2010测控仪器设计 第三章.ppt

测控仪器设计,赵世平黄玉波,续一,续二,续三,续四,续五,第三章测控仪器总体设计,第三章测控仪器总体设计概述第一节设计任务分析与创新点的构思第二节测控仪器设计原则第三节测控仪器设计原理第四节工作原理选择和系统设计第五节测控系统主要结构参数与技术指标的确定第六节测控仪器的造型设计,概述,总体设计考虑的主要问题①设计任务分析与创新点的构思②测控仪器若干设计原则的思考和讨论③测控仪器工作原理的选择和系统设计④测控系统主要结构参数与技术指标的确定⑤测控仪器造型设计,第一节设计任务分析与创新点的构思,一、设计任务分析㈠参数特点㈡参数载体（测控对象）㈢功能要求㈣使用条件㈤国外现状㈥国内现状,一、设计任务分析与创新点的构思,二、创新点的构思三坐标测量机侧头的改进例子体积缩小、Abbe误差减少,一、设计任务分析与创新点的构思,,,,一、设计任务分析与创新点的构思,,,,,,,,一、设计任务分析与创新点的构思,第二节测控仪器设计原则,END第一节设计任务分析与创新点的构思,对于直线尺寸测量仪器的设计，1890年阿贝提出一条指导性的原则阿贝原则,一、阿贝Abbe原则及其扩展,Abbe原则为使量仪能给出正确测量结果，必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上被测零件的尺寸线和仪器中作为读数用的基准线（刻线基准）应顺序排成一条直线,一、阿贝Abbe原则及其扩展,举例1游标卡尺,,一、阿贝Abbe原则及其扩展,举例2Abbe比较仪,,标准,被测,,,一、阿贝Abbe原则及其扩展,举例2Abbe比较仪,,一、阿贝Abbe原则及其扩展,举例2Abbe比较仪,,一、阿贝Abbe原则及其扩展,第二点读数,第二点瞄准,参数计算误差,一、阿贝Abbe原则及其扩展,为什么Abbe比较仪的误差小比较两个误差公式,一、阿贝Abbe原则及其扩展,误差和倾斜角成一次方关系，习惯上称为一次误差误差和倾斜角成二次访关系，习惯上称为二次（微小）误差遵守阿贝原则可消除一次误差，而仅留有二次微小误差,一、阿贝Abbe原则及其扩展,所有的仪器都遵守Abbe了吗没有不适合Abbe原则的情况外观尺寸过大多自由度测量仪器,一、阿贝Abbe原则及其扩展,思考一次误差和二次误差的几何意义想一想你知道的符合Abbe原则的测量器具、仪器或方法,一、阿贝Abbe原则及其扩展,Abbe原则的扩展标尺与被测量一条线若做不到，则应使导轨没有角运动应跟踪测量算出偏移加以补偿,一、阿贝Abbe原则及其扩展,（一）Eppenstein光学补偿方法用硬件来实现补偿结构布局来实现误差补偿,一、阿贝Abbe原则及其扩展,（一）Eppenstein光学补偿方法,一、阿贝Abbe原则及其扩展,高精度测长机不符合Abbe原则瞄准视场中出现相同偏移再次瞄准即在运动中进行了补偿，∵ΔLS1S2,hf误差自动消失,,,,一、阿贝Abbe原则及其扩展,,（二）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,一、阿贝Abbe原则及其扩展,,,,一、阿贝Abbe原则及其扩展,,一、阿贝Abbe原则及其扩展,高精度激光小角度测量法,补偿的实质是使θ0,测量符合Abbe原理平面转角用补偿来消除典型的光机电算一体化仪器系统比较复杂,一、阿贝Abbe原则及其扩展,（三）以动态准直仪来检测导轨摆角误差的电学补偿方法实时补偿概念，计数器直接补偿,一、阿贝Abbe原则及其扩展,,,补偿的实质是动态修正,（四）平直度测量过程中的阿贝误差补偿布莱恩“平面度测量系统的工作点应该位于垂直于滑块移动方向的，并通过测量点的方向线上”,一、阿贝Abbe原则及其扩展,（四）平直度测量过程中的阿贝误差补偿布莱恩“若做不到在方向线上，则应使导轨没有角运动”针对三座标机等测量直线度,一、阿贝Abbe原则及其扩展,,,,,,,,,一、阿贝Abbe原则及其扩展,（五）遵守阿贝原则的传动部件设计,一、阿贝Abbe原则及其扩展,讨论测量孔径时遵守Abbe原则的困