测控仪器设计ppt(全)

1、1总复习2013年6月测控仪器设计测控仪器设计第第2版版2一、测控仪器的概念一、测控仪器的概念按照系统工程学的观点按照系统工程学的观点, ,生产过程中有三大技术系统生产过程中有三大技术系统: : 以以能量到能量变换能量到能量变换为主的为主的 如锅炉如锅炉, , 冷凝器冷凝器, , 热交换器热交换器, , 发动机等发动机等 以以材料到材料变换材料到材料变换为主的为主的 如机床如机床, , 农业机械农业机械, , 纺织机械纺织机械, , 液压机械等液压机械等 以以信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等为为主的主的 ，如仪器仪表、计算机、通信装置，如仪器仪表

2、、计算机、通信装置、自、自动控制系统等。动控制系统等。3按将仪器分成以下几个组成部分：1 基准部件 5 信息处理与运算装置 2 传感器与感受转换部件 6 显示部件 3 放大部件 7 驱动控制器部件 4 瞄准部件 8 机械结构部件4 1. 1.基准部件基准部件 测量的过程是一个测量的过程是一个被测量与标准量比较被测量与标准量比较的过程，的过程，因此，仪器中要有与被测量相比较的标准量，因此，仪器中要有与被测量相比较的标准量，。可作。可作为基准部件的包括：量块、精密线纹尺、激光波长、为基准部件的包括：量块、精密线纹尺、激光波长、光栅尺、标准时间等等。光栅尺、标准时间等等。 有的仪器中无标准器而是有的

3、仪器中无标准器而是用用校准的方法校准的方法将标准将标准量复现到仪器中量复现到仪器中。标准量的精度对仪器的测量精度标准量的精度对仪器的测量精度影响很大，在大多数情况下是影响很大，在大多数情况下是1111，在仪器设计时，在仪器设计时必须予以重视。必须予以重视。52.2.传感器与感受转换部件传感器与感受转换部件 测控仪器中的传感器是仪器的感受转换部件，它的作用是感感受被测量受被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号。不同测量对象可以用不同测量原理的传感器进行感受与转换，因此正确选用和设计传感器是十分重要的，通常要遵守仪器设计的和等。常用的传感器有机械式、电子式、光电式、光学式、声学式、压

4、电式等等，有数千种，选用时一定要分析清楚其工作原理、精度指标、测量范围、使用场合、特点和成本。同时一定要注意要按照被测参数的定义来选用和设计传感器。63.3.放大部件：将传感器得到的信号进行放大。放大部件：将传感器得到的信号进行放大。分类分类实例实例名称名称机械式放大部件机械式放大部件齿轮放大，杠杆放大，弹性及刚度放齿轮放大，杠杆放大，弹性及刚度放大等大等机械系统机械系统 光学式放大部件光学式放大部件 光准直式、显微镜式、投影放大、摄光准直式、显微镜式、投影放大、摄影放大式、莫尔条纹、光干涉等影放大式、莫尔条纹、光干涉等 光学系统光学系统 电子放大部件电子放大部件 前置放大、功率放大等前置放大

5、、功率放大等电子信息处电子信息处理系统理系统 光电放大部件光电放大部件 光电管放大、倍增管放大等光电管放大、倍增管放大等 光电系统光电系统 7 4.4.瞄准部件瞄准部件 用来确定被测量的位置（或零位），用来确定被测量的位置（或零位），要求瞄准的重复要求瞄准的重复性精度要好性精度要好。 5.5.信息处理与运算装置信息处理与运算装置 数据处理与运算部件主要用于数据加工、处理、运算数据处理与运算部件主要用于数据加工、处理、运算和校正等。可以利用和校正等。可以利用硬件电路、单片机硬件电路、单片机或或微机微机来完成。来完成。 6.6.显示部件显示部件 显示部件是用指针与表盘、记录器、数字显示器、打显示部

6、件是用指针与表盘、记录器、数字显示器、打印机、监视器等将测量结果显示出来。印机、监视器等将测量结果显示出来。87.7.驱动控制器部件驱动控制器部件 驱动控制部件用来驱动测控系统中的运动部件，在测驱动控制部件用来驱动测控系统中的运动部件，在测控仪器中常用控仪器中常用步进电机、交直流伺服电机、力矩电机、步进电机、交直流伺服电机、力矩电机、测速电机、压电陶瓷测速电机、压电陶瓷等实现驱动。控制一般用计算机或等实现驱动。控制一般用计算机或单片机来实现。单片机来实现。 8.8.机械结构部件机械结构部件 仪器中的仪器中的机械结构部件机械结构部件用于对被测件、标准器、传感用于对被测件、标准器、传感器的定位、支

7、承和运动，如导轨、轴系、基座、支架、器的定位、支承和运动，如导轨、轴系、基座、支架、微调、锁紧、限位保护等机构。所有的零部件还要装到微调、锁紧、限位保护等机构。所有的零部件还要装到仪器的基座或支架上，这些都是测控仪器必不可少的部仪器的基座或支架上，这些都是测控仪器必不可少的部件，其精度对仪器精度影响起决定作用。件，其精度对仪器精度影响起决定作用。标尺间隔和分度值标尺间隔和分度值标尺间隔：标尺两相邻标记的两个值标尺间隔：标尺两相邻标记的两个值之差。之差。分度值：一个标尺间隔所代表的被测分度值：一个标尺间隔所代表的被测量值。量值。分辨力分辨力 显示装置能有效辨别的最小示值。显示装置能有效辨别的最小

8、示值。 对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值。最末一位数字间隔代表的被测量值。 对于模拟式仪器，分辨力就是分度值。对于模拟式仪器，分辨力就是分度值。示值范围和量程示值范围和量程示值范围：极限示值界限内的一组数。示值范围：极限示值界限内的一组数。量程：示值最大值与最小值之差。量程：示值最大值与最小值之差。如：体温计的示值范围是如：体温计的示值范围是3542 3542 ，量程是量程是7 7 。测量范围测量范围测量仪器误差允测量仪器误差允许范围内的被测许范围内的被测量值。量值。光学计光学计 如光学计的示值范围如光学计的示值范围为为0.

