测控仪器设计复习题

1、第二章误差特性 ：客观存在性、不确定性、未知性。分类 ：按误差的数学特征 ：随机误差、系统误差、粗大误差；按被测参数的时间特性 ：静态参数误差、动态参数误差；按误差间的关系 ：独立误差：相关系数为“零” 、非独立误差：相关系数非“零”来源：设计、生产、使用，生产中误差有原理误差、制造误差、运行误差。原理误差 ：近似数据处理方法、机械结构、测量与控制电路1)采用近似的理论和原理进行设计是为了简化设计、简化制造工艺、简化算法和降低成原理误差属于系统误差，使仪器的准确度下降，应该设法减小或消除。减小的方法：? 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? 研究原理误差的规律，采取技术措施

2、避免原理误差。? 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。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，以及振动和干扰等仪器误差分析目的：正确地选择仪器设计方案；合理地确定结构和技术参数；为设置误差补偿环节提供依据。任务：寻找影响仪器精度的误差根源及其规律；计算误差及其对仪器总精度的影响程度；过程 ： 寻找仪器源误差分析计算局部误差是各个源误

3、差对仪器精度的影响， 这种影响可以用误差影响系数与该源误差的乘积来表示；质（单值、多值）、测量状态（动态、静态）等要求;2）按国家标准严格的定义确定仪如果满足，则表总误差，并判断仪器总误差是否满足精度设计所要求的数值。明精度设计成功；否则，对精度分配方案进行适当调整或改变设计方案或结构 后，重新进行精度综合。误差独立作用原理：除仪器输入以外，另有影响仪器输出的因素，假设某一因素的变动（源误差）使仪器产生一个附加输出，称为局部误差。影响系数是仪器结构和特征参数的函数；一个源误差只产生一个局部误差，而与其它源误差无关；仪器总误差是局部误差的综合。分析方法：微分法、几何法、作用线与瞬时臂法、数学逼近

4、法、控制系统的误差分析法。其 它方法：逐步投影法、矢量代数法、球面三角法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基于机构传递位移的机理因此，作用线与瞬时臂法首先要研来研究源误差在机构传递位移的过程中如何传递到输出。究的是机构传递位移的规律。第三章 测控仪器总体设计， 是指在进行仪器具体设计以前，从仪器自身的功能、技术指标、检测与对仪器设计中的全局问题进行全面控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发, 的设想和规戈叽要考虑的主要问题有:1.设计任务分析2.创新性构思3.测控仪器若干设计原则的考虑4.测控仪

5、器若干设计原理的斟酌 5.测控仪器工作原理的选择和系统设计6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定7.仪器总体的造型规划仪器总体设计的最终评估，是以其所能达到的经济指标与技术指标来衡量,精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题。设计任务分析器工作原理了解测控参数载体的特点机械与光学载体居多。要考虑载体的大小、形状、材料、重量、状态等了解仪器的功能要求是静态还是动态、开环还是闭环、一维还是多维、单一参数还是复合参数、检测效率、测量范围、承载能力、操作方式、显示方式、自动诊断、自动保护等。了解仪器的使用条件室内还是室外、 在线还是脱机、间断还是连续、 环境状况。了解国内外同类产品的原理和技术水平了

6、解国内加工工艺水平及关键元器件的销售情况六项设计原则：阿贝（Abbe）原则及其扩展变形最小原则及减小变形影响的措测量链最短原则坐标系统一原则精度匹配原经济原则阿贝原则定义：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。但在实际的设计工作中，有些情况 不能保证阿贝原则的实施，其原因有二: 1）遵守阿贝原则一般造成仪器外廓尺寸过大，特别是对线值测量范围大的仪器，情况更为 严重。2）多自由度测量仪器，如图3-3所示的三坐标测量机，或其它有线值测量系统的仪器。很 难作到使各个坐标方向或一个坐标方向上

7、的各个平面内均能遵守阿贝原则。许多线值测量系统的仪器， 很难做到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵 守阿贝原则。变形最小原则定义：应尽量避免在仪器工作过程中，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。1.减小力变形影响的技术措施米激光测长机底座变形的补偿、光电光波比长仪消除力变形的结构布局2.减小热变形影响的技术措施1、用恒温条件，以减小温度变化量选择合适的材料,以减小线膨胀的影响，或选用线胀系数相反的材料在某些敏感环节上进行补偿;采用补偿法补偿温度变化的影响测量链最短原则定义：仪器中直接感受标准量和被测量的有关元件,如被测件、标准件、感受元件、定位元件

8、等均属于测量链在精密测量仪器中，根据各环节对仪器精度影响程度的不同,可将仪器中的结构环节区分为测量链、放大指示链和辅助链三类。测量链的误差对仪器精度的影响最大,般都是1:1影响测量结果。因此,对测量链各环节的精度要求应最高。因此测量链最短原则显然指一台仪器中测量链环节的构件数目应最少,即测量链应最短。因此，测量链最短原则作为一条设计原则要求设计者予以遵守。以上设计原则，一般都是从某台仪器总体出发考虑的。而坐标系统一原则,则是对仪器群体之间的位置关系，相互依赖关系来说的，或主要是针对仪器中的零件设计及部件装配要求来说的。坐标系统一原则对零部件设计 来说，这条原则是指：在设计零件时，应该使零件的设

