补充精设复习题2016

1、现代精密仪器设计总复习一、 基本概念题：*1.现代精密仪器的基本组成答：1 .基准部件2 .感受转换部件3 .转换放大部件4 .瞄准部件5 .处理与计算部件6 .显示部件7 .驱动控制部件8 .机械结构部件*2. 现代精密仪器设计的指导思想答：1 .精度对于测量仪器,首要的是精度(不确定度)。根据不同的仪器及不同的测量条件,选用相应的静态或动态精度特性指标。仪器精度取值要合理。不分对象地要求仪器精度愈高愈好,实际上是完全不必要的。应该根据实际中被测对象的精度要求来确定仪器精度,一般仪器的测量误差取被测件公差的 1/ 3,有时取被测件公差的 1/ 5或 1/ 10。对仪器零件精度的要求也应合理,

2、不应要求仪器所有零件都高精度,而只应对仪器中直接参与测量的那些零部件,即测量链中的关键零件规定严格的精度要求。同时还应采取补偿措施,提高整体精度。2 .经济性设计仪器时,不应盲目地追求复杂、高级的方案,如能采用某种最简单的方案便能满足所提出的功能要求,则此方案便是最经济的设计方案。因为采用最简单的方案意味着零部件少、元件少、可靠性高、成本低等。一般说来,简单方案比较经济,但也不能一概而论,还必须和被测件批量的大小、要求的效率、测量误差所造成的损失、零件公差带及尺寸分布情况等综合考虑。如大批生产时,往往自动测量比手工测量更为经济,在精度或效率要求较高时,简单方案便不能满足要求,必须由简到繁选用相

3、应的方案。在技术设计阶段中,还应注意提高“三化”程度和工艺性,使零件制造也符合经济性的要求。仪器生产大部分是小批量、多品种,因而在组织设计与生产时,要灵活迅速地采用各种先进技术,争取最大经济效益。在考虑仪器经济性时,不应仅限于仪器的制造成本,还应考虑仪器的使用成本,即除仪器原价外,还有使用期间的保养费、工时费、备件费、运转费(动力及辅料费)、停工损失费、管理费、培养费等。必须综合考虑后,才能看出真正的经济效益,从而做出选用方案的正确决策。3 .效率一般情况下,测量或检验效率应与生产制造效率相适应。实际上,测量效率通常比生产效率低。在这种情况下,则应尽量考虑采用自动化或半自动化测量方案。若工艺稳

4、定,则可采用统计检验方案。在自动化生产线上,整个过程是按严格的节拍进行的。此时测量速度必须与生产节拍相吻合。因此,仪器的操作方式要适合生产测量的需要。提高测量速度,不仅提高了生产率,有时也可以起到提高精度的作用。因为生产效率提高,会缩短测量时间而减少温度变化对降低测量精度的影响。采用自动化测量不仅可以缩短时间,提高生产率,而且可以提高测量精度,节省人力,消除人为误差,避免重复单调的劳动操作,减少费用,还便于远距离显示及反馈,避免辐射影响等,这是测量技术发展的主要方向之一。4 .可靠性可靠性是指一种产品在一定时间内和一定条件下,不出故障地发挥其规定功能的概率。可靠性指标除了用完成规定功能的成功概

5、率表示外,还可以用平均故障间隔时间或称产品平均寿命、故障率或称失效率、有效性、平均保养间隔时间或平均寿命等来表示。一台仪器或一套自动测量系统,无论在原理上如何先进,在功能上如何全面,在精度上如何高级,假若可靠性差,故障频繁,不能长时期地稳定工作,则该仪器或系统就没有使用价值。因此,随着现代化仪器及测量系统的发展,可靠性要求愈来愈重要,与此相应,可靠性的评价便不能像过去那样仅停留在定性的概念性分析上,而应该科学地进行定量计算。5 .寿命在设计中应注意考虑提高寿命的方法,如结构中尽量减少磨损件,用分子内摩擦元件代替外摩擦元件;选用适当的材料及热处理、化学处理方法;规定合理的使用操作规程、维护保养方

