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1、1,总复习 2013年6月,测控仪器设计第2版,2,第一节 测控仪器的概念和组成,一、测控仪器的概念,按照系统工程学的观点,生产过程中有三大技术系统: 以能量到能量变换为主的能量流系统 如锅炉, 冷凝器, 热交换器, 发动机等 以材料到材料变换为主的材料流系统 如机床, 农业机械, 纺织机械, 液压机械等 以信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等为主的信息流系统 ，如仪器仪表、计算机、通信装置、自动控制系统等。,3,按功能将仪器分成以下几个组成部分： 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
2、,4,1.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。可作为基准部件的包括：量块、精密线纹尺、激光波长、光栅尺、标准时间等等。 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。,5,2.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。 不同测量对象可以用不同测量原理的传感器进行感受与转换，因此正确选用和设计传感器是十分重要的，通常
3、要遵守仪器设计的精度原则和经济原则等。 常用的传感器有机械式、电子式、光电式、光学式、声学式、压电式等等，有数千种，选用时一定要分析清楚其工作原理、精度指标、测量范围、使用场合、特点和成本。同时一定要注意要按照被测参数的定义来选用和设计传感器。,6,3.放大部件：将传感器得到的信号进行放大。,7,4.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。 5.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。 6.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。,8,7.驱动
4、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。 8.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。,标尺间隔和分度值 标尺间隔：标尺两相邻标记的两个值之差。 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。 对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的最末一位数
5、字间隔代表的被测量值。 对于模拟式仪器，分辨力就是分度值。,示值范围和量程 示值范围：极限示值界限内的一组数。 量程：示值最大值与最小值之差。 如：体温计的示值范围是3542 ，量程是7 。,测量范围 测量仪器误差允许范围内的被测量值。,光学计,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。,灵敏度 测量仪器输出的变化与对应的输入变化的比值。 s=y/x 表征仪器对被测量变化的反应能力。 当输出值与输入值为同一量纲时，灵敏度又称为放大比。,14,第四节 对测控仪器设计的要求和设计程序,一、设计要求 (1)精度要
6、求 精度是测控仪器的生命，精度是第一位的。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、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。,15,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
7、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。,16,第二章 仪器精度理论,精度是测控仪器的生命。精度分析和精度设计是仪器设计的重要内涵。 随着科学技术的发展，对仪器的精度也提出了越来越高的要求。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量的关键。,2009年9月，Intel总裁兼CEO Paul Otellini展示世界上第一块基于22nm工艺的晶圆。该晶圆上的每个指甲盖大小的单独硅片内都集成了多达29亿个晶体管。 努力于2016年实现10nm工艺。,17,精度：是误差
8、的反义词，精度的高低是用误差的大小来衡量的。 误差大，精度低；反之，误差小，精度高。 精度的重要性：无论是精密仪器还是精密机械设备，其自身的精度都是一项重要指标。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量的关键。 仪器的精度是一种定性的概念。 定量地表征仪器的精度水平应由一些精度指标来体现，如： （1）静态精度指标：示值误差、重复性误差、回程误差、灵敏度等； （2）动态精度指标：稳态响应误差、瞬态响应误差等。,一、精度及其重要性,18,二、 精度分析的目的 仪器误差的客观存在性：决定了仪器的精度无论多高，总存在误差。 找出产生误差的根源和规律，分析误差对仪器设备的精度的影响，以便合理的选择方案、设计结构