9、10.1mmmm，但其悬臂可但其悬臂可沿立柱调节沿立柱调节180180mmmm，在该在该范围内仍可保证仪器的测范围内仍可保证仪器的测量精度，则其测量范围为量精度，则其测量范围为1801800 0.1mm.1mm。灵敏度灵敏度 测量仪器输出的变化与对应的输入变化的测量仪器输出的变化与对应的输入变化的比值。比值。 s= s=y/y/x x 表征仪器对被测量变化的反应能力。表征仪器对被测量变化的反应能力。 当输出值与输入值为同一量纲时，灵敏度当输出值与输入值为同一量纲时，灵敏度又称为放大比。又称为放大比。14第四节 对测控仪器设计的要求和设计程序 一、设计要求一、设计要求 (1)(1)精度要求精度要

10、求 精度本身只是一种定性的概念。为表征一台仪器的性能和精度本身只是一种定性的概念。为表征一台仪器的性能和达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值误差、重复性误差、复现性、稳定性、回程误差、灵敏度、误差、重复性误差、复现性、稳定性、回程误差、灵敏度、鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应误差等。误差等。这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足，这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足，而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选用最能反而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选

11、用最能反映该仪器精度的一些指标组合来表示。映该仪器精度的一些指标组合来表示。15 仪器的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误仪器的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误差占测量总误差比重较小时，常采用差占测量总误差比重较小时，常采用。 为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设计原则和设计原理，如计原则和设计原理，如16 随着科学技术的发展，对仪器的精度也提随着科学技术的发展，对仪器的精度也提出了越来越高的要求。出了越来越高的要求。2009年年9月，月，Intel总裁兼总裁兼CEO Paul Otellini展示世界展示世界上第一

12、块基于上第一块基于22nm工艺的工艺的晶圆。该晶圆上的每个指甲晶圆。该晶圆上的每个指甲盖大小的单独硅片内都集成盖大小的单独硅片内都集成了多达了多达29亿个晶体管。亿个晶体管。努力于努力于2016年实现年实现10nm工工艺。艺。17是误差的反义词，精度的高低是用误差的大小来衡量的。是误差的反义词，精度的高低是用误差的大小来衡量的。误差大，精度低；反之，误差小，精度高。误差大，精度低；反之，误差小，精度高。无论是精密仪器还是精密机械设备，其自身的无论是精密仪器还是精密机械设备，其自身的精度都是一项重要指标。精度都是一项重要指标。仪器精度的高低是衡量仪器设计质量仪器精度的高低是衡量仪器设计质量的关键

13、。的关键。仪器的精度是一种定性的概念。仪器的精度是一种定性的概念。定量地表征仪器的精度水平应由一些定量地表征仪器的精度水平应由一些精度指标精度指标来体现，如：来体现，如：（1）静态精度指标：示值误差、重复性误差、回程误差、灵）静态精度指标：示值误差、重复性误差、回程误差、灵敏度等；敏度等；（2）动态精度指标：稳态响应误差、瞬态响应误差等。）动态精度指标：稳态响应误差、瞬态响应误差等。18v仪器误差的仪器误差的客观存在性客观存在性：决定了仪器的精度无论多高，总存：决定了仪器的精度无论多高，总存在误差。在误差。v找出产生误差的根源和规律，分析误差对仪器设备的精度的找出产生误差的根源和规律，分析误差

14、对仪器设备的精度的影响，以便影响，以便，从而，从而。v精度分析是仪器设计中的重要一环，通常贯穿于仪器设计、精度分析是仪器设计中的重要一环，通常贯穿于仪器设计、制造和使用的全过程。制造和使用的全过程。190 xxiini2 , 1（一）误差定义误差定义：测量值 与其真值 之间的差 ix0 x误差特性：误差特性：1. 客观存在性客观存在性：无论所采用的测量手段的精度多么高，误差始终存在。：无论所采用的测量手段的精度多么高，误差始终存在。2. 不确定性不确定性：多次重复测量，所得到的测量值并不完全相等。：多次重复测量，所得到的测量值并不完全相等。3. 未知性未知性：因为通常测量真值：因为通常测量真值

15、 未知。未知。0 x杆秤：精度为杆秤：精度为“钱钱”=5g电子秤：可精确到电子秤：可精确到0.1g引出问题：如何确定测量真值引出问题：如何确定测量真值 ：1.理论真值：理论真值：设计时给定或者可以用数学、物理方程计算设计时给定或者可以用数学、物理方程计算得到得到2.约定真值：约定真值：如阿伏伽德罗常数值如阿伏伽德罗常数值=6.0221367X1023 mol-13.相对真值：相对真值：若标准仪器的误差比一般仪器的误差小一个若标准仪器的误差比一般仪器的误差小一个数量级，则可将标准仪器的的测量值作为相对真值。数量级，则可将标准仪器的的测量值作为相对真值。0 x20（二）误差的分类二）误差的分类 按