难,一、阿贝Abbe原则及其扩展,思考,一、阿贝Abbe原则及其扩展,左图正确设置为什么是正确的,二、变形最小原则及措施,变形最小原则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,二、变形最小原则及措施,仪器承重变化，引起仪器结构变形而产生测量误差温度变化引起仪器或传感器结构参数变化，导致光电信号的零点漂移及系统灵敏度变化要求仪器变形要小,二、变形最小原则及措施,（一）减小力变形影响的技术措施,二、变形最小原则及措施,一米激光测长机,,测量步骤2,二、变形最小原则及措施力,测量步骤1,工件重量,1,3,,,二、变形最小原则及措施力,重量测量头架工件变形尾座轴线有5”倾角时的误差,二、变形最小原则及措施力,①固定角隅棱镜与尾座固连在一起②固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆的轴线离底座导轨面等高的同一平面内③可动角隅棱镜的锥顶位于测量主轴的轴心线上（符合阿贝原则）④尽可能减小固定角隅棱镜和尾杆在水平面内的距离d,二、变形最小原则及措施力,1,2,3,4,二、变形最小原则及措施力,1、尾座有倾角Δθ对零时测量时结果,,二、变形最小原则及措施力,消除误差的对应措施第一、第二条措施尾座零位变化Δ1固定角偶棱镜也是变化Δ1相互抵消,二、变形最小原则及措施力,2、测量头架有倾角由于第三条措施，符合Abbe原则而忽略不计3、尾座有摆动不能消除，但是d尽可能减小就是针对这个设计的,二、变形最小原则及措施力,2.光电光波比长仪消除力变形的结构布局,二、变形最小原则及措施力,,,,,减少误差的措施采用了工作台、床身、基座三层结构光电显微镜、固定参考镜和干涉系统的分光镜相对位置严格保持不变支撑床身的三个钢球支撑结构各不相同,二、变形最小原则及措施力,（二）减小热变形影响的技术措施,二、变形最小原则及措施,①采用恒温条件减小温度变化量②选择合适的材料减小线膨胀的影响，或选用线膨胀系数相反的材料在某些敏感环节上进行补偿,二、变形最小原则及措施热,③采用补偿法如测出被测件与标准件的温度t1和t2，被测件与标准件的线胀系数a1和a2，则温度误差的修正公式为式中，L为被测件的标准长度,,,二、变形最小原则及措施热,1.丝杆动态测量仪对环境条件及温度变化影响的补偿温度丝杆波长计算的补偿量在1m范围内均匀以脉冲数进行补偿,二、变形最小原则及措施热,2.扩散硅压力传感器零点温漂的补偿扩散硅压力传感器传感转换①扩散电阻的离散性很大，桥路各电阻值不等，即R1≠R2≠R3≠R4②扩散电阻的各个电阻温度系数不等，即a1≠a2≠a3≠a4③扩散电阻随温度非线性变化,二、变形最小原则及措施热,⑴桥路的平衡条件压力有关,,,,,二、变形最小原则及措施热,随力变化而变化,设计若能满足以下条件，则可消除误差,,二、变形最小原则及措施热,⑵串、并联电阻对电阻温度系数的影响1在电阻为R的扩散电阻上串联电阻RS,二、变形最小原则及措施热,串联电阻后其电阻温度系数降低,二、变形最小原则及措施热,2在扩散电阻上并联电阻RP,二、变形最小原则及措施热,并联电阻,并联后同样也能降低电阻温度系数,,二、变形最小原则及措施热,⑶串并联电阻补偿原理,二、变形最小原则及措施热,桥臂1（串联）等效电阻等效温度系数桥臂2（并联）等效电阻等效温度系数,二、变形最小原则及措施热,桥路的各电阻和ａ值Ｋ值再将Ｋ值ＲＰ和ＲＳＲＰ和ＲＳ值能够同时满足平衡方程，电桥总是处在平衡的条件下，达到补偿温度漂移的目的,,二、变形最小原则及措施热,三、测量链最短原则,什么是测量链测量链的作用是感受被测量和标准量的信号。