《测控仪器设计第》课后习题答案浦昭邦王宝光.docx

1、测控仪器设计第课后习题答案浦昭邦王宝光封 面作者：Pan Hongliang仅供个人学习1.1. 测控仪器的概念是什么？测控仪器则是利用测量和控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。1.2. 为什么说测控仪器的发展与科学技术发展密切相关?仪器仪表的用途和重要性 遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，仪器仪表中的计量测试仪器与控制仪器统称为测控仪器，可以说测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志。仪器仪表的用途:在机械制造业中：对产品的静态与动态性能测试；加工过程的控制与监测；设备运行中的故障诊断等。在电力、化工、石油工业中：对压力、

2、流量、温度、成分、尺寸等参数的检测和控制；对压力容器泄漏和裂纹的检测等。在航天、航空工业中：对发动机转速、转矩、振动、噪声、动力特性、喷油压力、管道流量的测量；对构件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的电流、电压、绝缘强度的测量等。1.3. 现代测控仪器技术包含哪些内容？发展趋势 : 高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化 （1）高精度与高可靠性随着科学技术的发展，对测控仪器的精度提出更高的要求，如几何量nm精度测量，力学量的mg精度测量等。同时对仪器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。 （2）高效率 大批量产品生产节奏，要求测量仪器具有高效率，

3、因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。（3）高智能化 在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展，并且具有多种人工智能从学习机向人工智能机发展是必然的趋势。（4）多维化、多功能化（5）开发新原理 （6）动态测量 现代设计方法的特点： (1)程式性 强调设计、生产与销售的一体化。 (2)创造性 突出人的创造性，开发创新性产品。 (3)系统性 用系统工程思想处理技术系统问题。力求系统整体最优，同时要考虑人-机-环境的大系统关系。 (4)优化性 通过优

4、化理论及技术，以获得功能全、性能良好、成本低、性能价格比高的产品。 (5)计算机辅助设计 计算机将更全面地引入设计全过程，计算机辅助设计不仅用于计算和绘图，在信息储存、评价决策、动态模拟、人工智能等方面将发挥更大作用。1.4. 测控仪器由哪几部分组成？各部分功能是什么？工作原理： Z向运动具有自动调焦功能，通过计算机对CCD摄像器件摄取图像进行分析，用调焦评价函数来判断调焦质量。被检测的印刷线路板或IC芯片的瞄准用可变焦的光学显微镜和CCD摄像器件来完成。摄像机的输出经图像卡送到计算机进行图像处理实现精密定位和图像识别与计算，并给出被检测件的尺寸值、误差值及缺陷状况。按功能将仪器分成以下几个组

5、成部分：1 基准部件 5 信息处理与运算装置 2 传感器与感受转换部件 6 显示部件 3 放大部件 7 驱动控制器部件 4 瞄准部件 8 机械结构部件基准部件 测量的过程是一个被测量与标准量比较的过程，因此，仪器中要有与被测量相比较的标准量，标准量与其相应的装置一起，称为仪器的基准部件。 有的仪器中无标准器而是用校准的方法将标准量复现到仪器中。标准量的精度对仪器的测量精度影响很大，在大多数情况下是11，在仪器设计时必须予以重视。 传感器与感受转换部件 测控仪器中的传感器是仪器的感受转换部件，它的作用是感受被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号。放大部件分类实例名称机械式放大部件齿

6、轮放大，杠杆放大，弹性及刚度放大等机械系统 光学式放大部件 光准直式、显微镜式、投影放大、摄影放大式、莫尔条纹、光干涉等 光学系统 电子放大部件 前置放大、功率放大等 电子信息处理系统 光电放大部件 光电管放大、倍增管放大等 光电系统 瞄准部件 用来确定被测量的位置(或零位），要求瞄准的重复性精度要好。信息处理与运算装置 数据处理与运算部件主要用于数据加工、处理、运算和校正等。可以利用硬件电路、单片机或微机来完成。显示部件 显示部件是用指针与表盘、记录器、数字显示器、打印机、监视器等将测量结果显示出来。驱动控制器部件 驱动控制部件用来驱动测控系统中的运动部件，在测控仪器中常用步进电机、交直流伺