9、计基面、工艺基面和测量基面一致起来，符合这个原则，才能使工艺上或测量上能够较经济地获得规定的精度要求而避免附加的误差。对仪器群体之间（主系统与子系统之间）的位置关系，相互依赖关系来说，这条原则是指:在设计某台仪器或其中的组成部件时，应考虑到该仪器或该部件的坐标系统在主坐标系统中的转换关系与实现转换的方法精度匹配原则定义：在对仪器进行精度分析的基础上，根据仪器中各部分各环节对仪器精度影响程度的不同，分别对各部分各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配。经济原则经济原则是一切工作都要遵守的一条基本而重要的原则。经济原则反映到测控仪器的设计之中，可从以下几方面来考虑:1）工艺性。选择正确的加工工艺和

10、装配工艺，从而达到节省工时,节约能源，不但易于组织生产，而且降低管理费用。2）合理的精度要求。精度的高低，决定了成本的高低。因此各环节则应根据不同的要求分配不同的精度。3）合理选材。合理选材是仪器设计中的重要环节之一，从减小磨损、减小热变形、 减小力变形、提高刚度及满足许多物理性能上来说，都离不开材料性能。而材料的成本又差价很大，因此合理选材是至关重要的一条。4）合理的调整环节。设计合理的调整环节，往往可以降低仪器零部件的精度要求，达到降低仪器成本的目的。5）提高仪器寿命。为提高仪器寿命要对电气元件进行老化和筛选；对机械零部件中的易损系统采用更合理的结构型式。 虽然这两方面的改进会使成本增加，

11、 但如果仪器寿命延长一倍，等于使仪器价格降低了一半。测控仪器设计原理：平均读数原理、比较测量原理、补偿原理平均读数原理 ：在计量学中，利用多次读数取其平均值，能够提高读数精度。比较测量原理一） 位移量同步比较测量原理定义： 对复合参数进行测量的近代方法是先分别用激光装置或光栅装置等测出它们各自的位移量，然后再根据它们之间存在的特定 关系由计算机系统直接进行运算比较而实现测量。位移量同步比较原理主要 应用 于复合参数的测量： 渐开线齿形误差， 齿轮切向综合误差， 螺 旋线误差，凸轮型面误差的测量特点：这类复合参数一般都是由线位移和角位移， 或角位移和角位移以一定关系作相故在设计互运动而成。 它们

12、的测量过程， 实际上是相应的位移量之间的同步比较过程，这类参数的测量仪器中， 形成了一种位移量同步比较的测量原理。 这一原理的特点是符合按被测参数定义进行测量的基本原则。二）差动比较测量原理1电学量差动比较测量电学量差动比较测量可以大大减小共模信号的影响，从而可以提高测量精度和灵敏度，并可以改善仪器的线性度。2光学量差动比较测量降低共模信号的影响，还可消除杂散光的干扰。（三）零位比较测量原理补偿原理补偿原理是仪器设计中一条内容广泛而意义重大的设计原理。如果在设计中，采用包括补偿、调整、校正环节等技术措施，则往往能在 提高仪器精度和改善仪器性能方面收到良好的效果。补偿原理的核心包括:1.补偿环节

13、的选择为了取得比较明显的补偿效果，补偿环节应选择在仪器结构、2.补偿方法的确定工艺、精度上的薄弱环节，对环境条件及外界干扰敏感的环节上。有光电方法、软件方法、电学方法、标准器比较的方法等。3.补偿要求的分析根据不同的补偿对象，有不同的补偿要求:例如，对于导轨直线度偏差的补偿， 必须要对整个行程范围进行连续逐点的补偿；而对仪器示值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间选几点，达到 选定的特征点保证仪器示值精确即可。4. 综合补偿（最佳调整原理）的实施优点：综合补偿方法具有简单、易行、补偿效果好的特点。涵义：该方法不必研究仪器产生的误差来自哪个或哪些环节，但通过对某个环节的调整后，便

14、起到了综合补偿的效果。检测系统工作原理的选择和系统功能的设计是总体考虑时首先遇到的一个问题。检测系统是一台设备的重要组成部分，它相当于人体智能系统的五官，五官获取外界信号，大脑相当于设备的控制系统，四肢相当于设备的执行机构 ，因此，一台完整的设备能否 按设计要求完成预定的任务，首先取决于检测系统的精度和可靠性。检测系统的设计包括：传感器的选择与设计、标准量及其细分方法的应用、数据处理与显示 装置的选取等三大部分。测控仪器结构参数及技术指标的数值是根据仪器的功能、测量范围、精度要求、分辩 力要求、误差补偿要求、使用要求和条件，以及有关标准规定等许多因素来确定的。、从精度要求出发来确定仪器参数一一

15、光学灵敏杠杆的杠杆比的确定 二、从测量范围要求出发确定仪器参数一一小模数渐开线齿形误差检查仪的结构参数的确定三、从误差补偿要求来确定参数一一电容压力传感器的结构参数确定四、从仪器精度和分辩力要求 出发确定仪器参数光栅式刀具预调仪电子细分参数与视觉系统结构参数的选择。第四章在测控仪器中，精密机械系统对保证仪器的测量精度、定位精度和运动精度起着关键的作用。仪器中的支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。笔 称觀豔祁尺脚 尢邹比獎要世敦睛 歡B更层言总循用用報棉采膈於議邮验能腿“斷储却有毓銀盅咗航狮已哥脚 畅力知淒小析欢舸琵0雜工谕磁世郢碾櫃蘇屈、霊黔恸取瞳出鲫型曲吹渐氏删助昭、醐珊橄醐强胡枷魁納在軀R

