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1、仪器仪表工业是信息工业，是信息的源头，是认识世界的工具，是人们用来对物质(自然界)实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与系统的总称，其实质是研究信息的获取、处理和利用。仪器仪表发展至今已成为一门独立的学科，即仪器科学与技术，而现代精密仪器则是仪器科学与技术的一个重要组成部分。当今科学仪器技术最引人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，研究的尺度深入到介观(纳米)和微观；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；利用现代微制造技术(光、机、电)、纳米技术、计算机技术、仿生学
2、原理、新材料等高新技术发展新式的科学仪器已经成为主流，为精密仪器设计提出了新的研究课题。随着科学技术的进步，特别是微电子技术、宇航工业、材料科学、生物工程等的发展，使精密仪器已进入亚微米、纳米级的新时代，为精密仪器提供了广泛的研究领域。为适应科技发展的需要，赶上世界科技进步的步伐，提高我国精密仪器的水平，本书从实际应用出发，参照全国精密仪器设计的教学大纲编写而成。书中总结了编著者长期的教学经验与科研工作成果，汇集了有关现代精密仪器设计理论和成果，着力反映了这一学科领域的当代发展水平，使读者充分了解和掌握精密仪器的学术动态和最新成就。同时力图做到概念清楚、深入浅出，对精密仪器设计有关的共同性理论
3、和方法进行了系统、全面地阐述。每章有设计实例和习题，目的是便于学生自学并启发学生的创造性。“精密仪器设计”是以设计为主的专业课程，其目的是使学生综合运用基础理论知识，掌握光、机、电、算相结合的现代仪器仪表设计理论和方法，以培养学生独立设计与研究现代精密仪器及微纳米系统的能力目录1 c概论11.1 现代精密仪器概述11.1.1 仪器仪表是信息的源头11.1.2 我国现代精密仪器发展的状况31.1.3 国外仪器发展趋势51.1.4 “精密仪器设计”课程的目的与要求61.2 精密仪器的基本组成71.3 精密仪器设计的指导思想与程序91.3.1 指导思想91.3.2 设计程序11习题122 精密仪器设
4、计方法132.1 设计方法概述132.2 设计任务分析152.3 系统参数与指标设计172.3.1 主要参数与技术指标的内容172.3.2 确定主要参数和技术指标的方法182.4 总体方案的制定252.4.1 基本设计原则252.4.2 总体方案制定的内容402.5 典型设计方法472.5.1 优化设计472.5.2 可靠性设计492.5.3 虚拟仪器设计51习题54目录现代精密仪器设计（第2版）3 仪器精度设计与分析573.1 仪器精度概述573.1.1 误差573.1.2 精度(不确定度)593.1.3 仪器精度(不确定度)指标603.2 仪器误差的来源与分类653.2.1 原理误差653
5、.2.2 制造误差663.2.3 运行误差663.3 误差计算分析方法703.3.1 误差独立作用原理703.3.2 微分法723.3.3 几何法723.3.4 逐步投影法733.3.5 作用线与瞬时臂法733.4 误差综合与实例分析773.4.1 随机误差的合成773.4.2 系统误差的合成783.4.3 不同性质误差的合成793.4.4 误差分析计算实例80习题824 精密机械系统874.1 基座与支承件874.1.1 基座与支承件的结构特点874.1.2 对基座和支承件的主要技术要求884.1.3 基座与支承件的设计要点904.2 导轨副924.2.1 种类及特点924.2.2 基本要求
6、944.2.3 导轨设计思路974.3 主轴系统1004.3.1 设计的基本要求1004.3.2 主轴的类型1024.3.3 结构举例1054.3.4 几种轴系的比较106习题1065 传感检测技术1075.1 检测系统1075.1.1 测量方法简介1075.1.2 传感检测系统的构成1105.1.3 检测系统设计要点1115.2 传感器选择1135.2.1 模型与指标参数1145.2.2 传感器的分类1165.2.3 传感器选择原则1205.2.4 典型仪器传感器1215.2.5 多传感器信息融合技术1255.3 传感检测抗干扰技术1275.3.1 噪声源及噪声耦合方式1275.3.2 共模
7、与差模干扰1325.3.3 屏蔽技术1355.3.4 接地技术138习题1406 光学系统设计1416.1 光学系统的组成与特点1416.1.1 光学系统的组成1416.1.2 光学系统的特点1426.2 人眼和光电探测器1426.2.1 人眼的特征1436.2.2 光电探测器概述1446.3 光源1476.4 光学系统设计原则及典型光学系统的基本参数1496.4.1 光学系统总体设计原则1496.4.2 显微系统及其参数确定1506.4.3 投影系统及其参数确定1566.4.4 望远系统及其参数确定1606.4.5 照明系统及其参数确定1656.5 光电系统参数1706.5.1 入瞳直径的计
8、算1706.5.2 探测器位于像面上的结构1716.5.3 光源像大于探测器的结构1736.5.4 探测器位于出瞳上的结构1746.6 总体设计举例1756.6.1 FTIR光谱仪器的原理、特点及用途1756.6.2 技术指标1766.6.3 设计方案1776.6.4 FTIR主要结构参数的确定178习题1817 微位移技术1837.1 概述1847.2 柔性铰链1877.2.1 柔性铰链的类型1877.2.2 柔性铰链设计1887.2.3 典型柔性铰链及应用1897.3 精密致动技术1937.3.1 机电耦合致动1937.3.2 电磁致动1977.4 典型微位移系统2017.4.1 柔性支承
