测控仪器设计复习题

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

本。

(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：

•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，采取技术措施避免原理误差。

•采用误差补偿措施。

制造误差：产生F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；

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

满足精度设计所要求的数值。如果满足，则表明精度设计成功；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、数学逼近法、控制系统的误差分析法。其

它方法：逐步投影法、矢策代数法、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来研究源误

差在机构传递位移的过程中如何传递到输出。因此，作用线与瞬时臂法首先要研究的是机构

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

控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面

的设想和规划。

要考虑的主要问题有：

1.设计任务分析2.创新性为思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

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。

设计任务分析团

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）、1.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

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、

状态等四

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。区

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。11

了解国内外同类产品的原理和技术水平

了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施测吊链最

短原则坐标系统一原则精度匹配原则经济原则

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，特别是走线值测量范围大的仪器，情况更为

严重。

2）多自由度测审仪器，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：一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；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、

感受元件、定位元件等均属于测量链

I*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。DI

测量链的误差对仪器精度的影响最大，一般都是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。

I，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,或主要是针龙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，应该使零件的设计基面、工艺基面和测

量基面i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。为提高仪器寿命要为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，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则量。

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互运

动而成。它们的测量过程，实际上是相应的位移量之间的同步比较过程，故在设计这类参数

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，还可哨除杂散光的干扰。

（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、

精度上的薄弱环节，对环境条件及外界干扰敏感的环节上。

2.补偿方法的确定有光电方法、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，灼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。

P1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。

一、从精度要求出发来确定仪器参数一一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一一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。

名结构带点设计要求相应措施

结构尺寸较要且有足够的刚团度设计京采用的方法有校拟由蛉法（仿直试蛉）、鼬反分析法和育涮元分析法。有限元分析已有成物的分

大，结构比度，力变形要小析软件可借用。采用正确的结恂设计也是保证支承件刚酬重要手段。

较复杂，要

承受外教荷程定性好，内应力对侨造的基座和立柱要速行时效处理，以消f余内应力，发少应力变形。时效处理的方法有两种，即自然时

及其变化，受兖形小效和人工时效。

热变肥影响

较大。热变形要小产格）W1I作环境温度，控制仪器内的块源,采取温度扑偿措施

良好的抗振性在新足刚性要求情况下，尽里蟠重里•以根高固有厥军，防止共振；如合理地送怪截面影状和尺寸，合

理胞布？5助板则襁以报富畅刚度।成小内亚报迪的振功影响，如采用气体、波体跺压与款或触系；对蛎

幼电动机的振动加隰密措施；对运动件进行充分闻君以指加阻尼等；采用麻撮或隔振设计，加《例隔报、

穆胶俑振、气垫温振等。

名祢印度设计结构设计

1）正确选择做面形状与外瞬构：构件受国力变形里与散而R大"洎关；受当、扭时，费形

里与微砒状有关。缘同袤4T福麟面税相两寸不同断

1）有限元分析法：此分析法是一神杼效学、力学面形状惯性矩的比较遂行设计

与计篮机技术相结合的对支承件刚度和期将性进2）合理他选择和布置加建肋，以增加刚度•参阅去4-1-1所示谷种助条（板）的形状及其优缺

基座行分析的一种方法；点

立柱2）仿直分析法：对结构形1短杂的支承件，可来3）正确的结构布局，充小力变彩

用根胆仿亘，昂然花费些物和时间，但徨出的4）良好的结构工艺性，减小应力雌

结果与实际比装接近。5）合理地选择材料通烹委榷座及支承件的材料且有校总的强度和刚度、耐造114及良好

的铸造、焊搔以及机械惘工的工艺性爹闻表4-1-2支承件常用材料性能及改丢措施

6）基座与支承件的联厚、肋板.肋条厚度设计可参飙4-2

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。

优点

/、:一7,个磨愦后不能自动补偿，生用iii条调节。

会其导向面在两对与轨的外他，两面能离$变大，受热时变H厚

TH_____™狡大，为此，窗有较大间源，故星纲导向耨度。

中度战后不能自动补偿，零用i更条调节。

个导向面和压望面都是平面，制酒和枪粉容易。②箕导向面在两对与轨某一边的内外他，两面花旃较小，受热

②摩摞系数低，承氧能力大，刚度高时变形小。

TV⑤荤引力位置不寺时，会使工作台做料，卡死。

①磨攒后不能自动扑偿，器用濠条调节。

会箕导向面在中回平尉的两内侧，两面距蔻装小，

1执时觐小。对奉引力位置精度要求装低。

主轴刚度代卜丫K8=M/e（a—为主轴悬伸长度，I一支撑跨距yl-轴承为刚体，主轴为变形

体，y2—主轴为刚体，轴承为变形体，y—总挠度）

提高主轴刚度的措施：

1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1.5—2倍

2合理选择支撑跨距

3缩短主轴悬伸长度a/10=1/2-1/4

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置减小热源的影

响

a.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。

b.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。

c.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。

d.推力支撑位置在前径向轴承的内侧，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0.05nm.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）需要一套高质展的供汨系统，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