16、!睡耦易m恳鄭腫畐媚噩翊县毗雕;牆酣觀琶环嫌贩办嘗 對桶烦或驢媲騎冃凰耐須癱搠制怖 眾聒L匏閑绵覇施 龙电討机期觀瞬罪甌;百塾翘拦飆H爬新脳聲訝斟，to薛郅他 魁0誌、划議彖H帯制龄：出曲虽*5给上学 与讣算枷喪天帕錯詡d期怦雯tt动梓吐 g座血I黑；ift"仍尊側旨；!闿itf仙樂期件瓦菜用破倾*盘?;谨删廿細乩陸理 第果与菊t祓feib1）正磧1涨百世曲弓井除构，船囲刃遛垃珂土小有姜；聽，13时娈世 S龍厠?我有矣；蚤宵芸 <-喝ft五仁扫同时不同舒面F&苣痫址tjsafj绘l+2）鹹鉢绽豊：!樹以Ml雲期妾1-1-1僦爭K卿明卿蛾麒艙3）正賤的姑构布詮总功犬杜勺）

17、身的詰构工耳上*創匾诙謔嗨格 通腰椎也涤嘶粒菲艙擁邮J1， 搁崔-11?讓炖联to工的工芸也参闻夷1-2支创桶困盼耳愷豳垂辖S 创垦斟毎炖遢臥轴槿、动精醐福朕M导轨由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成，分为滑动摩擦导轨、滚动导轨、静压导轨和弹性摩擦导轨。主轴刚度K=F/y体，主轴为变形体K0 =M/0（ a为主轴悬伸长度,y2 主轴为刚体，轴承为变形体朋后下龍E动补嚐-乘用稚牵冈节。緘賺窗福輛卅卄两面确麒，砂琥® 怙旭，3有檢丈冃1苗翻市导甸桂冬*S其邑窗鈿刃导顼卑一边苗内外個两面jg謝iM” 刪 H班m念聖引丿曲:r=B办二懊二世台麼斜卡西。您6忙_£环罷6功袖唱

18、!，瘗用徹新可fl。行向直也中同甲吕讯的两时Sb两sat窗餃小"，l支撑跨距y1 轴承为刚,y 总挠度）提高主轴刚度的措施：大主轴直径，但导致机构尺寸加大。一般 D 取锥孔大端直径的 2 倍合理选择支撑跨距a / l0=1/21/4提高轴承刚度主轴系统的热稳定性滚动摩擦轴系优于滑动轴系合理选择推力支撑位a.b.c.d.减小热源的影响推力支撑位置在后径向轴承的两侧。受热后主轴向前伸长，影响轴向精度。推力支撑位置在前后径向轴承的外侧，装配方便，受热伸长会影响轴向间隙。推力支撑位置在前径向轴承的两侧， 避免了主轴受热向前伸长， 刚性较高， 但主轴悬伸部分增加。推力支撑位置在前径向轴承的内侧

19、，是较好的布置。液体静压轴承轴系是由压力油将轴系浮起进行工作的轴承。特点：1)在液体压力油作用下将主轴浮起，在轴和轴套之间形成油膜，因此形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，转动灵活，消耗功率尘。2)与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，因此常用于大型或重型仪器上，在机床上应用比较广泛。3)回转精度较高，可达卩 m。由于油液分子的平均作用，使轴系回转精度可高于零件加工精度。4)抗振性好于气体静压轴承。5)需要一套高质量的供油系统，由于油温变化后会造成回转中心热漂移，因而还需油温控制系统配套使用。因此不仅系统复杂化而且成本也较高。第五章电路设计要求igott要II册iW勘屈秦：離匕 谪

20、扒紳塢（飓科鹘痢欝 咅rni祉是-铀我而衬哥福迥I灵議邂 丰甜曲駅總琵淮二滩； 嗓禳削鬆對屣i 鋤試赫嚓弱甥i餌樹電嘛轴磔刪複齟蔽i&我阪融锻，世砺虫值君叡规執11 灵躺，目號韓tht和九師塞鶴丽憧 鞭通鯛芝犒厠靈匪滔穩定盹铳ti差。 茫盤卿繇箭言P fifiSS鉛W翊SE艇ii誚冶回目情藍標翌臥味方並 軽舵设计耐尺團必班以靛驅絢至II爛扑谢左軽当的M甜附.側绽帧鄭，可Q显署耐君扌醮獸©可罐魄制淑fiW埶砸湃I戦辎嘴差爾皑熬蒯魏艾 佛力對晅乏翩罰，需験凝虑1、注詩爭閘1H哽隠遥鈕常湃前过碗遗KO惰丹2、磁仲聽確计集膜主馳諒式瘵,确运锻蹴置加S翎诒时 酚曉郭那直肆磁變二是在弟饌

21、緞计方面S1務距靠按台理也戯聞悴龍或可觐甬i Z1顷胛熾中勵皐襯7L，辭说韵应軒帼锻，&珊谨ffi加橫曲4新的丽眩薙 菲龜腕囂储熾弓臥辦栗飙可餐热旨賀汗飆神卜鼬也可 懑喩将跡童轴戍隹路耿瞭魁附竝懿隹敢书1軌綁斬 哉用“懑牺或“婕滋"前方亦寻耕釧间、骈扫惯瞒衷 競耕我诩比舍K简述测控仪器诰计中一般的设计娶求目括哪些方面？主萝的谡计程序包括哪些？ 设计要求：精度要求检测效率要求可靠性要求经济性要求使用条件要求©造 型宴求设计程序：确定设计任务设计任务分析©调查研究总体方案设计技术设计©制 造样机©样机鉴走或验收样机设计罡型后进行小批量生产2