6、法、包装搬运要求及使用环境条件等等。6 .造型仪器的外观设计亦极为重要。总体结构的安装、部件间的造型、细部的美化等,都必须认真考虑,同时便于使用。最好经过美工人员的专门设计,使产品造型优美、色泽柔和、美观大方、外廓整齐、细部精致。总之要使人们感到是一台现代精密仪器,必须小心维护,细致操作,从而提高仪器的精度保持性和仪器的使用寿命。*3. 现代精密仪器设计的原则答：为了减少仪器误差,保证仪器精度,在设计时应考虑以下原则:1 .从原理上提高精度的原则误差平均原理。如采用多次重复测量,取平均误差,以提高测量精度。又如采用密珠滚珠导轨、静压导轨均化误差等。位移量同步比较原理。即采用不同方法对同一量位移

7、同步运动的方法进行比较的原理。误差补偿原理。通过校正、补偿环节,使仪器中的系统误差减小或消除,从而提高仪器的精度。2 .阿贝原则将仪器的读数刻线尺,安排在被测尺寸线的延长线上,即被测量与仪器作读数用的基准线应顺次排成一条直线。3 .运动学设计原理空间体具有 6个自由度,根据物体要求运动的方式,即要求的自由度数,确定施加的约束数。4 .变形最小原则使仪器当受力、重力、热、内应力、振动等作用时变形最小。5 .基面合一原则零件设计时,设计基准、加工基准、检验基准、装配基准要统一。6 .最短传动链原则影响测量精度的测量链系统和传动效率的传动链最短,零件最少。7 .精度匹配原则在分析精度的基础上,对机、

8、光、电各部分精度分配恰当,对各部分提出不同的精度要求。8 .仪器零部件的标准化、系列化、通用化原则9 .仪器可靠性、安全、维修与操作方便原则10 .结构工艺性好原则11 .造型与装饰宜人原则12 .价值系数最优原则产品的功能与产品成本之比,反映了社会产品价值的高低。*4.现代精密仪器设计的程序答：具体的设计程序可归纳如下:(1)确定仪器任务:根据用户要求、国家发展要求、国内外市场需求来确定。(2)调查研究国内外同类产品、性能和特点技术指标。(3)对设计任务进行分析,制定设计任务书。(4)总体方案设计:在明确设计任务和深入调查之后,就可进行总体方案的构思和设计。总体设计包括:实现功能的分析;确定

9、信号转换原理与流程;确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型;主要参数的确定;技术经济的评价。总体设计是仪器设计的关键一步。在分析时,要画出示意草图,画出关键部件的结构草图,进行初步的精度试算和精度分配,进行方案论证和必要的模拟试验,以考查所拟的方案是否可行,确定最佳的方案之后,才可进行下一步具体技术设计。(5)技术设计。包括:总体结构设计;部件设计;零件设计;精度计算;技术经济评价;编写包括分析和计算的设计说明书。这一步应该包括机、电、光各部分的结构设计。(6)制造样机、样机鉴定:制造样机,进行产品试验,发现问题及时修改设计。样机鉴定,编写设计说明书、使用说明书、检定规程。根据试制和试

10、验总结,修正设计,最后设计定型,并进行技术经济评价及市场情况分析。(7)批量投产。*5. 精密仪器的产品设计有哪 3种类型？答：其产品设计有以下 3种类型:1 .创新设计新产品设计根据市场需要进行创新性开发新产品。根据所开发产品的品种,拟定出新的方案原理进行设计。2 .适应性设计已有的产品已不满足市场的需要,在保留原理方案的基础上,为适应市场的需要,往现代精密仪器设计往对系统、部件进行重新的设计。3 .变型设计基本保留原产品的功能、方案原理和结构,只是改动尺寸大小或结构布局的设计,形成系列产品。*6. 目前在仪器设计中采用三次设计应用较多,其三次设计可分为哪 3个阶段？答：(1)系统设计由专业

