测控仪器设计复习题

测控仪器设计 最全复习题一、填空题仪器误差的来源有 、 和运行误差。动态偏移误差和动态重复性误差在时域表征动态测量仪器的 和 响应精度，，分别代表了动态仪器响应的 和 。表征测量结果稳定地接近真值的程度的是测控仪器的设计六大原则是 、 、测量链最短原则、坐标系基准统一原则、精度匹配原则、经济原则。温度的变化可能引起电器参数的改变及仪器特性的改变，引起和 。在设计中，米用包括补偿 、 环节等技术措施，贝卩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。造型设计中常用的几何形状的尺寸比例： 、均方根比例、和中间值比例。标准量的细分方法有 、 。仪器中的支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。它起着联接和支承仪器的机、光、电等各部分零件和部件的作用，其结构特点结构尺寸较大， 结构比较复杂。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。导轨种类很多，按照导轨面之间的摩擦性质可分为：滑动摩擦导轨 、滚动导轨、静压导轨、弹性摩擦导轨。在微位移机构中，微工作台的驱动方法有 。测控仪器中的光电系统的组成光电系统的设计主要是研究 中的核心技术的设计问题。直接检测系统： 相干检测系统：在光电系统设计时，针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要的设计则 光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括 匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。TOC\o"1-5"\h\z照明的种类 、 、 、。光电系统中的光学部分与电子部分的匹配十分重要，这些匹配包括光谱匹配、 、 。按照系统工程学的观点，生产过程中有三大技术系统： ； ；-按功能将仪器分成以下几个组成部分： 1基准部件；2 ；3放大部件；4瞄准部件；5 ；6显示部件；7 8机械结构部件常用的传感器有机械式、 、光电式、 、声学式、 等等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 、 或 来完成。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 、 、 、 、- 等实现驱动。仪器中的 部件用于对被测件、标准器、传感器的定位，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。测控仪器发展趋势：高精度与高可靠性、 、 、多样化与多维化仪器的技术指标是用来说明一台仪器的 和 9. 是仪器对被测量变化的反映能力仪器总误差应小于或等于被测参数总误差的 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 、变形最小原则、 、精度匹配原则、误差平均作用原理、补偿原理、差动比较原理等 和 是仪器设计的重要内涵TOC\o"1-5"\h\z按误差的数学特征分类：随机误差 ； 和 。 和 时域表征动态测量仪器的瞬态和稳态响应精度，分别代表了动态仪器响应的准确程度和精密程度采用 进行设计是为了简化设计、简化制造工艺、简化算法和降低成本 。所谓干扰，一方面是 的干扰，另一方面是 造成的干扰。仪器精度设计是仪器精度综合的反问题，其根本任务是 与 指标是测控仪器设计的核心问题。标准量的作用有： :②- o通常依据 与 两种原则来分配总随机误差。二、 单选题：1、在光学度盘式圆分度测量装置中，当采用在度盘圆周上均布3个读数头的结构并取3个读数头读数值的平均值作为读数值时，则不可以消除_阶谐波误差对读数精度的影响。（3N阶不可消除，N为整数）（a） 3，6，9，12，15，; （b）1，2，3，4，5， ；（c）1,2，4，5，7，8，10，11,…；（d）2,4,6，8，10,…。2、 相对误差有两种表示方法,关于相对误差的两种表示方法描述正确的是Ao（a）引用误差不大于额定相对误差；（b）引用误差一定小于额定相对误差；（c）引用误差一定大于额定相对误差；（d）引用误差不小于额定相对误差。3、单位冲击响应函数是在 A对仪器特性的描述。（a.单位冲击响应函数b.频率响应函数c传递函数）（a）时域；（b）频域；（c）复频域。23、仪器设计的重要内涵是（ ）A耐磨性B平稳性C精度分析与设计D刚度24、 仪器的原理误差与仪器的（ ）有关。