9、+压电致动2017.4.2 滚动导轨+压电致动2037.4.3 弹簧导轨+机械致动2047.4.4 弹簧导轨+电磁致动2057.4.5 气浮导轨2067.4.6 滑动导轨+压电致动2077.4.7 其他微位移系统2087.5 精密微动系统设计实例2137.5.1 微动工作台设计要求2137.5.2 系统设计中的关键问题分析2147.5.3 精密微动工作台的设计2187.5.4 微动工作台的特性分析221习题2248 机械伺服系统设计2268.1 概述2268.1.1 伺服系统的分类及闭环控制系统的构成和设计步骤2268.1.2 设计要求及性能指标2288.1.3 伺服系统的设计步骤2308.2
10、 开环伺服系统设计2318.2.1 步进电机控制系统2318.2.2 开环系统的误差分析与校正2328.3 闭环伺服系统设计2368.3.1 闭环伺服系统的基本类型及原理2368.3.2 设计举例: 脉宽调速系统的设计和校正241习题2519 精密测量技术2549.1 精密测量技术概述2549.2 瞄准与对准技术2559.2.1 接触式瞄准方法2569.2.2 非接触式瞄准方法2679.2.3 典型光电对准系统2739.3 光栅测量技术2849.3.1 测量原理2859.3.2 光栅系统设计2899.3.3 典型光栅测量系统2939.4 激光干涉测量技术2969.4.1 测量原理2969.4.
11、2 激光干涉测量系统设计2979.4.3 双频激光干涉测量系统305习题30810 精密仪器设计实例与实验31010.1 线宽测量仪自动调焦系统31010.1.1 仪器设计任务31010.1.2 系统方案选择31110.1.3 清晰度判据函数选择31210.1.4 最佳物面搜索31510.1.5 自动调焦实验31710.2 基于光学立体显微镜的微装配系统31810.2.1 仪器设计任务31810.2.2 系统方案选择31910.2.3 微动工作台设计32210.2.4 系统测量实验32310.3 精密仪器设计综合实验32710.3.1 实验目的32710.3.2 实验原理32710.3.3 实
12、验仪器32810.3.4 综合实验328现代仪器仪表的特点与设计方法21.1硬件功能软件化 随着微电子技术的发展，微处理器的速度越来越快，价格越来越低，已被广泛应用于仪器仪表中，使得一些实时性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通过软件来实现。甚至许多原来用硬件电路难以解诀或根本无法解决的问题，也可以采用软件技术很好地加以解决。数字信号处理技术的发展和高速数字信号处理器的广泛采用，极大地增强了仪器的信号处理能力。数字滤波、FFT、相关、卷积等是信号处理的常用方法，其共同特点是，算法的主要运算都是由迭代式的乘和加组成，这些运算如果在通用微机上用软件完成，运算时间较长，而数字信号处理器通过硬件完成
13、上述乘、加运算，大大提高了仪器性能，推动了数字信号处理技术在仪器仪表领域的广泛应用。1.2集成化、模块化 大规模集成电路LSI技术发展到今天，集成电路的密度越来越高，体积越来越小，内部结构越来越复杂，功能也越来越强大，从而大大提高了每个模块进而整个仪器系统的集成度。模块化功能硬件是现代仪器仪表的一个强有力的支持，它使得仪器更加灵活，仪器的硬件组成更加简洁，比如在需要增加某种测试功能时，只需增加少量的模块化功能硬件，再调用相应的软件来使用此硬件即可。 1.3参数整定与修改实时化 随着各种现场可编程器件和在线编程技术的发展，仪器仪表的参数甚至结构不必在设计时就确定，而是可以在仪器使用的现场实时置入
14、和动态修改。 1.4硬件平台通用化 现代仪器仪表强调软件的作用，选配一个或几个带共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统。一台仪器大致可分解为三个部分：1)数据的采集；2)数据的分析与处理；3)存储、显示或输出。传统的仪器是由厂家将上述三类功能部件根据仪器功能按固定的方式组建，一般一种仪器只有一种或数种功能。而现代仪器则是将具有上述一种或多种功能的通用硬件模块组合起来，通过编制不同的软件来构成任何一种仪器。 2仪器仪表设计的新方法 为了造应仪器仪表发展的新特点，各种新型的设计工具和设计方法不断涌现。这里择其具有代表性的二者加以介绍。 2.1仪
15、器仪表的虚拟化设计与LabVIEW图形化发工具 电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式：虚拟仪器(Virtual Instrument)。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。 NI公司的LabVIEW是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将LabVIEW与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不象传统的仪器那样，受生产商所设计功能的限制。 LabVIEW提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。