因此凡是和感受被测量和标准量有关的所有元件，如被测件、标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链,三、测量链最短原则,典型仪器,三、测量链最短原则,测量链中的元件误差对仪器精度的影响最大，并且一般都是11影响到测量结果测量链各环节的精度要求应最高，测量链环节的构件数目应最少，即测量链最短原则,三、测量链最短原则,测量链最短，只能从原始设计上加以保证，而不能采用补偿的办法来实现,三、测量链最短原则,放大指示链是将感受的信号进行放大，以便于观察处理和显示放大指示链和辅助链两大环节，它们对仪器精度的影响程度要低于测量链辅助链游丝、辅助齿轮等,三、测量链最短原则,四、坐标基准统一原则,坐标系基准统一原则设计、加工、测量基面统一经济地获得规定的精度，避免附加的误差对于部件设计、装配、测量基面统一,四、坐标基准统一原则,四、坐标基准统一原则,,四、坐标基准统一原则,五、精度匹配原则根据各部分对仪器精度影响程度的不同来提出不同的精度要求和恰当的精度分配测量链精度最高，依次递减,五、精度匹配原则,要求低要求高精度要求,三、测量链最短原则,,六、经济原则工艺决定成本设计元件按照精度最低原则进行增加调节环节、用光机电算进行补偿等都是有效的降低精度的方法标准和批量是减少成本的最佳方案,六、经济原则,第三节测控仪器设计原理,END第二节测控仪器设计原则,第三节测控仪器设计原理,一、平均读数原理二、比较测量原理三、补偿原理,,,3-3一、平均读数原理,,,,,,误差对径,3-3一、平均读数原理,一般情况一个读数头的误差用周期波来表示式中，k为各阶谐波的阶次，e为各阶谐波的幅值,,,3-3一、平均读数原理,对于n个读数头时的误差对于某一阶次谐波而言,,,3-3一、平均读数原理,利用,,3-3一、平均读数原理,对于某一阶次波最后得K由于为整数，上式改为,,,3-3一、平均读数原理,1）当kcn时。其中c为正整数，即谐波阶次为读数头n的整数倍时,,3-3一、平均读数原理,2）当K≠cn时，即谐波阶次不等于读数头数n的整数倍时,,3-3一、平均读数原理,结论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n个读数头的结构，并取n个读数头读数值的平均值作为读数值时，则可以消除kcn阶谐波以外的所有谐波对读数误差的影响,3-3一、平均读数原理,简单N2，则2、4、6次谐波不能消除N3，则3、6、9次谐波不能消除N4，则4、8、12次谐波不能消除N∞,3-3一、平均读数原理,,对径读数例子,3-3一、平均读数原理,两路信号的平均值读数为（特殊性为电信号附加相位）,3-3一、平均读数原理,平均读数原理小结多读数头结构平均读数原理不能消除测量过程中轴系晃动对测量结果的影响平均读数原理已成为高精密圆分度测量装置中一条重要设计原理,3-3一、平均读数原理,平均读数原理应用非常广泛光栅莫尔条纹、多次采样、多次读数等在设计中都是应该重视的,3-3一、平均读数原理,不足采用多头读数系统，要求各个读数头的特性完全一致，这会使工艺装配调整的成本增加平均读数原理的实质是起到补偿（抵消）部分系统误差的作用,3-3一、平均读数原理,第三节测控仪器设计原理,二、比较测量原理,比较测量原理差模信号广泛地应用于各种物理量的测量比较测量原理尤其适合于几何测量中的复合参数测量，如渐开线齿形误差、齿形切向综合误差、螺旋线误差、凸轮型面误差等的测量工作,3-3二、比较测量原理,（一）位移量同步比较测量原理（二）差动比较测量原理（三）零位比较测量原理,3-3二、比较测量原理,齿轮,3-3二、比较测量原理,万能齿轮整体误差测量机原理,3-3二、比较测量原理,复合参数测量激光、光栅、电子和计算机的发展，使位移量同步比较由机械式向电子式发展，由于这种发展，使位移量同步比较原理在仪器设计中获得了新的广泛前景测量链短、精度高、性能高,3-3二、比较测量原理,（二）差动比较测量原理,3-3二、比较测量原理,减少共模影响抵消缓慢变化参数,3-3二、比较测量原理,电感传感器采用差动原理,3-3二、比较测量原理,非差动差动时差动式电感传感器的灵敏度比非差动式的提高了一倍,,,3-3二、比较测量原理,第三节测控仪器设计原理,三、补偿原理,仪器的精度不可能完全靠加工来保证，巧妙的补偿可以取得较好的效果平均读数原理就是补偿的使用例子，还有各种各样的调节环节等这些例子只是一种启