精密仪器第一章

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1、精密仪器设计精密仪器设计 教教 师师: : 王智宏王智宏 专专 业业: : 测控技术与仪器测控技术与仪器 性质：必修（性质：必修（3838学时，包括学时，包括8 8学时的学时的2 2个实验）个实验） 特点：侧重于光、机、电、算系统的原理。特点：侧重于光、机、电、算系统的原理。 任务：掌握精密仪器的任务：掌握精密仪器的基本工作原理基本工作原理、主要技主要技 术术和和设计方法设计方法，具备设计和实施工程，具备设计和实施工程实验实验、 分析分析实验结果实验结果、综合运用所学知识与技术综合运用所学知识与技术设设 计计仪器的能力仪器的能力。 课程概况课程概况 教材及参考资料教材及参考资料 1浦昭邦浦昭邦

2、,王宝光王宝光.测控仪器设计测控仪器设计.机械工业出版社，机械工业出版社，2001 2李庆祥李庆祥,王东生王东生.现代精密仪器设计现代精密仪器设计.清华大学出版社清华大学出版社.2004 3黄茂林黄茂林,秦伟秦伟.机械原理机械原理. 机械工业出版社机械工业出版社. 超星图书下载超星图书下载 4郁道银郁道银,谈恒英谈恒英.工程光学工程光学. 北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社 5郑堤郑堤,唐可洪唐可洪.机电一体化设计基础机电一体化设计基础.北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社, 1997 课程网址课程网址 要求及考核要求及考核 2个本：笔记（个本：笔记（+课上练习）课上练习） 作业（作

3、业（+习题）习题） 成绩（成绩（100）：）： 1、平时：、平时：20（作业（作业+练习）练习） 2、实验：、实验：30（千承辉）（千承辉） 3、期末考试：、期末考试：50（侧重分析、设计）（侧重分析、设计） 第一章第一章 精密仪器概论精密仪器概论 了解精密仪器特点、内容、分类、设 计要求及仪器的组成结构。 1-1 概述概述 1-2 精密仪器的重要性和展望精密仪器的重要性和展望 1-3 精密仪器的设计要求和流程精密仪器的设计要求和流程 1-4 精密精密仪器结构组成仪器结构组成 解决问题解决问题 1、为何是“精密”？、为何是“精密”？ 2、发展过程？、发展过程？ 3、关键技术？、关键技术？ 4、

4、结构？、结构？ 相关技术展望相关技术展望 精密仪器设计要求和流程精密仪器设计要求和流程 精密仪器精密仪器 精密仪器是用以观察精密仪器是用以观察、监视监视、测定测定、验证验证、记录记录、 传输传输、变换变换、显示显示、分析处理与控制分析处理与控制精密精密量的器量的器 具和装置具和装置。 1、为何是“精密”？、为何是“精密”？ 准确准确 精确精确 几何量测量几何量测量 长度测量长度测量 mm 10um 游标卡尺游标卡尺 千分尺千分尺 +电子电子 机械机械 2、发展过程？、发展过程？ 显微镜 测量 +千分尺千分尺 +光栅尺光栅尺+数据处理数据处理 光学光学+机械机械 +电子电子+计算机计算机 2、发

5、展过程？、发展过程？ 人工人工自动、智能自动、智能 单一单一综合、集成、联用综合、集成、联用 1um 光机电光机电精密仪器研究的技术内容精密仪器研究的技术内容 技术技术 作用作用 1 机械机械 机械系统，不仅是仪器各部分的机械系统，不仅是仪器各部分的支撑支撑，而且对保证仪器，而且对保证仪器 的的测量测量精度、精度、定位定位精度和精度和运动运动精度起着关键作用。精密精度起着关键作用。精密 仪器的测量控制对象也通常为机械结构的运动量。仪器的测量控制对象也通常为机械结构的运动量。 2 电子电子 实现信号的实现信号的转换、传输、放大转换、传输、放大。包括：。包括： 测量电路：信号的转换。测量电路：信号

