测控仪器设计复习.docx

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测控仪器设计复习

第一章测控仪器设计概论

1.测控仪器由哪几部分组成？

各部分功能是什么？

（1）基准部件：

提供测量的标准量。

（2）传感器与感受转换部件：

感受被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号。

（3）放大部件：

提供进一步加工处理和显示的信号。

（4）瞄准部件：

用来确定被测量的位置（或零位）。

（5）信息处理与运算部件：

用于数据加工、处理、运算和校正等

（6）显示部件：

用指针与表盘、记录器、数字显示器、打印机、监视器等将测量结果显示出来。

（7）驱动控制部件：

用来驱动测控系统中的运动部件。

（8）机械结构部件：

用于对被测件、标准器、传感器的定位、支承和运动。

2.写出下列成组名词术语的概念并分清其差异：

分度值与分辨力：

分度值——一个标尺间隔所代表的被测量值。

分辨力——显示装置能有效辨别的最小示值。

示值范围与测量范围：

示值范围——极限示值界限内的一组数。

测量范围——测量仪器误差允许范围内的被测量值。

灵敏度与分辨力：

灵敏度——测量仪器响应（输出）的变化除以对应的激励（输入）的变化。

分辨力——显示装置能有效分辨的最小示值。

仪器的准确度、示值误差、重复性：

仪器的准确度——测量仪器输出接近于真值的响应的能力。

示值误差——测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。

重复性——在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，仪器提供相近示值的能力。

回程误差：

在相同条件下，被测量值不变，计量器具行程方向不同其示值之差的绝对值。

3.测控仪器的发展趋势：

高精度、高可靠性高效率高智能化多维化、多功能化研究新原理的新型仪器介观（纳米）动态测量仪

4.测控仪器的设计程序：

  确定设计任务 分析设计任务，制定设计任务书调查研究，熟悉现有资料总体方案设计技术设计制造样机样机鉴定或验收样机设计定型后进行小批量生产

第二章仪器精度理论

1.按误差的数学特征分类：

随机误差、系统误差、粗大误差

2．精度区分为：

正确度：

测量结果稳定地接近真值的程度

精密度：

结果的一致性或误差的分散性

准确度：

测量结果和真值之间的一致程度

3.误差的来源：

原理误差制造误差运行误差

4、原理误差：

由于在仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所造成。

（只与仪器的设计有关，与制造和使用无关）

减少原理误差的途径：

更精确的原理和计算公式研究误差的规律，采取措施避免原理误差

采用补偿方法

5制造误差由于制造工艺的不完善，各个环节在制造过程中总是会产生许多误差，影响仪器精度（仪器的制造误差不可避免）

减少制造误差的途径：

合理分配和确定公差正确应用设计原理：

如平均原理、补偿原理、阿贝原理等合理选择结构参数 合理的工艺性，基面统一等 设置调整和补偿环节

6．运行误差仪器在使用过程中所产生的误差称为运行误差（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，以及振动和干扰等）

