测控仪器设计课件 第1章.ppt

测控仪器设计,,,本书共分六章,第一章测控仪器设计概论第二章仪器精度理论第三章测控仪器的总体设计第四章精密机械系统设计第五章电路与软件系统设计第六章光电系统设计,,,第一章测控仪器设计概论,第一节测控仪器的概念和组成第二节测控仪器及其设计的发展状况与趋势第三节测量仪器通用术语及定义第四节对测控仪器设计的要求和设计程序习题几种高精度、多维测量仪器,,,第一节测控仪器的概念和组成,,一、测控仪器的概念,按照系统工程学的观点,生产过程中有三大技术系统★以能量到能量变换为主的能量流系统如锅炉,冷凝器,热交换器,发动机等★以材料到材料变换为主的材料流系统如机床,农业机械,纺织机械,液压机械等★以信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等为主的信息流系统，如仪器仪表、计算机、通信装置、自动控制系统等。,,,仪器仪表的用途在机械制造业中对产品的静态与动态性能测试；加工过程的控制与监测；设备运行中的故障诊断等。在电力、化工、石油工业中对压力、流量、温度、成分、尺寸等参数的检测和控制；对压力容器泄漏和裂纹的检测等。在航天、航空工业中对发动机转速、转矩、振动、噪声、动力特性、喷油压力、管道流量的测量；对构件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的电流、电压、绝缘强度的测量等。,,,仪器仪表的用途和重要性遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，仪器仪表中的计量测试仪器与控制仪器统称为测控仪器，可以说测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志。,测控仪器的分类,1.几何量计量仪器测量对象包括各种尺寸检测仪器，如长度、角度、形貌、相互位置位移、距离测量仪器、扫描仪、跟踪仪等。2.热工量计量仪器测量对象包括温度、湿度、流量测量仪器，如各种气压计、真空计、多波长测温仪表、流量计等。3.机械量计量仪器测量对象如各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪，力矩测量仪、振动测量仪等。4.时间频率计量仪器测量对象时间、频率等,,,5.电磁量计量仪器测量对象用于测量各种电量和磁量的仪器，如各种交、直流电流表、电压表、功率表、电阻测量仪、电容测量仪、静电仪、磁参数测量仪等。6.无线电参数测量仪器测量对象如示波器、信号发生器、相位测量仪、频率发生器、动态信号分析仪等。7.光学与声学量测量仪器测量对象如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传递函数测量仪等。8.电离辐射计量仪器测量对象如各种放射性、核素计量，x、γ射线及中子计量仪器等。以上8大类计量仪器的共性技术计量测试仪器的设计理论和测试理论,,,测控仪器的概念,在现代计量测试仪器中，测量与控制已经密不可分，测控仪器则是利用测量和控制的理论，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。本课程的要求①掌握机、电、光、计算机技术相结合的仪器总体设计的基础理论知识；②学会如何从设计任务出发，进行总体设计的方法；③具有进行仪器精度设计的能力。,,,二、测控仪器的组成,测控仪器种类繁多，其组成多种多样，但可按其各部分的功能来分成若干组成部分。测控仪器组成以图11“微电子产品视觉检测仪”为例说明。仪器组成支承底座、精密工作台、X、Y二维运动导轨、立柱、显微镜及CCD摄像器件、光栅系统、精密驱动系统、光源。,,,图1-1微电子产品视觉检测仪三维效果图,,,图12微电子产品视觉检测仪组成框图,工作原理Z向运动具有自动调焦功能，通过计算机对CCD摄像器件摄取图像进行分析，用调焦评价函数来判断调焦质量。被检测的印刷线路板或IC芯片的瞄准用可变焦的光学显微镜和CCD摄像器件来完成。摄像机的输出经图像卡送到计算机进行图像处理实现精密定位和图像识别与计算，并给出被检测件的尺寸值、误差值及缺陷状况。,,,按功能将仪器分成以下几个组成部分1基准部件5信息处理与运算装置2传感器与感受转换部件6显示部件3放大部件7驱动控制器部件4瞄准部件8机械结构部件,,,基准部件测量的过程是一个被测量与标准量比较的过程，因此，仪器中要有与被测量相比较的标准量，标准量与其相应的装置一起，称为仪器的基准部件。,,,传感器与感受转换部件测控仪器中的传感器是仪器的感受转换部件，它的作用是感受被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号。不同测量对象可以用不同测量原理的传感器进行感受与转换，因此正确选用和设计传感器是十分重要的，通常要遵守仪器设计的精度原则和经济原则等。常用的传感器有机械式、电子式、光电式、光学式、声学式、压电式等等，有数千种，选用时一定要分析清楚其工作原理、精度指标、测量范围、使用场合、特点和成本。同时一定要注意要按照被测参数的定义来选用和设计传感器。,,,放大部件,,,瞄准部件用来确定被测量的位置或零位），要求瞄准的重复性精度要好。