测控仪器设计(第2版)复习重点及答案

测控仪器设计（第2版）复习重点及答案一、测控仪器设计概论1.测控仪器：是利用测量与控制的理论，采用机、电、光各种计量测试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。2.按功能将仪器分：①基准部件；作用：测控仪器中的标准量是测量的基准；②传感器与感受转换部件；作用：感受被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号；③放大部件；作用：提供进一步加工处理和显示的信号；④瞄准部件；作用：确定被测量的位置（或零位）；⑤信息处理与运算装置；作用：主要用于数据加工、处理、运算和校正等；⑥显示部件；作用：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；⑦驱动控制部件；作用：用来驱动测控系统中的运动部件；⑧机械结构部件；作用：用于对被测件、标准器、传感器的定位、支撑和运动。3.1示值范围：极限示值界限内的一组数。3.2测量范围：测量仪器误差允许范围内的被测量值。4.1敏感度：测量仪器响应的变化除以对应的激励的变化。S=ΔY/ΔX。是仪器对被测量变化的反映能力。4.2鉴别力：使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应是缓慢而单调地进行。4.3分辨力：显示装置能有效辨别的最小示值。指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值。4.4视差：当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察方向进行读数和瞄准所引起的误差。4.5估读误差：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，也称为内插误差。4.6读数误差：由于观测者对计量器具示值读数不准确所引起的误差，它包括视差和估读误差。二、仪器精度理论1.1测量误差：对某物理量进行测量，所测得的数值Xi与其真值Xo之间的差。误差的大小反映了测得值对于真值的偏离程度。1.2理论真值：它是设计时给定的或是用数学、物理公式计算出的给定值。1.3约定真值：对于给定目的具有适当不确定度并赋予特定量的值，有时该值是约定采用的。1.4相对真值：若标准仪器的误差比一般仪器的小一个数量级，则标准仪器的测量值可视为真值，称作相对真值，有时也作为约定真值来使用。2.1相对误差：绝对误差与被测量真值的比值。是无量纲。￡=Δ/Xo2.2绝对误差：被测量测得值X与其真值Xo之差。Δ=X-Xo3.1仪器的动态特性：当输入信号是瞬时值或随时间的变化值时，仪器的输出信号（响应）与输入信号（激励）之间的关系。3.2仪器的静态特性：当输入量不随时间的变化而变化或变化十分缓慢时，输出与输入量之间的关系。4.1仪器的精度：是一种定性的概念，表征仪器的精度水平应由一些精度指标来体现。精度的高低是用误差来衡量的，误差大则精度低，误差小则精度高。通常把精度分为：⑴正确度；⑵精密度；⑶准确度。4.2正确度：系统误差大小的反应，表征测量结果稳定地接近真值的程度4.3精密度：随机误差大小的反应，表征测量结果的一致性或误差的分散性4.4准确度：系统误差和随机误差两者的综合反应，表征测量结果与真值之间的一致程度，只有在正确度和精密度都高的情况下，才表明准确度高。5.1作用误差：把一对运动副上的一个源误差所引起的作用线上的附加位移称为作用误差。5.2运动副的作用误差：把一对运动副上所有源误差所引起的作用线上的附加位移的总和称为改运动副的作用误差。5.3运动副的作用误差的应用：⑴源误差可以转换成瞬时臂误差时的作用误差计算⑵源误差的方向与作用线一致时的作用误差计算⑶源误差既不能折算成瞬时臂误差，其方向又不与作用线一致时的作用误差计算6.1对随机误差处理的方法：①均方法；②极限误差法。三、测控仪器总体设计1.1测控仪器设计原则：⑴阿贝原则①标尺与被测量一条线；②若做不到，则应使导轨没有角运动；③或应跟踪测量，计算出导轨的偏移加以补偿。⑵变形最小原则指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和参数的变化，并使之对仪器精度的影响最小。⑶测量链最短原则指构成仪器测量链环节的构件数目应最少。⑷坐标系基准统一原则对仪器群体之间的位置关系、相互依赖关系来说的，或是针对仪器中的零件设计及部件装配要求来说的。⑸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。⑹经济原则①合理的工艺性②合理的精度要求③合理选材④合理的调整环节⑤提高仪器寿命⑥尽量使用标准件和标准化模块2.1阿贝原则在设计中的应用：①爱彭斯坦光学补偿方法②激光两坐标测量仪中监测导轨转角与平移的光电补偿方法③以动态准直仪来检测导轨摆角误差的电学④平直度测量过程中的阿贝误差⑤遵守阿贝原则的转动部件设计3.1测控仪器设计的基本原理：⑴平均读数原理：在计量学中，利用多次读数取平均值，通常能提高精度，利用该原理设计仪器的读数系统。⑵比较测量原理：①位移量同步比较测量原理②差动比较测量原理③零位比较测量原理⑶补偿原理：①补偿环节②补偿方法③补偿要求④综合补偿四、精密机械系统的设计1.1基座与立柱等支承件的结构特点：①结构尺寸较大②结构比较复杂1.2基座与立柱等支承件的设计要求：①具有足够的刚度，力变形要小。②稳定性好，内应力变形小。③热变形要小。④有良好的抗振性。2.1按导轨面间摩擦性质分类：⑴滑动摩擦导轨其两导轨面间直接接触形成滑动摩擦⑵滚动导轨其动静导轨面间有滚动体，形成滚动摩擦⑶静压导轨其两导轨面间有压力油或压缩空气，由静压力使动导轨浮起形成液体或气体摩擦⑷弹性摩擦导轨利用材料弹性变形，使运动件作精密微小位移。这种导轨仅有弹性材料内分子间的内摩擦。2.2导向精度是指动导轨运动轨迹的准确度。对一副导轨来说其直线度是非常重要的精度指标，取决于导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等。2.3导轨设计的基本要求：⑴导向精度⑵导轨运动的平稳性⑶刚度要求⑷耐磨性要求3.1微位移技术：微位移技术是一行程小、分辨力和精度都很高的技术，其精度要达到亚微米和纳米级。五、电路与软件系统设计1.1电路与软件系统的作用：主要是对传感器的输出信号进行采集和处理，按照测控系统的功能与要求进行相应的运算并将测量结果进行显示，或者输出控制信号，使得执行机构执行相应的动作。1.2电路与软件系统的组成：①测量电路②控制电路③中央处理系统④电源⑤软件系统1.3电路与软件系统的设计要求：①精度要求②响应速度要求③可靠性要求④经济性要求；（精度是测控仪器设计的最重要的指标。）2.1测量电路3方面的作用：⑴信号调理对传感器输出的信号进行调理⑵信号转换对信号进行参数或形式的转换⑶简单运算对经过调理和转换的信号进行简单的运算处理3.1干扰：通常习惯上将系统外部干扰称为干扰。3.2噪声：将来自系统内部的干扰称为噪声。六、光电系统设计1.1光电系统设计特点：⑴精度高⑵非接触测量⑶测量范围大⑷信息处理能力强。2.1光电系统的组成：光源→光学系统→（光载波）被测对象→光学变换→（光信息）光电转换→（电信号）电路处理→显示、控制。3.1光电系统的设计原则：⑴匹配原则：①光谱匹配②功率匹配③阻抗匹配⑵干扰光最小原则。⑶共光路原则。