测控仪器设计 第1章.

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1、测测 控控 仪仪 器器 设设 计计 第一章 测控仪器设计概论 第一节 测控仪器的概念和组成 第二节 测控仪器及其设计的发展状况与趋势 第三节 测量仪器通用术语及定义 第四节对测控仪器设计的要求和设计程序 习 题 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。 仪器仪表的用途:

2、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、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。 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。 测控仪器的分类 1. 几何量计量仪器 测量对象：包括

3、各种尺寸检测仪器，如长度、角度、形貌、相 互位置位移、距离测量仪器、扫描仪、跟踪仪等。 2. 热工量计量仪器 测量对象：包括温度、湿度、流量测量仪器，如各种气压计、 真空计、多波长测温仪表、流量计等。 3. 机械量计量仪器 测量对象：如各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪，力 矩测量仪、振动测量仪等。 4. 时间频率计量仪器 测量对象：时间、频率等 5. 电磁量计量仪器 测量对象：用于测量各种电量和磁量的仪器，如各种交、直流电流 表、电压表、功率表、电阻测量仪、电容测量仪、静电仪、磁参数测 量仪等。 6. 无线电参数测量仪器 测量对象：如频谱仪、射频信号发生器、射频功率计、示波器、信 号发生

4、器、相位测量仪、频率发生器、动态信号分析仪等。 7. 光学与声学量测量仪器 测量对象：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传 递函数测量仪等。 8. 电离辐射计量仪器 测量对象：如各种放射性、核素计量，x、射线及中子计量仪器等 。 以上8大类计量仪器的共性技术： 计量测试仪器的 设计理论 和 测试理论 测控仪器的概念 在现代计量测试仪器中，测量与控制已经密不可分，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。 本课程的要求： 掌握机、电、光、计算机技术相结合的仪器总体设计的基础理论知识； 学会如何从设计任务出发，

5、进行总体设计的方法； 具有进行仪器精度设计的能力。 本门课程力求使学生在测控仪器设计中具有勇于探索、有创新思维的设 计能力。 二、测控仪器的组成 测控仪器种类繁多，其组成多种多样，但可按其各部分的功能来分成 若干组成部分。 测控仪器组成以图11 “微电子产品视觉检测仪” 为例说明。 仪器组成： 支承底座、精密工作台、X、Y二维运动导轨、立柱、显微镜及CCD摄像 器件、光栅系统、精密驱动系统、光源。 图1-1 微电子产品视觉检测仪三维效果图 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

6、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。 图12 微电子产品视觉检测仪组成框图 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 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

7、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。 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。 放大部件 分类实例名称 机械式放大部

8、件 齿轮放大，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

9、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，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。 测控仪器的功能特点： 1.连续测量、记录和实时控制，能根据测量的结果自行判断 、运算与分析。 2.微处理器的引入使现代测控仪器的功能较传统仪器有极大 的提高。 3.有较强的数据处理能力，即运

10、算和判断能力。 4.具有很高的自动化水平和自动测量的能力 5.具有可程控操作能力和人机对话的能力 6.由于采用微处理器硬件逐渐被软件取代 7.具有存储大量信息、标准量值和各种历史数据以及备用参 数的功能。 8.各种控制算法在测控仪器中得到广泛应用，仪器性能得到 很好完善和提高。 第二节 测控仪器及其设计的发展状况与趋势 一、发展趋势 : 高精度与高可靠性、高效率、通用化与标准化、智能化、多 样化与多维化，网络化，应用新原理新技术。 （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

11、是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。 （2）高效率 、通用化与标准化 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，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 多维的测量空间，要求我们研究多维的测量仪器，在许多场合， 除了三维测量外还需要多参数同时测量，如要求同时测出某点温度、 湿度和应变；同

12、时测得力、速度、振动、应变等多种参数，使现有仪 器系列化、多样化，以满足不同用户的要求，也是势在必行的。 （5）开发新原理新技术 随着科学技术的发展，需要测量的极端参数（超高压、超高温 、超低温、超大尺寸、原子空间）和特种参数（识别颜色、气味） 也在增加，要求也更奇特，因此要不断研究新原理、开发新仪器。 如仿生仪器等。 （6）动态测量 研究的对象已经从静态转入动态，如研究原子的价态、分子结 构和聚集态、固体结晶形态、生命化学物理进程的激发态的现场实 施检测手段，需要研究超快时间和超高空间的分辨技术。 （7）网络化 随着自动化自能话水平不断提高，多台仪器联网已经推广应用， 虚拟仪器，三维多媒体等

13、技术开始实用化。 虚拟仪器 虚拟仪器：即以计算机为核心，充分利用计算机的软件和 硬件资源将各种仪器功能卡应用于微型计算机，使之成为计 算机与仪器兼容的计算机仪器。 特点： 1.增强和延伸了传统仪器的功能 2.性价比高 3.使用灵活应用范围广 4.模块化设计，互换性强，制造方便 5.易于实现网络化设计 二、发展概况现代设计方法 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 通过优化理论及技术，以获得功能全、性能

14、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。 第三节 测量仪器通用术语及定义 仪器的技术指标是用来说明一台仪器的性能和作用的 ，主要技术指标既作为设计依据，也用来考核所设计的仪 器是否成功。 作为测量仪器还必须要有规范的语言，称之为测量仪 器的术语。本节叙述的有关测量仪器的术语是根据 JJFl0011998全国法制计量技术委员会颁布的“通用计量 术语及定义”来说明的。 1. 测量仪器（measuring instrument) 测量仪器又称计量器具

15、，它是指单独地或同辅助设备一起用以进行 测量的器具。而测量是指用以确定量值为目的的一组操作。 测量仪器是指将被测量转换成指示值或等效信息的一种计量器具， 即具有转换和指示功能。 测量器具是指以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的 器具，如砝码、标准电阻、量块、线纹尺、参考物质等。 2. 测量传感器(measuring transducer) 提供与输入量有确定关系的输出量的器件。如热电偶、电流互感器 、应变计等。 3. 测量系统(measuring system) 组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其它设备。如半导体材 料电导率测量装置；光电光波比长仪；校准体温计的装置等。 4. 模拟式测量仪器(analogue measuring instrument)与 数字式测量仪器(digital measuring instrument)。 前者是指仪器的输出或显示是输入信号的连续函数的测量仪器，而 后者是提供数字化输出或显示的仪器。 5. 敏感元件(sensor)或敏感器 测量仪器或测量链中直接感受被测量作用的元件。如涡流流量计的 转子；液