7．误差独立作用原理：

一个源误差仅使仪器产生一个局部误差，局部误差是源误差的线性函数，与其他源误差无关；仪器总误差是局部误差的综合

8.微分法：

若能列出仪器全部或局部作用原理方程，且当源误差为各特性或结构参数误差时，可使用对作用原理方程求全微分的方法求得各源误差对仪器精度的影响。

优点：

简单、快速

不足：

对于不能列入仪器作用方程的源误差，不能用微分法求解其对仪器精度产生的影响，例如仪器中经常遇到的测杆间隙、度盘的安装偏心等

特点：

简单、快速必须要求有作用方程

9．几何法利用源误差与其局部误差之间的几何关系，分析计算源误差对仪器精度的影响

具体步骤是：

画出机构某一瞬时的作用原理图

按比例放大地画出源误差与局部误差之间的关系

依据其中的几何关系写出局部误差表达式

将源误差代入，求出局部误差大小

10、作用线和瞬时臂法：

前两种方法是直接研究源误差与局部误差之间的关系本方法研究源误差如何随着机构传递位移逐步传递到仪器示值上

一般公式

dφ为转动件的瞬时微小角位移

r0（φ）为瞬时臂，定义为转动件的瞬时回转中心至作用线l-l的垂直距离

dl为平动件沿作用线上的瞬时微小直线位移

11运动副的作用误差

一对运动副上，存在多个源误差

一对运动副上的一个源误差所引起的作用线上的附加位移称为作用误差

一对运动副上所有源误差引起的作用线上的附加位移的总和称为该运动副的作用误差

运动副的作用误差是在运动副的作用线方向上度量源误差对该运动副位移准确性的影响

分三种情况讨论：

源误差可以转换成瞬时臂误差

源误差的方向与作用线一致

源误差既不能折算成瞬时臂误差，其方向又不与作用线一致

12.微小误差原理

与所有误差的总误差影响相比是微不足道的某一误差，称为微小误差

微小误差是可以忽略不计的，实际工作中一般要求为：

若略去某项误差对总误差的影响小于不略去结果的1/10，则该项误差可视为微小误差

根据微小误差原理，仪器的误差在测量总误差中所占的比重应该是微不足道的（1/3）。

这就是要求仪器精度高于总精度一个等级的原因

仪器总精度指标小于或等于被测参数测量总不确定度的1/3

在机械行业的参数检测中，确定测量仪器或设备精度通行的原则：

仪器或设备总误差与被测参数的公差值之比保持在1/3-1/10范围内

第三章测控仪器总体设计

1．Abbe原则：

为使量仪能给出正确测量结果，必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上（被测零件的尺寸线和仪器中作为读数用的基准线（刻线基准）应顺序排成一条直线）

误差和倾斜角成一次方关系，习惯上称为一次误差。

误差和倾斜角成二次访关系，习惯上称为二次（微小）误差。

遵守阿贝原则可消除一次误差，而仅留有二次微小误差

不适合Abbe原则的情况：

外观尺寸过大多自由度测量仪器

Abbe原则的扩展：

标尺与被测量一条线 若做不到，则应使导轨没有角运动

应跟踪测量算出偏移加以补偿

2变形最小原则：

尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因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

如：

仪器承重变化，引起仪器结构变形而产生测量误差

温度变化引起仪器或传感器结构参数变化，导致光电信号的零点漂移及系统灵敏度变化

3测量链最短原则

测量链的作用是感受被测量和标准量的信号。

因此凡是和感受被测量和标准量有关的所有元件，如被测件、标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链

测量链中的元件误差对仪器精度的影响最大，并且一般都是1:

1影响到测量结果

测量链各环节的精度要求应最高，测量链环节的构件数目应最少，即测量链最短原则

测量链最短，只能从原始设计上加以保证，而不能采用补偿的办法来实现

放大指示链：

是将感受的信号进行放大，以便于观察处理和显示

放大指示链和辅助链两大环节，它们对仪器精度的影响程度要低于测量链

3坐标基准统一原则：

设计、加工、测量基面统一,经济地获得规定的精度，避免附加的误差

对于部件：

设计、装配、测量基面统一

4、精度匹配原则

根据各部分对仪器精度影响程度的不同来提出不同的精度要求和恰当的精度分配

测量链精度最高，依次递减

5经济原则

工艺决定成本计元件按照精度最低原则进行加调节环节、用光机电算进行补偿等都是有效的降低精度的方法

标准和批量是减少成本的最佳方案

6平均读数原理在光学度盘式圆分度测量中，当采用在度盘圆周上均布n个读数头的结构，并取n个读数头读数值的平均值作为读数值时，则可以消除k=cn阶谐波以外的所有谐波对读数误差的影响

平均读数原理小结：

多读数头结构平均读数原理不能消除测量过程中轴系晃动对测量结果的影响

平均读数原理已成为高精密圆分度测量装置中一条重要设计原理

不足：

采用多头读数系统，要求各个读数头的特性完全一致，这会使工艺装配调整的成本增加

平均读数原理的实质是起到补偿（抵消）部分系统误差的作用

7补偿原理

仪器的精度不可能完全靠加工来保证，巧妙的补偿可以取得较好的效果

补偿环节

一般应选择仪器中结构上的薄弱环节、工艺上的薄弱环节、精度上的薄弱环节、以及仪器中对环境条件及外界干扰的敏感环节作为补偿环节，在选择具体的补偿环节时，应考虑到通过该环节最易于实现补偿，且补偿效果最灵敏

补偿方法

结构补偿：

如爱彭斯坦光学补偿法

数据处理补偿：

如在高精度的圆度仪中，为了消除轴系径向误差对测量结果的影响，采用了误差分离技术，通过测量方法及数据处理，把轴系径向误差从测量结果中剔除出去

补偿要求

不同的补偿对象，有不同的补偿要求

有些需要对整个行程范围或量程范围进行连续的逐点的补偿，如对于导轨直线度偏差的补偿一般要求为整个行程范围内做连续的补偿

有些则仅要求在几个特征位置上进行，如仪器值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间几个点，达到在选定的特征点保证仪器示值精确即可

综合补偿

补偿或校正仪器总体或某部分误差，在仪器设计中往往采用综合补偿的办法

不论仪器产生的误差来自哪个或哪些环节，通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果

课后习题：

2.1.说明分析仪器误差的微分法，几何法，作用线与瞬时臂法各适用在什么情况下，为什么？

微分法若能列出仪器全部或局部的作用方程，那么，当源误差为各特性或结构参数误差时，可以用对作用原理方程求全微分的方法来求各源误差对仪器精度的影响。

微分法的优点是具有简单、快速，但其局限性在于对于不能列入仪器作用方程的源误差，不能用微分法求其对仪器精度产生的影响，例如仪器中经常遇到的测杆间隙、度盘的安装偏心等，因为此类源误差通常产生于装配调整环节，与仪器作用方程无关。