7、服电机、力矩电机、测速电机、压电陶瓷等实现驱动。控制一般用计算机或单片机来实现，这时要将一个控制接口卡插入到计算机的插槽中。 机械结构部件 仪器中的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,如导轨、轴系、基座、支架、微调、锁紧、限位保护等机构。所有的零部件还要装到仪器的基座或支架上,这些都是测控仪器必不可少的部件，其精度对仪器精度影响起决定作用。1.5. 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；示值范围与测量范围；灵敏度与鉴别力（灵敏阀）；仪器的准确度，示值误差，重复性误差；视差，估读误差，读数误差。分度值在计量器具的刻度标尺上，最小格所代表的被测尺寸的数值叫

8、做分度值，分度值又称刻度值。分辨力(resolution) 显示装置能有效辨别的最小示值。对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值。对模拟式仪器，分辨力就是分度值。分辨力是与仪器的精度密切相关的。要提高仪器精度必须有足够的分辨力来保证；反过来仪器的分辨力必须与仪器精度相适应,不考虑仪器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。示值误差(error of indication) 测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。由于真值不能确定，实际上用的是约定真值，即常用某量的多次测量结果来作为约定真值。测量仪器的示值误差，包含有仪器的随机误差和系统误差，因此用测量的方法确定仪器示值误

9、差时，同一个值测量次数一般不要超过三次。示值误差越小，表明仪器的准确度越高。测量范围(measuring range) 测量仪器误差允许范围内的被测量值。测量范围包含示值范围还包含仪器的调节范围。如光学计的示值范围为0.1mm，但其悬臂可沿立柱调节180mm，在该范围内仍可保证仪器的测量精度，则其测量范围为1800.1mm。又如千分尺的测量范围有025mm，2550mm，5075mm等规格，但其示值范围均为25mm。灵敏度(sensitivity) 测量仪器响应(输出)的变化除以对应的激励(输入)的变化。若输入激励量为X，相应输出是Y，则灵敏度表示为： S=YX 仪器的输出量与输入量的关系可以

10、用曲线来表示，称为特性曲线，特性曲线有线性的也有非线性的，非线性特性用线性特性来代替时带来的误差，称为非线性误差。特性曲线的斜率即为灵敏度。 灵敏度的量纲可以是相同的，也可以是不相同的，如电感传感器的输入量是位移，而输出量是电压，其灵敏度的量纲为V/mm；而齿轮传动的百分表其输入量是位移，输出量也是位移，在这样情况下，灵敏度又称为放大比。 灵敏度是仪器对被测量变化的反映能力。鉴别力(阈)(discrimination) 使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应是缓慢而单调地进行。它表示仪器感受微小量的敏感程度。仪器的鉴别力可能与仪器的内部或外部噪声有关，也可能与摩擦有关或与

11、激励值有关。测量仪器的准确度(accuracy of measuring instrument) 测量仪器的准确度是一个定性的概念，它是指测量仪器输出接近于真值的响应的能力。符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等级或级别称为测量仪器的准确度等级，如零级、一级、二级等。 测量仪器的示值误差(error of indication) 测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。由于真值不能确定，实际上用的是约定真值，即常用某量的多次测量结果来作为约定真值。测量仪器的示值误差，包含有仪器的随机误差和系统误差，因此用测量的方法确定仪器示值误差时，同一个值测量次数一般不要超过三次。示值误差

12、越小，表明仪器的准确度越高。视差(parallax error) 当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察方向进行读数和瞄准所引起的误差。估读误差(interpolation error) 观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置而引起的误差，有时也称为内插误差。读数误差(reading error) 由于观测者对计量器具示值读数不准确所引起的误差，它包括视差和估读误差。1.6. 对测控仪器的设计要求有哪些？(1)精度要求 精度是测控仪器的生命，精度本身只是一种定性的概念。为表征一台仪器的性能和达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值误差、重复性误差、复现性、稳定性