信息处理与运算装置数据处理与运算部件主要用于数据加工、处理、运算和校正等。可以利用硬件电路、单片机或微机来完成。显示部件显示部件是用指针与表盘、记录器、数字显示器、打印机、监视器等将测量结果显示出来。,,,驱动控制器部件驱动控制部件用来驱动测控系统中的运动部件，在测控仪器中常用步进电机、交直流伺服电机、力矩电机、测速电机、压电陶瓷等实现驱动。控制一般用计算机或单片机来实现，这时要将一个控制接口卡插入到计算机的插槽中。机械结构部件仪器中的机械结构部件用于对被测件、标准器、传感器的定位，支承和运动,如导轨、轴系、基座、支架、微调、锁紧、限位保护等机构。所有的零部件还要装到仪器的基座或支架上,这些都是测控仪器必不可少的部件，其精度对仪器精度影响起决定作用。,,,第二节测控仪器及其设计的发展状况与趋势,一、发展趋势高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化。,（1）高精度与高可靠性随着科学技术的发展，对测控仪器的精度提出更高的要求，如几何量nm精度测量，质量的ng精度测量等。同时对仪器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。,（2）高效率大批量产品生产节奏，要求测量仪器具有高效率，因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。,,,（3）高智能化在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展，并且具有多种人工智能从学习机向人工智能机发展是必然的趋势。,,,（4）多维化、多功能化多维的测量空间，要求我们研究多维的测量仪器，在许多场合，除了三维测量外还需要多参数同时测量，如要求同时测出某点温度、湿度和应变；同时测得力、速度、振动、应变等多种参数，使现有仪器系列化、多样化，以满足不同用户的要求，也是势在必行的。,（5）开发新原理随着科学技术的发展，需要测量的极端参数（超高压、超高温、超低温、超大尺寸、原子空间）和特种参数（识别颜色、气味）也在增加，要求也更奇特，因此要不断研究新原理、开发新仪器。如仿生仪器等。（6）动态测量研究的对象已经从静态转入动态，如研究原子的价态、分子结构和聚集态、固体结晶形态、生命化学物理进程的激发态的现场实施检测手段，需要研究超快时间和超高空间的分辨技术。,,,二、发展概况现代设计方法,现代设计方法的特点1程式性强调设计、生产与销售的一体化。2创造性突出人的创造性，开发创新性产品。3系统性用系统工程思想处理技术系统问题。力求系统整体最优，同时要考虑人-机-环境的大系统关系。4优化性通过优化理论及技术，以获得功能全、性能良好、成本低、性能价格比高的产品。5计算机辅助设计计算机将更全面地引入设计全过程，计算机辅助设计不仅用于计算和绘图，在信息储存、评价决策、动态模拟、人工智能等方面将发挥更大作用。,,,第三节测量仪器通用术语及定义,仪器的技术指标是用来说明一台仪器的性能和作用的，主要技术指标既作为设计依据，也用来考核所设计的仪器是否成功。作为测量仪器还必须要有规范的语言，称之为测量仪器的术语。本节叙述的有关测量仪器的术语是根据JJFl0011998全国法制计量技术委员会颁布的“通用计量术语及定义”来说明的。,,,10．示值范围rangeofindication极限示值界限内的一组数。对模拟量显示而言它就是标尺范围；在有些领域中它是仪器所能显示的最大值与最小值之差。有时又把示值范围称为量程span，如某电压表示值范围从-10V～10V，则其量程为20V。11．测量范围measuringrange测量仪器误差允许范围内的被测量值。测量范围包含示值范围还包含仪器的调节范围。如光学计的示值范围为0.1mm，但其悬臂可沿立柱调节180mm，在该范围内仍可保证仪器的测量精度，则其测量范围为1800.1mm。又如千分尺的测量范围有0～25mm，25～50mm，50～75mm等规格，但其示值范围均为25mm。,,,23．视差parallaxerror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。24．估读误差interpolationerror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，有时也称为内插误差。25．读数误差readingerror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。,,,第四节对测控仪器设计的要求和设计程序,一、设计要求1精度要求精度是测控仪器的生命，精度本身只是一种定性的概念。为表征一台仪器的性能和达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值误差、重复性误差、复现性、稳定性、回程误差、灵敏度、鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应误差等。这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足，而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选用最能反映该仪器精度的一些指标组合来表示。