22、、简述测控仪器的设计原则，并稍作说明阿贝原则该愿则指出，为使量仪能给出正确测童结果，业须将仪器的读数可先吃安放在械测 尺寸钱的延长袋上。就是说，被测露件的尺寸线和仪器中作为读数用的基准线应顺 厚排成一条直线最小变形Jf则该原则指出，应尽臺避免在仪器工作a程中，因受力变化或因溫度变化而引起的仪 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量小 测量链最短原则测量旌最短原则则是指构成仪器测量链环节的构件数目应最少坐标系基准统一原则这条原则是指，在设计雾件时，应该使零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致 起来符合这个则才能使工艺上或测量上能够较经济的获得规走的精度要求而避 免附加的惧差

23、精度匹配原则在对仪器进行精度分析的基础上，根据仪器中各部分各环节对仪器精度影响的不 同，分别对各部分个环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，这就是精度匹配 原则经济原则经济原则是一切工作都要遵守的一条基本而重要的原则3、简述测控仪器的设计原理，并稍作简述平均读数原理在计量学中，利用多次读数取其平均值，通常能够提高读数精度。利用这一原理来 设计仪器的读数系统，即称之为平均读数原理比较测量原理包括位移量同步比较测量原理、差动比较测量原理、零位比较测量原理 补偿库理应用补偿法进行误差补偿是应注意的问题有补偿环节补偿方法©补偿要求 ©综合补偿4、线纹尺、度盘、码盘都是绝对码标准量

24、的例子，根据它们的起始和终止的位S就可以 确定所对应的线位移或转角，与测量的中间过程无关。绝对码标准量的抗干扰能力优于増量 2标淮量，它不受停电、断线等蕙外故障以及测量中间过程的影响，并易于倾复测量 光葡、激光干涉条纹等属于増量马标准量。它的优点是可按需要任意设S零位，这样可叹 不必通过两点的绝对坐标差去确定位移或转角。有的増量耳标准量还设有绝对零位。増量曰 标准fi需从测量条件、屏蔽、电路等方面采取措施，以提高其抗干扰能力5、导轨运动的不平穩现象产生的原因罡什么？如何加以改善？ 原因：导轨运动的不平稳现象主要是因为“爬行”现象。导致爬行现象的原因有导轨间的静、动摩扌廉系数差值较大动摩抿系数随

25、速度 变化系统刚度差改善：要减小爬行，影视临界速度降低，即应制小动摩播力与静摩擦力之差AF,増加 系统阻尼和増加弹性环节刚度。当运动部分润滑较好时也可使爬厅减小6、试述线性直流稳定电源和开关型稳定电源的工作原理，说明其特点和优势。 线性直茨稳定电源的原理罡，靠调整簣之间的电压竦稳定输出，因此线性电源的 出特点是工作在线性区，稳走性高，纹汲小，可塞性高，易做成多路。输岀连续可调，但足 体积大、较笨重、效率相对较低 幵关型直流稳定电源的功率器件调整管不是工作在纹性区，而是工作在饱和区及 止区，艮卩始终处于功率开关状态，开关电源因此而得名。开关电源的优点是体积小，重量轻, 稳定可竈，尤其是输乂电压范

26、围很當J缺点相对干线性电源来说文浪较大7、干扰網合的方式主要有哪些？分别是怎么形成的？干扰福合的方式主要有»电耦合电硯璃合共阻抗搞合®漏电流耦合 静电網合亦称电容性辐合，产生的原因主要是由于两个电子器件或者两 电路之间存在寄生电容，经寄生电容®个电路的电荷彫响另一个电路©电宙網合的产生原因王要由于两个电路存在叠憨，使辱一个电路的电湊 化通过电磁耦合干扰另一个电路 共阻抗耦合一股发主在两个电路的电流淡经一个公共®抗其中一个电在该阻抗的压降会影响另一路漏电溢揺合？蓉帛中干细绦不良，而流经维绕电阳的电溢所引起的的干扰8、试述在印駁电路板设计中的布线要

27、拿握的一些原则？（对支电源线，借号线和地线）。电源线的布线®则：电源线和地线要尽量粗，除减小S降外，更重要的是降低辐合噪声。只S允许，还是尽可能用當线。导线的最小宽度主要有导线与绝缘基板间的粘附强度和 S过它们的电流值决定。导线之间的最小距离主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压 决定 信号线的布线原则：布线时，尽量避免90°折线，使用45。折线或圆弧布线，叹减 少高頻信号对外的发射和辐合。布线时尽量漏少回路环的面洪，以降低感应嗓声。尽可能缩 短高频元件之间的连线，设法制少它们的分布蓼数和相互间的电磁干扰。输入鋼和输出端用 的导线应尽量避免相邻平行。 地线的布线原则：数字

28、地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地，A/D、D/A片布线也叹此为原则。单片机和大功率器件空地线要里独接ft,以减少互相干扰。低频模拟 电路采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后在并联接地。高頻模拟电路采用多 点串BX接地，地纱应短而粗，高频元件周围長量用栅格状大面积地落。9、接地设计的两个基本要求是什么？什么是“浮地系统“，有何优劣点？接地设计的两个基本要求罡：消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的嗓声 电压避免形成地环路浮地系统，是指仪器的整个地线系统和大地之间没有欧娉连接，仅以"浮地”作为它的 电平基准，即参考电平。浮地系统的优点罡不受大地电流的影响。因此，作为