翁数的室麦性提曷性前的指他

影响因表：信噪比'分讲力、级囹S（测控系统的实底锋

态特性输出是一条曲线而并非是一条直线八灵被度、里

化误差、移定性、频率特性、粕入与输出用抗。

趣性睁白包容

①非线性的标尺和刻度盘难于制作；①选择适当的别里电路形式，选取合活的别里段，可以显著琮小非线慢误差。

②在系统报档时需要重新标定；©可以通过适当设计或增加^信和校正环节，降低季线性误差。灵铀度与系统的里程及

要求

⑤都nit数据记录容易失a；分辨力是相互关联的指标，瞪要统筹考虑

④当进行模/数、数/模转换时不易保证精度；

⑤当进行反馈控制时，控制方法和算法不易实现等。提高

灵敏度•可以提高信啖比和分耕力•从而得至般高的则里

精度。但灵磁度电高，奥悝范国⑥.窄，稳定性也往往意差。

旧应对十罡个烈腔系统而5，响应里应当包拈传盅5的响应1、汪总各个环节的龙慢匹配I可题。粒免比现某一环节注度过已和过醐极端情况。

速度速度解潞与软件耕抑A睡蒯个方面。因此，麟2、对软件系统而言，计算机的主魁高，位赛越高，软件运行速度就越快，指领行时

同曲短:系细竭速忌蚪越曳

新与软件系g词9响应速度也是十分重要的一个环节。

可霎一是在工艺上提高电路系统元器件本身的可靠性，格元器件失效的影语降M到最衽程度；

性要二是在系蜕结构设计方面提高系线正）可拿性和合理性，派免设计不当造成可鸵性

三是在硬件和软件中增加适当措施。

1、硬件设蓄的选材应基于保证世能、降低价格的原则，在考虑初期投人的同时还必须考

经济系统的成本与精度之间呈几何线数关系，随着精度的不断

日后系统的运菅和维护费用。2、软件系统尽可能自主开发，便于长期维护和开皴，也可

要

松提高，成本增力的勺速度近远超过精度的增加速度。因此，

以保证软件系娴修齐性。3在电路与软件系统过程中应注意硬件与软件的配比和平衡，

求确定适宜的、合理的目标精度是非常主要的。另一方面，

应灵运运用“以软代硬”或“以硬代软”的方法，寻求开发时间、经济性与性能的折衷

经济性设计的尺度，必须以满足精度和可靠性为前提。

决定硬件与软件的比垂。

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样机鉴定或蛉收⑧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蚩小

③测量捱最短原则

测量造最矩原则则是指构成仪器测蚩徒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T艺上或测量上能够较经济的获得娘定的精度要求而避

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

⑥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

①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

谀计仪器的读数系统，即称之为平均读数原理

②比较测蚩原理

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

③补偿原理

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综合补偿

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

变化③系统刚度差

改善：要减小爬行，影视临界速度降低，即应;就小动摩摭力与静摩擦力之差AF,熠加

系统阻尼和增加弹性环节刚度。当运动部分润滑较好时也可使爬行减小

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。

①线性直滂稳定电源的原理是，靠调整管之间的电压来稳定输出，因此线性电源的

出特点是工作在线性区，稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路。输出连续可调，但是

体积大、较笨重、效率相对较低

②开关型直滂稳定电源的功率器件调整管不是工作在线性区，而是工作在饱和区及

止区，即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，

稳定可靠，尤其是渝入电压范围很宽；缺点相对于线性电源来说文波较大

7、干扰相合的方式主要有哪些？分别是怎么形成的？

干扰羯合的方式主要有①静电福合②电磁相合③共阻抗播合④漏电流相合

①静电相合亦称电容性相合，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，经寄生电容是一个电路的电荷影响另一个电路