11、人员根据专业知识设计产品的结构和各元器件的中心值及其误差等级范围等,也就是通常的专业设计。这个阶段主要采用的是传统设计方法,即用传统的实验方式、经验设计公式以及设计者的经验。但从优化的角度看,无论是计算为主还是实验为主,其产品的参数均带有直接的性质,即由系统的输入、输出指标,根据系统的物理性能,直接设计系统的一组参数值,以符合指标要求,设计就告完成。因此,一般来说尚未考虑系统参数的优化问题。(2)参数设计这是一个新的设计技术,是设计一个高质量产品的最重要的阶段。其目的是从庞大的组合关系中找出最好的参数搭配关系,使质量最稳定可靠。其手法,从根本上来讲是用到了所谓非线性技术以及多种因素之间的搭配关

12、系的优选技术。其结果一般改变了第一次设计的中心值,往往是较大地改变了第一次设计的各元器件的参数。通过第二次设计,往往可以使产品的质量从精度和稳定性上获得很大提高,有时甚至是非常大的提高。可以说不经过参数设计的产品,绝大多数情况下,不是质量最好的产品。此项技术,要反复应用较大型的正交表,一般要在计算机上完成。(3)允差设计找出对产品质量影响显著的重要元件,然后对其进行经济效益计算,最后定出高质量低成本的方案。一般也是在计算机上反复应用正交设计技术完成的。三次设计后,使产品的质量接近最佳平均值,工厂在生产时的质量接近正态分布。*7. 阿贝原则的主要思想是什么？答：这项原则的表述是：要使量仪给出准确

13、的测量结果,必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上。因此,也可称作共线原则。8. 误差平均原理的含义是什么 ?答：*9. 总体设计前为什么要进行设计任务分析 ?设计任务分析应考虑哪些问题 ?答：在总体设计时,首先要作“设计任务分析”,也就是要详细了解设计任务的各种要求。这一工作的目的,是要弄清设计任务对仪器设计提出的各项指标,摘要写进设计任务书中,并且根据总体设计的基本原则,逐一地进行分析研究。通过设计任务分析,可以对任务有一个梗概的了解。应尽可能多地收集有关资料。经验总结及计算资料等,分析哪些是关键问题,哪些是次要问题,抓住影响全局性的关键问题,进行深入调查研究,比较多种方案,为总体

14、设计打下基础。设计任务分析的内容应包括下列几项:1 .使用要求精密仪器的使用要求,即是要求精密仪器在一定的工作范围内能有效地实现预期的功能,并在一定的使用期间内不丧失原有功能。对仪器的使用要求及其必须具备的功能一定要分析清楚,它是仪器设计的出发点和归宿。2 .仪器精度(不确定度)精密仪器的精度是它的一项重要的技术指标,它是仪器设计中的一个很关键的问题。精密仪器及设备的精度一般可分为 3类:中等精度:直线位移精度为 1m10m,主轴回转精度 1m10m,圆分度精度为 110。高精度:直线位移精度为 0 .1m1m,主轴回转精度为 0 .1m1m,圆分度精度为 0 .21。超高精度:直线位移精度为

15、 < 0 .1m,主轴回转精度为 < 0 .1m,圆分度精度为 < 0 .1。由于精度等级不同,在设计时无论是精密机械系统还是控制系统都有很大的差异,甚至导致实现的原理不同,价格差别很大。高精度的仪器或设备,在低精度场合使用,不经济;相反,又达不到使用的目的。所以精度必须与经济性相匹配。3 .生产批量生产批量是由市场需要所决定的,同一种仪器不同的生产批量在设计时的结构不同,大批量生产的结构设计,应尽可能采用专用机床和专用工夹具,零件结构尽量简单,采用系列化、通用化、标准化、便于维修;而对单件小批量生产,则可采用通用机床加工,配作等,其毛坯成形应尽量少采用铸压件。4 .生产效率

