测控仪器结构设计第一章(15版)

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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材,现代精密仪器设计 主编：清华大学 李庆祥,2019/4/20,原来使用的是天大主编 测控仪器设计 为测控专业的一门主修课程，是一门综合性的专业课主修课程。使得学会从设计任务出发，进行测控仪器的设计分析、计算与综合。,2019/4/20,原来使用的是天大主编 测控仪器设计 要求： 掌握机、光、电、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，进行总体设计的方法； 具有进行仪器精度设计的能力。,2019/4/20,参考书籍,张善钟编，精密仪器精度理论 薛实福等编， 精密仪器设计 孙祖宝主编， 量仪设计 陈非凡编， 仪器设计技术基础 相

2、关的书籍及论文.,2019/4/20,参考书籍,2019/4/20,本书共分十一章：,第一章 现代精密仪器设计概论 （介绍仪器学科的重要性） 第二章 精密仪器总体设计 （把握全局的设计，总体设计原则、方法等） 第三章 精密仪器设计的精度理论 （精度概念、评价，误差来源及计算等） 第四章 精密机械系统 （机械系统的整体设计，具体部件设计重点） 第五章 微位移技术 （微位移器件的原理、特点，微位移机构设计等）,2019/4/20,第六章 光学系统设计 （光学系统基本参数的确定，光辐射源及特征等） 第七章 定位与测量系统 （涉及激光干涉仪、光栅、线纹尺等） 第八章 瞄准与对准系统 （光电自动对准系统

3、等） 第九章 自动调焦系统 （对图像处理中的焦距调整等） 第十章 机械伺服系统设计 （伺服系统组成、设计等） 第十一章 微型机电系统,2019/4/20,第一章 现代精密仪器设计概论,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 测控仪器设计的要求和设计程序 第五节 测控仪器的设计原则,2019/4/20,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

4、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。,2019/4/20,仪器的功能： 通过物理、化学或生物的方法，获取（被测对象运动或变化的）信息，通过信息转换的处理，使其成为人们易于阅读和识别表达的量化形式，或进一步信息化、图像化，通过显示系统以利于观测、入库存档或直接进入自动化智能运转控制系统。 研究内容：信息的获取、处理和利用,2019/4/20,对象：物质实体及其属性,课程特点,本课程是测控技术与仪器专业最后一门专业课，内容不仅涉及光、机、电、算各个方面，而且涉及测控方法学和涉及方法学等知识。 科学思维向工

5、程思维的转变 绝大多数工程问题没有唯一解 没有最好，只有更好 仪器原理的抽象和具体化 根据仪器的原理图可以抽象出仪器的结构 根据仪器的结构可以抽象出仪器的原理图 测控仪器设计方法的抽象与应用 设计创意（个人不同：铅笔+白纸）,部分基本工具,Matlab/Simulink/SCILAB AutoCAD/ProEngineering/Solidworks Protel/ ANSYS Visual C+,课程重点,仪器精度设计是本课程的重点之一 测控仪器总体设计时需要考虑的一些问题 测控仪器设计原理和原则具体应用问题 测控仪器主要结构参数与技术指标的确定方法 创造性设计思想及其在仪器结构设计中的应用

6、问题,课程难点,仪器精度设计是本课程的难点之一 测控仪器总体设计时需要考虑的一些问题 测控仪器设计原理和原则 测控仪器主要结构参数与技术指标的确定方法 测控仪器现代化设计方法基础,如何去学,课程听课是最重要方法 阅读参考文献也是非常重要 及时完成作业 对课堂问题的在线讨论 对重要知识点做部分笔记或补充 预习、思考。,仪器仪表的用途和重要性 仪器及检测技术已经成为促进当代生产的主流环节，仪器的整体发展水平是国家综合国力重要标志之一 美国国家标准技术研究院（NIST）统计，仪器仪表总产值占工业总产值4，但对国民经济的影响达66。 先进科学仪器设备是知识创新和技术创新的前提 仪器的进展代表着科技的前

7、沿，是科学发展的支柱 仪器是信息的源头技术,2019/4/20,我国现代精密仪器发展的现状 差距很大，大型的高档设备主要依赖进口,仪器仪表的使用: 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。 在自动化机床、自动化生产线：利用监测仪器与控制装置来控制行程和控制生产过程。 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。,2019/

8、4/20,2019/4/20,仪器的发展趋势 发展仪器科学是国家的一项战略举措； 1955年制定12年科技远景规划，仪器仪表工业处于第54项。 “仪器仪表工业是信息工业，是信息的源头”这一论断是1995年我国20多位院士共同向国务院提交的“关于振兴仪器仪表工业的建议”中和第34次香山科技会议上科学家们达成的共识。 2.最引人注目的是在生物、医学、材料、航天、国防等关系到人类生存和发展的诸多领域内； 3.仪器的研制和生产趋向高精度、高效率、高可靠性、智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化； 4.测试仪器网络化,测控仪器的分类,1. 几何量计量仪器 测量对象：包括各种尺寸检测仪器，如长度、角度

9、、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,2019/4/20,5. 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、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：如示波器、信号发生器、相位测量仪、频率发生器、动态信号分析仪等。 7. 光学与声学

10、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,2019/4/20,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，初步掌握进行总体设计和系统设计的方法； 具有进行仪器

11、精度设计的能力，初步具有正确估算和分析仪器精度的能力。 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。,2019/4/20,二、测控仪器的组成,先看几个仪器应用： 1、探月 2、原子吸收分光光度法 3、自动加工 4、自动生产线（灌装机） 5、片材专用带摄像头画像处理模切机 6、好奇号火星车上的样品分析仪器,2019/4/20,二、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

12、、精密驱动系统、光源。,2019/4/20,图1-1 微电子产品视觉检测仪三维效果图,2019/4/20,三维表面形貌测量系统,2019/4/20,2019/4/20,图12 微电子产品视觉检测仪组成框图,2019/4/20,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。,2019/4/20,2019/4/20,2019/4/20,2019

13、/4/20,工作原理： 装配开始后，置于工作台和微夹持器上的微装配器件由立体显微镜成像到CCD摄像机的靶面，经光电转换后送入图像采集卡，将模拟信号转换成数字信号，传送到微机进行数字信号处理，从而获得被装配器件的当前位姿信息。根据装配需求，利用专用软件从位姿信息中提取驱动系统所需的定位参量数据，控制工作台和微夹持具操作平台运动，以带动被装配器件在三维装配空间的相对移动或旋转，从而完成最终装配任务。 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,2019/4/20,

14、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。（如量块、精密测量丝杠、度盘、光栅尺、磁栅尺、感应同步器） 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。,2019/4/20,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

15、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。 （也有接触式电感、非接触式气动、光学、CCD等）,2019/4/20,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）进一步转换和放大、直接接收、提供显示或进一步处理。,2019/4/20,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，即指零准确。不要求高灵敏度（如双频激光干涉仪的靶镜就是瞄准定位） 信息处理与运算装置

16、 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。,2019/4/20,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。,2019/4/20,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、智能化、多样化与多维化。,