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1、光电仪器设计 第一章绪论 第一节概述 仪器是传递和转换信息的工具 它是各类仪器仪表 传感器及观察 监控 测试 分析设备的总称 仪器仪表在当代社会的重要作用 在科学研究中 仪器仪表是 先行官 在军事上 仪器仪表是 战斗力 现代仪器仪表还是当今社会的 物化法官 在国民经济运行中 仪器仪表是 倍增器 对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力 仪器仪表在实验教学 气象预报 大地测绘 诊治疾病 指挥交通 探测灾情等社会生活许多领域都有广泛应用 遍布 农轻重 海陆空 吃穿用 美国 阿波罗 登月计划 总投资200亿美元 用于测量和试验的费用达100 110亿美元 占总投资的40 仪器仪表学科在自然科学与国民经济
2、的发展中具有十分重要的地位与作用 仪器对于生产 生活 高精尖技术的意义 仪器仪表发展至今已成为一门独立的学科光电仪器则是仪器仪表学科的一个重要分支 它是传统的与现代的光学机械技术与电子技术计算机技术的集成 光电仪器的发展水平是科学技术现代化的重要标志 研究对象 基于光学原理 采用光电转换技术的各类光电精密仪器 研究方法 综合应用有关技术 以点带面 举一反三 理论联系实际 从整体上分析问题 仪器仪表技术的特点 仪器技术是信息技术中的源头技术 仪器技术是现代科技的前沿技术 现代仪器仪表发展的关键技术 仪器技术是信息技术 传感技术 系统集成技术 智能控制技术 人机界面技术 可靠性技术 我国光电仪器发
3、展状况 目前我国仪器仪表产品的综合水平 大体上相当于国际80年代中期的水平 其中属90年代水平的约占20 30 我国仪器仪表产品与国外的主要差距 技术性能低 质量差 在精度上较国际水平约低1 2个等级 如工业控制计算机 单机平均无故障时间国外为1 8万多小时 而国产单机则为2千小时 国外现场工作仪表平均无故障率时间普遍达到10 30万小时 而国产仪表一般只有5千小时 国内外工业仪表的相对故障率大体为9 1 品种系列不全 成套水平低 世界上仪器仪表大约有25000种 而我国机械部所属的只有12000多种 我国仪器仪表产品与国外的主要差距 新技术采用缓慢 产品更新换代周期长 国外一些厂家产品的开发
4、周期一般为1 2年 少则半年或几个月 元器件每年更新20 30 基本上可以保证仪器仪表整机更新换代的需要 我国的仪器仪表企业 新技术采用慢 产品更新周期一般为3 4年 少则也需要两年 标准化程度低 在我国的仪器仪表标准中 国际标准的覆盖率只占18 绝大多数产品没有可靠性指标 标准化 通用化 系列化工作仍旧存在许多问题 我国仪器仪表产品与国外的主要差距 产品结构落后 功能少 智能化程度低 国际上已由单元组合式向功能组件组装式发展 而国内多为单元组合式 国外已把微处理器作为仪器仪表的组成部件 而国内则处于初步应用阶段 国内仪器多为单点 单参数 静态测量 而国际上已向多点 多参数 自动测量发展 由静
5、态测量为主向静动态结合方向发展 由接触式向非接触式测量发展 其它在仪器仪表材料 工艺 元器件等方面也都存在不少的差距 国内仪器仪表发展趋势 标准化 系列化 高效率 高智能化 高精度 高可靠性 以温度计为例 主要技术参数和特点 测温范围 32 42 测量温度低于32 时 显示L 测量温度高于42 时 显示H 显示分辨率 0 1 显示方式 液晶显示 三位半 功耗 工作状态下为0 15毫瓦 电池 AG3型1 5V普通纽扣电池 蜂鸣提示 测量结束后发出蜂鸣提示声 本课程的目的与要求 掌握机 光 电技术结合的仪器总体设计有关基础理论知识 初步掌握仪器总体设计和系统设计的方法 初步具有正确的估算和分析仪器
6、精度的能力 第二节精密仪器的设计特点与组成 根据仪器中各部件的功能 可将仪器分为以下几个基本组成部分 1 基准部件 基准器或标准器 2 感受转换部件 接触式 非接触式 感受被测量 拾取原始信号 3 转换放大部件 将感受转换来的微小信号 通过各种原理 如光 机 电 气 进行进一步的转换和放大 4 显示部件 5 处理与计算装置 6 瞄准部件 7 机械结构部件 第三节光电仪器的静态特性 对于仪器系统来说 当被测量x不随时间变化 即dx dt 0 或作缓慢变化时 可按静态测量处理 应着重讨论它的静态特性 一 静态测量中输入和输出的关系 当输入信号为定值或变化十分缓慢时 仪器系统的输出信号特性称为静态特
7、性 静态测量中仪器系统输入和输出之间的关系一般可用下式表示 y a0 a1x a2x2 a3x3 anxn x式中x y 分别为输人和输出信号 a0 a1 a2 a3 an 标定系数或刻度因子 二 仪器的静态特性指标 分度值及分辨力分度值是仪器最小分度所代表的被测量的值 它是一台仪器可能读出的最小读数值 不包括估读值 分度值对于如数字式仪器来说 将仪器所能测得的被测量的最小增量称为分辨力 分度值有别于分划间隔 分划间隔是指刻尺或度盘上相邻两刻线所代表的量值之差 灵敏度及放大比灵敏度是指仪器对被测量变化的反应能力 s y x当输入与输出为同一量纲时可用放大比来代替灵敏度 当灵敏度为定值时 仪器系
8、统为线性的 测量范围及示值范围测量范围是指在允许误差极限内仪器所能测出的最大被测量与最小被测量之间的范围 示值范围是指仪器所显示或指示的最低值到最高值的范围 示值重复性示值重复性是指在外界条件不变的情况下 对同一量重复测量时仪器示值的最大变化范围 重复测量次数一般为10 15次 变动范围一般允许为分度值的1 3 1 5 示值误差示值误差是指仪器示值与被测量的真值之差 滞差 回程误差 产生滞差的原因 仪器内的间隙 摩擦 死区机械材料和电气材料与器件的滞后特性 如弹性元件或磁性元件的滞后特性 的缘故 灵敏阈 灵敏限 门限 能引起仪器示值可见变化所需的最小输入量 这一项表示仪器感受微小量的敏感程度 小于这个量的变化 仪器就反映不出来了 在数显仪器中常称之为分辨率 漂移当输人信号不变时 由于仪器内部温度变化或元器件不稳定所引起的输出信号的变化就是漂移 测量力测量过程中发生在仪器测头和被测工件表间的接触力 这项指标针对接触测量而言 仪器误差和测量误差仪器误差指仪器本身固误差 这项误差通常可以通过理论计算或实际测量得到 测量误差是指测量结果和被测量值间的差异 它包括仪器误差 测量方法误差 使用不当来的误差 以及外界环境条件偏离标准状态和测量人员主观因素等原因所造成的误差