16、对精密机械设备、微细加工设备来讲,生产效率是指在单位时间内它所加工的工件数量;对于计量、检测仪器来说,则是其单位时间内的检测效率。在设计时应根据所要求的仪器效率考虑仪器的自动化程度,如微机控制、自动上下料、自动传送工件、自动检测、自动定位、自动修正、自动打印结果等,或者只有其一部分自动功能,一部分半自动及手动等相互配合。5 .工作环境工作环境如振动、温度、湿度、空气净化程度等对精密机械与仪器的使用有很大影响。由于仪器的使用要求及使用场合不同,在仪器设计时考虑外界条件影响的侧重点也有所不同。对在计量室内使用的仪器,一般都是高精度的仪器,设计时应尽量采取措施避免外界条件变化对它的精度影响,或者设计

17、时有消除外界条件变化时对测量结果影响的修正环节;而在车间条件下使用的仪器,考虑的主要出发点则是防尘、防油、防腐等密封装置,至于其他环境条件,只要在允许的要求范围内变化时,保证仪器正常工作即可。有些高精度的仪器为了确保仪器的性能,还要考虑隔振、恒温、恒湿及净化等措施。6 .安全保护当精密仪器在特殊环境下工作时,如高压、放射性物质、有毒气体等,则应采取特种防护装备,使操作人员的人身安全得到保证;同时使仪器本身得到保护,需要设计一些安全装置,如过载装置、互锁保险装置、行程限位等。10.精密仪器技术指标的作用,精密仪器的技术指标分哪几个方面 ?答：*11.说明确定精密仪器主要参数及技术指标的方法。答：

18、（1）.根据设备的用途确定主要参数和技术指标（2）.根据测量 (加工)对象的主要尺寸确定主要参数和技术指标（3）.根据测量 (加工)精度确定主要参数和技术指标（4）.根据设备或仪器中的薄弱环节确定主要参数和技术指标（5）.根据系列化要求确定主要参数和技术指标（6）.根据产品可靠性与成本的要求确定主要参数和技术指标*12.精密仪器设计时应遵守哪些设计原则 ?答：13. 设计者从哪些方面考虑才能实现最小变形的原则 ?答：14. 精密仪器在造型和装饰方面应考虑哪些要求 ?答：15. 试分析分辨力(分辨率)与精度的关系,如何确定仪器的分辨率 ?答：16.何谓动态精度 ?接触式测量系统主要动态指标有哪些

19、 ?非接触式测量系统主要动态误差有哪些 ?如何计算 ?答：17. 基座与支承件的基本要求是什么 ?基座的支点布置在什么地方合适、立柱位置布置在基座什么位置上合适 ?答：18. 主轴系统设计的基本要求是什么 ?答：19. 设计导轨有什么要求 ?在仪器中(如放在恒温室和超净车间)哪些因素是主要的 ?答：*20. 精密仪器设计时其精度一般有中等精度、高精度、超高精度的区分，都在什么范围？答：精度又称为精确度，是指准确的程度。精度的高低是用误差的大小来衡量的，误差小则精度高，误差大则精度低。 1）中等精度：1um10um主轴回转精度1 um10 um圆分度精度110。&#

20、160;2）高精度:0. 1 um1 um主轴回转精度0.1 um1 um圆分度精度0.21。 3) 超高精度：直线度小于0.1 um，主轴回转精度小于0.1 um，圆分度精度小于0.1. *21.力变形对精度的影响，要求那几种机床受力对精度的影响，影响最大的是悬臂梁。答：机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差、传动链误差。22.能计算某个部件的自由度； 分析：自由度分为构件自由度（构件具有独立运动参数的数目）和机构自有度（机构具有独立运动参数的数目）*23.&

21、#160;制造、安装、运行和原理误差在精密机械与仪器中的程度； 答：在仪器的各种误差源中，制造误差数值最大，运行误差次之。但在仪器测量误差中运行误差将是主要的。具体见【现代精密仪器设计，45页，例2-8】  24. XY工作台的部件，以及电控XY工作台微动系统的原理和分析；   答：x-y工作台系统基本上是由工作台滑板、直线移动导轨、传动机构、驱动电机、控制装置和位移检测器等组成。   由于工作台使用的情况不同，因而对性能的要求也各异。一般的静态和动态性能要求包括有如下一些内容。 （1