29、系绕“地”的参考电平罡按水涨船 高的原理岁电压的感应而相应的提高。所次，仪器内部的电N器件不会因高电压的干音而击 穿，这对CCWS电路尤为有利。浮地系统的缺点是，当附近有高压设备时，其机充易懸应较高电压，形成嗓声干扰，因 此安全性较差。10、在光学检测系统中，什么是直接检测系统和相干检测系貌？各有何特点？不论罡相干光源还罡非相干光源来携帯光信息，而检测器件只直接检测光强度，这种 光电系统称为直接检测系统；如果采用相干光源利用光波的拆幅、频率、相位来携带信息, 光电检测器检测不是直接检测光强而是检测干涉条纹的振幅、频率、或相位则称为相干检测 系统。直接检测系统简电、应用范围广，而相干检测具有更f

30、t的检测能力和更高的信噪比， 因而系统楕度更高，稳定性也更好V11、说明干涉荣绞外差检测原理及特性。(1) 原理本光电接收器It放大器I夕暨5参考光5)a)图6-51光学外差探测原理光学外差检测原理如Sa所示。入射信号光波的复振幅和本机振荡玄考光液的复振幅分别为 Us(t)=asSin(uJ 北+屮 $U：(t)=a：sin(tjJ；t+屮 o)则在光混频器上的输出光强为它的频谱分布表如图b所示，其中的倍頻项与和频项不能被光电器件接受，只有当3 0和 3S足够接近，并使tors-3 0处于探测器的通频带范围內才能被相应。此时探测器的諭 出信号为,此式为光学外差信号表达武C2)光外差检测的特性光

31、外差干涉测M具有以T优点：检测能力强转换増益高信嗓比高©滤®性好 穂左性和可症性高。12、光电系统设计要考虑哪些重要原则？匹配原则(光谱匹配、功率匹配、阻抗匹配)干扰光最小原则共光路原则光 电系境设计罡测控仪器设计的一却分，它还应遵守仪器i殳计的阿贝原则、差动比技原则、精 度原则、基面统一原则以及补偿原理，平均读数原理等基本原则和理论13. 如图所示杲斐索平面千涉仪原理图，试说明其工作原理，并说明其共光路情原理;激光束1披發光镜3汇聚于小孔光栏4处, 光栏4位于准直物後7的焦面处，光東透过分光 镜5向下通过准直物镜7平行光束出射，并垂 直人射到参考物後Ml上。Ml为半反半透

32、鑽， 一部分光线被'【1反射作为标淮光東，另一剖分 光透过蔘考镜入射到被测表面M2上有被测 衰面反射形成测童光朿，两朿光在光栏6处汇合 而r生干涉。在光栏6处叙g CCD摄像机便可 记录下与被测表面相对应的干涉图0 光路情况：该索统豹测量光東与参考光束基本上 处于同一环境中，S度的变化和外界振动的影响 对两束光基本上相同，因而有利于提高测量精 度。索统的测量光東与参考光東在参考機Ml到 被测物体之间罡不同路的斐素干涉仪原理图1-徽光支2反葛挖3聚光拔 6光栏的，试说明其工作原理？采用的是何14、如图所示光路是用来检测物面（镜面） 种照明？原理：光源发出的光经物镜7投射 到物保8上，物横

33、本身兼做聚光镜。 物镜将物面成像到CCD器件9的 光敏面上。这种照明系统可以检测 反射横面上的缺陷。如果被测表面 是犧面，则镜面的反射光线全韶进 入物機成像，因此整个图像部是白 色。当镜面上有闔蚀斑点或者污'凑 时，所产生的漫反射光线进入物镜 的甚少，因此S像上将产生黑鱼的 斑点 同轴反射照明光源2-集光镜3-孔径光4-视场光阑5-聚光縫6-分光镜；7-物镜8-物面9-CCD15、试说明其工作原理，并用相应公式推导，设计要点？ 光:源发岀的光通量0=此十如sin（购（十航）3/6/7/原理：是正弦波调制的激光束在传S过程中利用其相位变化来测量距离。如图所示该系统采用半导体激光器作为光源

34、，在光源的驱动电路中施加正弦电压。则 光源发出的正弦规律的充適量0=0）+血sin（®/ +他）光辐射经光学系统3发射到放在被测距鳶物体上的靶镜4上，光披靶镜全反射后被光 学器件6接收，经放大、鉴相后可获得相位差变化屮。若被测距离为D,从发肘光到接收到返回光的时间为t；光的传播速度为C则t=2Dc, 在这段时间里光载波的相位改变了屮；即屮=Wot=UJoX2Dc,从而可以计算出待测距离 D=cip '2uj ：=ci4J 4n 丘被测相位 1S屮=（m-A m） X2tt =mX2n -A 屮16、试简要说明时间法测距的原理，设计要点？强肪冲滋光器1发出的激光巨脉冲经光学系统

35、2射向被测距S的目标3,光被目标反射后彼 测距仪的光电检测器件5接收.若该巨脉冲从发射到接收的时间延迟为t；则被测距离为 D=(l/2Xt 01间I可用脉冲填充法求出I =XA T=N fo从而可得D=(l/2)ct= (12G Cn=KN 式中K=c-2fc是测距脉冲当量，即单位脉冲对应的被测距离17. 简述激光干涉测长的基本原理，并给岀公式，分析其原理误差。迈克尔逊T涉仪吋移动平台M2/待测物体激光器示记录裝先卩原理：由激光器发出的光经分束镜BS分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参 考反射镜H返回后形成壘考光束；另一朿干涉仪的测fi臂，测fi臂中的反射鑽M2将随披 测长废位移而移动，

