测控复习

一、填空题。（每空1分，共24分）⑴测控仪器的发展趋势可以概括为高精度、高效率、高可靠性及智能化、多样化与多维化。测控仪器的设计流程为确定设计任务、设计任务分析，制定设计任务书、调查研究，详细占有资料、总体方案设计、技术设计、制造样机、产品鉴定或验收、设计定型后进行小批量生产。⑵仪器误差的来源包括原理误差、制造误差和运行误差。仪器误差产生的原因从数学特性上看，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。⑶测控仪器设计的基本原理有平均读数原理、比较测量原理和补偿原理。测控仪器设计的6项基本原则为阿贝原则、变形最小原则、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⑷仪器的导轨按导轨面间摩擦性质可分为滑动摩擦导轨、滚动导轨、静压导轨和弹性摩擦导轨导轨设计应遵守的原理和原则有运动学原理、弹性平均效应原理、导向导轨与压紧导轨分立原则。导轨设计的基本要求有导向精度、运动的平稳性、刚度要求和耐磨性要求⑸主轴系统设计的主要要求是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要求有一定的刚度和热稳定性。柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。⑹常用的驱动装置有步进电机、直流电机、同步电机、测速电机和压电陶瓷驱动器。常用的微驱动器件有压电器件、电致伸缩器件和电磁驱动器。⑺测控仪器对电路与软件系统的设计要求主要包括精度、响应速度、可靠性、经济性等几个方面。测控仪器电路与软件系统的设计准则包括总线化准则、模块化准则和电磁兼容性准则。⑻测控仪器光电系统的组成主要包括光源、光学系统、信息的光学变换、光电转换、显示和控制。光电系统的类型分为主动系统与被动系统，模拟系统与数字系统，直接探测系统与相干探测系统等。二、选择最适当的填入括号中（只填写其中之一的符号,每题2分，共8题16分）⑴（B）是仪器对被测量变化的反映能力。（C）表示仪器感受微小量的敏感程度。A．分辨力B．灵敏度C．鉴别力D．准确度⑵（C）是系统误差和随机误差两者的综合的反映。表征测量结果与真值之间的一致程度。（B）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。A．正确度B．精密度C．准确度D．线性度⑶对径方向上安装两个读数头，不能完全消除（A）对读数精度的影响。A．轴系及工件晃动B．度盘安装偏心C．度盘刻划误差D．以上三项零位比较测量方法的测量精度取决于（A）。A．指示表的零位漂移B．读数装置的非线性误差C．光通量的不稳定D．以上三项⑷以下（B）不是动压轴承获得油动压的条件。A．轴承必须有斜楔B．主轴向斜楔增大方向转动C．主轴向斜楔减小方向转动D．润滑油有一定的粘度主轴系统采用V形弧滑动轴承轴系可消除（D）误差，A．圆度B．端面跳动C．径向跳动D．双周晃动⑸传感器输出模拟信号时，测量电路组成中不包括（A）。A．计数器B．放大器C．滤波器D．解调器传感器输出数字信号时，测量电路组成中不包括（A）。A．解调器B．放大器C．整形电路D．细分电路⑹在高频(10MHz以上)场合多数采用（D）接地方式A．串联式一点B．并联式一点C．浮地系统D．多点控制电路的作用不包含（B）。A．信号转换B．信号调理C．信号隔离D．放大驱动⑺以下光电测量中的常用光源中，（D）最适合作为相干检测的光源。A．太阳光B．白炽灯C．半导体发光器件D．激光光源直接检测光电系统中距离检测的常用测距方法不包括（B）。A．三角法测距B．光外差测距C．相位法测距D．时间法测距⑻干涉条纹光强检测法中两光束的相干度Γ与（A）无关。A．光波的振幅B．光程差（测量范围）C．波长变动范围D．光束发散角干涉条纹外差检测系统的光电器件只接收（D）分量。A．二倍参考光频B．二倍信号光频C．参考光和信号光的和频D．参考光和信号光的差频三、问答题（每小题10分，共40分）1．为什么在高精度的圆分度测量装置设计中，在度盘的对径方向上安装两个读数头，这一布局可以消除读数误差中哪些次谐波误差?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一转角位置上的读数值。这样，度盘安装偏心或轴系晃动带来的读数误差为正的话，则对读数头II来说，其读数误差必为负，且两者的绝对值相等。因此，当存在着度盘安装偏心或轴系晃动误差时，对径读数取它们的平均值，则可自动消除读数误差。这一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。答：1）标尺与被测量一条线；例如用千分尺测量工件时，被测零件的尺寸线和千分尺的刻线尺在一条直线上，完全符合阿贝原则。