16、误差的按误差的数学特征数学特征 随机误差随机误差 服从统计规律，大多数服从服从统计规律，大多数服从。系统误差系统误差 由一些稳定的误差因素的影响所造成，可以由一些稳定的误差因素的影响所造成，可以 调整或修正。调整或修正。粗大误差粗大误差超出规定条件所产生的误差。应予以剔除。超出规定条件所产生的误差。应予以剔除。 按被测参数按被测参数的时间特性的时间特性 静态参数误差：静态参数：不随时间变化或随时间缓静态参数误差：静态参数：不随时间变化或随时间缓 慢变化慢变化动态参数误差动态参数误差 ：动态参数：随时间变化而变化：动态参数：随时间变化而变化按误差间按误差间的关系的关系 独立误差：相关系数为独立误

17、差：相关系数为“零零” 互不影响互不影响非独立误差：相关系数非非独立误差：相关系数非“零零” A误差与误差与B误差相互关误差相互关联联P2121&定义：同一测量条件下，多次测量重复同一量定义：同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差，为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。或值随温度变化的误差。v系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系统误差表明了一个测量结果

18、偏离真值或实际值的程度。系统误差越小，测量就越准确。系统误差越小，测量就越准确。v系统误差可以归结为某一个或某几个因素的函数，可以用系统误差可以归结为某一个或某几个因素的函数，可以用解析公式、曲线或数表表达。解析公式、曲线或数表表达。系统误差具有规律性系统误差具有规律性。v消除方法：可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算消除方法：可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。22v定义：同一测量条件下（测量环境、测量人员、测量技术定义：同一测量条件下（测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件）

19、，多次重复测量同一量值时和测量仪器都相同的条件），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以的方式变化的方式变化的误差，称为的误差，称为误差或误差或误差。误差。v产生原因：主要由对测量值影响微小但却互不相关的产生原因：主要由对测量值影响微小但却互不相关的共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感官的无规律变化等。测量人员感官的无规律变化等。23v存在随机误差的测量结

20、果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。24随机误差的特点 绝对值小的误差出现的次数多，绝对绝对值小的误差出现的次数多，绝对值大的误差出现的次数少。在误差为零处，概值大的误差出现的次数少。在误差为零处，概率最大。率最大。 绝对值绝对值 某值，这类误差几乎不出现。某值，这类误差几乎不出现。 测量次数足够多后，大小相等符号相测量次数足够多后，大小相等符号相反的误差出现的次数（概率）大致相同。反的误差出现的次数（概率）大致相同。 对称性对称性正负误差互相抵消，测量次正负误差互相抵消，测量次数足够多时，随机误差的

21、代数和趋于零。数足够多时，随机误差的代数和趋于零。v可用数理统计方法对随机误差进行估算，估可用数理统计方法对随机误差进行估算，估计对测量结果的影响程度。计对测量结果的影响程度。25v粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。v产生粗差的原因：产生粗差的原因：测量操作疏忽和失误。如测错、读错、记错以及实验条测量操作疏忽和失误。如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。件未达到预定的要求而匆忙实验等。测量方法不当或错误。如用普通万用表电压档直接测高测量方法不当或错误。如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压。内阻电源的开路电压。测量环境条件

22、的突然变化。如电源电压突然增高或降低，测量环境条件的突然变化。如电源电压突然增高或降低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。v含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值，含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值，。261）正确度正确度 它是它是系统误差系统误差大小的反映，表征测量结果稳定大小的反映，表征测量结果稳定地接近真值的程度。地接近真值的程度。2）精密度精密度 它是它是随机误差随机误差大小的反映，表征测量结果的一大小的反映，表征测量结果的一致性或误差的分散性。致性或误差的分散性。 3）准确度准确度 它是系统误差和随机误差它是系统误差和

23、随机误差。表。表征测量结果与真值之间的一致程度。征测量结果与真值之间的一致程度。二、精度二、精度精度是误差的反义词。精度是误差的反义词。误差大误差大精度低，误差小精度低，误差小精度高。精度高。通常把精度区分为：通常把精度区分为：27 图图2-1 仪器精度举例说明仪器精度举例说明正确度差，精密度差正确度差，精密度差 正确度好，精密度差正确度好，精密度差正确度差，精密度好正确度差，精密度好 正确度好，精密度好正确度好，精密度好准确度好准确度好正确度？精密度？28A-传感器的精度等级；A-测量范围内允许的最大绝对误差；YFS-满量程输出。 minmaxYYYSF例：若精度等级为1.5级，则A1.5，

24、即%5 . 1%100SFYA在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠程度，引入一个的概念，用A表示。它是。表示为：%100SFYAA精确度的工程表示精确度的工程表示精确度的工程表示精确度的工程表示29课堂小练习：有一个精度等级为1.5级的温度计，其测量范围为0400。当用该温度计进行测量时，其最大绝对误差为多少？6400%5 . 1SFYAA30 当测试装置的输入当测试装置的输入x有一增量有一增量x，引引起输出起输出y发生相应的变化发生相应的变化y时时，则则 S=y/x 测试系统的测试系统的灵敏度灵敏度 线性装置：线性装置：S（常数）常数）= =X- -Y关系关系直线直线的斜率的斜率 斜率越

