测控仪器设计.

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1、测控仪器设计 1 测控仪器设计概论 1.1 概述 n1.1.1仪器仪表是信息的源头 n 仪器的概念： n 仪器的功能： n 研究内容： n1 仪器及检测技术已成为促进当代生产 的主流环节，仪器整体发展水平是国家 综合国力的重要标志之一。 2 先进的科学仪器设备是知识创新和 技术创新的前提 n 当科研工作可以用现成的商品仪器来完成，这时对仪器的 配置，可以认为是科研上技术条件的后勤工作； n 当需靠仪器装备的创新开发来解决科研和生产中的关键问 题时。则探索研究实验方法和仪器设备的研制，就应该是科研 工作的重要组成部分。也是当前所提倡的知识创新技术创新 研究研究的主体内容之一和创新成就的重要体现形

2、式。 n 科学技术欲转化为主产力，首先要靠科学仪器仪表去认识 世界。 3仪器是信息的源头技术 n仪器是国家高科技发展水平的标志。 n仪器是一种获取信息的工具，起着不可缺少的信息源的作用。仪 器是信息时代的信息获取处理利用的源头技术。新技术革命 的关键技术是信息技术。信息技术由测试技术、计算机技术、通 信技术3部分组成。测试技术则是关键和基础。 n仪器不是单纯的测控仪器，也不是单纯的精密机械加光学，而是 机、电、光、计算机、材料科学、物理、化学、生物学等先进技 术的高度综合的高技术。 1.1.2 我国现代测控仪器发展的状况 n我国仪器仪表产品与国外的主要差距: n1、品种系列不全，成套水平低。

3、n2、技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低12 个等级。 n3、标准化程度低。绝大多数产品没有可靠性指标，既影 响制造厂的生产效率，也给用户及维修带来很大的不便 。 n4、新技术采用缓慢，产品更新换代周期长。 n5、产品结构落后、功能少、智能化程度低。 n目前与世界先进水平的差距还在不断扩大，大量高档仪 器和重大设备，主要依赖进口。 1.1.3 仪器发展的趋势 n1、发展科学仪器已经成为国家的一项战略措施。 n2、当今科学仪器技术最引入注目的发展是在生物、医 学、材料、航天、环保、国防等直接关系到人类生存和 发展的诸多领域中。 n 发展趋势：高分辨率、高选择性、高灵敏度的活体动态研究 技

4、术、原位技术、非接触（无损）检测技术等。 n 追求目标：超快时间和超高空间分辨技术。 n3、仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、 芯片化和系统工程化。 n（1）高精度、高可靠性 n（2）高效率 产品生产的快节奏，必然要求测控仪器具有高效率 n（3）高智能化 n（4）多维化、多功能化。 n 多维的测量空间要求我们研究多维的测量仪器 n在许多场合还需要多参数同时测量 n（5）研究新原理的新型仪器 n4、测试仪器网络化。这是今后测试技术发展的必然道路。 1.1.4 本课程的目的和要求 n1、通过“测控仪器设计”课程的学习。掌握机、光、电 、算技术结合的仪器总体设计有关基础理论知识； n2、初

5、步掌握仪器总体设计和系统设计的方法； n3、初步具有正确估算和分析仪器精度的能力。 1.2 现代测控仪器的分类和基本组成 n1、仪器分类： n A. 从计量测试角度可将仪器分为计量测试仪器、计算仪器和控 制仪器，把计量测试仪器与控制仪器及装置统称为测控仪器。 n（1）计量仪器：它是用仪器将被测量取出并与计量标准进行比 较，准确地表示被测量的真实数值。分为： 长度计量仪器 时间频率计量仪器 力学（机械量）计量仪器 热工计量仪器 电磁计量仪器 光学声学计量仪器 电离辐射计量仪器 标准物质计量仪器 计量仪器 n（2）计算仪器：是以信息、数据处理和运算为主的仪器，如各种 专用计算器、通用电子计算机等。

