测控仪器设计课件第3章(4.5.6.7节)

图a中，设o为度盘几何中心，o为主轴回转中心，即度盘有安装偏心。I为 读数头瞄准位置。则当主轴转过角时，度盘几何中心转至O1点（图b），此时， 相对读数瞄准位置I来说，产生读数误差为
e sin R
（3-16）
式中
e -安装偏心， -度盘刻划半径。 R
如仪器主轴转动时轴系有晃动，其产生的读数误差与上面分析类似。
1—圆光栅盘 2—切向滑板 3—长光栅尺 4—光栅头 5—刚性测头 6—被测齿轮 7—光栅头
（二）差动比较测量原理(电学量差动比较测量、光学量差动比较测量)
1．电学量差动比较测量
图3—25 电学量差动比较测量原理
图3-25a）为桥式差动电路， 图3-25b）为双端差动电路。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
上述每个电路内都有两个光电元件，一个接受信号光线，另一个接受同一光 源的恒定光线。这样，温度变化、光源亮度变化等渐变因素对其产生的影响可互
第四节
一、平均读数原理
测控仪器设计原理
二、比较测量原理 三、补偿原理
一、平均读数原理
在计量学中，利用多次读数取其平均值，能够提高读数精度，即称之为平均 读数原理。 以光学分度头
为例，当采用单面
读数（单个读数头） 时，由于轴系晃动 或度盘安装偏心等
原因，不可避免地
将使仪器带来读数 误差。
图3—22 度盘安装偏心示意图
由于物镜已经选好，所以焦距 f 确定。为了减小该项原理误差，我们可采 用新的焦距 f n 进行分划板的等分刻度。新的等分刻度应使被测角度 0.874 0 时， 0 原理误差 ，即达到了最佳调整补偿。式中 为最大测角范围。最佳调 Z 0 整后仪器的最大测量误差为调整前的1/4。
图3—23 测角仪对径读数结构 1-照明光源 2-聚光镜 3-度盘 4、9、13-直角棱镜 5、11-物镜 6-梯形棱镜 7、8-光楔测微器 10-合像分界楔 12-秒尺 14-投影物镜 15、16、17-反射镜 18-投影屏
二、比较测量原理
电信号测量：比较电桥、比较放大电路 光电法测量仪器：双通道差动比较测量 几何量测量：渐开线齿形、螺旋线误差 可以有效的消除共模信号的影响，有利于提高测量精度。 内容： 位移量同步比较测量 差动比较测量 零位比较测量
由此可知位移量同步比较测量原理的定义是：对复合参数进行测量的近代方法 是先分别用激光装置或光栅装置等测出它们各自的位移量，然后再根据它们之间 存在的特定关系由计算机系统直接进行运算比较而实现测量。
图3-24是采用电子式位移量同步比较原理所设计的万能齿轮整体误差测量机的 原理图。
图3—24 万能齿轮整体误差测量机原理图
三、补偿原理
补偿原理是仪器设计中一条内容广泛而意义重大的设计原理。如果在设计中， 采用包括补偿、调整、校正环节等技术措施，则往往能在提高仪器精度和改善仪 器性能方面收到良好的效果。
1．补偿环节的选择 为了取得比较明显的补偿效果，补偿环节应选择在仪器结构、工艺、精度上的薄弱环 节，对环境条件及外界干扰敏感的环节上。 2．补偿方法的确定 有光电方法、软件方法、电学方法、标准器比较的方法等。 3．补偿要求的分析 根据不同的补偿对象，有不同的补偿要求： 例如，对于导轨直线度偏差的补偿，必须要对整个行程范围进行连续逐点的补偿；而 对仪器示值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间选几点，达到选 定的特征点保证仪器示值精确即可。 4．综合补偿（最佳调整原理）的实施 优点：综合补偿方法具有简单、易行、补偿效果好的特点。
, 但传递上去的是弧 a

显然 a >s，因此产生原理误差： s a a sin a( sin )
图3—29 杠杆齿轮式测微仪原理图
3 5 因为： sin 3! 5!