25、大，其灵敏度就越高。斜率越大，其灵敏度就越高。 (1)灵敏度灵敏度装置的稳定性越差装置的稳定性越差装置的灵敏度越高装置的灵敏度越高易受外界干扰易受外界干扰非线性装置：非线性装置：S（变量）（变量）=XY关系关系曲线曲线的斜率的斜率输入量不同，灵敏度就不同。输入量不同，灵敏度就不同。表示静态响应特性的参数，主要有：表示静态响应特性的参数，主要有：灵敏度、线性度、回灵敏度、线性度、回程误差。程误差。31v线性误差线性误差若在若在标称（全量程）输出范围标称（全量程）输出范围A内，标内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B,则定义则定义(2)线性度线性度线性误差线性误差=(

26、B/A)100%线性度线性度标定曲线标定曲线与与拟合直线拟合直线的偏离程度的偏离程度。32v在同样的测试条件下，实际测试装置在输入量由小增大输入量由小增大和由由大减小大减小的测试过程中，对应于同一个输入量往往有不同的输不同的输出量出量。v在全量程输出范围内全量程输出范围内，把对于同一个输入量同一个输入量所得到的两个输输出量之间的最大差值出量之间的最大差值h hmaxmax称为回程误差，即 (3)回程误差回程误差回程误差回程误差=hmax（垂直于横坐标）（垂直于横坐标） 回程误差是由迟滞现回程误差是由迟滞现象产生的，即由于装置内象产生的，即由于装置内部的弹性元件、磁性元件部的弹性元件、磁性元件的

27、滞后特性以及机械部分的滞后特性以及机械部分的摩擦、间隙、灰尘积塞的摩擦、间隙、灰尘积塞等原因造成的。等原因造成的。33（二）仪器的动态特性与精度指标（二）仪器的动态特性与精度指标xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn01111011110101,bbbaaammnn和为与仪器结构和特性参数，与时间无关。为与仪器结构和特性参数，与时间无关。 系统的动态响应特性一般可以通过系统的动态响应特性一般可以通过定常线性微分方程定常线性微分方程、传递函数传递函数、频率响应函数频率响应函数等数学模型来描述。等数学模型来描述。 要精确地建立传感器（或测试系统

28、）的数学模型是很困难的。在工程上常采取一些近似的方法，忽略一些影响不大的因素。 传感器系统的定常线性微分方程为（线性时不变系统）：34传递函数与微分方程两者完全等价，可以相互转化。考察传递函数所具有的基本特性，比考察微分方程的基本特性要容易得多。这是因为传递函数是一个代数有理分式函数，其特性容易识别与研究。 35传递函数有以下几个特点：传递函数有以下几个特点： v传递函数H(s)H(s)用于描述系统系统本身固有固有的特性特性，与x(t)的表达式无关。 x(t)不同时，y(t)的表达式也不同，但二者拉普拉斯变换的比值始终保持为H(s)。 36不同物理系统不同物理系统: :例如：例如：液柱温度计液

29、柱温度计和简单的和简单的RCRC低通滤波器低通滤波器同是同是一阶一阶系系统，具有相同的传递函数；统，具有相同的传递函数；弹簧质量阻尼系统弹簧质量阻尼系统和和LRCLRC振荡电路振荡电路都是都是二阶二阶系统，具有相同的传递函数。系统，具有相同的传递函数。微分方程相同微分方程相同传递函数相同传递函数相同37v由于拉普拉斯变换是由于拉普拉斯变换是一一对应一一对应变换，不丢失任何变换，不丢失任何信息，故传递函数与微分方程等价信息，故传递函数与微分方程等价。 38第二节第二节 仪器误差的来源与性质仪器误差的来源与性质 仪器设计中采用了仪器设计中采用了近似的理论近似的理论、近似的数学模型近似的数学模型、近

30、似的近似的机构机构和和近似的测量控制电路近似的测量控制电路所引起的误差。它只与仪器的设所引起的误差。它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。具体情况有：计有关，而与制造和使用无关。具体情况有：一、原理误差一、原理误差设计设计生产生产使用使用原理误差原理误差 系统误差系统误差制造误差制造误差运行误差运行误差随机误差随机误差仪器误差：指仪器本身所具有的误差。在仪器制成以后，在规定的使用仪器误差：指仪器本身所具有的误差。在仪器制成以后，在规定的使用条件之下，仪器误差就已经基本确定。条件之下，仪器误差就已经基本确定。仪器误差产生的原因：仪器误差产生的原因：难点难点39（一）线性化（一）线性化： 将仪

31、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将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特性，由此而引起原理误差施来处理非线性的仪器特性，由此而引起原理误差。激光扫描测径仪激光扫描测径仪 11激光器激光器 2 2、33反射镜反射镜 44透镜透镜 55多面棱镜多面棱镜 66透镜透镜 77被测工件被测工件 88透镜透镜 99光电二极管光电二极管激光测径仪工作原理激光测径仪工作原理P26P26动画演示动画演示40产生原理误差的根本原因是将非线性的扫描速度视为线性。产生原理误差的根本原因是将非线性的扫描速度视为线性。理论上扫描速度为：理论上扫描速度为：实际扫