13、、回程误差、灵敏度、鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应误差等。这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足，而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选用最能反映该仪器精度的一些指标组合来表示。仪器的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误差占测量总误差比重较小时，常采用1/3原则，即仪器总误差应小于或等于被测参数总误差的1/3；若仪器总误差占测量总误差的主导部分时，可允许仪器总误差小于或等于被测参数总误差的1/2。 为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设计原则和设计原理，如阿贝原则、变形最小原则、测量链最短原则、精度匹配原则、误差平均作用原理、补偿原理、差动比较原理等。

14、(2)检测效率要求 一般情况下仪器的检测效率应与生产效率相适应。在自动化生产情况下，检测效率应适合生产线节拍的要求。提高检测效率不仅有经济上的效益，有时对提高检测精度也有一定作用，因为缩短了测量时间可减少环境变化对测量的影响。同时还可以节省人力，消除人的主观误差，提高测量的可靠性。(3)可靠性要求 一台测量仪器或一套自动测量系统，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面，在精度上如何高，若可靠性差，故障频繁，不能长时间稳定工作，则该仪器或系统就无使用价值。因此对仪器的可靠性要求是十分必要的。可靠性要求，就是要求设备在一定时间、一定条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。可靠性要求可由可靠性设计来保

15、证。(4)经济性要求 仪器设计时应采用各种先进技术，以获得最佳经济效果。盲目追求复杂、高级的方案，不仅会造成仪器成本的急剧增加，有时甚至无法实现。因此仪器设计时应尽量选择最经济的方案，即技术先进、零部件少、工艺简单、成本低、可靠性高、装调方便，这样在市场上才有竞争力。 同时还要考虑仪器的功能，具有较好的功能与产品成本比，即价值系数高。 (5)使用条件要求 使用条件不同，仪器的设计也不同。如在室外使用的仪器仪表应适应宽范围的温度、湿度变化，以及抗振和耐盐雾；在车间使用除了防振外，电磁干扰，尤其是强电设备起动的干扰应重点防范；在易燃易爆场合下工作的仪器仪表则要求防爆和阻燃；在线测量与离线测量，连续

16、工作与间歇工作其条件都有不同，在设计仪器时应慎重考虑，以满足不同使用条件的要求。(6)造型要求 仪器的外观设计极为重要，优美的造型、柔和的色泽是人们选择产品的考虑因素之一，有利于销售，同时也会使操作者加倍爱护和保养仪器，延长使用寿命，提高工作效率。 2.1.说明分析仪器误差的微分法，几何法，作用线与瞬时臂法和数学逼近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

17、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数学逼近法 评定仪器实际输出与输入关系方法：测量（标定或校准）测出在一些离散点上仪器输出与输入

18、关系的对应值，应用数值逼近理论，依据仪器特性离散标定数据，以一些特定的函数（曲线或公式）去逼近仪器特性，并以此作为仪器实际特性，再将其与仪器理想特性比较即可求得仪器误差中的系统误差分量。常用代数多项式或样条函数，结合最小二乘原理来逼近仪器的实际特性。2.2.什么是原理误差，原始误差，瞬时臂误差，作用误差？原理误差 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引起的误差。它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。原始误差 由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或

19、扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。 能转换成瞬时臂误差的源误差多发生在转动件上；而既不能换成瞬时臂误差，其方向又不与作用线方向一致的源误差多发生在平动件上。2.3.误差的分类及表示方法按误差的数学性质分1）随机误差 是由大量的独立微小因素的综合影响所造成的，其数值的大小和方向没有一定的规律，但就其总体而言，服从统计规律，大多数随机误差服从正态分布。2）系统误差 由一些稳定的误差因素的影响所造成，其数值的大小的方向在测量过程中恒定不变或按一定的规律变化。3）粗大误差 粗大误差指超出规定条件所产生的误差，一般是由于疏忽或错误所引起，在测量值中一旦出现这种误差，应予以剔除。按被测参数的时间特性分