②电磁相合的产生原因主要由于两个电路存在互感，使得一个电路的电流

化通过电磁耦合干扰另一个电路

③共阻抗耦合一般发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗其中一个电

在该阻抗的压降会影响另一路

④漏电流耦合主要是由于绝缘不良，而流经绝缘电阻的电流所引起的的干扰

8、试述在印刷电路板设计中的布线要掌提的一些原则？（对应电源线，信号线和地线）。

①电源线的布线原则；电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，更重要的是降低耦合嗓

声。只要允许，还是尽可能用宽线。导线的最小宽度主要有导线与绝缘基板间的粘附强度和

流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

②信号线的布线原则：布线时，尽蚩避免90°折线，使用45。折线或圆弧布线，以减

少高频信号对外的发射和相合。布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。尽可能缩

短高频元件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。谕入端和输i出端用

的导线应尽量避免相邻平行。

③地线的布线原则：数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地，A/D、D/A

片布线也以此为原则。单片机和大功率器件的地线要单独接地，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。高频模拟电路采用多

点串联接地，地线应短而用，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。

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是：①消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声

电压②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姆连接，仅以“浮地”作为它的

电平基准，即参考电平。

浮地系统的优点是不受大地电流的影响。因此，作为系统“地”的参考电平是按水涨船

高的原理岁电压的感应而相应的提高。所以，仪器内剖的电子器件不会因高电压的干音而击

穿，这对COMS电路尤为有利。

浮地系统的缺点是，当附近有高压设备时，其机壳易感应较高电压，形成噪声干扰，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

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振幅、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唱、频率、或相位则称为相干检测

系统。直接检测系统简单、应用范围广，而相干检测具有更高的检测能力和更高的信噪比，

因而系统精度更高，稳定性也更好。

11、说明干涉条纹外差检测原理及特性。

(1)原理

信号光I-------------1---------夕卜谢、；反

—多禽:宸光也接收拼H放大器3s-3。

参考光-0

本机振荡।

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

Us(t)=aIsin(wtt+ipx)

U：(t)=a：sin(w：t+qj°)

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30和

3s足够接近，并使△3=3S-30处于探测器的通频昔范围内才能被相应。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匹配原贝J(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

况。

原理:激光束1裱聚光镜3汇聚于小孔光栏4处,

光栏4位于准直物镜7的焦面处，光束透过分光

镜5向下通过准直物镜7一平行光束出射，并垂

直入射到参考物镜Ml±oMl为半反半透镜，

一部分光线被、口反射作为标准光束，另一部分

光透过参考镜Ml入射到被测表面M2上有被测

表面反射形成测量光束，两束光在光栏6处汇合

而产生干涉。在光栏6处放置CCD摄像机便可

记录下与被测表面相对应的干涉图。

光路情况：该系统的测量光束与参考光束基本上

处于同一环境中，温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。系统的测量光束与参考光束在参考镜Ml到

被测物体之间是不同路的

斐索干涉仅原理图

1-激光支2-反斯统3-聚光钝4,6-光栏

5-分光镇7一般直勃统

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

种照明？

①原理：光源发出的光经物镜7投射

到物体8上，物镜本身兼做聚光镜。

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

反射镜面上的缺陷。如果被测表面

是镜面，则镜面的反射光线全部进

人物镜成像，因此整个图像都是白

色。当镜面上有腐蚀斑点或者污渍

时，所产生的漫反射光线进入物镜

的甚少，因此图像上将产生黑色的

斑点

②同轴反射照明

1-光源2-集光镜3孑1径光4-视场光阑

5-聚光镜6-分光镜7-物镜8-物面

9-CCD

15、试说明其工作原理，并用相应公式推导，设计要点？

光源发出的光通量0=%+,mSinQV+^))

原理：是正弦波调制的激光束在传播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，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光通量°=仇十0mSin(O“+Gc)

光辐射经光学系统3发射到放走被测距高物底上的葩镜4上，光被靶镜全反射后被光

学器件6接收，经放大、鉴相后可获得相位差变化中。

若被测距离为D,从发射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中，即牛=3ot=u)oX2D，c,从而可以计算出待测距离

D=cip,2u)o=cvp4TT%被测相位值甲=(m-Am)X2n=mX2n-△ip

16、试简要说明时间法测距的原理，设计要点？

强脉冲激光器1发出的激光巨脉冲经光学系统2射向被测距离的目标3,光被目标反射后被

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=(l2)ct时间t可用脉冲填充法求出t=NAT=N£)从而可得D=(l2)ct=(12Q)Cn=KN