9、、确定参数、设置必要的精度调整和补偿环节，从而在保证经济性的基础上达到理想的精度。 精度分析是仪器设计中的重要一环，通常贯穿于仪器设计、制造和使用的全过程。,19,（一）误差定义：测量值 与其真值 之间的差,误差特性： 客观存在性：无论所采用的测量手段的精度多么高，误差始终存在。 不确定性：多次重复测量，所得到的测量值并不完全相等。 未知性：因为通常测量真值 未知。,杆秤：精度为“钱”=5g 电子秤：可精确到0.1g,20,（二）误差的分类,按误差的数学特征,随机误差 服从统计规律，大多数服从正态分布。 系统误差 由一些稳定的误差因素的影响所造成，可以 调整或修正。 粗大误差超出规定条件所产生
10、的误差。应予以剔除。,按被测参数的时间特性,静态参数误差：静态参数：不随时间变化或随时间缓 慢变化 动态参数误差 ：动态参数：随时间变化而变化,按误差间的关系,独立误差：相关系数为“零” 互不影响 非独立误差：相关系数非“零” A误差与B误差相互关联,P21,21,系统误差 定义：同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。,系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系统误差越小，测量就越准确。 系统误差可以归结为某一个或某几个因素的函数，可以用解析公式
11、、曲线或数表表达。系统误差具有规律性。 消除方法：可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,22,随机误差 定义：同一测量条件下（测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。 产生原因：主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感官的无规律变化等。只要
12、测量仪器的分辨力足够高就可发现随机误差的现象。,23,存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。,24,随机误差的特点,单峰性 绝对值小的误差出现的次数多，绝对值大的误差出现的次数少。在误差为零处，概率最大。 有界性 绝对值某值，这类误差几乎不出现。 对称性 测量次数足够多后，大小相等符号相反的误差出现的次数（概率）大致相同。 抵偿性 对称性正负误差互相抵消，测量次数足够多时，随机误差的代数和趋于零。 可用数理统计方法对随机误差进行估算，估计对测量结果的影响程度。,25,粗大误差,粗大误
13、差是一种显然与实际值不符的误差。 产生粗差的原因： 测量操作疏忽和失误。如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。 测量方法不当或错误。如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压。 测量环境条件的突然变化。如电源电压突然增高或降低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。 含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除。在作误差分析时要考虑的误差只有系统误差与随机误差两类。,26,1）正确度 它是系统误差大小的反映，表征测量结果稳定地接近真值的程度。,2）精密度 它是随机误差大小的反映，表征测量结果的一致性或误差的分散性。,3）准确度 它是系统误差和
14、随机误差两者的综合的反映。表征测量结果与真值之间的一致程度。,二、精度,精度是误差的反义词。 误差大精度低，误差小精度高。 通常把精度区分为：,27,图2-1 仪器精度举例说明,正确度差，精密度差,正确度好，精密度差,正确度差，精密度好,正确度好，精密度好,正确度？精密度？,28,A-传感器的精度等级； A-测量范围内允许的最大绝对误差； YFS-满量程输出。,例：若精度等级为1.5级，则A1.5，即,在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠程度，引入一个精度等级的概念，用A表示。它是传感器和测量仪表在规定条件下，其允许的最大绝对误差相对于其测量范围的百分数。表示为：,精确度的工程表示,精确度
15、的工程表示,29,课堂小练习： 有一个精度等级为1.5级的温度计，其测量范围为0400。 当用该温度计进行测量时，其最大绝对误差为多少？,30,当测试装置的输入x有一增量x，引起输出y发生相应的变化y时，则,S=y/x 测试系统的灵敏度,线性装置：S（常数）=X-Y关系直线的斜率 斜率越大，其灵敏度就越高。,(1) 灵敏度,装置的稳定性越差,装置的灵敏度越高,易受外界干扰,非线性装置：S（变量）=XY关系曲线的斜率 输入量不同，灵敏度就不同。,表示静态响应特性的参数，主要有：灵敏度、线性度、回程误差。,31,线性误差若在标称（全量程）输出范围A内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B,则定义,(
16、2) 线性度,线性误差=(B/A)100%,线性度标定曲线与拟合直线的偏离程度。,32,在同样的测试条件下，实际测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对应于同一个输入量往往有不同的输出量。 在全量程输出范围内，把对于同一个输入量所得到的两个输出量之间的最大差值hmax称为回程误差，即,(3) 回程误差,回程误差=hmax（垂直于横坐标）,回程误差是由迟滞现象产生的，即由于装置内部的弹性元件、磁性元件的滞后特性以及机械部分的摩擦、间隙、灰尘积塞等原因造成的。,33,（二）仪器的动态特性与精度指标,为与仪器结构和特性参数，与时间无关。,系统的动态响应特性一般可以通过定常线性微分方程、传递函数、频率响应函数等数学模型来描述。,要精确地建立传感器（或测试系统）的数学模型是很困难的。在工程上常采取一些近似的方法，忽