36、这一束光从测S反射镜返回后形成测量光東；测量光束和参考光束的相 互養加干涉形成干涉信号。干涉信号的明暗变化次数K直接对应于测量静的位移，可表示为L=KA 2=NA o2ti测量光路与参考光路的光程差为2n(U-U,对应的干涉条纹数为 Kof (L«rLJ A o测量时，反射復随被测物体一起移动。如移动长度为L,那么干涉® 纹数变为K=2nL A o*2n(L,-L,)' A o若干涉条纹经m倍细分后，再用计数器计数，所记的数 为K,那么N=Km=2mnL X o-2mn(LnrLr)/ X o从而被测«度为L=NA池皿么寸®由于激光干涉测长是増量

37、码式测量，在测量开始前应対计数器清零，因而在测量过程 中只g L,-L,不在变化，其测量结果为LgCA o2mn改式为激光干涉测长的基本公式误S：对L=NA d2irm(L打LJ进行全微分，便可用徽分法求出影响激光干涉测长的主 S误差 L=为计数误差； 为波长不稳定带来的测S误差； 为由于测S环境下$气 折射偏离标准环境下的空气折射率而带来的误差J 为测量过程中由于温度、力变形及 振动造成初试程差发生变化而莆来的误差18、甥旋测微机构误差分析。由于制造或装配的不完善，使得婢旋测微机构的轴 线与滑块运动方向成一夹角。试求由此带来的误差。(P36)蝮杆移动距离为L. P2龙导轨一滑块/护施副一&q

38、uot;WW手轮.1rofj£由于原误差为夹角误差0，滑块的实际移动距离L为L=Lcose =19、如图所示是小模数渐开线尺廓检查仪。试说明其工作过程及实现测量的原理。2工作过程；被测齿轮1与半径为R的基as 2同心安装在主轴上，墨Sfi 2有由钢芾将其与主拖板3相连。在主拖板3上安装了直尺5,其角度可以通过专门的装赛实现调整。在推 力弾® 12的作用下，测量拖板8与直尺5保持接触，在测量拖板上安装了测量杠杆9和测 微仪10转动手柄7时，传动丝杠4帯动主拖板上下移动，基0盘在钢芾的带动下转动，被 测齿轮随之轻动。与此同时，直尺也上下移动，罡测fi拖板水平移动，此时，测fi杠

39、杆感受 的是被测齿轮的齿廓偏差信号，测微仪10将S放大显示。实现测量的原理：当主拖板在丝杠的带动下上下移动的距离为L时，直尺也上下移动了L, 在钢带的帯动下5Sfi逆时针旋转屮=LRo此时，在弹蕃的作用下，测量拖板向右移动的 距离5=Ltan9，设测齿轮的®圆半径为厲，测童之前将直尺倾斜角度调整为0 =arctan(roR) 那么测fi拖板的位移距离为s=Ltan0江“Rr却20、自准直仅简化原理图如图所示，用分划板上的刻线尺来测量反射镜的偏转角, 分划板上的刻线是均匀的，求原理误差。十字线与帥像之间错开的疇Z为zOfanM当Ci很小时zf - 20则原理误差为A a =a -a戶o

40、Zf-arctan&f)=zQ f%zofl 3(sf)"21、有一光学系统，其放大倍数为：M = y3=-已如像面的轴向位置误差AV = 0.1ww ,物S y=20mm像高为/ ,像面到像方焦点间距.V = lOOOwwi ,求因此引起的仪器误差AT。22s用游标卡尺测S工件的直径。测S时，活动量爪在尺架（导轨）上移动，由 于导轨之间存在间隙.使活动量爪发生傾斜角而带来洌S误差，肯值为O游标卡尺的读数刻线尺和褂测件的 尺寸线不在一余线上，故不符合阿贝 原则ig S=30 S米，0 =r。卡尺设计不苻合仪器设计的哪个原则？衣由此带来的误 差，此误差厲于何种类型误差。二3一

41、活动量爪发生倾斜角而带来洌 量误差，其值为 i=StanUJ因为 S=30nun > 9 二1" 所以 1=30 X 0.0003mmV=9x10'23、试说明爱彭斯坦光学补偿法是用来补偿何种误差的？幷说明英工作原理. 爱彭斯坦光学补偿方法a）测长机丄作炽堆图b）光学补偿原理补偿阿贝误差工作原理：由尾座内光源照明的双刻线分划板及由读数显徵镜读数的lOOnm刻线尺均 安S于仪器床身上，并分别位于焦距f相同的两个透镜Nix N2的焦平面上。反射镜 M2X逶镜K2及照明光源与尾座连为一体，反射镜MlX遶镜K1与头座连为一体。对 于im测长机而5,仪器床身上装有10块双刻线分划

42、g,每两块相距100mm,每块上 面刻有卜9之间的一个数字。对零时，双刻线指标成谯在lOOmm刻尺的0刻线位g, 即S1点。测量时，若工件长度的基本尺寸为lOOmm或其整数倍，则霜屋座向左移动， 若工件长度的基本尺寸除了 100mm的整数倍外，还有自O.l-lOOmm的小数时，则还需 同时将头座向右移动到所需的数值上。光学补偿原理：由于倾角e的影响，在测量线方向上测端将向左移动AL比une值，如 无补偿措血，则此值即为阿贝误差。但这时与尾座连为一体的M2sN2也随之倾斜e角， 这徉，新的双刻线指标0通过M2、N2及Ml、M便成像到S2点，即s2，点相対于si 点在刻尺面上也有一挪动量51s2=

