测控仪器设计复习题

(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(2)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。(3)减小的方法：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过程：寻找仪器源误差：分析计算局部误差是各个源误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精度综合根据各个源误差对仪器精度影响估计仪器的总误差，并判断仪器总误差是否误差)使仪器产生一个附加输出，称为局部误差。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.测控仪器若干设计原理的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，精度与可靠性了解被测控参数的特点1)了解精度、数值范围(一维、二维、量值范围)、量值性质(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器工作原理状态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。团六项设计原则：阿贝(Abbe)原则及其扩展变形最小原则及减小变形影响的措施测量链最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1、用恒温条件，以减小温度变化量;②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；③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、图在精密测量仪器中，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(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(二)差动比较测量原理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1.补偿环节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、工艺、2.补偿方法的确定有光电方法、软件方法、电学方法、标准器例如，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4.综合补偿(最佳调整原理)的实施图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、测量范第四章名称基座立柱严格控制工作环境温度，控制仪器内的热源，采良好的抗振性行分析的一种方法；点的精造、焊接以及机械加工的工艺性参间表4-6)基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度设导轨由运动导轨(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2合理选择支撑跨距3缩短主轴悬伸长度a/10=1/2-1/44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置减小热源的影响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③测试数据记录容易失真；②可以通过适当设计或增加补偿和校正环节，降低与软件系统的响应速度也是十分重要的一个环节。1、注意各个环节的速度匹配问题。避免出现某一环节速度过低和过高的极端情回就越短，系统响应速度就越快二是在系统结构设计方面提高系统的可常性和合理提高，成本增加的速度远远超过精度的增加确定适宜的、合理的目标精度是丰常主要的。另一方面，经济性设计的尺度，必须以满足精度和可靠性为前提。1、简述测控仪器设计中一般的设计要求包括哪些方面?主要的设计程序包括哪些?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造型要求设计程序：①确定设计任务②设计任务分析③调查研究④总体方案设计⑤技术设计⑥制造样机⑦样机鉴定或验收⑥样机设计定型后进行小批量生产2、简述测控仪器的设计原则，并稍作说明①阿贝原则该原则指出，为使量仪能给出正确测量结果，必须将仪器的读数可先吃安放在被测尺寸线的延长线上。就是说，被测零件的尺寸线和仪器中作为读数用的基准线应顺序排成一条直线②最小变形原则该原则指出，应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因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量小③测量链最短原则测量链最短原则则是指构成仪器测量链环节的构件数目应最少④坐标系基准统一原则这条原则是指，在设计零件时，应该使零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致起来，符合这个原则才能使工艺上或测量上能够较经济的获得规定的精度要求而避免附加的误差⑤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、零位比较测量原理应用补偿法进行误差补偿是应注意的问题有①补偿环节②补偿方法③补偿要求4、①线纹尺、度盘、码盘都是绝对码标准量的例子，根据它们的起始和终止的位置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增量马标准量，它不受停电、断线等意外故障以及测量中间过程的影响，并易于恢复测量②光栅、激光干涉条纹等属于增量马标准量。它的优点是可按需要任意设置零位，这样可以不必通过两点的绝对坐标差去确定位移或转角。有的增量马标准量还设有绝对零位。增量马标准量需从测量条件、屏蔽、电路等方面采取措施，以提高其抗干扰能力5、导轨运动的不平稳现象产生的原因是什么?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①导轨间的静、动摩擦系数差值较大②动摩擦系数随速度改善：要减小爬行，影视临界速度降低，即应减小动摩擦力与静摩擦力之差△7、干扰耦合的方式主要有哪些?分别是怎么形成的?8、试述在印刷电路板设计中的布线要掌握的一些原则?(对应电源线，信号线和地线)。决定②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，以减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?10、在光学检测系统中，什么是直接检测系统和相干检测系统?各有何特点?不论是相干光源还是非相干光源来携带光信息，而检测器件只直接检测光强度，这种11、说明干涉条纹外差检测原理及特性。b)图6-51光学外差探测原理光学外差检测原理如图a所示。入射信号光波的复振幅和本机振荡参考光波的复振幅分别为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，其中的倍频项与和频项不能被光电器件接受，只有当w0和ws足够接近，并使△w=ws-w0处于探测器的通频带范围内才能被相应。