32、描速度为：实际扫描速度为：一旦设计完成，此误差也就确定。一旦设计完成，此误差也就确定。fnfv42)(1 420fynfv41（五）总结（五）总结 （1 1）采用近似的理论和原理进行设计是为了）采用近似的理论和原理进行设计是为了简化设计、简化制造工简化设计、简化制造工艺、简化算法和降低成本。艺、简化算法和降低成本。在有些情况下，是由于理想的原理在设在有些情况下，是由于理想的原理在设计中难以实现。计中难以实现。 （2 2）原理误差属于）原理误差属于系统误差系统误差，使仪器的准确度下降，应该，使仪器的准确度下降，应该设法减小设法减小或消除或消除。（3 3）减小或消除原理误差的方法：）减小或消除原理

33、误差的方法： 采用采用更为精确的、符合实际的理论和公式更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算进行设计和参数计算 。 研究原理误差的规律，研究原理误差的规律，采取技术措施采取技术措施避免原理误差。避免原理误差。例如凸轮机构，用半径等于顶杆球端半径的刀具来加工。例如凸轮机构，用半径等于顶杆球端半径的刀具来加工。 采用采用误差补偿措施误差补偿措施。原理误差是系统误差，通过研究其规律，可以。原理误差是系统误差，通过研究其规律，可以补偿掉。补偿掉。42二、制造误差二、制造误差 产生于产生于制造、装配以及调整中的不完善制造、装配以及调整中的不完善所引起的误差。所引起的误差。 主要由仪器主要由仪

34、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。参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。 由于由于滚动体的形状误差滚动体的形状误差使使滚动轴系在回转过程中产生滚动轴系在回转过程中产生径向和轴向的回转运动误差。径向和轴向的回转运动误差。xy测杆与导套的配合间测杆与导套的配合间隙隙使测杆倾斜，引起测使测杆倾斜，引起测杆顶部的位置误差。杆顶部的位置误差。xy测杆测杆导导套套43三、运行误差三、运行误差 仪器在仪器在使用过程中所产生使用过程中所产生的误差。如力变形误差、磨损和间

35、隙造成的的误差。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，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，以及振动和干扰等以及振动和干扰等 。（一）（一）力变形误差力变形误差 由于仪器的测量装置由于仪器的测量装置(测量头架等测量头架等)在测量过程中的移动，使仪器结构件在测量过程中的移动，使仪器结构件(基座和支架等基座和支架等)的受力大小和受力点的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位置发生变化，从而引起仪器结构件的变形。的变形。大型测量仪器中，对测量大型测量仪器中，对测量精度有较大的影响。精度有较大的影响。

36、摇臂式坐标测量摇臂式坐标测量 设横臂为设横臂为a b50 200mm的等截面梁，的等截面梁，选用铝合金材料，长度选用铝合金材料，长度l3000mm， l1400mm，测头部件的自重，测头部件的自重W200N。 图图210 悬臂式坐标测量机原理图悬臂式坐标测量机原理图1立柱立柱 2平衡块平衡块 3读数基尺读数基尺 4横臂横臂 5测头部件测头部件 6z向测量轴向测量轴44（二）二）测量力测量力 测量力作用下的测量力作用下的接触变形接触变形和测杆变形和测杆变形也会对测量精度产生影响，引起也会对测量精度产生影响，引起运行误差。运行误差。 灵敏杠杆灵敏杠杆 如图如图2-122-12设灵敏杠杆长为设灵敏杠

37、杆长为70mm70mm，直径为约，直径为约8mm8mm，测球直径为，测球直径为4mm4mm，测杆和被测零件材料同为钢，在测，测杆和被测零件材料同为钢，在测量力量力F=0.2NF=0.2N的作用下，将引起测球与被测的作用下，将引起测球与被测平面之间的平面之间的接触变形接触变形约为约为0.1m0.1m。同时在。同时在此测量力的作用下，测杆的此测量力的作用下，测杆的弯曲变形弯曲变形为约为约为为0.54m0.54m，这两项误差对工具显微镜瞄准，这两项误差对工具显微镜瞄准精度产生直接的影响。精度产生直接的影响。F 图图212 测量力引起的测杆变形测量力引起的测杆变形 接触变形量的大小与接触表面的形状、材

38、料、表面粗糙度以及作用接触变形量的大小与接触表面的形状、材料、表面粗糙度以及作用力大小有关。而测杆的弯曲变形量与测杆的长度和测量力大小有关。力大小有关。而测杆的弯曲变形量与测杆的长度和测量力大小有关。45（三）（三）应力变形应力变形 结构件在结构件在加工和装配过程中形成的内应力释放所引发加工和装配过程中形成的内应力释放所引发的变形的变形同样影响仪器精度。零件虽然经过同样影响仪器精度。零件虽然经过时效处理时效处理，内应，内应力仍可能不平衡，金属的晶格处于不稳定状态。例如未充力仍可能不平衡，金属的晶格处于不稳定状态。例如未充分消除应力的铸件毛坯，经切削加工后，由于除去了不同分消除应力的铸件毛坯，经

39、切削加工后，由于除去了不同应力的表层，破坏了材料内部的应力平衡，经过一段时间应力的表层，破坏了材料内部的应力平衡，经过一段时间会使零件产生变形，在运行时产生误差。会使零件产生变形，在运行时产生误差。是充分进行时效处理，切除表面应力层，是充分进行时效处理，切除表面应力层，用氮化代替淬火，锻造代替轧制等。三坐标测量机的工作用氮化代替淬火，锻造代替轧制等。三坐标测量机的工作台：由花岗岩代替铸铁或铸钢。台：由花岗岩代替铸铁或铸钢。46（四）（四）磨损磨损 磨损使零件产生尺寸、磨损使零件产生尺寸、形状、位置误差，配合间隙形状、位置误差，配合间隙增加，降低仪器的工作精度增加，降低仪器的工作精度的稳定性。磨