发，一定要根据具体情况和要求来选择,3-3三、补偿原理,1、补偿环节一般应选择仪器中结构上的薄弱环节、工艺上的薄弱环节、精度上的薄弱环节、以及仪器中对环境条件及外界干扰的敏感环节作为补偿环节，在选择具体的补偿环节时，应考虑到通过该环节最易于实现补偿，且补偿效果最灵敏,3-3三、补偿原理,2、补偿方法结构补偿如爱彭斯坦光学补偿法数据处理补偿如在高精度的圆度仪中，为了消除轴系径向误差对测量结果的影响，采用了误差分离技术，通过测量方法及数据处理，把轴系径向误差从测量结果中剔除出去,3-3三、补偿原理,3、补偿要求不同的补偿对象，有不同的补偿要求有些需要对整个行程范围或量程范围进行连续的逐点的补偿，如对于导轨直线度偏差的补偿一般要求为整个行程范围内做连续的补偿有些则仅要求在几个特征位置上进行，如仪器值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间几个点，达到在选定的特征点保证仪器示值精确即可,3-3三、补偿原理,4、综合补偿补偿或校正仪器总体或某部分误差，在仪器设计中往往采用综合补偿的办法不论仪器产生的误差来自哪个或哪些环节，通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果,3-3三、补偿原理,综合补偿案例1（正弦机构）,3-3三、补偿原理,3-3三、补偿原理,综合补偿案例1（正弦机构）理论值近似值最大原理误差,,,3-3三、补偿原理,条件最大误差减小至杠杆长度,,,,,3-3三、补偿原理,综合补偿案例2,3-3三、补偿原理,综合补偿案例2,,,,,,3-3三、补偿原理,END第三节测控仪器设计原理,测控仪器工作原理的选择和系统设计,测控仪器主要结构参数与技术指标的确定,测控仪器的造型设计,工作原理选择和系统设计,一、传感器的选择与设计二、标准量及其细分方法的选用三、数据处理与显示装置的选取四、运动方式与控制方式的确定,一、传感器的选择与设计,按照转换功能划分位置检测要求准确、分辨率足够数值检测传感器灵敏度高、线性好、原理误差小、最好数字化,3-4一、信号转换与传输原理的选择,按照对信号的感受方式划分接触式光学-机械式；电子-机械式；气动-机械式非接触式光学式；电容式；气动式直接引入式热工量、电学量按原理划分机械、光学、光电、电子、气动等五种,3-4一、信号转换与传输原理的选择,第四节工作原理选择和系统设计,二、标准量及细分方法,（一）标准量的作用用以与被测件进行比较测量用来标定仪器或检定仪器的示值误差,3-4二、标准量及细分方法的选用,3-4二、标准量及细分方法的选用,3-4二、标准量及细分方法的选用,3-4二、标准量及细分方法的选用,（二）标准量的细分方法光学机械细分①直读法、②微动对零法电子细分①非调制信号细分、②调制信号细分法、③相位细分法光学细分（光程、角度）,3-4二、标准量及细分方法的选用,第四节工作原理选择和系统设计,三、数据处理与显示,（一）数据处理系统的功能、类型及选择方法快速、实时扩大仪器的使用范围提高测量精度智能化,3-4三、数据处理与显示装置的选取,（二）显示系统的功能、类型及选择方法指针记录仪打印数显屏幕显示,3-4三、数据处理与显示装置的选取,第四节工作原理选择和系统设计,四、运动方式与控制方式,直线运动和回转运动连续运动和间歇运动动态采样和静态采样闭环控制和开环控制PID控制、模糊控制、优化控制,3-4四、运动方式与控制方式,END第四节原理选择和系统设计,第五节测控系统主要结构参数与技术指标的确定,第五节主要结构参数与技术指标确定,一、从精度要求确定参数二、从测量范围确定参数三、从误差补偿确定参数,工具显微镜,3-5一、从精度要求确定参数,工具显微镜光学灵敏杠杆,3-5一、从精度要求确定参数,,,,3-5一、从精度要求确定参数,,像点1,像点2,,人眼最小分辨率缩小折合,目的减小瞄准误差（参公式）减小误差的途径↓L2或↑L1↓L2影响使用–结构量程不允许↑L1影响工作距离-结构不允许,,3-5一、从精度要求确定参数,在一定的