6、 n（3）控制仪器与控制装置：是针对控制对象按照生产要求设计制 作的控制装置和自动调整与校正装置。在现代计量测试仪器中，测 量与控制已经密不可分如在纳米测量技术中，精密工作台的纳米 级精密定位则必须采用带有检测装置的闭环控制系统，否则很难达 到预定的高精度、高效率和高可靠性。 n 测控仪器：利用测量与控制的理论，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。 nB.从计量测试角度将仪器分为计量仪器和非计量仪器 两大类： n（1）计量仪器： n（2）非计量仪器： n指除计量仪器外，借助仪器的作用完成一定任务和程序的各种光 、电精密机械。可分为： 观察仪器 显示

7、仪器 记录仪器 计算仪器 调节仪器（控制仪） 非计量仪器 2、基本组成 n仪器种类异常繁多，但不论测控仪器有多大的差别， 我们仍可以从它的功能或其它方面出发将其分为若干 个基本的组成部分。 n1基准部件 n2感受转换部件 n3转换放大部件 n4瞄准部件 n5处理与计算装置 n6显示部件 n7驱动控制器 n8机械结构部件 1.3 测控仪器设计的指导思想(要求)、原则与程 序 1.3.1设计指导思想 n1、精度： n 对于测量仪器，首要的是精度。根据不同的仪器及不同的测量条件 ，选用相应的静态或动态精度特性指标。一般仪器的测量误差取被测件 公差的1/3，有时取被测件公差的15或110。不应要求仪器

8、所有零 件都高精度，而只应对仪器中直接参与测量的那些零部件规定严格的精 度要求。同时还应采取补偿措施，提高整体精度。 n2、经济性 n 采用某种最简单的方案便能满足所提出的功能要求，则此方案便是 最经济的设计方案。因为采用最简单的方案意味着零部件少、元件少、 可靠性高、成本低等。在考虑仪器经济性时，不应仅限于仪器的制造成 本，还应考虑仪器的使用成本。 n3、效率 n 一般情况下，测量或检验效率应与生产制造效率相适应。实际上，测 量效率通常比生产效率低。在这种情况下，则应尽量考虑采用自动化或半 自动化测量方案。提高测量速度，不仅提高了生产率，有时也可以起到提 高精度的作用。（生产效率提高，会缩短

9、测量时间而减少温度变化对降低 测量精度的影响。） n4、可靠性 n 可靠性是指一种产品在一定时间内和一定条件下，不出故障地发挥其 规定功能的概率。常用产品平均寿命、故障率或称失效率、有效性、平均 保养间隔时间或平均寿命等来表示。 n5、寿命 n 在设计中应注意考虑提高寿命的方法。 n6、造型 n 要使人们感到是一台现代测控仪器，必须小心维护，细致操作，从 而提高仪器的精度保持性和仪器的使用寿命。 1.3.2 设计原则 n 1从原理上提高精度的原则 n 误差平均原理。 n 位移量同步比较原理。即采用不同方法对同一量位移同步 运动的方法进行比较的原理。 n 误差补偿原理。通过校正、补偿环节、使仪器

10、中的系统误 差减小或消除，从而提高仪器的精度。 n2阿贝原则 n 将仪器的读数刻线尺，安排在被测尺寸线的延长线上。 n3运动学设计原理 n 空间体具有6个自由度，根据物体要求运动的方式，即要求的 自由度数，确定施加的约束数。 n4变形最小原则 n 使仪器当受力、重力、热、内应力、振动等作用时变形最小 。 n5基面合一原则 n 零件设计时，设计基准、加工基推、检验基准、装配基准要 统一。 n6最短传动链原则 n 影响测量精度的测量链系统和传动效率的传动链最短，零件 最少。 n7精度匹配原则 n 在分析精度的基础上，对机、光、电各部分精度分配恰当，对各 部分提出不同的精度要求。 n8仪器零部件的标