20、1）静态参数误差2）动态参数误差按误差间的关系分 1）独立误差2）非独立误差绝对误差 ：被测量测得值 x 与其真值(或相对真值) x0 之差 特点：有量纲、能反映出误差的大小和方向。相对误差 ：绝对误差与被测量真值的比值 特点：无量纲2.4误差的来源与性质原理误差 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引起的误差。它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。（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）方法： 采用更为精确的、符合实际的理论和公

21、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 。（一）力变形误差 （二）测量力 （三）应力变形（四）磨损 （五）间隙与空程 （六）温度（七）振动与干扰（八）干扰与环境波动引起的误差3.1.测控仪器的发展趋势可以概括为那几个

22、方面，其中高效率，高智能化的是指那些内容？高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化 （1）高精度与高可靠性随着科学技术的发展，对测控仪器的精度提出更高的要求，如几何量nm精度测量，力学量的mg精度测量等。同时对仪器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。 （2）高效率 大批量产品生产节奏，要求测量仪器具有高效率，因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。（3）高智能化 在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展

23、，并且具有多种人工智能从学习机向人工智能机发展是必然的趋势。（4）多维化、多功能化（5）开发新原理 （6）动态测量3.2. 归纳测控仪器的设计流程测控仪器总体设计，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 （所能达到的新功能，所实现的新方法，所反映出的新技术，新理论等）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3.3

24、测量仪器设计的六项基本原则是什么？共有六项设计原则：一、阿贝(Abbe)原则及其扩展阿贝原则定义：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。二、变形最小原则及减小变形影响的措施变形最小原则定义：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。三、测量链最短原则测量链定义：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

25、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。四、坐标系统一原则在设计零件时，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。五、精度匹配原则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，这就是精度匹配原则。六、

26、经济原则经济原则 经济原则是一切工作都要遵守的一条基本而重要的原则。1）工艺性。2）合理的精度要求。3）合理选材。4）合理的调整环节。5）提高仪器寿命。3.4.测量仪器设计的基本原理有哪些？一、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，即称之为平均读数原理。二、比较测量原理差动比较测量原理一）位移量同步比较测量原理 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

27、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三）零位比较测量原理三、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

28、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。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

29、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

30、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3-3 a)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3-3 b)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。 3.6举例说明减小阿贝误差的方法爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法主要被应用于高精度测长机的读数系统中。激光两坐标测量仪中监测导轨转角与平移的光电补偿方法3以动态准直仪为标准器的电学补偿方法4标准器工作点与被测点共线的平直度测量系统5遵守阿贝原则的传动

31、部件设计例 测长机原理图。 刻尺面位于焦距f相同的两个透镜N1，N2的焦面上。M2，N2与尾座联为一体，M1，N1与头座联为一体。刻尺由装在尾座内的光源照明。对零时，设0刻线成象在s1点。测量时，尾座向左移动。当导轨平直时，设相应于被测长度读数值的刻线0亦成象在s1处时不产生误差。现假设由于导轨直线度的影响，使尾座产生倾角，则在测量线方向上，测端因倾斜而向左挪动 L=h tan ，如无补偿措施，则此值即为阿贝误差。但这时与尾座联为一体的M2，N2也随之倾斜角，这样，刻线0通过M2，N2及M1，N1便成象到s2点，则S2点相对于S1点在刻尺面上也有一挪动量 s1 s2 = f tan 为了补偿阿贝误差，头座需向左移动靠紧工件 L=h tan 为使读数正确， S1S也需等于向左移动 s1 s2 = f tan=L=h tan即h=f 于是，由尾座倾斜而带来的阿贝误差，由于在仪器中设置了上述光学系统，在读数时自动消失了，即达到了补偿的目的。这种补偿原理被称为爱彭斯坦光学补偿原理，是通过结构布局随机补偿阿贝误差的方法。 3.7丝杆动态测量仪对环境变化产生的测量误差进行补偿的先决条件是什么？1)如丝