A设计B制造C使用D精度25、 在基于微型计算机的主机电路中，下列形式属于仪器中央处理系统的是（）。A单元式B内插式C模块式D积木式26、 表征测量结果稳定地接近真值的程度的是（ ）A精密度B正确度C准确度D线性度27、 倾角误差用（ ）表达。A测角仪B圆度仪C经纬仪D陀螺仪三、 多选题：1、图1为激光干涉系统的误差自动补偿式光路布局（LC为参考光路的光程，Lm为测量光路的初始光程），下面描述正确的是 ABC（a）当LmvLC时测量镜向左移动；（b）当Lm>LC时测量镜向右移动误差能相互补偿式光路布局对提高仪器精度有利当Lm>LC时测量镜向左移动当LmvLC时测量镜向右移动2、一米激光测长机的原理如图2所示，根据要求做出选择：(26分)2.2.1针对一米激光测长机标准量系统描述正确的有 ABD；(3分)激光干涉系统；增量码标准量系统；绝对码标准量系统；数字式标准量系统；模拟式标准量系统。2.2.2用该仪器进行测量时必须先对零，描述正确的有 』C—；(3分)主要为了消除测量误差；主要为了确定相对零位基准；主要是因为使用了增量码标准量系统；主要是因为一种操作习惯；测量时可以省去先对零这一步骤223尾座因底座变形在垂直平面内有倾角会引起仪器误差，总体设计时应采取措施抑制或消除它们的影响。关于采取的抑制或消除尾座因底座变形在垂直平面内有倾角的影响措施及采取措施前后引起的测量误差描述正确的有ABE ；(5分)固定角隅棱镜9与尾座5固结在一起；固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆10的轴线离底座导轨面等高的同一平面内；尽可能减小固定角隅棱镜9和尾杆10在水平面内的距离d；可动角隅棱镜12的锥顶位于测量主轴11的轴心线上(以便符合阿贝原则)；只要采取合理的措施，可以消除该项误差的影响；该项误差属于阿贝误差，只可以尽可能减小，不可消除；只要采取合理措施，误差为二次微小误差，可以忽略。2.2.4尾座在水平面内产生摆角会引起仪器误差，总体设计时应采取措施抑制或消除它们的影响，关于米取的抑制或消除尾座在水平面内产生摆角的影响措施及米取措施前后引起的测量误差描述正确的有(c),(f) ；(5分)选项同题223。2.2.5测量头架因底座变形在垂直平面内有倾角会引起仪器误差，总体设计时应采取措施抑制或消除它们的影响。关于采取的抑制或消除测量头架因底座变形在垂直平面内有倾角的影响措施及采取措施前后引起的测量误差描述正确的有(d),(g) ；(5分)选项同题223。2.2.6测量头架在水平面内产生摆角会引起仪器误差，总体设计时应采取措施抑制或消除它们的影响，关于采取的抑制或消除测量头架在水平面内产生摆角的影响措施及采取措施前后引起的测量误差描述正确的有(d),(g) ；(5分)选项同题223。EP图2.一米激光测长机的原理1一底座2一干涉仪箱体3一测量头架4一工作台5一尾座6一电动机与变速箱7一闭合钢带8一电磁离合器9一固定角隅棱镜10一尾杆11一测量主轴12一可动角隅棱镜13一激光器14一分光镜3、按照误差的数学特征可将误差分为（）A随机误差B独立误差C粗大误差D系统误差4、采用近似的理论和原理进行设计是为了（ ）A简化设计B简化制造工艺C简化算法D降低成本5、下列哪些指标是测控仪器设计的核心问题（）A创新性B精度C可靠性D设计原则6、测控仪器设计原理的原理有（）A独立作用原理B平均读数原理C比较测量原理D补偿原理7、轴系的误差运动包括（）A径向运动B轴向运动C倾角运动D端面运动四、判断题仪器的精度指标中，示值误差和示值重复性误差的大小代表了仪器正确度和精密度的高低；而动态偏移误差和动态重复性误差分别代表了动态仪器响应的准确度和精密度。（）造成仪器误差的原因是多方面的，根据产生的阶段分为：原理误差、制造误差和运行误差，从数学特性征上看，原理误差多为系统误差、而制造误差和运行误差多为随机误差，因此原理误差的存在会使仪器的准确度下降，制造误差和运行误差的存在会使仪器的精密度下降。（）根据误差独立作用原理:一个误差源仅使仪器产生一定的局部误差,局部误差是其源误差的线性函数，与其他源误差无关，仪器总误差是局部误差的综合，但是，在计算源误差所造成的仪器误差的过程中还应考虑各个源误差对仪器精度影响的相关性。（）在进行误差分配的过程中，若系统误差小于或接近于仪器的总的允许误差的1/3，则初步认为所分配的系统误差是合理的。（）应用变形最小原则进行仪器的设计时，较有效的方法是采用补偿方法和结构设计方法来减小变形的影响。