几何法能画出机构某一瞬时作用原理图，按比例放大地画出源误差与局部误差之间的关系，依据其中的几何关系写出局部误差表达式。

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。

作用线与瞬时臂法 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

3.5.阿贝误差产生的本质原因是什么？

分析三坐标测量机测量某一工件时，哪个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原理

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。

导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件的直径不共线而带来测量误差

导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件的直径共线误差微小到可以忽略不计

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。

如图3-3所示的三坐标测量机，其测量点的轨迹是测头1的行程所构成的尺寸线，而仪器读数线分别在图示的X、Y与Z直线位置处，显然，在图示情况下测量时，X与Y坐标方向均不遵守阿贝原则。

其中图3-3a）为XZ平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读数线共线，但与X方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。

其中图3-3b）为YZ平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读数线共线，但与Y方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。

1、对测控仪器设计的要求有（  ）、（  ）、（ ）、（ ）、（ ）、（  ）。

2、（  ）、（ ）、（  ）是在设计仪器的导轨时需要遵守的设计原理和原则。

3、按测控仪器的误差来源可分为（     ）、（    ）、（     ）三种。

4、相对误差是（  ）与（     ）的比值。

5、误差独立作用原理的表述为：

一个源误差仅使仪器产生一定的局部误差，局部误差是其源误差的（       ），与（     ）源误差无关。

6、作用线是一对运动副之间（       ）的方向线。

9、正确度是（        ）大小的反映。

10、示值误差越小，表明仪器的（        ）越高。

11、仪器误差是指仪器（          ）的误差。

12、仪器精度指标的确定有（       ）、（         ）两种方法。

2、误差平均原理的含义是什么？

4、仪器误差分析有哪些方法？

各适用于什么场合？

五、什么是原理误差？

减少它有哪些办法

六、如由于某种原因造成所设计的仪器不能符合阿贝原则时，一般应从何处着手去减小阿贝误差？

请举例说明。

十一、用微分法求出接触式光学球径仪（测环为刀口式，如图所示）的测量环半径误差对球径仪测量球半径尺寸的影响，计算其误差影响方程式。

设被测半球半径为R，测环半径r、弦高h。

（8分）

十二、有一摩擦盘直线运动副，其原始误差有：

摩擦盘直径误差△D=0.004mm，摩擦盘回转偏心e=0.003mm，摩擦盘转角为0°～30°，求它们所带来的作用误差？

（8分）

附加题

用微分法分析并求出杠杆百分表的仪器误差。

其中：

S为测量端输入量；t为表针指示值；L为表针的长度；R、r分别为扇形齿轮和小齿轮的半径。

`

测控仪器设计试题库

一、填空题

1.仪器误差的来源有       、         和运行误差。

2、动态偏移误差和动态重复性误差在时域表征动态测量仪器的  和   响应精度，，分别代表了动态仪器响应的     和    。

3.表征测量结果稳定地接近真值的程度的是     

4.测控仪器的设计六大原则是        、           、测量链最短原则、坐标系基准统一原则、精度匹配原则、经济原则。

5.温度的变化可能引起电器参数的改变及仪器特性的改变，引起          和         。

6.在设计中，采用包括补偿      、        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。

7.造型设计中常用的几何形状的尺寸比例：

       、均方根比例、          和中间值比例。

8.标准量的细分方法有         、           。

四、计算

1、机械式测微仪的原理如图1所示，试分析仪器的原理误差？

2、投影仪光路如图所示，光源发出的光线经聚光镜会聚，均匀照明不透明的被测物，经投影物镜放大成像，被测物体成像在屏上，如果由于投影仪机体加工有误差，使屏到象方焦点的距离

安装有误差

，试求：

（1）用图解法求测量工件尺寸y的误差。

（2）如果

＝100mm，工件y＝20mm，

＝0.1mm时，测量误差差值为多少?

3、用微分法求出接触式光学球径仪的测量环半径误差对球径仪测量球半径尺寸精度的影响：

（1）测环为刀口式（a）；

（2）测环为半径为a的钢球（b）。

设被测半球半径为R，测环半径r、弦高h，测环上钢球的半径a。

2、结合书中图3-9分析为何当滑块绕o点为圆心发生摆动时，测端处于A的位置可以补偿阿贝误差，而处于A1或A2两个位置均不能补偿阿贝误差。

答：

当Z轴滑块的瞬间摆动点为O时，只有当平直度测量的工作点设在A位置时，由于导轨误差引入的测量误差

， 

为辅助测量头感受到的导轨摆动带来的误差。

而

，

，均不能有效补偿导轨误差。

3、为什么在高精度的圆分度测量设计装置中，在度盘的对径方向上安装两个读书头，这一布局可以消除读数误差中哪些次谐波误差？

为什么？