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1、第一章测控仪器设计概论1、测量：将被测量与同类的标准量相对较，并将比较结果用数值或符号来表示的过程。2、测控仪器：是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 计算机结合的一种范围广泛的测量仪器。3、测量仪器的组成：a、基准部件（许多仪器中都有与被测量相比较的标准量，标准量与 其相应的装置仪器，称为仪器的基准部件）；b、传感器与感受转换部件；c、放大部件；d、瞄准部件;e、信息处理与运算装置；f、显示部件；g、驱动控制部件；h、机械结构 部件。4、测控仪器的发展趋势：a、高精度、高可靠性；b、高效率；c、高智能化；d、多维化、 多功能化；e、研究新原理的新型仪器；f、介观
2、（纳米）动态测量仪5、测量仪器通用术语及定义：a、标尺间隔和分度值（标尺间隔是指对应标尺两相邻标记 的两个值之差，标尺间隔用标尺上的单位表示；分度值是指一个标尺间隔所代表的被测 量值。b、示值范围（极限示值界限内的一组数，对模拟量显示而言，它就是标尺的范 围；在有些领域中它是仪器所能显示的最大值与最小值之差。c、测量范围（测量仪器 误差允许范围内的被测量值，测量范围包含示值范围还包含仪器的调节范围）。d、灵敏 度（测量仪器响应的变化除以对应的激励的变化）。e、分辨力（显示装置能有效辨别的 最小示值，对于数字仪器，分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔所代表的被测值； 对于模拟式仪器，分辨力就是分
3、度值）。f、测量仪器的示值误差（测量仪器的示值与对 应输入量的真值之差，其示值误差包含有仪器的随机误差和系统的误差）。g、测量仪器 的重复性（在相同测量条件下、重复测量同一被测量，仪器提供相近示值的能力）。h、 回程误差（在相同条件下、被测量值不变，计量器具行程方向不同其示值之差的绝对值。6、测控仪器的设计要求：精度要求（当仪器总误差占测量总误差比重较小时，仪器总误差 应小于或等于被测参数公差的1/3；若仪器总误差占测量总误差的主导时，可允许总误 差小于或等于被测参数公差的1/2）；检测效率要求;可靠性要求（要求设备在一定时间、 一定条件不出故障地发挥其功能的概率要高）；经济性要求；使用条件要
4、求；造型要求。7、测控仪器的设计程序：确定设计任务；设计任务分析、制定设计任务书；调查研究、熟 悉现有资料；总体方案设计；技术设计；制造样机；样机鉴定或验收；样机设定型后进 行小批量生产。第二章仪器精度理论1、测量误差：对某物理量进行测量，所测得数值与其真值Xo之间的差称为测量误差。即 = x 一xi = 1, 2 ,n.该误差大小反映了测得值对于真值的偏离程度，具有以下特点：a、误差是客观存在的，永 远不会等于零；b、多次重复测量某物理量时，各次的测得值并不完全相等，这是误差的不 确定性的反映，只有测量仪器的分辨率太低时，才会出现相等的情况；c、误差是未知的。2、理论真值：是设计时给定的或用
5、数学、物理公式计算出的给定值。约定真值:对于给定目的具有适当不确定度并赋予特定量的值，有时该值是约定采用的。相对真值：若标准仪器的误差比一般仪器的误差小一个数量级，则标准仪器的测得值可 视为真值，称作相对真值。3、误差分类：a、按误差的数学特征分类：随机误差（是由大量的独立微小因素的综合影响 所造成的，其数值的大小和方向没有一定的规律，但就其总体而言，服从统计规律）；系统 误差（由一些稳定的误差因素的影响所造成的，其数值的大小和方向在测量过程中恒定不变 或按一定规律变化）；粗大误差（是指超出规定条件所产生的误差）b、按被测参数的时间特性分:静态参数误差(测量静态参数所产生的误差)；动态参数误差