（）在光学度盘式圆分度测量装置中，当度盘采用在圆周均布两个读数头的结构，取两个读数头的平均读数值作为读数结果时，可消除奇次谐波误差，由于安装偏心引起的误差为一次误差，故在读数的过程中可以消除安装偏心误差。（）滚动和滑动导轨相比较而言，其磨损小，但抗振性差，接触应力大。（）斐索平面干涉仪的设计中，测量光束与参考光束基本上处于同一环境中，温度变化和外界振动的影响对两束光基本上相同，因而遵守了共光路原则。（）a） 正确度是随机误差大小的反映，表征测量结果的一致性或误差的分散性。（）b） 观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置而引起的误差称为读数误差。（）c） 鉴别力是显示装置能有效辨别的最小示值。（）d） 漂移是指仪器计量特性的慢变化，如仪器零位随时间变化称为零位漂移。（）e） 等作用原则认为仪器各环节和各零部件的源误差对仪器总精度的影响是同等的。（）正确度是随机误差大小的反映，表征测量结果的一致性或误差的分散性，（）观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置而引起的误差称为读数误差。（）鉴别力是显示装置能有效辨别的最小示值。（）漂移是指仪器计量特性的慢变化，如仪器零位随时间变化称为零位漂移。（）等作用原则认为仪器各环节和各零部件的源误差对仪器总精度的影响是同等的。（）五、名词解释：（20分）1.测控仪器2.测量仪器绝对误差与相对误差仪器的动态特性5.原理误差6.作用误差7.阿贝原则8.测量链9.人机工程10.爬行灵敏度与鉴别力；示值范围与测量范围；估读误差与读数误差；14.分度值与分辨力15.测控仪器利用测量与控制理论，采用机电光各种测量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16．原理误差采用近似理论，近似机构，近似的数学模型及近似的测控电路所引起的误差17、人机工程所设计的仪器设备要达到机器，人，环境相协调统一，使仪器设备适合人的生理和心里的要求。从而达到工作环境舒适，安全，操作准确，省力，轻便，减小劳动强度，提高工作效率的目的。18、爬行在低速运动中，导轨运动在驱动指令时与运动导轨相连的工作台一起一快一慢，一停一跳的现象。六、简答题1、测控仪器由哪几部分组成，各部分的功能是什么？3、什么是阿贝原则？举例说明在仪器设计的过程中如何减少阿贝误差？4、试述同步比较测量原理的指导思想是什么？5、在导轨的设计过程应重点考虑哪些问题？爬行现象的产生原因及其预防措施是什么？6、何谓导向精度？导轨设计有哪些要求？举出四种导轨组合，并说明其特点。7、基座与支承件的基本要求是什么？8、什么是主轴的回转精度？主轴系统设计的基本要求是什么？9、提高主轴系统的刚度有几种方法？10、气体静压导轨有哪些类型？各有何特点？11、什么是微位移技术？柔性铰链有何特点？12、采用柔性铰链的微动工作台与其它方案相比有何优点？13、微驱动技术有哪些方法？14、试述压电效应和电致伸缩效应在机理上有何不同？15、试总结各种微位移机构的原理及特点。16、光电距离检测有哪些方法？他们的测距原理有何不同？17、照明系统的设计应满足下列要求：18、照明的种类？19、现代设计方法的特点？20、 对测控仪器设计的要求和设计程序？21、 测控仪器由哪几部分组成？各部分功能是什么？ 4.简述常用的设计原则22、 何谓导向精度？导轨设计有哪些要求？举出四种导轨组合，并说明其特点23、简述开式液体静压导轨的特点。5＇能较好的承受载荷结构简单，便于加工和调整节流器常采用毛细管式和单向薄膜反馈式24、液体动压轴承轴系有哪些特点？10＇1，回转精度高2，承载能力较大3，刚性较好4，动态情况下无磨损，寿命长制造和维修比较方便启动时主轴和轴承是刚性接触，有磨损，低速大载荷油膜难以建立主轴只能向油膜减小的方向转动25、提高空气静压导轨的刚度和承载能力的方法有哪些？ 10＇结构上采用闭式导轨增加供气压力减小浮起间歇，加大封闭力载荷补偿提高阻尼力增加刚度26、减小热变形影响的技术措施有哪些？ 5＇严格控制环境温度控制仪器内部的热源采用温度补偿七、论述题：图3为双频激光干涉仪的组成及原理。回答下列问题：（15分）1、指出各组成单元的名称及功能（5分）1双频激光器21/4波片3扩束器4分光镜5,12透光轴与纸面成45o8偏振分光镜9固定反射镜10可动反射镜2、说明双频激光干涉仪的工作原理（5分）激光器放在轴向磁场内，发出的激光为方向相反的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，其振幅相同，但频率不同，分别表示为f1和f2。