测控仪器设计课件.docx
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测控仪器设计课件
测控仪器设计复习
一、测控仪器：
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。
二、测控仪器的组成：
按功能将仪器分成以下几个组成部分：
1基准部件2传感器与感受转换部件3放大部件4瞄准部件5信息处理与运算装置6显示部件7驱动控制器部件8机械结构部件
三、测控仪器的设计要求：
（1）精度要求
（2）检测效率要求（3）可靠性要求（4）经济性要求（5）使用条件要求（6）造型要求
四、误差的分类：
按误差的数学性质分：
1）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，大多数随机误差服从正态分布。
2）系统误差由一些稳定的误差因素的影响所造成，其数值的大小的方向在测量过程中恒定不变或按一定的规律变化。
3）粗大误差粗大误差指超出规定条件所产生的误差，一般是由于疏忽或错误所引起，在测量值中一旦出现这种误差，应予以剔除。
按被测参数的时间特性分：
1）静态参数误差不随时间而变化或随时间而缓慢变化的被测参数称为静态参数，测定静态参数所产生的误差
2）动态参数误差随时间而变化或时间的函数的被测参数称为动态参数，测定动态参数所产生的误差
按误差间的关系分：
1）独立误差彼此相互独立，互不相关，互不影响的误差
2）非独立误差（或相关误差）一种误差的出现与其他的误差相关联，这种彼此相关的误差
绝对误差：
被测量测得值x与其真值（或相对真值）x0之差△=x-x0
特点：
有量纲、能反映出误差的大小和方向。
相对误差：
绝对误差与被测量真值的比值δ=△/x0
特点：
无量纲
正确度系统误差大小的反应，表征测量结果稳定地接近真值的程度
精密度随机误差大小的反应，表征测量结果的一致性或误差的分散性
准确度系统误差和随机误差两者的综合反应，表征测量结果与真值之间的一致程度
原理误差仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所引起的误差。
它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。
减小或消除原理误差影响的方法：
1）采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算。
2）研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。
3）采用误差补偿措施。
制造误差产生于制造、支配以及调整中的不完善所引起的误差。
主要由仪器的零件、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。
减小或制造原理误差影响的方法：
制造过程中1）提高加工精度2）装配精度
设计过程中1）合理地分配误差和确定制造公差2）正确应用仪器设计原理和设计原则3）合理地确定仪器的结构参数4）合理的结构工艺性5）设置适当的调整好补偿环节
运行误差仪器在使用过程中所产生的误差。
如力变形误差、磨损和间隙造成的误差，温度变形引起的误差，材料的内摩擦所引起的弹性滞后和弹性后效，以及振动和干扰等。
（一）力变形为了减小力变形，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，使重力引起的变形达到最小
（二）测量力变形在设计中应尽量减小测量力同时确保测量力在测量过程中的恒定
（三）应力变形结构件在加工和装配过程中形成的内应力的释放所引发的变形同样影响仪器精度
（四）磨损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
五、仪器误差分析步骤：
1）寻找仪器误差源，找出影响仪器精度的各项误差
2）计算分析各个源误差对仪器精度的影响
3）精度综合
误差独立作用原理：
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。
微分法：
对仪器作用方程求全微分。
优点：
简单、快速
缺点：
需要得到仪器作用方程；无法应用于不能列入仪器作用方程的源误差
几何法：
利用源误差与局部误差之间的几何关系来计算局部误差。
优点：
简单、直观
缺点：
几何关系要正确；无法应用于复杂机构。
作用线于瞬时臂法：
分析各个源误差对仪器精度产生影响的中间过程，分析源误差在机构中的传递机理。
六、光栅及摩尔条纹
1.摩尔条纹宽度计算；
2.莫尔条纹特性：
方向性：
垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅移动方向垂直
同步性：
光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距。