式中K=c-2f°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，并给出公式，分析其原理误差。

迈克尔逊干涉仪

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

考反射钱、口返回后形成参考光束；另一束干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜M2将随被

测长度位移而移动，这一束光从测量反射镜返回后形成测量光束J测量光束和豢考光束的相

互嶷加干涉形成干涉信号。干涉信号的明暗变化次数N直接对应于测量静的位移，可表示

为L=NA/2=NA°，2n测量光路与参考光路的光程差为2n仪工工)对应的干涉条纹数为

Kc，=2n(LHL/人°测蚩时，反射镜M2随被测物体一起移动。如移动长度为L,那么干涉条

纹数变为K=2nLAoUnQrLJA。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入Ao从而被测长度为L=NAWmn-(LmL)

由于激光干涉测长是熠量码式测量，在测量开始前应对计数器清零，因而在测量过程

中只要L0rL不在变化，其测量结果为L=N入°?mn改式为激光干涉测长的基本公式

误差：对L=NA02mn-(LkL)进行全微分，便可用微分法求出影响激光干涉测长的主

要误差AL=

为计数误差J为波长不稳定带来的测量误差；为由于测量环境下空气

折射偏离标准环境下的空气折射率而带来的误差；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带来的误差

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P

滚珠

由于原误差为夹角误差8,滑块的实际移动距离1为1=氏0$8=

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

力弹雷12的作用下，测量拖板8与直尺5保持接触，在测蚩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

测齿轮随之转动。与此同时，直尺也上下移动，是测量拖板水平移动，此时，测量杠杆感受

的是被测齿轮的齿廓偏差信号，测微仪10将其放大显示。

实现测蚩的原理：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,

在钢带的带动下基圆盘逆时针旋转ip=LR。此时，在弹蓄的作用下，测量拖板向右移动的

距离s=Lun8:设被测齿轮的基圆半径为r。，测量之前将直尺倾斜角度调整为6=arctan(r0R)

那么测量拖板的位移距离为s=Ltan0=LrcR=rcqj

20、自推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情的偏转角,

分划板上的刻线是均匀的，求原理误差。

re1光学自准或原理

十字线与其倒像之间错开的距离z为z0=ftan2a

当a很小时zgf•2a

o=z02f-/arctan（z（＞，f）

则原理误差为△a=a-a

=zOf-%[zo/f-l/3（z（/f）3-……]

31z3

=16（zo，f）3=〃Q0

21、有一光学系统，其放大倍数为："=/=-­：。已知像面的轴向位置误差

✓v✓y

A.V=O.lww,物高y=20用力像高为j，，像面到像方焦点间距f=1000优优，求

因此引起的仪器误差R，。

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，夕=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

原则

卜②活动量爪发生倾斜角而带来测

量:吴差，其值为Ai=Stanip

因为S=30mm,（p=1/

所以、Ai=30X0.0003mm

=9X10-3

23、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

①补偿阿贝误差

②工作原理：由尾座内光源照明的双刻线分划板及由读数显微镜读数的100mm刻线尺均

安置于仪器床身上，并分别位于焦距f相同的两个透镜Nl、N2的焦平面上。反射镜

M2、透镜N2及照明光源与尾座连为一体，反射镜Mlx透镜N1与头座连为一体。对

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，

即si点。测量时，若工件长度的基本尺寸为100mm或其整数倍，则需尾座向左移动，

若工件长度的基本尺寸除了100mm的整数信外，还有自0.1700mm的小数时，则还需

同时将头座向右移动到所需的数值上。

③光学补偿原理：由于侦角9的影响，在测量线方向上测端将向左移动AL=htane值，如

无补偿措施，则此值即为阿贝误差。但这时与尾座连为一体的M2、N2也随之倾斜6角，

这样，新的双刻线指豕o通过M2、N2及Ml、N1便成像到s2点、，即s2点相对于si

点在刻尺面上也有一部动蚩sls2=fhn6o这时，由于头座要向左移动AL来压紧工件，

而使。点的像也同时向左移动△L再次与si点瞄准。若h=f则htanB=ftan0于是，由尾

座倾斜而带来的阿贝:吴差，在读数时自动消失了。

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5如图所示。(P117)