22、）静态性能 工作台的几何精度包括x-y工作台的导轨在水平面内的直线性、垂直平面内的直线性、x方向与y方向的垂直度、x-y方向的反向间隙和反向精度以及工作台面与运动平面间的不平行性； 系统的静刚度工作台传动系统受重力、摩擦力或其他外力的作用而产生相应的变形，其比值称为静刚度；工作台的定位精度和重复定位精度。 （2）动态性能 工作台系统的振动特性和固有频率；速度与加速度特性；负载特性；系统稳定性等。*25. 滑动导轨、滚动导轨、静压导轨的特点。 答：导轨主要由运动件和承导件两部分组成。 滑动导轨是由支承件和运动件直接接触的导轨。

23、优点是结构简单、制造容易、接触刚度大。缺点是摩擦阻力大，磨损快、动静摩擦系数差别大，易产生爬行。 滚动摩擦导轨是在两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨运动处于滚动摩擦状态。由于滚动摩擦阻力小，是工作台移动灵敏，低速运送时不易产生爬行。工作台起动和运行消耗的功率小，滚动导轨磨损小，保持精度持久性好。故在仪器中广泛应用。 气静压导轨油以下优点：  运动精度高：由于提高了导轨面得直线性和平行度，可以减小支承的间隙。      无发热现象：不会像液体静压导轨那样因静压油引发热，也没有热变形。 摩擦与振

24、动小：由于导轨之间不接触故没有摩擦，气体粘性极小，可以认为是无摩擦，故使用寿命长。没有振动和爬行现象，可以进行微细的送进和精确地定位。  使用环境：由于使用经过过滤的压缩空气（去尘、去水、去油、去湿），故导轨内不会浸入灰尘和液体。另外由于不使用润滑油，故不会污染环境。气浮导轨可用于很宽广的湿度范围。 除以上优点外，还有下列缺点：  承载能力低，因气模的压力，即使在静压情况下，也只有0.3MPa左右（气源压力为0.5MPa左右）。       刚度低，在重载荷下，不宜使用。   

25、;  需要一套高质量的气源.      对振动的衰减性差，仅为油的1/1000，如果设计不当，可能出现自激振荡等不稳定问题。  由于气模厚度很小，安装不准确，产生变形影响精度。使用条件要求苛刻，费用高。  26. 传动的作用、传动比计算、传动比分配。 传动的作用： 答：（1）改变速度的大小：增速、减速、调速； （2）改变运动的方向：顺时针、逆时针、空间变向； （3）改变运动的方式：转转，转移，转间歇，转摆动。 在精密

26、机械中所采用的机械传动装置，按传动的用途可分为以下3种： （1）力（功率）传动。主要用来传递动力，改变力或力矩的大小。对它的要求主要是应保证足够的强度。 （2）示数（测量）传动。主要用来传递运动，包括传递数据或进行读数。对它的要求主要是保证必需的精度。 （3）一般传动。只作一般传动或驱动用，对强度和精度均无严格要求。对这类传动可按结构条件或类比法设计。二、 说明题：*1.试说明如题图所示是否符合阿贝原则。*2. 说明屏蔽的分类及特点。*3. 试说明常用线性拟合方法都有哪些？答：常用线性拟合方法有：理论拟合； 端点连线平移拟合；端点连线拟合； 过零旋转拟合；最小二乘

27、拟合； 最小包容拟合*4. 试说明信息融合系统的结构有哪三种？答：根据数据处理方法的不同，信息融合系统的结构有三种:分布式、集中式和混合式。1)分布式： 先对各个独立传感器所获得的原始数据进行局部处理，然后再将结果送入信息融合中心进行智能优化组合来获得最终的结果。分布式对通信带宽的需求低、计算速度快、可靠性和延续性好，但跟踪的精度却远没有集中式高;分布式的融合结构又可以分为带反馈的分布式融合结构和不带反馈的分布式融合结构。2)集中式： 集中式将各传感器获得的原始数据直接送至中央处理器进行融合处理，可以实现实时融合，其数据处理的精度高，算法灵活，缺点是对处理器的要求高，可靠性较低，数据量大，故难