2）如无法做到则确保导轨没有角运动；例如用游标卡尺测量工件时，活动量爪与尺架（导轨）之间存在间隙，测量时可拧紧活动量爪上的缩紧螺钉消除间隙，避免活动量爪产生倾斜。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，通过结构布局随机补偿阿贝误差。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，每个滚珠公转时有自己滚道，互不重复。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。这种轴系成本低，使用方便，寿命长，精度高，但承载能力不大。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，可以使主轴的“飘移”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，并在直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，故不适用做长导轨，可用于高精度、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、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理、转换、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，采用先进成熟的技术和手段，易于技术更新。(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、功率匹配和阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。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“回授光”。干扰光最小原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P0之外，在光路中采用双通道混频技术来减小△P0的影响是十分有效的。四、分析计算题：（每小题10分，共20分）1．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角α，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fz2tan，则33)(612...])(31[21arctan21fzfzfzfzfz其原理误差为3)(61fz2．有一摩擦盘直尺运动副(见右图)，其原始误差有摩擦盘直径误差D，摩擦盘回转偏心e，摩擦盘转角从1转到2，求它们带来的作用误差?(D=0.005mm，e=0.002mm，1=0°，2=30°)解：D引起的作用误差基圆盘安装偏心可以转换成瞬时臂误差2)(0Dr，则引起的作用误差为e引起的作用误差基圆盘安装偏心可以转换成瞬时臂误差sin)(0er，则引起的作用误差为2．有一测杆在轴套孔中运动，测杆和轴套孔的公差分别为0003.0d、013.00D，轴套长h=30mm，测杆长l=50mm，求测杆倾斜带来的误差。（10分）解：016.0)003.0(013.0)(1033.530016.04radh)(1011.72)1033.5(502)cos1(6242mmllF3．机械式测微仪的原理如图2-30所示。1)试分析仪器的原理误差。2)阐述仪器各个误差源。3)用作用线与瞬时臂法分析杠杆短臂误差Δa、表盘刻划半径误差Δl和表盘安装偏心e所引起的局部误差。解：1)仪器的原理误差：)(00027.0)866.01(002.0)cos(cossin)(2102121mmededrFe)(0013.0)0523.0(2005.0)(22)(1202121mmDdDdrFD设被测长度为x，相应杠杆转角为，则sinax由麦克劳林公式得...6sin3则)6(sin3aax其原理误差为63ax2)Δa引起的作用误差杠杆短臂误差可以转换成瞬时臂误差，则引起作用误差为Δl引起的作用误差表盘刻划半径误差可以转换成瞬时臂误差，则引起作用误差为e引起的作用误差基圆盘安装偏心可以转换成瞬时臂误差sin)(0er，则引起的作用误差为)cos1(sin)(200022ededrFe其最大值为eFe2Δl、e引起的作用误差的作用线l2－l2与测杆的作用线l1－l1之间直线传动比Δa引起的局部误差1aQaΔl引起的局部误差21,2001.0lFiQlle引起的局部误差)cos1(001.021,2eFiQee最大值为eQe002.05．分析激光测径仪(见图2-6)原理误差，并阐述减小原理误差的方法。解：激光扫描光束在距透镜光轴为±y的位置与多面棱体旋转角度之间的关系：10001