放大性：
夹角θ很小→L>>W→光学放大→提高灵敏度
可调性：
夹角θ↓→条纹间距L↑→灵活
准确性：
大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度
七、光学杠杆原理
八、量块及其组合
1）量块块数尽可能少，一般不超过3~5块。
2）必须从同一套量块中选取，决不能在两套或两套以上的量块中混选。
3）组合时，不能将测量面与非测量面相研合。
4）组合时，下测量面一律朝下。
九、微小误差原理
若略去某项误差对总误差的影响小于不略去结果的1/10，则该项误差可视为微小误差。
微小误差可忽略不计。
一十、检测能力指数Mcp
表示检测能力满足被测量对象测量准确度要求程度的量值。
Mcp越大，检测能力越高。
一十一、阿贝（Abbe）原则及其扩展
为使量仪能给出正确的测量结果,必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上。
或者说，被测零件的尺寸线和仪器的基准线（刻线尺）应顺序排成一条直线。
扩展：
即：
1）标尺与被测量共线；
2）如无法做到，则确保导轨没有角运动；
3）如1）、2）无法做到，则应跟踪测量，算出导轨偏移加以补偿。
一十二、变形最小原则及减小变形影响的措施
在仪器工作过程中，应尽量避免因受力变化或因受温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化，并使之对仪器精度的影响最小。
一十三、测量链最短原则
一台仪器中构成测量链环节的构件数目应最少。
测量链最短原则一般只能从原始设计上加以保证，而无法用补偿方法来实现。
一十四、平均读数原理：
多次读数取其平均值以提高读数精度。
一十五、基座与立柱结构特点：
结构尺寸较大，结构比较复杂，要承受外载荷及其变化，受热变形影响较大。
设计要求：
1）要具有足够的刚度，力变形要小2）稳定性好，内应力变形小3）热变形要小4）良好的抗振性
刚度设计：
1）有限元分析法：
此分析法是一种将数学、力学与计算机技术相结合的对支承件刚度和动特性进行分析的一种方法；
2）仿真分析法：
对结构形状复杂的支承件，可采用模型仿真，虽然花费些物力和时间，但得出的结果与实际比较接近。
结构设计：
1）正确选择截面形状与外形结构2）合理地选择和布置加强肋，以增加刚度3）正确的结构布局，减小力变形4）良好的结构工艺性，减小应力变形5）合理地选择材料6）基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度
提高抗振性的方法
1提高静刚度；
2减小内部振源的振动影响；
3尽量减轻重量以提高固有频率；
④采取减振或隔振措施以减小外界振源对仪器的影响。
一十六、导轨的功用：
导轨是稳定和灵活传递直线运动的部件，起着确保运动精度及部件间相互位置精度的作用。
其由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成。
导轨种类：
1）滑动摩擦导轨两导轨面间直接接触形成滑动摩擦。
2）滚动导轨动静导轨面间有滚动体，形成滚动摩擦。
3）静压导轨两导轨面间有压力油或压缩空气，由静压力使动导轨浮起形成液体或气体摩擦。
4）弹性摩擦导轨利用材料弹性变形，使运动件做精密微小位移。
这种导轨仅有弹性材料内分子间的内摩擦。
导向精度动导轨运动轨迹的准确度，直线度
运动的平稳性指导轨低速运行时的爬行。
表现为忽快忽慢
刚度要求1）自重变形2）局部变形3）接触变形
运动学原理把动导轨视为有确定运动的刚体，设计是不允许有多余的自由度和多余的约束，即只保留确定运动方向的自由度。
弹性平均效应原理
如滚动导轨，是在动导轨与静导轨之间加上滚动体组成的。
如果滚动体个数很多，那么这些滚动体尺寸不可能完全一致，当导轨装配施加预载荷时，少数偏大的滚动体因受力而产生弹性变形，因而工作台的运动误差，将因导轨副的弹性平均效应而得到平均，从而提高其承载能力和导向精度
导向导轨与压紧导轨分立原则在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为导向面，另一面作压紧面，即导向和压紧分开，保证通过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度。
滑动摩擦导轨的组合形式：
1）V形和平面组合导轨2）双V形组合导轨3）双矩形组合导轨4）燕尾组合导轨5）双圆柱导轨
滚动摩擦导轨的结构形式及其特点：
滚动导轨按不同的滚动体可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨
1、双V型滚珠导轨优点：
运动灵敏，能承受不大的倾覆力矩
缺点：
承载能力小，容易压出沟槽
2、双圆弧滚珠导轨优点：
接触面积大，承载能力强，寿命长
缺点：