此时探测器的输出信号为,此式为光学外差信号表达式(2)光外差检测的特性光外差干涉测量具有以下优点：①检测能力强②转换增益高③信噪比高④滤波性好⑤稳定性和可靠性高。12、光电系统设计要考虑哪些重要原则?①匹配原则(光谱匹配、功率匹配、阻抗匹配)②干扰光最小原则③共光路原则④光电系统设计是测控仪器设计的一部分，它还应遵守仪器设计的阿贝原则、差动比较原则、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、如图所示是斐索平面干涉仪原理图，试说明其工作原理，并说明其共光路情斐索干涉仪原理图1-激光束2-反射镜3-聚光镜4,6-光栏 14、如图所示光路是用来检测物面(镜面)的，试说明其工作原理?采用的是何①原理：光源发出的光经物镜7投射物镜将物面成像到CCD器件9的1-光源2-集光镜3-孔径光4-视场光阑5-聚光镜6-分光镜7-物镜8-物面15、试说明其工作原理，并用相应公式推导，设计要点?光源发出的正弦规律的光通量φ=+0,sin(o,t+Q₀)16、试简要说明时间法测距的原理，设计要点?17、简述激光干涉测长的基本原理，并给出公式，分析其原理误差。可移动平台显微镜单模稳频He-Ne光束2为L=Nλ/2=Nλc/2n测量光路与参考光路的光程差为2n(Lm-L:),对应的干涉条纹数为18、螺旋测微机构误差分析。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。试求由此带来的误差。(P36)螺杆移动距离为由于原误差为夹角误差θ,滑块的实际移动距离L为L=Lcosθ=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。工作过程：被测齿轮1与半径为R的基圆盘2同心安装在主轴上，基圆盘2有由钢带将其与主拖板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置实现调整。在推力弹簧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带动主拖板上下移动，基圆盘在钢带的带动下转动，被的是被测齿轮的齿廓偏差信号，测微仪10将其放大显示。距离s=Ltanθ,设被测齿轮的基圆半径为rg,测量之前将直尺倾斜角度调整为θ=arctan(r₀R)20、自准直仪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。21、有一光学系统，其放大倍数为：已知像面的轴向位置误差Ax¹=0.1mm,物高y=20mm像高为y,像面到像方焦点间距x=1000mm,求因此引起的仪器误差Ay。22、用游标卡尺测量工件的直径。测量时，活动量爪在尺架(导轨)上移动，由于导轨之间存在间隙，使活动量爪发生倾斜角而带来测量误差，其值为设S=30毫米，φ=1′。卡尺设计不符合仪器设计的哪个原则?求由此带来的误差，此误差属于何种类型误差。①游标卡尺的读数刻线尺和被测件的尺寸线不在一条线上，故不符合阿贝②活动量爪发生倾斜角而带来测所以△₁=30×0.0003mm23、试说明爱彭斯坦光学补偿法是用来补偿何种误差的?并说明其工作原理。爱彭斯坦光学补偿方法a)测长机工作原理图b)光学补偿原理b)于1m测长机而言，仪器床身上装有10块双刻线分划板，每两块相距100mm,每块上面刻有0~9之间的一个数字。对零时，双刻线指标成像在100mm刻尺的0刻线位置，24、一个长度为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ō如图所示。(P117)1.试求证图中δ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。①25、主动三角法测距的应用范围是多少?漫反射式和反射式三角法的测量原相应像点由P移至PI,则由三角关系可得△Z=PPI/βsimθ三、问答题(每小题10分，共40分)2.密珠轴系有何特点?密珠轴系的设计要点有哪些?复。滚珠装配时过盈，相当于预加载荷，起到消除间隙，减小几何形状误差。这种轴系成本过盈量的确定：过盈量能补偿轴承零件的加工误差，提高轴系的回转精度和刚度。气体静压导轨有哪些类型?各有何特点?答：1)闭式平面导轨型导轨精度高，刚性大，承载能力也大，最适于作精密机械的长行程2)闭式圆柱或矩形导轨型结构简单，零件的精度可由机械加工保证。随着工作台的移动，3)开式重量平衡型结构简单、零件加工也比较容易。但刚度小，承载能力低，可用于负载变动小的精密仪器和测量仪器。4)开式真空吸附平衡型由真空泵的真空压力来限制工作台的浮起量，因此，可以减少工作台浮起间隙量，甚至可以减少到1μm,故可提高刚度。常在微细加工设备中应用。3.测控电路一般由哪几部分组成?各有什么作用?答：1)测量电路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2)控制电路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3)中央处理系统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。4)电源电源的主要作用包括：①为整个电路系统各单元提供必要的能量，②为各个电路单元提供电平基准，③为测量信号和控制信号提供参考电平等等。5)软件系统软件系统对于完成各种信息处理、提高系统的自动化和智能化水平、提升系统性能和可靠性、共享测量数据以及系统之间互相通讯和联络等具有直接的作用，同时它也是提高测控仪器附加值的重要手段之一。测控软件的设计一般应遵循那些原则?答：(1)先进性：软件设计方法与采用的工具要符合计算机技术发展趋势，采用先进成熟的技(2)可扩充性：软件系统的架构应当方便系统和支撑平台的升级，满足用户对信息需求不断变化的需要，以及系统投资建设的长期性效益。(3)灵活性：通过采用结构化、模块化的设计形式，满足系统及用户各种不同的需求，适应不断变化的要求。(4)规范性：采用的技术标准要遵循国际标准和国家标准与规范，保证系统发展的延续和可靠性。(5)系统性：软件的设计并不是独立于系统硬件之外的，应当在满足系统设计的总体前提下综合考虑。典型的情况，就是经常采用“以软代硬”的方法。4.光电系统设计要考虑哪些重要原则?答：1)匹配原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。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和阻2)干扰光最小原则光电系统中的干扰光主要指杂散光、背景光和则指干扰光对光电系统影响最小，以使系统稳定性好，抗干扰能力强。3)共光路原则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，因而有利于提高测量精度。干涉条纹外差检测系统设计时要考虑哪些问题?答：1)光外差检测的空间条件信号光和本振光的波前必须重合，也就是说，必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。2)光外差检测的频率条件光外差探测除了要求信号和本振光必须保持空间准直、共轴以外，还要求两者具有高度的单色性和频率稳定度。3)光外差检测的偏振条件在光混频器上要求信号光与本振光的偏振方向一致，这样两束光才能按光束叠加规律进行合成。4)外差检测的功率稳定外差检测中，本机振荡功率P₀若不稳定将会引起很大的