测控仪器设计(4).共38页

封面作者：Pan Hongliang仅供个人学习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。

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。

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。

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，力学量的mg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（5）开发新原理（6）动态测量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。

一、课程设计任务：1、目的和要求：利用CCD图像传感器进行尺寸测量是CCD应用最广泛的领域之一。

本课程设计旨在从仪器总体设计思想出发，应用线阵CCD作为传感器，设计一套钢管外径测量系统。

CCD简介：CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。

其特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。

因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类，线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。

所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。

线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。

它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。

而线阵CCD就是本课程设计所要采用的传感器件。

2、主要内容：①、分析研究基于CCD的尺寸测量的工作原理②、基于工作原理确定系统总体方案③、进行全系统的总体设计并进行精度分析④、完成总体设计报告3、钢管直径测量系统的技术要求：以线阵CCD图像传感器为核心的钢管外径测量系统可以用于控制钢管生产线，对钢管外径进行实时监测，并根据测量结果对钢管生产过程进行控制，以提高产品的合格率。

测量系统的主要技术指标为：测量范围60~100mm测量分辨率0.01mm测量精度0.05mm二、系统的工作原理：钢管直径测量系统的原理框图如（图1）所示。

整个系统由照明光学系统、被测钢管夹持系统、成像物镜、光电图像传感器检测系统和计算机测量控制系统等部分组成。

测控仪器的概念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。

按功能将仪器分成以下几个组成部分：1 基准部件2 传感器与感受转换部件 3 放大部件 4 瞄准部件 5 信息处理与运算装置 6 显示部件7 驱动控制器部件8 机械结构部件测控仪器的设计要求(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)造型要求微分法几何法能画出机构某一瞬时作用原理图，按比例放大地画出源误差与局部误差之间的关系，依据其中的几何关系写出局部误差表达式。

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。

作用线与瞬时臂法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。

数学逼近法原理误差仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所引起的误差。

它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。

原始误差由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。

误差的分类及表示方法按误差的数学性质分1）随机误差2）系统误差3）粗大误差按被测参数的时间特性分1）静态参数误差2）动态参数误差按误差间的关系分1）独立误差2）非独立误差误差的来源与性质原理误差仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所引起的误差。

它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。

制造误差,运行误差:仪器在使用过程中所产生的误差。

（一）力变形误差（二）测量力（三）应力变形（四）磨损（五）间隙与空程（六）温度（七）振动与干扰（八）干扰与环境波动引起的误差3.2. 归纳测控仪器的设计流程测控仪器总体设计，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。

第三章测控仪器总体设计总体设计是战略性的、方向性的、全局性具体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。

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。

总体设计要考虑哪些主要问题？总体设计要考虑的主要问题有：1.设计任务分析2.创新性构思（所能达到的新功能，所实现的新方法，所反映出的新技术，新理论等）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第一节设计任务分析与创新性设计一、设计任务分析了解被测控参数的特点了解测控参数载体(测控对象)的特点了解仪器的使用条件了解仪器的功能要求了解仪器国内外同类产品或相关产品的类型、原理、技术水平及特点了解加工工艺水平及关键元器件销售情况二、创新点的构思CCD摄像机采集被测刀具图像，将刀尖到影屏上，采用目视测量时，计算机影屏上的十字线自动创新设计的诀窍在于①充分依靠现代网络信息资源有针对性的检索相关资料，补充掌握不足的信息来达到创新构思。

②在设计的整个过程中采用集多人智慧，互相启发来寻求解决问题的途径；也可通过有针对性、有系统地提问来激发智慧，寻找解决办法③通过对现有产品的观察，优缺点分析，或采用数学建模，或采用系统分析及形态学矩阵的理论分析方法寻求各种解决办法。

第二节测控仪器设计原则一、阿贝原则（Abbe law）及其扩展对线值尺寸测量仪器所提出指导性原则表述：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。

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。

仪器，应符合图3-1所示的安排。

仪器的标准刻线尺与被测件的直径共线。

举例说明阿贝原则图3—1 遵守阿贝原则的测量1-导轨2-指示器3-标准线纹尺4-被测件5-工作台导轨间隙造成运动中的摆角，由于标准刻线尺与被测件的直径不共线而带来测量误差误差和倾角φ成一次方关系，习惯上称为一次误差用千分尺测量工件的直径。

测控仪器设计教案测控03《测控仪器设计》教案第一章绪论1.1、仪器发展过程仪器：是对物质世界信息进行测量与控制的设备。

1、按所采用的电子器件：真空管-→晶体管-→集成电路(三个时代)2、按组成结构、工作原理和功能特点：模拟式-→数字式-→智能化(三个发展阶段)第一代：模拟式仪器。

如指针式的电压表、电流表、功率表。

机械式特点：功能简单、精度低、响应速度慢。

第二代：数字式仪器。

如数字万用表、数字频率计。

数电基本特点：是将待测的模拟信号转换成数字信号进行测量，测量结果以数字形式输出显示并向外传送。

精度高，响应速度快，读数清晰、直观。

第三代：智能仪器。

概念：是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等)，因而被称之为智能仪器。

(1)是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与测量仪器相结合的产物。

微处理器在智能仪器中的作用主要体现在以下两方面：①对测试过程的控制：接受键盘或通信接口的命令，解释并执行这些命令，控制各部分的工作过程，同时对工作状态进行监测。

②对测试数据的处理：表现为硬件电路只需具备最基本的测试能力，能向微型计算机提供原始数据即可。

对数据的进一步处理如滤波、运算等可由软件完成。

(2)智能仪器基本技术指标测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技术指标。

对仪器的误差进行校准可以保证仪器具有规定睥准确度。

而对仪器的故障进行检测和诊断则可及进发现错误、排除故障，使仪器可靠的工作。

保证仪器准确度(精度)措施：温度补偿、非线性校正、滤波；保证仪器可靠性措施：冗余设计、故障诊断。

故障诊断方法：给被测对象施加一定的检测信号，根据其输出响应信号来判断是否存在故障。

由于具有数字存储、运算、逻辑判断能力，可根据被测参数的变化自动选择量程，具有自动校正、自动补偿、自寻故障等功能，可以完成需要人类的智慧才能胜任的工作，即具备了一定的"智能"，故称之为智能仪器。