6、的转换。 计算机控制：信号的处理分析，并在此基础上的自动计算机控制：信号的处理分析，并在此基础上的自动 控制（发出控制指令）。控制（发出控制指令）。 伺服驱动，是电子与机械部分的接口，按控制指令的伺服驱动，是电子与机械部分的接口，按控制指令的 要求去控制被控对象实现预定的动作。要求去控制被控对象实现预定的动作。 3 光学光学 利用各种光学原理，实现对被测量的利用各种光学原理，实现对被测量的转换、放大、投影、转换、放大、投影、 显示、传输显示、传输。 3、关键技术？、关键技术？ 比长仪比长仪 精密仪器结构组成精密仪器结构组成 4、结构？、结构？ 工作台工作台 导轨导轨 线纹尺线纹尺 瞄准显微镜瞄

7、准显微镜 读数显微镜读数显微镜 支架支架 被测件 比长仪比长仪 被测件被测件 工作台工作台 瞄准显微镜瞄准显微镜 支架支架 读数显微镜读数显微镜 线纹尺线纹尺 1基准基准 2感受、转感受、转 换、换、3放大、放大、 4读数读数 感受、感受、 放大、放大、 转换、转换、 瞄准瞄准 精密仪器结构组成精密仪器结构组成 5机械机械 4、结构？、结构？ 工作台工作台 被测件被测件 瞄准显微镜瞄准显微镜 支架支架 读数显微镜读数显微镜 线纹尺线纹尺 比长仪改进比长仪改进 比长仪改进比长仪改进 工作台工作台 被测件被测件 瞄准显微镜瞄准显微镜 支架支架 读数显微镜读数显微镜 线纹尺线纹尺 驱动电机及驱动电机

8、及 其控制电路其控制电路 CCD及其及其 控制电路控制电路 CCD及其及其 控制电路控制电路 对比对比 计算计算 显示器显示器 基准基准 感受、感受、 放大、放大、 转换、转换、 读数、读数、 瞄准瞄准 显示显示 处理与计算处理与计算 驱动控制驱动控制 精密仪器八大功能部件精密仪器八大功能部件 部件部件 1 基准基准部件部件 2 感受感受转换转换 3 转转换、换、放放大传输大传输 4 瞄瞄准、准、读读数数 5 数据数据处理处理 6 显显示、示、记记录录 7 驱动驱动控制控制 8 机械机械结构结构 精密仪器八大功能部件精密仪器八大功能部件 （一）（一） 部件部件 作用作用 举例举例/说明说明 1

9、 基准基准部件部件 为测量提供标准量， 测量结果均须与之比较方能得到准 确的测量值 量块、精密测量丝杠、线纹尺、度盘、多面 棱体、多齿分度盘、光栅尺（盘）、磁栅尺 （盘）、感应同步器、光波等。对于复杂参 数，还有渐开线样板、表面粗糙度样板、标 准圆运动、渐开线运动和齿轮运动等标准件 和标准运动。此外还有标准硬度块、频率计、 时间、照度、流量、色度、激光参数、温度、 测力、称重标准等。 2 感受感受转换转换 感受被测量，拾取原始信号以便进 一步转换、处理、分析。其精度直 接影响整个测量系统的精度。 接触式的：如各种机械式探头。 非接触式的：气动非接触测头、光学探头、 红外线、涡流测头、拾音器等。

10、 3 转转换、换、 放放大传输大传输 将感受转换来的微小信号，通过各 种原理（光、机、电、气）进行进 一步转换和放大，成为可使观察者 或其下一部件直接接受的信号，如 显示或进一步加工处理。 各种放大、调制电路，成像、分光系统、传 动机构等。 4 瞄瞄准、准、 读读数数 感受被测量/标准量，用以对零/读 数 瞄准部件：感受被测量，要求指零准确，一 般不做读数用，故不要求其灵敏度。 读数部件：感受标准量，由它产生测量结果。 精密仪器八大功能部件（二）精密仪器八大功能部件（二） 部件部件 作用作用 举例举例/说明说明 5 数据数据处理处理 对测量数据进行加工、校正、计 算。 通常由微处理器、微机来完

11、成。 6 显显示、示、 记记录录 显示测量结果 如指针表盘、记录器、数字显示器、打印 机、荧光图像显示器等 7 驱动驱动控制控制 驱动测量部分的测头移动或驱动 工作台实现测量运动，或在自动 检测仪器中，将测量出的误差量 进行放大转换、驱动控制系统实 现误差补偿等。 通常由微处理器控制电机实现驱动。进行 开环或闭环控制。 8 机械机械结构结构 用以保障其它部件功能实现的联 接、支承、保护、限位、移动导 向的机械结构。 主要有基座、支架、导轨、工作台、轴系 以及其他部件，如微调、锁紧、限位、保 护等机构，是仪器中不可缺少的部件，其 精度有时对仪器精度的影响其决定作用。 比长仪改进比长仪改进 驱动电