摩擦力大于V型滚珠导轨，形状复杂，加工困难，不易达到高精度。
属过定位。
3、四圆柱棒滚道的滚珠导轨优点：
运动精度和运动的灵活性比较高，维修方便，圆柱磨损后，只需转个方位，仍保持原精度
缺点：
承载力小，属过定位
4、V型——平面滚珠导轨优点：
既保证了确定的运动，又没有过定位。
加工与装配方便。
受热变形也不会影响精度
缺点：
左右滚珠的运动速度不等，Vn>Vm，必须使用单独的隔离架。
5、V形滚柱导轨优点：
承载能力大，耐磨性好，对导轨面的局部缺陷不敏感
缺点：
对、的差值要求较严
6、平面滚动导轨（滚珠或滚柱）优点：
形状简单，加工容易。
7、滚动轴承导轨优点：
摩擦力矩小，运动灵活，承载能力大，调整方便。
一十七、主轴系统
如何减小“双周滚动”：
a）严格控制主轴、滚动体、轴套的尺寸/形状误差，尤其应尽量减小滚动体的尺寸一致性误差；
b）采用误差平均原理，用平均读数法尽量减小主轴“飘移”所带来的读数误差。
提高主轴刚度的措施：
①加大主轴直径。
②缩短主轴悬伸长度。
③合理选择支承跨距。
④提高轴承刚度。
主轴系统振动：
采用弹性元件连接，或采用直流电动机/力矩电动机
④主轴系统的热稳定性：
❀正确选择和设计轴系；
❀合理选择推力支承位置；
❀减小热源的影响;
❀采取热补偿措施
液体动压轴承
主轴只能向油楔减小方向转动，不能反转。
常用的微位移机构：
1、柔性支承——压电器件驱动的微位移机构
2、平行片簧导轨——电压器件驱动的微位移机构
3、滚动导轨——压电器件驱动
4、平行片簧导轨——步进电机及机械式位移缩小机构驱动
5、平行弹簧导轨——电磁位移器驱动
6、气浮导轨——步进电机及摩擦传动
7、二维X-Y双向微位移工作台
一十八、伺服驱动装置：
步进电机：
由电脉冲控制，停机时有自锁能力，步距误差不累积
直流电机：
由驱动电压控制，不能自锁，控制精度不如步进电机
压电陶瓷驱动器：
分辨力高，可达纳米级，控制简单，但驱动范围较小。
一十九、精密微动工作台设计要点：
（一）设计要求
1）微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。
2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复性精度。
3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好。
4）微动工作台应具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。
5）工作台最好采用直接驱动，即无传动环节，这不仅刚性好，固有频率高，而且减少了误差环节。
（二）精密微动工作台设计中的几个问题
（1）导轨形式的选择
（2）微动工作台的驱动
（3）微动工作台的控制
二十、
测量电路是信息流的输入通道，其作用是将传感器输出的测量信号进行调理、转换、或者运算等。
控制电路是信息流的输出通道，其作用是根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。
中央处理系统同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道，因此它是整个电路与软件系统的中心，同时也是整个测控仪器的神经中枢。
抗干扰能力：
直接影响仪器测量和控制的稳定性和可靠性，信噪比S/N越高，表示抗干扰能力越强
稳定性：
测控电路的稳定性主要体现在零点稳定性、放大倍数（灵敏度）稳定性、线性度稳定性、输入输出阻抗稳定性等几个方面
量程与分辨率：
量程越大，分辨率越低；反之，分辨率越高，量程越小。
量程与分辨率是两个相互矛盾而又相互制约的指标。
对于测量
电路系统，当这两个指标无法同时满足时，通常采用量程自动切换技术来解决这一矛盾
输入与输出阻抗：
电路系统对输入阻抗和输出阻抗的要求随采用传感器和控制器的不同而有所不同，通常要求输入阻抗与传感器的输出阻抗相匹配，从而使得输出信噪比达到最大值
信噪比：
衡量系统抗干扰能力的技术指标，以有用信号强度与噪音信号强度之间的比率来表示，简称信噪比，通常以S/N表示。
量化误差：
当输入量的变化小于数字电路的一个最小数字所对应的被测量值时，数字系统将没有变化，这一误差称为量化误差。
非线性误差：
主要是由传感器、测量电路或控制电路的非线性引起并共同作用的。
温度漂移：
将导致被测量和被控量的渐变，同时使电路元器件的特性参数发生变化，使静态工作点偏离原始位置，从而使得测量值和控制值产生偏差
频率特性：
在动态测试情况下，输出信号幅度和相位随输入信号的频率变化而变化的特性，即幅频和相频特性。
响应速度：
对于测量电路和控制电路而言，响应速度主要是指电子电路对输入信号的阶跃响应特性和相位频率特性。
对于计算机系统及其接口等硬件系统而言，响应速度主要是指数据传输率，即带宽。
对于软件系统而言，响应速度主要是指软件的运行速度和指令的执行时间。
总线化准则