,,,仪器的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误差占测量总误差比重较小时，常采用1/3原则，即仪器总误差应小于或等于被测参数总误差的1/3；若仪器总误差占测量总误差的主导部分时，可允许仪器总误差小于或等于被测参数总误差的1/2。为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设计原则和设计原理，如阿贝原则、变形最小原则、测量链最短原则、精度匹配原则、误差平均作用原理、补偿原理、差动比较原理等。2检测效率要求一般情况下仪器的检测效率应与生产效率相适应。在自动化生产情况下，检测效率应适合生产线节拍的要求。提高检测效率不仅有经济上的效益，有时对提高检测精度也有一定作用，因为缩短了测量时间可减少环境变化对测量的影响。同时还可以节省人力，消除人的主观误差，提高测量的可靠性。,,,3可靠性要求一台测量仪器或一套自动测量系统，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面，在精度上如何高，若可靠性差，故障频繁，不能长时间稳定工作，则该仪器或系统就无使用价值。因此对仪器的可靠性要求是十分必要的。可靠性要求，就是要求设备在一定时间、一定条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。可靠性要求可由可靠性设计来保证。4经济性要求仪器设计时应采用各种先进技术，以获得最佳经济效果。盲目追求复杂、高级的方案，不仅会造成仪器成本的急剧增加，有时甚至无法实现。因此仪器设计时应尽量选择最经济的方案，即技术先进、零部件少、工艺简单、成本低、可靠性高、装调方便，这样在市场上才有竞争力。同时还要考虑仪器的功能，具有较好的功能与产品成本比，即价值系数高。,,,5使用条件要求使用条件不同，仪器的设计也不同。如在室外使用的仪器仪表应适应宽范围的温度、湿度变化，以及抗振和耐盐雾；在车间使用除了防振外，电磁干扰，尤其是强电设备起动的干扰应重点防范；在易燃易爆场合下工作的仪器仪表则要求防爆和阻燃；在线测量与离线测量，连续工作与间歇工作其条件都有不同，在设计仪器时应慎重考虑，以满足不同使用条件的要求。6造型要求仪器的外观设计极为重要，优美的造型、柔和的色泽是人们选择产品的考虑因素之一，有利于销售，同时也会使操作者加倍爱护和保养仪器，延长使用寿命，提高工作效率。,,,二、测控仪器的设计程序,1确定设计任务设计任务由国家或部门根据经济与事业发展需要由计划和科技部门下达，也有企业或公司根据国内外市场调查自行确定的新产品开发任务，也有的是由用户特殊要求而确定的设计任务。2设计任务分析，制定设计任务书接到设计任务后，首先要认真、仔细地阅读任务书。要认真研究被测对象有什么特点被测参数是如何定义的精度要求是什么测量范围有多大检测效率要求多高使用条件是什么经济情况如何完成时间与验收方式是什么逐一分析后，制定详细的任务书，作为研制的基本文件。3调查研究，详细占有资料在对设计任务心中有数后，应对国内外同类产品的技术资料进行分析，采用各种手段如网上查询、科技情报检索、工厂企业调研、请教有经验的技术人员和工人，详细占有资料，哪怕是一种外观照片对设计都会有启发。,,,4总体方案设计总体方案设计是非常重要的一步，对研究的成败有着举足轻重的作用。对总体方案要求具有先进性、创新性、合理性和可行性。总体设计要进行方案比对，可以用现代的虚拟设计、仿真设计法，也可用经典的设计方法。在方案设计时首先要确定原理方案，必要时要对仪器所包含的机、光、电各部分进行数学建模，然后确定系统的主要参数，进行精度设计和总体结构设计，绘制总体装配图和进行外观造型设计。总体设计后，最好邀请各方面的专家，组织一次方案评审会，集思广益，保证质量。5技术设计技术设计是在总体设计基础上，对机、光、电、计算机各部分进行具体的设计，如部件设计、零件设计、硬件电路设计、光学设计、软件设计、技术经济评价和编写设计说明书、精度设计、计算。,,,6制造样机包括产品机械加工、硬件电路制作、软件调试、整机装调，然后进行产品自检测试由研制人员进行，并详细做好记录。将检测结果与设计任务书给定的技术指标进行比对，对达不到要求的进行改进。然后做出经济评价和技术资料总结。7产品鉴定或验收对制造的样机根据设计任务书进行鉴定或验收。鉴定或验收的方式有①专家鉴定会，由5～13名专家组成评审委员会，对样机进行测试，对资料进行审查，并给出产品达到的技术水平的结论意见和指出不足之处。②技术监督部门按照计量法和任务书对产品进行测试，合格者出具合格证书。③通信评议，对理论性较强的研究项目可以采用通信评议的方法，用书面形式对研究项目进行评审。在产品鉴定和验收之前，研制者应编写出技术总结报告、使用说明书、鉴定测试大纲或检定规程、绘制设计图样并提供软盘。8设计定型后进行小批量生产考核工艺和对产品试销，以确定下一步生产策略。,,,第一章复习题,1.测控仪器的概念是什么2.测控仪器由哪几部分组成各部分功能是什么3.对测控仪器的设计要求有哪些4.测控仪器的设计按照什么程序进行,,,