43、ftane °这时，由于头座要向左移动AL来压紧工件， 而使0点的像也同时向左移动 L再次与S1点瞄准。若h=f则hianO =ftan0于是，由屋 座倾斜而带来的阿贝误差，在读数时自动消失了。24. -个长度为L,高度为H的矩形基座，当上表面温度高于下底面温度时会产 生上凸下凹的形变，其最大凹凸量为6如图所示。9117)1试求证图中C所标示位置为最大变形量发生位置。2-试求最大变形量的关系式。设基座材料的线膨胀系数为a .上下温差为t。因为6 =屮 /4Xl/2=L/8 屮=A L/H=La A t/H 所叹6 =a A ttVSH 25、主动三角法测距的应用范围是多少？漫反射式和

44、反射式三角法的测量原理？绘图说明， 并写出公式。设计要点？ （P279） 主动三角法测距法用于从数a米倒数米的精密测距 漫反射光的三角法：光源与聚光镜组成的照明部分的光轴垂直被测物表面，照明光被聚光 覆汇漿于一点A,光点大小约数十徽米，光点披物镜成像与P点。若被测表面轴向位移AZ 相应像点由P移至Pl,则由三角关系可得AZ二PP1 Bsine这种万法的测堂范围可込数白竜米，分耕率可达Ipm反射式三角法：即入射光的光轴与接收光的光轴按反射定律位S放置，用于测量光滑物休的轴向位移，有團示三角形关系的AZh 三、R答题（每小题10分，共40分）I-为什么在岛粘皮的圜分度测虽装胃设订中，在度矗的对径力

45、向丄安装两个读数头，这 布 局川以消除渎数谋工讨I哪些次谐波答：rrHi盘的对径方向上安装两个读数头，M収两个读数头谏数值的平均值件为Mrr.这 转 角付*上的读数这IY,度盘安装偏心或轴系晃动带*伯读数谋#为正的话.则对读数头 11来说.英读数课左必为负.R两者的绝对位相竽。因此.、"疗任若度盘安装偏心或轴系见动 误非:时，对径读数取它们的平均to，则川口动消除读数視至.这 r 局刖以消除读数误;:屮奇数次谐波ix：.毕例说明诫小阿贝谋瓷的力汰。答：I）标尺丿被測昼 条线：何如用f令尺测s件时.枝测零件的尺寸线和干令尺的刻线 尺在条血线丄，完全符合阿贝原则。2）如无比做到则确保导轨

46、没有角运动：例如用游标U尺测ST.fT时，沼动运爪与尺架（导轨） 之间存rr间隙.测最时町拧犠活动S爪上的缩紧螺钊消除间隙，避免活动凤爪产生倾轧3）或/垃眾蹂测屋，算出Zr丿L偏移加以补保 例如将瓷彭斯坦贮丫补经方汰应用T髙粘度测K机的i实数糸统中，通过结构布川随机补偿阿贝谋珀。2. 密珠轴系有何特点？密珠轴系的设计耍点有哪曲？n：密珠轴系的特点为密集的滾珠近似丁多头螺碇扌II列，毎人滾珠公转时有nc滾道.互不币 父.滚珠装配时过盈，和当十滇加我荷，起刘消除间隙，减小儿何形狀误差.这种轴系成本 低，便用力便,寿命长”粘度局，但承找能力不人。密珠轴系的设计耍点冇滾姝的密集度：适肖提高滾珠密集度.

47、即増加滾姝数虽，町Wtt主轴的“飘侈”有所改善。 浪珠的»列方式：排列方式必须满足毎个滾珠的滾道虫不逍叠.片在山径方向上滚珠的配置成 对称的原则.过盈虽的确宦：过盈屋能补偿轴承零件的加工谋羞，提髙轴系的冋转粘度和刚度。代体静Hv导轨右哪些类型？ fV有何特点？普：1）闭式丫面导轨型导轨榊度局，刚性大，胆戈能力也人，就适卜件持密机械的长行程 导轨。2）闭式関柱或矩形导轨型 结构简用，孝件的粘度可由机械加T保证。随右丁11台的移动， 导向圆轴可能产生挠必 故不适用做长导轨.可用门鮎腹、局稳定性的知行程工作台的导轨。3）开式币:踰平衡术 结构简单、年竹加工也比较容易fllM廃小，朮载能力低

48、，可用于负我 变动小的梢密仪器和测虽仪器。m,4）开式A空吸附平衡型由真空泵的真空压力來限制工作台的浮血虽，因此，町以减少工fr台 浮起间隙気 艮至可以祓少到lum,故可捉岛刚度.常在微细加匸设备屮应用.3. 測控电路般由哪几部分组成？ 有什么作用？n： I）测星电路测星电路是位馄渝的输入通说，其作HI展将传感器输出（勺测虽人:.号进行调 理、转换、或者运算等.2）柠制电路 控制电路足伫息流的输出通逍，其fl用足爪拥中央处理系统发出的命令，对被 控參数实行控制.3）中央处埋系统 屮央处理系统同时连搖着測虽电路和控rM电略，即连搖看信总流的输入通 逍和输出通逍，因此它是整个电路与软件系统的中心，