40、损与摩擦密切的稳定性。磨损与摩擦密切相关。由于零件加工表面存相关。由于零件加工表面存在着在着微观不平度微观不平度，在运行开，在运行开始时，配合面仅有少数顶峰始时，配合面仅有少数顶峰接触，因而使局部单位面积接触，因而使局部单位面积的比压增大，顶峰很快被磨的比压增大，顶峰很快被磨平，从而迅速扩大了接触面平，从而迅速扩大了接触面积，磨损的速度随之减慢。积，磨损的速度随之减慢。0 0t tt t1 1t t2 2f ff fh h 图图213 213 实际的磨损过程实际的磨损过程47（五）（五）间隙与空程间隙与空程 配合零件之间存在间隙，造成空程，影响精度。配合零件之间存在间隙，造成空程，影响精度。在

41、在滑动轴系滑动轴系中，中，轴与套之间的间隙轴与套之间的间隙制约着轴系的回转精度的提高；制约着轴系的回转精度的提高；在在开环伺服定位系统开环伺服定位系统中，通常以蜗轮蜗杆或精密丝杠驱动工作台作直线中，通常以蜗轮蜗杆或精密丝杠驱动工作台作直线位移或回转运动，位移或回转运动，蜗轮与蜗杆之间的齿侧间隙或丝杠与螺母之间的配合蜗轮与蜗杆之间的齿侧间隙或丝杠与螺母之间的配合间隙间隙直接引起工作台的定位误差。直接引起工作台的定位误差。 弹性变形弹性变形在许多情况下，会引起在许多情况下，会引起弹性空程弹性空程，同样会影响精度。，同样会影响精度。减小空程误差的方法有减小空程误差的方法有：（1 1）使用仪器时，采用

42、单向运转，把间隙和弹性变形预先消除，然后再）使用仪器时，采用单向运转，把间隙和弹性变形预先消除，然后再进行使用；进行使用；（2 2）采用间隙调整机构，把间隙调到最小；）采用间隙调整机构，把间隙调到最小；（3 3）提高构件刚度，以减少弹性行程；）提高构件刚度，以减少弹性行程；（4 4）改善摩擦条件，降低摩擦力，以减少由于摩擦力造成的空程。）改善摩擦条件，降低摩擦力，以减少由于摩擦力造成的空程。48（六）（六）温度温度1m1m长的传动丝杠均匀温升长的传动丝杠均匀温升11，轴向伸长，轴向伸长0.011mm0.011mm，引，引起传动误差。起传动误差。水准仪的轴系在的水准仪的轴系在的-40+40-40

43、+40的工作环境下，轴系为间隙的工作环境下，轴系为间隙配合从过盈配合从过盈2.4um2.4um间隙间隙4.8um 4.8um ；轴系间隙的变化量达；轴系间隙的变化量达7.2um7.2um。温度的变化可能引起电器参数的改变及仪器特性的改变，温度的变化可能引起电器参数的改变及仪器特性的改变，引起温度灵敏度漂移和温度零点漂移。引起温度灵敏度漂移和温度零点漂移。温度的变化使润滑油的粘度下降，使系统刚度和运动精度温度的变化使润滑油的粘度下降，使系统刚度和运动精度下降、磨损加快。下降、磨损加快。 结构件产生弯曲变形，改变了仪器各组成部件之间的位置结构件产生弯曲变形，改变了仪器各组成部件之间的位置关系。关系

44、。49（七）（七）振动与干扰振动与干扰 当仪器受振时，仪器除了随着振源作整机振动外，各主要部件及其当仪器受振时，仪器除了随着振源作整机振动外，各主要部件及其相互间还会产生弯曲和扭转振动，从而破坏了仪器的正常工作状态，影相互间还会产生弯曲和扭转振动，从而破坏了仪器的正常工作状态，影响仪器精度。响仪器精度。如在如在瞄准读数瞄准读数中，振动可能使被瞄准件和刻尺的像抖动而变模糊；中，振动可能使被瞄准件和刻尺的像抖动而变模糊；振动频率高时，还会使紧固件松动。振动频率高时，还会使紧固件松动。若外界振动频率与仪器的自振频率相近，则会发生若外界振动频率与仪器的自振频率相近，则会发生共振共振，损坏仪器。，损坏仪

45、器。减小振动影响的办法：减小振动影响的办法：（1 1）在高精度计量仪器中，尽量避免采用间歇运动机构，而用连续扫描）在高精度计量仪器中，尽量避免采用间歇运动机构，而用连续扫描或匀速运动机构；或匀速运动机构；（2 2）零部件的自振频率要避开外界振动频率，防止产生共振；）零部件的自振频率要避开外界振动频率，防止产生共振；（3 3）采取各种防振措施，如防振墙、防振地基、防振垫等；）采取各种防振措施，如防振墙、防振地基、防振垫等；（4 4）通过柔性环节使振动不传到仪器主体上。）通过柔性环节使振动不传到仪器主体上。50（八）干扰与环境波动引起的误差（八）干扰与环境波动引起的误差 所谓干扰，一方面是所谓干扰