经分光镜M1，—部分反射光经检偏器射入光电元件D1作为基准频率f基（f基=f1—f2）。另一部分通过分光镜M1的折射光到达分光镜M2的a处。频率为f2的光束完全反射，经滤光器变为线偏振光f2,投射到固定棱镜M3并反射到分光镜M2的b处。频率为f1的光束折射经滤光器变为线偏振光f1，投射到可动棱镜M4后也反射到分光镜M2的b处，两者产生相干光束。若M4移动，则反射光的频率发生变化而产生 多卜勒效应，其频差为多卜勒频差频率为f'f1±ZI的反射光与频率为f2的反射光在b处汇合后，经检偏器射入光电元件D2，得到频率为测量频率f测=f2—（f1土的光）电流，这路光电流与经光电元件D1后得到频率为f基的光电流同时经放大器进入计算机，经减法器和计数器，即可算出差值 ±A,f并按下式计算出可动棱镜M4的移动速度v和移动距离I。即可算出差值±A,f并按下式计算出可动棱镜M4的移动速度v和移动距离L。3、比较与迈克尔逊激光干涉仪的区别（5分）1•调计数与提示图3.双频激光干涉仪双频激光干涉仪特点：（1）接受信号为交流信号，前置放大器为高倍数的交流放大器，不用直流放大，故没有零点漂移等问题。（2）利用多普勒效应，计数器计频率差的变化，不受激光强度和磁场变化的影响。在光强度衰减90%时仍可得到满意的信号，这对于远距离测量是十分重要的，同时在近距离测量时又能简化调整工作。（3）测量精度不受空气湍流的影响，无需预热时间。迈克尔逊激光干涉仪特点：1.它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉 2.主要用于长度和折射率的测量3通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹1—底座2—干涉仪箱体3—测量头架4—工作台5—尾座6—电动机和变速箱7—闭合钢带8—电磁离合器9—固定角隅棱镜10—尾杆11—测量主轴12—可动角隅棱镜13—激光器14—分光镜5、由于制造或装配的不完善，使得螺旋测微机构的轴线与滑块运动方向成一夹角 B,试分析螺旋测微机构误差。10/6、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，试分析以下产生误差原因：AxAx八、计算题如图4所示示意了在直线导轨上传感器的两种安装方式： A.外侧安装方式；B内侧安装方式。回答下列问题：（14分）如果该导轨构成了某长度测量仪器，而且被测工件安装在导轨滑板的最右边。当导轨的滑板在运动过程中产生与导向方向成二的倾角（如图4（b））时，分别分析传感器的两种安装方式引起的测量误差；（8分）答案：1.内侧安装方式 3=（p®/2外侧安装方式右边3=0左边3=p®结合4.1的结论说明传感器的两种安装方式的优缺点。（6分）答案：内侧安装外侧安装1阿贝误差小阿贝误差大2传感器受到保护传感器易受损3安装困难安装容易4接近热源远离热源1、机械式测微仪的原理如图1所示，试分析仪器的原理误差？ 2、投影仪光路如图所示，光源发出的光线经聚光镜会聚，均匀照明不透明的被测物，经投影物镜放大成像，被测物体成像在屏上，如果由于投影仪机体加工有误差，使屏到象方焦点的距离 x安装有误差x，试求：（1）用图解法求测量工件尺寸y的误差。（2）如果x=100mm工件y=20mm也x=0.1mm时，测量误差差值为多少？3、用微分法求出接触式光学球径仪的测量环半径误差对球径仪测量球半径尺寸精度的影响：（1）测环为刀口式（a）；（2）测环为半径为a的钢球（b）。设被测半球半径为 R,测环半径r、弦高h，测环上钢球的半径a。4、 PMNt料，b=2mm圆片10片叠加，U=2.9KV,M=0.31><10-16吊.v2,则总的位移量心L=?5、 压电堆的计算单块.'L=^Ud31b单块.'L=^Ud31b单块与压电堆压电堆.1b二MJUd33b所以.1=(2~3^'：L九、分析与设计：如图5所示示意了激光扫描测径仪的工作原理。根据图 5回答下列问题：（29分）8.1.1详细说明激光扫描测径仪的工作原理（6分）氦氖激光器1射出的激光经过反射镜3,透镜4（用来减小光束的发散），反射镜2和同步电动机带动的多面棱镜5,在经过透镜6对被侧工件7进行扫描，然后经过透镜8由光敏二极管9接收。在激光光束被工件遮挡的时间内，计数器所记的脉冲数就代表了被测工件的直径。 y2wf二4nfD二vt4二nft8.1.2分析激光扫描测径仪的原理误差（7分）设计中近似的认为在与光轴垂直方向上激光光束的扫描线速度是均匀的，即、..=2.f=4.nf实际上激光扫描线速度V0随着光束离光轴的距离y的不同而变化vo=4nf[1（y）2]f