赖关系来说, 这条原则是指：

在设计某台仪器或其中的组成部件时，应考虑到该仪器或该部件的坐标系统在主坐标系统中的转换关系与实现转换的方法 

精度匹配原则  定义：

在对仪器进行精度分析的基础上，根据仪器中各部分各环节对仪器精度影响程度的不同，分别对各部分各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配。

经济原则   经济原则是一切工作都要遵守的一条基本而重要的原则。

经济原则反映到测控仪器的设计之中，可从以下几方面来考虑：

1）工艺性。

          选择正确的加工工艺和装配工艺，从而达到节省工时，节约能源，不但易于组织生产，而且降低管理费用。

 2）合理的精度要求。

  精度的高低，决定了成本的高低。

因此各环节则应根据不同的要求分配不同的精度。

3）合理选材。

        合理选材是仪器设计中的重要环节之一，从减小磨损、减小热变形、减小力变形、提高刚度及满足许多物理性能上来说，都离不开材料性能。

而材料的成本又差价很大，因此合理选材是至关重要的一条。

4）合理的调整环节。

  设计合理的调整环节，往往可以降低仪器零部件的精度要求，达到降低仪器成本的目的。

5）提高仪器寿命。

    为提高仪器寿命要对电气元件进行老化和筛选；对机械零部件中的易损系统采用更合理的结构型式。

虽然这两方面的改进会使成本增加，但如果仪器寿命延长一倍，等于使仪器价格降低了一半。

测控仪器设计原理：

平均读数原理、比较测量原理、补偿原理 

平均读数原理：

在计量学中，利用多次读数取其平均值，能够提高读数精度。

比较测量原理 

（一）位移量同步比较测量原理    定义：

对复合参数进行测量的近代方法是先分别用激光装置或光栅装置等测出它们各自的位移量，然后再根据它们之间存在的特定关系由计算机系统直接进行运算比较而实现测量。

位移量同步比较原理主要应用于复合参数的测量：

渐开线齿形误差，齿轮切向综合误差，螺旋线误差，凸轮型面误差的测量 

特点：

这类复合参数一般都是由线位移和角位移，或角位移和角位移以一定关系作相互运动而成。

它们的测量过程，实际上是相应的位移量之间的同步比较过程，故在设计这类参数的测量仪器中，形成了一种位移量同步比较的测量原理。

这一原理的特点是符合按被测参数定义进行测量的基本原则。

（二）差动比较测量原理 

1．电学量差动比较测量      电学量差动比较测量可以大大减小共模信号的影响，从而可以提高测量精度和灵敏度，并可以改善仪器的线性度。

 2．光学量差动比较测量      降低共模信号的影响，还可消除杂散光的干扰。

（三）零位比较测量原理 补偿原理    补偿原理是仪器设计中一条内容广泛而意义重大的设计原理。

如果在设计中，采用包括补偿、调整、校正环节等技术措施，则往往能在提高仪器精度和改善仪器性能方面收到良好的效果。

补偿原理的核心包括：

1．补偿环节的选择     为了取得比较明显的补偿效果，补偿环节应选择在仪器结构、工艺、精度上的薄弱环节，对环境条件及外界干扰敏感的环节上。

 2．补偿方法的确定     有光电方法、软件方法、电学方法、标准器比较的方法等。

3．补偿要求的分析      根据不同的补偿对象，有不同的补偿要求：

      例如，对于导轨直线度偏差的补偿，必须要对整个行程范围进行连续逐点的补偿；而对仪器示值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间选几点，达到选定的特征点保证仪器示值精确即可。

4.综合补偿（最佳调整原理）的实施      

优点：

综合补偿方法具有简单、易行、补偿效果好的特点。

      涵义：

该方法不必研究仪器产生的误差来自哪个或哪些环节，但通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果。

 检测系统工作原理的选择和系统功能的设计是总体考虑时首先遇到的一个问题。

检测系统是一台设备的重要组成部分，它相当于人体智能系统的五官，五官获取外界信号, 大脑相当于设备的控制系统，四肢相当于设备的执行机构,因此，一台完整的设备能否按设计要求完成预定的任务，首先取决于检测系统的精度和可靠性。

检测系统的设计包括:

传感器的选择与设计、标准量及其细分方法的应用、数据处理与显示装置的选取等三大部分。

  测控仪器结构参数及技术指标的数值是根据仪器的功能、测量范围、精度要求、分辩力要求、误差补偿要求、使用要求和条件，以及有关标准规定等许多因素来确定的。

一、从精度要求出发来确定仪器参数——光学灵敏杠杆的杠杆比的确定 

二、从测量范围要求出发确定仪器参数——小模数渐开线齿形误差检查仪的结构参数的确定

 三、从误差补偿要求来确定参数——电容压力传感器的结构参数确定 

四、从仪器精度和分辩力要求出发确定仪器参数——光栅式刀具预调仪电子细分参数与视觉系统结构参数的选择。

第四章

在测控仪器中，精密机械系统对保证仪器的测量精度、定位精度和运动精度起着关键的作用。

仪器中的支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。

导轨由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成，分为滑动摩擦导轨、滚动导轨、静压导轨和弹性摩擦导轨。

主轴刚度K=F/y    Kθ=M/θ（a—为主轴悬伸长度 ，l—支撑跨距  y1—轴承为刚体，主轴为变形体 ，y2—主轴为刚体，轴承为变形体 ，y—总挠度） 

提高主轴刚度的措施：

1大主轴直径，但导致机构尺寸加大。

一般D取锥孔大端直径的—2倍    

2合理选择支撑跨距 

3缩短主轴悬伸长度a / l0=1/2—1/4                                        

4提高轴承刚度

主轴系统的热稳定性    滚动摩擦轴系优于滑动轴系    合理选择推力支撑位置 减小热源的影响 

a.推力支撑位置在后径向轴承的两侧。

受热后主轴向前伸长，影响轴向精度。

b. 推力支撑位置在前后径向轴承的外侧，装配方便，受热伸长会影响轴向间隙。

c. 推力支撑位置在前径向轴承的两侧，避免了主轴受热向前伸长，刚性较高，但主轴悬伸部分增加。

d. 推力支撑位置在前径向轴承的内侧，是较好的布置。

液体静压轴承轴系是由压力油将轴系浮起进行工作的轴承。

特点：

1）在液体压力油作用下将主轴浮起，在轴和轴套之间形成油膜，因此形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，转动灵活，消耗功率尘。

2）与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，因此常用于大型或重型仪器上，在机床上应用比较广泛。

3）回转精度较高，可达μm。

由于油液分子的平均作用，使轴系回转精度可高于零件加工精度。

4）抗振性好于气体静压轴承。

5）需要一套高质量的供油系统，由于油温变化后会造成回转中心热漂移，因而还需油温控制系统配套使用。

因此不仅系统复杂化而且成本也较高。

第五章

电路设计要求