46、，一方面是外部设备电磁场、电火花等外部设备电磁场、电火花等的干扰，的干扰，另一方面是由于另一方面是由于内部各级电路之间电磁场干扰以及通过地线、内部各级电路之间电磁场干扰以及通过地线、电源等相互耦合电源等相互耦合造成的干扰。造成的干扰。例如：例如：偶然的电磁干扰可能使仪器电路产生错误的触发翻转；偶然的电磁干扰可能使仪器电路产生错误的触发翻转；环境的波动使激光波长发生变化；环境的波动使激光波长发生变化；气源压力的波动可使气动测量仪器的示值发生改变。气源压力的波动可使气动测量仪器的示值发生改变。51 （1）采用近似的理论和原理进行设计是为了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

47、化设计、简化制造工艺、简化算法和降低成本。简化算法和降低成本。在有些情况下，是由于理想的原理在设计中难在有些情况下，是由于理想的原理在设计中难以实现。以实现。 （2）（3）减小或消除原理误差的方法：）减小或消除原理误差的方法：p 采用采用更为精确的、符合实际的理论和公式更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算进行设计和参数计算 。p 研究原理误差的规律，研究原理误差的规律，采取技术措施采取技术措施避免原理误差。避免原理误差。例如凸轮机构，用半径等于顶杆球端半径的刀具来加工例如凸轮机构，用半径等于顶杆球端半径的刀具来加工 p 采用采用误差补偿措施误差补偿措施。原理误差属于系统误差，通过

48、研究其规律，可以。原理误差属于系统误差，通过研究其规律，可以补偿掉。补偿掉。52 属于随机误差。始终存在，无法消除。属于随机误差。始终存在，无法消除。控制控制方法包括：方法包括：提高加工精度和装配精度提高加工精度和装配精度合理分配误差和确定制造公差。合理分配误差和确定制造公差。正确应用仪器设计原理和设计原则，如阿贝原则，变形最小原则等正确应用仪器设计原理和设计原则，如阿贝原则，变形最小原则等合理确定仪器的结构参数合理确定仪器的结构参数合理的结构工艺性合理的结构工艺性设置适当的调整和补偿环节设置适当的调整和补偿环节仪器在使用过程中产生的误差，属于随机误差。始终存在，无法消除。仪器在使用过程中产生

49、的误差，属于随机误差。始终存在，无法消除。第三节第三节 仪器误差的分析仪器误差的分析 如何进行仪器误差分析：如何进行仪器误差分析： 寻找寻找仪器误差源；仪器误差源； 分析分析计算各个源误差对仪器精度的影响；计算各个源误差对仪器精度的影响； 精度精度综合综合。根据。根据所得到的结果所得到的结果估计估计仪器的总误差，并判断仪器总误差仪器的总误差，并判断仪器总误差是否满足设计要求。是否满足设计要求。满足满足设计成功；不满足设计成功；不满足设计失败，需要进行调整。设计失败，需要进行调整。仪器误差分析的目的：仪器误差分析的目的：p正确地选择仪器设计方案；正确地选择仪器设计方案；p合理地确定仪器结构和技术

50、参数；合理地确定仪器结构和技术参数；p为设置误差补偿环节提供依据。为设置误差补偿环节提供依据。是误差的反义词。误差大是误差的反义词。误差大精度低；精度低；误差小误差小精度高精度高所以，又称为第二节第二节第三节第三节第四节第四节 除仪器输入以外，另有影响仪器输出的因素除仪器输入以外，另有影响仪器输出的因素 。假设某一。假设某一因素的变动（源误差）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。使仪器产生一个附加输出，称为局部误差。), 2 , 1(niqiiqiiiqPQ局部误差局部误差影响系数影响系数源误差源误差误差独立作用原理的内容：误差独立作用原理的内容：一个源误差仅使仪器产生

51、一个局部误差。局部误差是源误差的线性函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。数，与其他源误差无关。仪器总误差是局部误差的综合。仪器总误差是局部误差的综合。意义：意义：根据误差独立作用原理，在进行仪器误差分析时，可以：根据误差独立作用原理，在进行仪器误差分析时，可以：1 1）首先计算每个源误差所造成的局部误差；）首先计算每个源误差所造成的局部误差；2 2）然后将每个局部误差综合成仪器总误差。）然后将每个局部误差综合成仪器总误差。niiiniiQqPy11仪器总误差仪器总误差56设仪器的作用方程为设仪器的作用方程为 ，其中，其中 为仪器各特性参为仪器各特

52、性参数，数， 为仪器被测量。为仪器被测量。对作用方程求全微分对作用方程求全微分来求各源误差来求各源误差 对对仪器精度的影响（局部误差）即仪器精度的影响（局部误差）即),(21nqqqxfy), 2 , 1(niqiniiiniiiniiQqPqqyy111), 2 , 1(niqix具体步骤：具体步骤：1. 列出仪器的作用方程；列出仪器的作用方程；2. 对作用方程求全微分（包含对作用方程求全微分（包含各个各个源误差）。源误差）。（一）微分法（一）微分法微分法总结：微分法总结：简单、快速。：简单、快速。： （1 1）首先要能够正确得到仪器作用方程；）首先要能够正确得到仪器作用方程； （2 2）对