49、同时也是整个测捽仪器的神经中4）电源 电源的上耍作用包括：为整个电路系统各单元捉供必耍的能S，为?V个电路单 儿提供电半呈准，为抽虽仿号和控制伉号提供参考电、卜尊等5）软FI系统 软fl系统对r亢成各种依息处理、捉局系统的口功化和徑葩化水平、捉升系统 性能和可徐性、共享测吊数据以及系统之间九和通讯和联络等具有血援的作用，同时它也是提 局测控仪器阳加位的巫婪于段Z。测控轶fl的设计般应遵循那*«原则？答： 先进的：软件设计方肚与采用的:TJI娈符合计铮机技术发展趋势，采用先进成熟的技 术和手段，易r技术更新.（2）町扩充弘 软件系统的架构应当方便系统和支搏Y台的升级，満足用八对竹息需求

50、不断变化的甜畛，以及系统投资建设的长列件效益。（3）乂活件：通过采用纣冲J化，倶块化的设计形式，满足系统及用户各种不同的需求，适 丿电不幣变化的耍求.（4）规范性：采用的技术标准耍i9®W际标范利国家标爪与观范，保证系统发肚的延续和 可靠tt（5）系统性：软件的设讣）"、是独立J系统械!件之外的，应当在满足系统设口的总体谕提 卜條合考虑.典片9的情况，就足经常采用“以轶代帔”的方2：4. 光电系统设耍考虑哪些車耍廉则？存：D匹配®则 光电系统的核心是比变换与比电变换因而）t电系统的尢学部分与电子 那分們1!1：配是I分巫S的.这些匹配包拈光谱匹配、功率匹配和阻抗匹

51、配.匹配的核心是如何 止林犹样光电检測器件.2）干扰光最小廉则光电系统屮的干扰光5&指杂散光、杵景光和“冋授光“干扰光最小原 则折丁扰比对比电系统影响就小.以使系统稳淀件好，抗丁扰能力强.3共比路廉则 测屋比束丄j参考比束¥木上处TkJ环境屮.沿度变化和外界扳动的影响对 两束完基木丄和同.因而有利丁提岛测虽W度。丁涉条纹外芳检测系统设计时耍考®SP匕问邂？答：I）比外苯捡測的空间条件 信号比和点扳比的波前必须匝A,也就足说，必须保持信号 比和+扳比在空耐上的角准了i2）比外益检测的坯率条01允外幷探测除了婆求信号和本扳朮必须保持牢间准血、具轴以外, 还耍求两者H有高

52、度的的色杵和频率稳注度。3比外兴楡测的偏振条件 在）t混频器上要求信号比打木扳光的偏振方向致，这样两束比 才能按尤束呑加观丫卞逬行合成4）外岸椅测的功崇稳定外幷拾测屮，木机振荡功率珂若不稳定将会引起很大的啼奇.因此 外北松测耍求木扳尤功率耍稳，除了采用稳频率和稳功率技术来稳£ Po外，在比略中釆用 双通道混频技术来减小P。的影响分有效的- 四、分析计算a：（每小趣川分，共却分）I. 门准左仪简化廉理图如图所示，用分划板I：的刻尺来测星反対镜W转角a,分划板上的刻 间隔足均匀的，求原珅课幷:。ftV： rtl图示几何关系f*J tan2a = y.则 a = -arcian - = -

53、丄（三）'=2 f 2*/3/2/6 /其原理谋差为Aa = （-f6 J2. 有 摩擦盘左尺运幼剧（见右图）.«原始沃泾有馀擦S赚擦盘AbK偏心S凍擦盘转和从©W到5 ,求它们带來的作川蟆耳?（AD =0005mm, c=0.002mm,sV1 '-1r“二 r 晋"eqs/)AD解：30引起的作用谋羞垄圆盘安装偏心可以转换成瞬时臂误岸方协例=于，則引起的 作用俣善:为AFp =1)= 7(0.523 0) = 0.<X)l3(w/zj)e引起的作用谋差 卑岡盘安装偏心可以转换成瞬时骨谋策5/;/0）= esine，则引起的作用误幷为A?；

54、 = £ 6和0卩=£* e*sinifid<p = e(cos-cos,) = (UX)2(1 -0.866) = ().00()27(ni/?/)2冇 测杆在轴全孔屮运动.测杯和轴去孔的公羞分别为d：呗、DJE 轴套KhJ血m 测杆长l=5（）mm.求测杆倾斜帯來的谋彖（10分） 侨：A = (M)l3-(-(MKn)= ().()163机械式测微仪的原理如图230所示。“试分析仪器的原理谋址。2阐述仪器各个谋疋源。3）用件用线弓瞬时臂法分析杠杆短臂误才皿苏表盘刻划 半径券A丨和表盘安装偏心C所引起的局部误差。W讥解：I）仪器的原理误玉：设被测长丿支为相应杠杆转角为0 则x = asing由麦克劳林公成得sin0 = e 即则x = dsin0 = n(e彳) 其廉理谍差为杠杆短宵误>)】町以知换成瞬时臂谋则引Ai：件用谋几为 I引赴的作用谋#= d阳(卩)卩=f= M<p农盘刻划半秤蟆屋nJ以转换成綺时烤谋芳，则引起件用误雄为A斥=f 5标糾卩=£ Sidip = A/,引起的竹用误并圆獄安發偏心町以转换成瞬时罟误并"/卩)之油0则引起的竹用谋捲为巴=P &(0)0= f esinyde = <?