1.试求证图中6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△一

②因为6=qj/4XL/2=^L/8

牛=△L/H=La△t/H

所以6=a△tL:/8H

25、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理？绘图说明，

并写出公式。设计要点？（P279）

①主动三角法测距法用于从数毫米倒数米的精密测距

②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

镜汇聚于一点A,九点大小约数|微米，光点被物镜成像与P点、。若被测表面轴向位移4Z

相应像点由P移至P1,则由三角关系可得AZ=PPIBsinB

这种方法的测量范围可达数百毫米，分辩率可达1|Jm

@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置放置，用于测蚩光滑物

pp]co$（8/2）

体的轴向位移，有图示三角形关系的AZ=

三、问答题（每小题10分，共40分）

I.为什么在高粕度的圆分度测量装置设计中，在度盘的对径力向上安装两个读数头，这•布

局可以消除读数误差中哪拽次谐波误差？

答：在度盘的对径方向上安装两个读数头，并取两个读数头读数值的平均值作为度盘在这转

角位置上的读数值。这样，度盘安装偏心或轴系灵动带来的读数误差为iF•的话，则对读数头

II来说，其读数误差必为负，且两者的绝时值相等。因此，当存在着度盘安装偏心或轴系晃动

误龙时，对径读数取它们的平均值，则可自动消除读数误龙。

这布局可以消除读数误差中奇数次谐波误差。

举例说明减小阿贝误差的方法O

答：1）标尺与被测量条线：例如用「分尺测量工.件时，被测零件的尺寸线和「分尺的刻线

尺在”条直线上，完全符合阿贝原则。

2）如无法做到则确保导轨没有角运动；例如用游标k尺测量工件时，活动量爪与尺架（导轨）

之间存在间隙，测显时可拧紧活动晟爪上的缩紧螺钉消除间隙，避免活动显爪产生倾斜。

3）或应跟踪测量，算出导轨偏移加以补偿。例如将爱彭斯坦光学补偿方法应用于高精度测长

机的读数系统中，通过结构布局断机补偿阿贝误差。

2.密珠轴系有何特点？密珠轴系的设计要点有哪些？

答：密珠轴系的特点为密集的滚珠近似于多头螺旋排列，每个滚珠公转时有门己滚道，立不承

夏。滚珠装配时过盈，相当于预加载荷，起到消除间隙，减小几何形状误阴。这种轴系成本

低，使用方便，寿命K，精度高，但承我能力不大。

密珠轴系的设计要点有

滚珠的密集度：适当提高滚珠密集度，即增加滚珠数量，可以使上釉的,,颗移''有所改善。

滚珠的排列方式：排列方式必须满足每个滚珠的滚道互不重叠，并在宜径方向上滚珠的配置成

对称的原则。

过盈量的确定：过盈量能补偿轴承零件的加T.凝紫，提高轴系的同轧精度和刚度。

气体滞压导轨有哪些类型？各有何特点？

答：I）闭式平面导轨型导轨精度高，刚性大，承蒙能力也大，最适于作精密机械的长行程

导轨。

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，

导向圆轴可能产生挠度，故不适用做K导轨，可用J・高精技、高稳定性的短行程工作台的导轨。

3）开式重量平衡型结构简单、3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最，因此，可以减少工作台

浮起间隙量，甚至可以减少到lum,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）测量电路测量通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、轧换、或者运算等。

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

控参数实行控制。

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，因此它是链个电路。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儿提供必要的能量，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「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

性能和可宰性、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-o

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

术和手段，易「技术更新，

（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）灵活件：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）规范件：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J•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、功率匹配和阻抗匹配。匹配的核心是如何

正常选择光电检测器件C

2）干扰光最小原则光电系统中的干扰光上要指杂散光、背景光和“回授光”。干扰光最小原

则指I扰光对光电系统影响最小，以使系统稳定性好，抗「扰能力强。

3）共光路原则测量光束与参考光束基本上处J・同•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：I）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XL

2）光外差检测的频率条件光外壬探测除了要求信号和本振光必须保持空间准立、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P。若不稳定将会引起很大的噪声，因此

外差检测要求本振光功率要稳，除了采用稳频率和稳功率技术来稳定P。之外，在光路中采用

双通道混频技术来减小△岛的影响是十分有效的。

四、分析计算题：（每小题10分，共20分）

I.自准直仪简化原理图如图所示，用分划板上的刻尺来测量反射镜偏转用。，分划板上的刻

度间隔是均匀的，求原理误差。

解：由图示几何关系得tan2a二三，则

a--arctan—=)3...]~———(―);

2f2f3f2f6f

其原理误差为△a二—'(8)3

6J

2.有--摩擦盘直尺运动囿(