6、。c、按误差间的关系分：独立误差(彼此相互独立，互不相关，互不影响的误差;)非独立误 差(或相关误差)一种误差的出现与其他误差相关联，这种彼此相关的误差称为非独立误差4、误差的表示方法：a、绝对误差： = x-x ；在工程测量中，绝对误差一般有量纲，能0A反映误差的大小和方向。b、相对误差：8 =一；无量纲。其中引用误差(指绝对误差的最xo大值与仪器的示值范围的比值)；额定相对误差(指示值绝对误差与示值的比值)5、精度是误差的反义词，精度的高低用误差来衡量的。误差大则精度低，误差小则精度高。6、精度区分为：正确度(是系统误差大小的反映，表征测量结果的稳定地接近真值的程度)； 精密度(是随机误差
7、大小的反映，表征测量结果的一致性或误差的分散性)；准确度(是系 统误差和随机误差两者的综合的反映，表征测量结果与真值之间的一致程度)7、仪器的静态特性：当输入量不随时间变化而变化或变化非常缓慢时，输出与输入量之间 的关系称为仪器的静态特性，通常可以表示为y = f (x)。当输入和输出呈线性关系时，仪器的静态特性是线性函数，可表示为：y = kx( k为灵敏度或放大比，若仪器的实际特性与规定特性不符合，就会产生非线性误差，定义为：A(x) = f (x) 一 k x。静态特性曲线可以由实验(校准)的方法获得。一般由两者的最大偏差A( x) 与标称输出 max范围A的百分比来表示仪器的线性度，线
8、性度=A faxx 100%A8、仪器的动态特性：当输入信号是瞬态值或随时间变化的值时，仪器的输出信号(响应) 与输入信号(激励)之间的关系称为仪器的动态特性9、动态偏移误差A(t)是一种有规律的或在一定条件下有固定大小和符号的误差，它由输入 信号的形式和仪器的动态特性所决定。A(t)=y(t)-x(t)10、动态重复性误差是指在规定的使用条件下，对同一动态输入信号进行多次重复的测量，所得的各个输出信号在任意时刻t量值的最大变化范围。k当输出信号是确定性信号与随机信号的组合时，动态输出的标准差可以用下式估计，即s(t )=二 Y y (t )-y(t )2 ； Ay(t )= 土 3s(t )
9、 kn-1i k kkki=111、动态偏移误差和动态重复性误差在时域表征动态测量仪器的瞬态和稳态响应精度，分别代表了动态仪器响应的准确程度和精密程度。12、理想动态不失真仪器的幅频特性应该是与频率无关的常数，相频特性应该是与频率呈现 线性关系。13、即使是一个性能良好的动态仪器也有对高频信号响应的衰减特性，但是可以选择某一个认为具有足够精度的频率范围作为仪器系统具有不失真特性的范围，这个频率范围就是仪器 的频率响应范围。14、在频率响应范围内与理想仪器相比所产生的最大幅值误差与相位误差，就代表了仪器的 频率响应精度，它是动态仪器的稳态响应精度指标，表达了仪器对不同频率信号的响应能力。15、仪
10、器误差是仪器本身具有的误差，仪器误差产生的原因是多方面的，可以分为原理误差、 制造误差和运行误差。从数学特性上来看，原理误差多为系统误差，而制造误差和运行误差 多为随机误差。16、原理误差是由于在仪器设计中采用近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的 测量控制电路所造成的。它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。17、有些仪器产生的原理误差其原因是把仪器的实际非线性特性近似地视为线性，采用线性 的技术处理措施来处理非线性的仪器，由此引起原理误差。18、原理误差有时发生在数据处理方法上的近似以及数值的舍位。19、仪器结构有时也存在原理误差。即实际机构的作用方程与理论作用方程有差别，因而产