（1）内部总线用于系统内部连接芯片与芯片、芯片与微处理器的元件级总线
（2）系统总线用于联接模板与模板的板级总线
（3）外部总线用于联接系统与系统之间交换信息与数据的通讯总线
优点：
采用标准化的通用总线，可大大简化系统的软硬件设计，使系统结构清晰明了，易于扩充和升级，兼容性强，可互换和通用。
模块化准则将整个电路与软件系统分割成几个功能相对独立，而有相互联系的模块。
模块化设计准则既可以用于硬件设计，也可以用于软件设计。
优点：
1、模块化设计思想的引入，使复杂的工作得以简化。
2、采用模块化设计的电路系统易于维护、修改和扩充，单独的模块还可移植到其它系统之中，可移植性强。
干扰源
（1）来自信号通道的干扰
（2）来自电源的干扰
（3）来自空间的辐射干扰
（4）来自元器件和电路板的噪声
干扰的耦合方式
（1）静电耦合由于两个电子器件或两个电路之间存在寄生电容，经寄生电容使一个电路（器件）的电荷影响另一个电路（器件）。
（2）电磁耦合由于两个电路存在互感，使得一个电路的电流变化通过电磁耦合干扰另一电路。
（3）共阻抗耦合一般发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗，其中一个电路在该阻抗的压降会影响另一路
（4）漏电流耦合由于绝缘不良，由流经绝缘电阻Ra的电流所引起的干扰
干扰的形态
（1）差模干扰能够使接收电路的一个输入端相对于另一输入端产生电位差的干扰
（2）共模干扰相对于公共的电位基准点，在系统的接收电路的两个输入端上同时出现的干扰。
接地技术
在任何电子仪器或设备中，接地是抑制噪声和防止干扰的重要方法。
所谓接地，就是将某点与一个等电位点或一个等电位面之间用低电阻导体连接起来，以构成仪器或设备的基准电位。
接地设计的两个基本要求是：
1消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；②避免形成地环路。
抗干扰设计的基本原则：
抑制干扰源、切断干扰传播途径和提高灵敏器件的抗干扰能力
⑴信号通道干扰抑制措施采用隔离措施，采用的器件主要是光耦合器件
⑵模拟量信号通道中干扰的抑制措施尽可能将抗干扰的器件设置在传感器或执行部件附近
⑶电源系统的抗干扰措施截住从配电系统窜入的干扰
⑷空间干扰的抑制措施采用屏蔽的方法屏蔽方法：
利用导电的低电阻材料制成容器或采用高导磁材料制成容器，以隔绝容器内外的电磁或静电的相互干扰
屏蔽主要分成3类：
防止静电耦合的静电屏蔽；利用导电性良好的金属内的涡流效应，防止高频磁通干扰的电磁屏蔽；利用高导磁材料，防止低频磁通干扰的磁屏蔽
屏蔽结构形式：
①屏蔽罩②屏蔽栅网③隔舱④导电涂料⑤屏蔽铜箔
二十一、在设计D/A转换电路时，应注意考虑以下几个问题：
①D/A转换器位数：
为了适应不同控制精度的要求，可采用8位、10位、12位或更多位的D/A转换器。
②输出接口的设计：
D/A转换器的输出信号可为电压信号或电流信号，而输出信号幅值的大小与D/A转换器的参考电压的高低成正比，输出信号的极性可为单极性或双极性等。
③D/A转换器的调整：
在投入正常工作之前，必须要对放大器进行零点和满刻度的调整，同时对D/A转换器本身进行调整，以保证零点的正确性和满刻度输出幅值的要求。
④D/A转换器的时钟匹配：
在硬件系统设计时，要正确选择D/A转换器件和EPROM器件，使其能保证与计算机的时钟相匹配。
另外，计算机输出的数据保持时间必须要大于D/A转换器的数据保持时间，否则将出现D/A转换的不稳定。
⑤D/A转换器参考电压的确定：
D/A转换器的输出准确度主要取决于参考电压的精度，因此对于参考电压的选择应根据系统的精度要求来确定。
一般情况下，可将参考电压直接接电源（正电源或负电源）；当D/A转换精度要求较高时，可采用精密电压集成电路（如：
AD584）来提供高精度基准电压。
⑥D/A转换器输入接口设计：
D/A转换器的输入接口电路一般可分为直通型和缓冲型两种。
对于直通型的输入通道，无需译码和寻址，计算机的数据可直接输入D/A转换器进行转换，电路系统简单，执行速度快，常用于连续反馈控制系统中。
对于缓冲型通道又可分为单级缓冲和二级缓冲两种，二级缓冲通道主要用于多路D/A转换器同步系统中，单级缓冲通道主要用于一路D/A转换器系统或多路D/A转换器不需同步的系统中。
二十二、脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM，脉宽调制）
面积等效原理：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
二十三、光电耦合器件工作原理
二十四、激光形成的基本条件：
（1）要有适当的激光工作物质
（2）要有外界激励源
（3）要有激光谐振腔
二十五、LD与LED的区别
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