53、于）对于不能列入仪器作用方程的源误差不能列入仪器作用方程的源误差，不能用微不能用微分法求其对仪器精度产生的影响分法求其对仪器精度产生的影响，。（二）几何法（二）几何法 利用利用源误差与其局部误差之间的几何关系源误差与其局部误差之间的几何关系，分析计算局，分析计算局部误差。部误差。具体步骤：具体步骤： 画出机构某一瞬时作用原理图，按比例放大地画出源误画出机构某一瞬时作用原理图，按比例放大地画出源误差与局部误差之间的关系，依据其中的几何关系写出局部误差与局部误差之间的关系，依据其中的几何关系写出局部误差表达式。差表达式。优点是简单、直观，适合于优点是简单、直观，适合于求解机构中未能列求解机构中未能

54、列入作用方程的源误差所引起的局部误差入作用方程的源误差所引起的局部误差，但在，但在应用于分析应用于分析时较为困难。时较为困难。几何法总结：几何法总结：关键在于要正确画出源误差与其局部误差之间关键在于要正确画出源误差与其局部误差之间的几何图。的几何图。60第四节第四节 仪器误差的综合仪器误差的综合 仪器设计完成后，需要估算仪器的总精度；仪器设计完成后，需要估算仪器的总精度；仪器技术鉴定时，需要评价其性能仪器技术鉴定时，需要评价其性能需要理论上的精度分析需要理论上的精度分析与估算。与估算。 由于仪器源误差很多、性质又各不相同，因此仪器误差由于仪器源误差很多、性质又各不相同，因此仪器误差综合方法也各

55、不相同。根据仪器误差性质的不同，仪器误差综合方法也各不相同。根据仪器误差性质的不同，仪器误差可按下述方法综合。可按下述方法综合。61一、随机误差的综合一、随机误差的综合随机误差具有随机误差具有随机性随机性及其分布规律的及其分布规律的多样性多样性（如正态分布、均匀分布、（如正态分布、均匀分布、三角分布）三角分布）采用采用均方法均方法和和极限误差极限误差法。法。1.1.均方法（方和根法）：均方法（方和根法）： 为随机误差为随机误差 的标准差的标准差 为随机误差为随机误差 的误差影响系数的误差影响系数 iiiPi)502()(12niiiyyPttt为置信系数，一般认为合成总随机误差服从为置信系数，

56、一般认为合成总随机误差服从，即当置信概率为，即当置信概率为99.7%时，时，t=3；置信概率为；置信概率为95%时，时， t=2 。假设仪器中有假设仪器中有n个单项随机性源误差，其个单项随机性源误差，其标准差标准差分别为分别为 、 、 、12n当各个源误差互不相关时：当各个源误差互不相关时：622.2.极限误差法：极限误差法： 由来：在仪器设计阶段，由来：在仪器设计阶段， 通常未知；而其通常未知；而其 已知。已知。若已知各单项误差源的极限误差若已知各单项误差源的极限误差 （），根据各随机误差源的概率），根据各随机误差源的概率分布即分布即 ，其中，其中 为为，那么可以用各单项误，那么可以用各单项

57、误差的极限误差来合成总随机误差的不确定度：差的极限误差来合成总随机误差的不确定度： iiiititii)522()(1212niiiiniiiyytPtPtt63已定系统误差：系统误差的已定系统误差：系统误差的大小大小和和方向方向已知。采用已知。采用代数和法代数和法合合成。仪器总已定系统误差为：成。仪器总已定系统误差为： 为误差的影响系数。如果是原理误差，则为误差的影响系数。如果是原理误差，则 。二、系统误差的综合二、系统误差的综合iyriiiyP11iPiP仪器总已定系统误差仪器总已定系统误差第第i个已定系统源误差个已定系统源误差64未定系统误差是其大小和方向或变化规律未被确切掌握，而只能估

58、计出不未定系统误差是其大小和方向或变化规律未被确切掌握，而只能估计出不致超出某一极限范围的系统误差。致超出某一极限范围的系统误差。绝对和法绝对和法 考虑到未定系统误差的考虑到未定系统误差的。若仪。若仪器有器有mm个未定系统性源误差，其各单项未定系统个未定系统性源误差，其各单项未定系统误差出现的范围为误差出现的范围为 ，合成未，合成未定系统误差为定系统误差为meee,21miiiyeP1方和根法方和根法 考虑到未定系统误差的考虑到未定系统误差的。若有。若有mm个未定系统源误差，各项未定系统误差出现的个未定系统源误差，各项未定系统误差出现的范围为范围为 ，当各项未定系统误差，当各项未定系统误差相互

59、独立时，合成未定系统误差为相互独立时，合成未定系统误差为meee,21miiiiytePt12)(65第五节第五节 仪器误差分析合成举例仪器误差分析合成举例 数字显示式立式光学计数字显示式立式光学计66补充一、光栅及莫尔条纹补充一、光栅及莫尔条纹光栅：光栅：等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件物理光栅：物理光栅：计量光栅：计量光栅：利用光的衍射现象，用以分析光谱、测定波长利用光的衍射现象，用以分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象，用以测量精密位移利用光的莫尔条纹现象，用以测量精密位移67按光线的运动路径分：透射光栅和反射光栅

60、p在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称为称为透射光栅透射光栅p在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称为称为反射光栅反射光栅p条纹之间的距离称为条纹之间的距离称为栅距栅距。p透射光栅分辨率较反射光栅高透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达，其检测精度可达1m1m以上。以上。68莫尔条纹（莫尔条纹（MOIRE pattern）：）： 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很