28、于实现;3)混合式：混合式多传感器信息融合框架中，部分传感器采用集中式融合方式，剩余的传感器采用分布式融合方式。混合式融合框架具有较强的适应能力，兼顾了集中式融合和分布式的优点，稳定性强。混合式融合方式的结构比前两种融合方式的结构复杂，这样就加大了通信和计算上的代价。*5. 论述并说明现代精密仪器设计的基本原则都涵盖哪些方面？答：为了减少仪器误差,保证仪器精度,在设计时应考虑以下原则:1 .从原理上提高精度的原则误差平均原理。如采用多次重复测量,取平均误差,以提高测量精度。又如采用密珠滚珠导轨、静压导轨均化误差等。位移量同步比较原理。即采用不同方法对同一量位移同步运动的方法进行比较的原理。误差

29、补偿原理。通过校正、补偿环节,使仪器中的系统误差减小或消除,从而提高仪器的精度。2 .阿贝原则将仪器的读数刻线尺,安排在被测尺寸线的延长线上,即被测量与仪器作读数用的基准线应顺次排成一条直线。3 .运动学设计原理空间体具有 6个自由度,根据物体要求运动的方式,即要求的自由度数,确定施加的约束数。4 .变形最小原则使仪器当受力、重力、热、内应力、振动等作用时变形最小。5 .基面合一原则零件设计时,设计基准、加工基准、检验基准、装配基准要统一。6 .最短传动链原则影响测量精度的测量链系统和传动效率的传动链最短,零件最少。7 .精度匹配原则在分析精度的基础上,对机、光、电各部分精度分配恰当,对各部分

30、提出不同的精度要求。8 .仪器零部件的标准化、系列化、通用化原则9 .仪器可靠性、安全、维修与操作方便原则10 .结构工艺性好原则11 .造型与装饰宜人原则12 .价值系数最优原则产品的功能与产品成本之比,反映了社会产品价值的高低。*6.精密仪器的产品设计有哪 3种类型？答：其产品设计有以下 3种类型:1 .创新设计新产品设计根据市场需要进行创新性开发新产品。根据所开发产品的品种,拟定出新的方案原理进行设计。2 .适应性设计已有的产品已不满足市场的需要,在保留原理方案的基础上,为适应市场的需要,往现代精密仪器设计往对系统、部件进行重新的设计。3 .变型设计基本保留原产品的功能、方案原理和结构,

31、只是改动尺寸大小或结构布局的设计,形成系列产品。*7测控仪器在总体设计方案中要考虑哪些主要问题？答：设计任务分析 创新性设计 测控仪器若干设计原则的考虑 测控仪器若干设计原理的讨论 测控仪器工作原理的选择和系统设计 测控系统重要结构参数与技术指标的确定 仪器总体的造型设计。*8. 阿贝误差的补偿方法有哪些？答：可采用动态跟踪测量补偿与定点测量补偿法。*9. 屏蔽的结构形式都有哪些？答：屏蔽罩屏蔽栅网隔舱导电涂料屏蔽铜箔。*10.精密仪器的信号转换与传输原理的选择都包括哪些？答：按传感器转换功能不同，可选择位置检测或数值检测 按传感器对原始信号感受方向不同，可选择机械式、非接触式和直接引入式 按

32、传感器转换放大原理不同，可选择机械式、光学式、光电式、电学式或气动式等。*11. 论述并说明现代精密仪器设计的程序包括那几个方面？答：具体的设计程序可归纳如下:(1)确定仪器任务:根据用户要求、国家发展要求、国内外市场需求来确定。(2)调查研究国内外同类产品、性能和特点技术指标。(3)对设计任务进行分析,制定设计任务书。(4)总体方案设计:在明确设计任务和深入调查之后,就可进行总体方案的构思和设计。总体设计包括:实现功能的分析;确定信号转换原理与流程;确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型;主要参数的确定;技术经济的评价。总体设计是仪器设计的关键一步。在分析时,要画出示意草图,画出关键