11、 生机构原理误差。20、在仪器测量与控制电路系统中的某些环节同样存在原理误差。21、减小或消除原理误差影响的方法大致如下：a、采用更为准确的、符合实际的理论和公 式进行设计和参数计算；b、研究原理误差的规律、采取技术措施避免原理误差；c、采取误 差补偿措施。22、制造误差是指由于仪器零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及 其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。并不是所有的制造误差对仪器的精度 有影响，我们只研究与仪器精度有关的制造误差，又称原始误差。23、仪器制造误差是难以避免的，除了在制造过程中提高加工精度和装配精度外，在设计过 程中也应当采取适当的措施对其进行控
12、制。具体的方法有：a、合理分配误差和确定制造误 差；b、正确应用仪器的设计原理和设计原则；c、合理地确定仪器的结构参数；d、合理的 结构工艺性；e、设置适当的调整和补偿机构。24、运行误差：仪器在使用过程中所产生的误差称为运行误差。a、力变形引起的误差：由于仪器的测量装置在测量过程中的移动，使仪器的结构件（基座 和支架等）的受力大小和受力点的位置发生变化，从而引起仪器结构件的变形，这种变形通 常对测量的精度有较大的影响，特别是在大型测量仪器中。对大型仪器，由力变形引起的测 量误差是相当大的，为了减小力变形，在设计过程中要着重提高仪器结构件的刚度，合理选 择支点的位置和材料，适当采用卸荷装置，使
13、重力引起的变形达到最小。b、测量力引起的误差：在接触式测量仪器中，测量力作用下的接触变形和测杆变形会对测 量精度产生影响，引起运行误差。c、应力变形引起的误差：结构件在加工和装配过程中形成的内应力的释放所引起的变性同 样影响仪器的精度。d、磨损引起的误差：磨损使零件产生尺寸、形状、位置误差，配合间隙增加，降低仪器的 工作精度的稳定性。e、间隙与空程引起的误差：配合零件之间存在间隙、造成空程，影响精度。f、温度引起的误差：由于温度的改变，使仪器的零部件尺寸、形状、相互位置以及一些重 要的特性参数发生改变，从而影响仪器的精度。g、振动引起的误差：当仪器受振时，仪器除了随着振源做整机振动外，各主要部
14、件及其相 互间还会产生弯曲和扭动振动，从而破坏仪器的正常工作状态，影响仪器精度。h、干扰和环境波动引起的误差25、仪器误差分析又称精度分析，它的目的是寻找影响仪器精度的误差根源及其规律，进而 计算误差的大小和其对仪器总精度的影响程度，以便正确的选择仪器设计方案，合理地确定 结构与技术参数，并为科学合理地设置误差补偿环节提供依据，在确保经济性的条件下获得 满足要求的仪器总精度。分以几个阶段进行：a、寻找仪器误差源；b、计算分析各个误差源对仪器精度的影响；c、精度综合。26、一个源误差仅使仪器产生一个局部误差，局部误差是源误差的线性函数，与其他源误差 无关；仪器总误差是局部误差的综合，这就是误差独
15、立作用原理。依据误差独立作用原理， 在分析计算一个源误差所引起的局部误差的过程中，视其余各特性参数为理想数值，并忽略 了各源误差对仪器精度的影响的相关性以及非线性，因此误差独立作用原理是近似原理，但 在大多数情况下能适用。27、微分法：若能列出仪器全部或局部的作用方程，那么，当源误差为各特性或结构参数误 差时，可以用对作用原理方程求全微分的方法来求各源误差对仪器精度的影响。微分法的优 点是运用微分解决误差计算问题，具有简单、快速的特点，但微分法也具有局限性，对于不 能列入仪器作用方程的源误差，不能用微分法求其对仪器精度产生的影响。28、几何法：利用源误差与其局部误差之间的几何关系，分析源误差对仪器精度的影响。具 体步骤：a、画出机构某一瞬时作用原理图，b、按比例放大地画出源误差与局部误差之间的 关系，c、依据其中的几何关系写出局部误差表达式，将源误差带入，求出局部误差的大小。 几何法的优点是简单、直观，适合于求解机构中未能列入作用方程的源误差所引起的局部误 差，但在应用于分析复杂机构运行误差时较为困难。29、作用线与瞬时臂法是基于源误差在机构中的传递机理与机构传递位移的过程紧密相关这 一设想而提出的，因此，作用线与瞬时臂法首先要研究的是机构传递位移规律。30、位移传递的机构多种多样，但从传递位移的方式来看，不外乎以下两种：a、推力传动： 传递位移时一对运动副之间的相互作用力