12、机及驱动电机及 其控制电路其控制电路 CCD及其及其 控制电路控制电路 显示器显示器 测量显微镜测量显微镜 展展 望望 Micro-Electro-Mechanical System 新技术新技术 （1 1）MEMS Optical 新技术新技术 （1 1）MEMS （2 2）新型传感新型传感 （1 1）MEMS （2 2）新型传感新型传感 （3 3）新型新型成像成像 新技术新技术 电子显微镜电子显微镜 （1 1）MEMS （2 2）新型传感新型传感 （3 3）新型新型成像成像 测量显微镜测量显微镜 新技术新技术 光学成像光学成像 电子显微镜电子显微镜 （1 1）MEMS （2 2）新型传感新

13、型传感 （3 3）新型新型成像成像 测量显微镜测量显微镜 新技术新技术 光学成像光学成像 电子束成像电子束成像 电子显微镜电子显微镜 （1 1）MEMS （2 2）新型传感新型传感 （3 3）新型新型成像成像 测量显微镜测量显微镜 新技术新技术 光学成像光学成像 电子束成像电子束成像 电子显微镜电子显微镜 荧荧 光光 成成 像像 隧道效应隧道效应 荧光显微镜荧光显微镜 电子显微镜电子显微镜 葡萄球菌细胞，葡萄球菌细胞，50000X 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 量子围栏：钴原子在量子围栏：钴原子在Cu表面表面 光激活定位显微镜光激活定位显微镜果蝇细胞中的微管果蝇细胞中的微管 1nm 35pm

14、新技术新技术 （1 1）MEMS （2 2）新型传感新型传感 （3 3）新型新型成像成像 （4）仪器联用）仪器联用 液相质谱联用分析仪液相质谱联用分析仪 国家需求国家需求 国家高技术研究发展计划（国家高技术研究发展计划（863计划）计划） 2015年度项目申报指南年度项目申报指南 先进制造技术领域先进制造技术领域 信息技术领域信息技术领域 发展趋势发展趋势 信息技术领域信息技术领域 1. 超级计算机超级计算机 2. 大数据大数据 3. 第五代移动通信系统（第五代移动通信系统（5G） 4. 云计算云计算 5. 国家宽带网国家宽带网 6. 信息安全信息安全 . 1016/S . 4V .125GB

15、/S .互联网模式互联网模式 .百百T千公里、百千公里、百G 百公里、千户光纤百公里、千户光纤 先进制造技术领域先进制造技术领域 1. 智能机器人智能机器人 1.1 工业机器人核心基础部件应用示范工业机器人核心基础部件应用示范 1.2 专科型微创手术及手术辅助机器人系统的研制 2. 智能制造智能制造 2.1 精密与超精密加工技术 2.2 材料结构一体化及非传统制造工艺及装备 2.3 工业用低功耗、多功能微纳器件与系统 2.4 基于集成电路工业平台的MEMS设计与制造 2.5 制造服务与产品全生命周期技术 2.6 系统控制基础共性技术 2.7 3D打印数据处理软件平台 针对制约国产机器人产业化瓶

16、颈问题，开展核针对制约国产机器人产业化瓶颈问题，开展核 心基础部件（心基础部件（精密精密减速器、减速器、精密精密轴承、移动操轴承、移动操 作机械臂）工程化及产业化研究，降低成本，作机械臂）工程化及产业化研究，降低成本， 提升国产机器人核心竞争力。提升国产机器人核心竞争力。 先进制造技术领域先进制造技术领域 1. 智能机器人智能机器人 1.1 工业机器人核心基础部件应用示范 1.2 专科型微创手术及手术辅助机器人系统的研制 2. 智能制造智能制造 2.1 精密与超精密加工技术 2.2 材料结构一体化及非传统制造工艺及装备 2.3 工业用低功耗、多功能微纳器件与系统 2.4 基于集成电路工业平台的MEMS设计与制造 2.