33、部件的结构草图,进行初步的精度试算和精度分配,进行方案论证和必要的模拟试验,以考查所拟的方案是否可行,确定最佳的方案之后,才可进行下一步具体技术设计。(5)技术设计。包括:总体结构设计;部件设计;零件设计;精度计算;技术经济评价;编写包括分析和计算的设计说明书。这一步应该包括机、电、光各部分的结构设计。(6)制造样机、样机鉴定:制造样机,进行产品试验,发现问题及时修改设计。样机鉴定,编写设计说明书、使用说明书、检定规程。根据试制和试验总结,修正设计,最后设计定型,并进行技术经济评价及市场情况分析。(7)批量投产。*12. 说明光学系统具有哪些特点？ 答：在人类改造自然的进程中,基于光学技术的方

34、法和仪器占据重要地位,这是因为光学方法有许多独特的优点:由于信息加载于光波,故是一种非接触和非破坏测量,还可以进行远距离测量以及危险、恶劣环境中测量。光波传播速度快,可进行实时测量和控制,例如可在生产线上进行自动测量、自动识别、可以干预和控制生产。测量精度高。如激光的稳频精度已达到 1×10- 7以上,干涉测量的精度可达到1/100 波长。具有很高的空间分辨率。可进行图像处理技术。三、 综合题：*1.如题图所示，请在下图中的空白框内和括弧内填上各个功能和作用。答：参考答案。四、 计算题：*1. 如图5-12所示，直流放大器的输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V，绝缘电阻R=

35、108 ，则漏电流引起的干扰为多少？解：设直流放大器的输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V，绝缘电阻R=108 ，则漏电流引起的干扰为：通过计算分析得知，对于高输入阻抗放大器，即使很弱的漏电流，也会引起严重的后果。故在设计时，要严密注意与输入端有关的绝缘度，以及周围的相关电路安排。2.五、 判断题：*1.如题图所示电路产生的噪声干扰，是什么干扰？两导线主要受到什么干扰？在精密仪器设计中应采取什么办法消除？答：是指静电场耦合，或电容性耦合，是相邻两个电路中一个电路通过它们之间的寄生电容对另一个电路产生的噪声干扰。应采用异向双绞线设计。*2.如题图所示，是一个热电偶测温电路，为了提高检测

36、精度，采用冷端温补热电偶进行补偿，请根据图中标出的量值关系，写出AD590输出电压VI的关系表达式。解：六、简答题*1.激光干涉仪的设计要求都包括哪些?答：一套性能良好的激光干涉定位系统应该满足下列要求:(1)满足仪器的精度要求 激光干涉定位系统一般是用于高精度的仪器作为定位检测系统,根据仪器的设计原则,定位检测系统的精度应占仪器总精度的 1/ 31/ 10,根据仪器的精度来确定干涉系统本身的精度,例如仪器总精度为 1m,干涉定位系统的精度应小于±0 .1m,与之相应干涉系统的分辨率应 < 0 .01m。在干涉系统设计时,为满足精度要求,应考虑结构选型,在布置结构时应尽量满足阿

37、贝原则及结构的变形最小的原则,同时还应采取必要的措施如稳频等保证在外界环境变化时,对干涉仪的精度影响较小,此外根据仪器精度的高低,对环境提出必要的要求。(2)保证干涉定位系统工作的稳定性和较强的抗外界干扰能力 干涉系统的稳定性是它的重要性能指标之一,否则仪器不能正常工作。为保证稳定性,首先干涉条纹要有较高的对比度。对比度越高,获取的信号质量就越好,仪器的稳定性就越好。干涉条纹对比度的要求有两点:一是对于固定点的对比度好,二是在测量定位的全行程上的对比度变化小。根据实践经验,主要是以光电转换后的正弦信号的质量来衡量对比度的优劣,对于单频干涉仪其信号幅值应大于 2V;全行程内幅值的变化应 <