瞄准精度条件下，综合考虑取L140mm、L270mm，这时的瞄准误差为这个数值对于要求1μm瞄准精度的灵敏杠杆来说是可以接受的,3-5一、从精度要求确定参数,第五节主要结构参数与技术指标确定,二、从测量范围确定参数,小模数渐开线齿轮齿形误差检查仪结构参数的确定要求齿轮最大外径120mm齿轮模数0.2-1mm,,,,,3-5二、从测量范围确定参数,,,,,3-5二、从测量范围确定参数,比较测量测量拖板与基园产生的渐开线齿轮渐开线,,,,,,,,,3-5二、从测量范围确定参数,,,,,3-5二、从测量范围确定参数,,,,,需要确定的参数主拖板最大行程L测量拖板最大行程S直尺摆角θ,3-5二、从测量范围确定参数,,,,主要参数的关系,,,3-5二、从测量范围确定参数,,,,,需要确定的参数直尺摆角θ和基圆盘半径R经验θ≤30，取R100mm测量拖板最大行程Sl21.03mm，取s29mm主拖板最大行程LL87.7mm，取L89mm,3-5二、从测量范围确定参数,第五节主要结构参数与技术指标确定,三、从误差补偿确定参数,电容压力传感器结构示意图,3-5三、从误差补偿确定参数,电极,电极,,,,,,,3-5三、从误差补偿确定参数,,,,,,,3-5三、从误差补偿确定参数,通过误差分析，解析参数，得出使得误差为零的几何参数条件从理论上讲是可行的,3-5三、从误差补偿确定参数,END第五节结构参数与技术指标确定,第六节测控仪器的造型设计,第六节测控仪器的造型设计,一、外形设计二、人机工程,㈠外形比例的选择㈡外形的均衡与稳定㈢外形的风格㈣外形形体的过渡㈤表面装饰处理,3-6一、外形设计,1.整数比例整数比例是以正方形为基础单元而派生的一种比例。一个单元正方形形成的比率为11，二个单元正方形组合构成的矩形比率为12，由此可派生出13、14等多种矩形图形,3-6一、外形设计,1.整数比例优点容易按一定的韵律关系处理形体的配合缺点由于边长之比为简单的整数关系，整体显得呆板,3-6一、外形设计,2.均方根比例均方根比例事宜正方形的一条边与此正方形对角线长所形成的矩形比例关系为基础，不断以其新产生的下一个矩形的对角线长尾长边所形成的矩形比例系统,,3-6一、外形设计,3.黄金分割比例黄金分割比例是古代几何学家认为最好的一种比例，它指的是把一直线分成两段，其分割后的长段与原直线之比，等于分割后的短段与长段之比,,,,3-6一、外形设计,4.中间值比例中间值比例的几何图形，构成中间值比例的四个比项中只有三个变数，即abbc或acb2,,,,3-6一、外形设计,第六节测控仪器的造型设计,二、人机工程,⑴人体尺度⑵视觉要求⑶作用力要求⑷工作环境和安全设计,3-6二、人机工程,⑴人体尺度在仪器总体设计时，应考虑操作人员的身高、体重等与人体有关的数据，以便达到上述要求,3-6二、人机工程,⑵视觉要求中心角10以内为最佳区，是辨别物体的最清晰区域，其中为1.5-3特优区；中心角20以内为瞬息区，可在较短时间内辨清物件等,3-6二、人机工程,⑶作用力要求需要的作用力的大小和作用点相对操作者的位置。对于精密测控仪器而言，由于操作的对象是按钮，按动按钮无须很大的作用力，因此，按钮的位置需按视觉要求的位置和操作者容易达到的位置来设计,3-6二、人机工程,⑷工作环境和安全设计工作环境应最大限度地减小噪音，工作的失序、操作的难易、故障的排除应有利于减轻操作者的精神紧张状态，尽量减轻人的体力和脑力消耗应该有安全保护和急停装置,3-6二、人机工程,界面设计举例,3-6二、人机工程,3-6二、人机工程,3-6二、人机工程,3-6二、人机工程,3-6二、人机工程,3-6二、人机工程,测控仪器设计实验实验时间6学时实验目的通过实验室（3种）典型的测试仪器，进一步了解测控仪器的各种设计原理和方法，以及这些方法和原理的应用实验要求总结和画出其中一台仪器的工作原理，就仪器某一个局部写出你自己的感想或小结实验报告每人须在规定的时间内交实验报告。没有实验报告，将没有课程成绩,END第六节测控仪器的造型设计,END第三章测控仪器总体设计,第四章,