11、准化、系列化、通用化原则 n9仪器可靠性、安全、维修与操作方便原则 n10结构工艺性好原则 n11造型与装饰宜人原则 n12价值系数最优原则 133 设计程序 n(1)确定仪器任务：根据用户要求、国家发展要求、国 内外市场需求来确定。 n(2)调查研究国内外同类产品、性能和特点技术指 标。 n(3)对设计任务进行分析，制定设计任务书。 n(4)总体方案设计：在明确设计任务和深人调查之后， 就可进行总体方案的构思和设计。总体设计包括： n实现功能的分析； n确定信号转换原理与流程； n确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型 n主要参数的确定； n技术经济的评价。 总体设计是仪器设计的关键

12、一步。在分析时，要： n示意草图 n关键部件的结构草图 n初步的精度试算 n精度分配 n方案论证 n必要的模拟试验 考查所拟的方案是 否可行，是否最优 具体技术设计 n(5)技术设计。 n总体结构设计； n部件设计； n零件设计； n精度计算； n技术经济评价； n编写包括分析和计算的设计说明书。 n(6)制造样机、样机鉴定。 n(7)批量投产。 2 测控仪器总体设计 n 总体设计是一个战略性的工作，它的优劣直接影响到测控仪器 的性能和使用，如果总体设计不合理，很可能制造出后不久就被淘 汰，缺乏竞争力。 n 总体设计是创造性的工作，特别是现代测控仪器，是光、机、 电、液、气、计算机技术的综合。

13、 n 在进行总体设计时，要充分运用科学原理和设计理论，在充分 调查研究掌握大量第一手资料的基础上，重视科学实验，做到理论 和实践紧密结合，尽力使总体设计在原理上正确、实践上可行、经 济上合理，使产品具有竞争力。 n 测控仪器总体设计： n 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。 n 总体设计是设计中的一个部分，总体设计给具体设计规定 了总的原则和布局，指导具体设计的进行，而具体设计则是 在总体设计的基础上的具体化，同时还要不断地丰富和修改 总体设计，两者相辅相成，有机结合，

14、不能断然分开，常常 交叉进行。 n注： n （1）总的来说。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。故作为仪 器的总体设计，也应从这一角度出发来考虑。 n （2）一般在所有的技术指标中精度与可靠性指 标是测控仪器设计的核心问题。 n总体设计要考虑的主要问题有： n、设计任务分析与创新点的构思； n、测控仪器若干设计原则的考虑； n、测控仪器若干设计原理的讨论； n、测控仪器工作原理的选择和系统设计； n、测控系统主要结构参数与技术指标的确定； n、测控仪器造型设计。 2.1 设计方法概述 n 一项工程设计决策的错误或者技术上的失败，会 导致企业的经济损失，丧失市场信

15、誉，以致危及企业 的生存。因此设计方法的探讨引起世界科学家的重视 。近十年来设计方法学在国外得到迅速发展并在实际 工作中的应用愈来愈广泛。 现代设计方法 ： 系统工程 优化设计 可靠性设计 计算机辅助设计 价值工程 有限元分析 创造性设计 虚拟仪器技术 优化设计三次设计技术 n 任何产品，均可以看成一个系统。一个系统的输入输出指标提出之 后，系统的优化问题便由下列两个集合中挑选最佳元素：一个是系统的 结构集合；另一个是系统的参数集合。 n优化设计：是将优化技术应用于设计过程中，最终获得比较合理的设计 参数。 n在优化设计中，目前采用三次设计在仪器设计中应用较多，三次设计可 分为三个阶段。 n

16、系统设计 n 参数设计 n 允差设计 n（1）系统设计 n 它是由专业技术人员利用专业知识和工程学原理对具有某种功能的产品给 出基本结构。 n 这个阶段主要采用的是传统设计方法，即用传统的实验方式、经验设计公 式以及设计者的经验。一般来说该阶段尚未考虑系统参数的优化问题。 n（2）参数设计（应用正交设计） n 在给定基本结构后，系统中各参数如何确定，使得产品性能指标既能达 到目标值，又使它在各种环境下波动小，稳定性好。 n 从庞大的组合关系中找出最好的参数搭配关系，使质量最稳定可靠。通过 该阶段设计、往往可以使产品的质量从精度和稳定性上获得很大提高。是设计 一个高质量产品的最重要的阶段。 n（3）允差设计（应用正交设计） n 它是用来确定