38、 10% ;两正交信号的正交性 < 10%。要达到上述指标主要是光学元件的选择与设计问题。其次是抗外界干扰能力问题。外界干扰主要是指外界的振动干扰。单频干涉仪抗外界干扰能力差,双频干涉仪抗外界干扰能力强;解决抗干扰能力的问题除从选择干涉仪的类型外还应采取必要的措施。(3)力求结构合理使用方便 结构尽量简化,保证必要的调整环节,以便操作、维修方便,适于工业生产。*2. 光栅的莫尔条纹信号是如何实现细分。答：莫尔条纹细分分为空间相位置细分和时间位细分两类,可采用机械、光学和电子学的方法实现。 复习重点*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

39、机相结合的一种范围广泛的测量仪器。测控仪器的分类：1. 几何量计量仪器2. 热工量计量仪器3. 机械量计量仪器4. 时间频率计量仪器5. 电磁量计量仪器6. 无线电参数测量仪器7. 光学与声学量测量仪器8. 电离辐射计量仪器*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。*现代设计方法的特点：(1)程式性(2)创造性(3)系统性 (4)优化性(5)计算机辅助设计 *设计要求：(1)精度要求(2)检测效率要求(3)可靠

40、性要求(4)经济性要求(5)使用条件要求(6)造型要求 *设计程序：(1)确定设计任务(2)设计任务分析，制定设计任务书(3)调查研究，详细占有资料(4)总体方案设计(5)技术设计(6)制造样机(7)产品鉴定或验收(8)设计定型后进行小批量生产 *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

41、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) xo 之差 =x-xo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 =/xo特点：无量纲*测量误差

42、：对某物理量进行测量，所测得的数值xi与其真值xo之间的差 i=xi-xo i=1,2,3,n*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

43、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

44、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*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*

45、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

46、、肋板、肋条厚度*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

47、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

48、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、4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

49、。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。*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

50、-Y双向微位移工作台 *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 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

51、、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

52、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

53、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

54、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。单片机的特点与功用： 可靠性高：工业抗干扰能力优于一般的通用CPU，程序指令、系统常数均固化在ROM中，不易破坏；硬件集成度高，使系统整体可靠性大大提高。 易扩展：单片机内具有计算机正常运行所必需的部件，芯片外

55、部有许多供扩展用三总线及并行、串行I/O管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 控制功能强：为满足工业控制要求，单片机的指令系统均有级为丰富的条件分支转移指令、I/O端口的逻辑操作以及位处理功能。 存储器容量小：受集成度限制，一般ROM为几k字节，RAM仅有几百字节，经扩展后也只能达到几十k字节。 体积小：由于单片机的高集成度，使得整个仪器电路系统的体积有可能大幅度缩小，并可以形成便携式仪器，携带和使用非常方便。特别适用于小型测控仪器和便携式测控仪器。由单片机构成的主机电路：以单片机为核心的中央处理系统的设计，应将单片机作为一个芯片，同主机电路的其他芯片有机地结合起来，从而构成一体化处理系

56、统。由于单片机内部的存储器容量和I/O端口能力十分有限，因此基于单片机的主机电路系统的主要任务是对单片机的存储器和端口进行扩展。名称原理特点注意问题内插式将输入或输出接口电路制成印制板的插板形式，并直接插入PC机主机箱内的扩展槽内，通过计算机的各种系统总线与CPU交换信息。来自测量电路的测量信号通过插板与计算机打交道，主机与控制电路系统之间也是通过插板进行联系。 构成简便，结构紧凑，成本低廉，可直接形成典型的个人仪器。 另一方面，由于PC机的扩展槽数量有限，可用于输入/输出接口的扩展槽较少，灵活性较差。在设计内插式测控仪器时应留意可用的扩展槽的总线形式（PCI总线或AGP总线），以便正确设计接口电路的总线结构。另一方面，扩展槽上的接口板是由PC机的电源统一供电的，在设计内插式接口电路板时应考虑PC机电源的容量大小。外接式将输入接口与输出接口安装于PC机箱外部一个独立的外接电箱中，并通过外部总线（如RS-232C串行总线或IEEE-488并行总线等）与PC机通讯和传递数据。 灵活方便，适用于多通道、高速