所以： s
图3—30 杠杆齿轮测微仪的测杆部分
第五节 测控仪器工作原理的选择和系统设计
检测系统工作原理的选择和系统功能的设计是总体考虑时首先遇到的一个问题。
检测系统是一台设备的重要组成部分，它相当于人体智能系统的五官，五官获取 外界信号, 大脑相当于设备的控制系统，四肢相当于设备的执行机构,因此，一台完
整的设备能否按设计要求完成预定的任务，首先取决于检测系统的精度和可靠性。
检测系统的设计包括:传感器的选择与设计、标准量及其细分方法的应用、数据处 理与显示装置的选取等三大部分。
第五节 测控仪器工作原理的选择和系统设计
一、传感器的选择与设计
传感器的作用和重要性:
它是信息提取的源头，传感器的选择将对仪器的总体设计有很大的影响，如 若选择欠妥，则不仅会造成整台仪器难于获得好的性能，甚至有时还会不能满
a 0.874a 0 sin(0.874 0 )
图3-31显示了调整前后的特性 曲线。其中 s a sin 为调整前的
s 特性曲线， a sin 为调整后的特
性曲线， s a 为刻划特性曲线。
图3—31 正弦杠杆三条特性曲线
2）对采用正切机构的仪器误差进行综合补偿
1 a 3 6
采用综合补偿法的方法如下：
在刻度盘及内部结构都已经确定的情况下，我们采用增长杠杆短臂a的方法 来减小 s ，即将 a 调整为 a 。由理论分析可以得知（采用最小二乘法计算），当 调整 a ，使 0.8740 处的原理误差为零时，达到最佳调整，这时的最大原理误 差为 s 1/ 24a 3 ，即为调整前的 1 / 4 ，调整后的杠杆臂长 a 可由下式求得
差动放大器将两个信号作差，作为输出信号。则输出的信号为A-B，与原先两个信
号中的共模信号和差模信号比较，可以发现： 共模信号m=(A+B)/2不见了，而差模信号n=(A-B)/2得到两倍的放大。 差模干扰属于对称性干扰；共模干扰属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干 扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，所造成的干 扰较大。
相抵消，同时，还可抵消信号中的直流。从而可提高测量精度和灵敏度，并可改
善仪器的线性度。
当工件5 尺寸改变，测杆4向上 移动 ，由于上、下气隙的同步增 减，因而使上线圈的电感量变化， 总变化量为
L ( L L1 ) ( L L2 ) w2 0 S w2 0 S 2( ) 2( ) 2 L
（三）零位比较测量原理
图3-28 测量偏振面转角的零位测量原理 1—平行光光源 2—起偏器 3—被测物 4—检偏器 5—读数装置 6—光电检测器
7—放大器 8—指示表
图3-28所示为测量偏振面转角的零位测量原理方案。具有偏光性质的被测物3 放在起偏器和检偏器之间。起偏器2和检偏器4的光轴正交;
（三）零位比较测量原理
1)在2和4之间没有放入具有偏光性质的被测物3,则检偏器输出的光通量为零; 2)在2和4之间放入被测物3, 引起偏振面旋转。使检偏器有光通量输出，使指示 表的指针偏离零位。 3)通过读数装置5转动检偏器直至指示表示值再次为零，此时，检偏器的转角等 于被测物引起的偏振面转角。
测量方法的误差分析:当重新调整使表指示为零时，则必须使被测量与补偿 量相平衡。因此它的测量精度仅取决于指零表的零位漂移，而读数装置的非线 性误差及光通量的不稳定对测量精度的影响大大减小。
由上述两个公式可以看出，差动式电感传 感器的灵敏度比非差动式提高一倍。
2．光学量差动比较测量
图3—27 双通道差动法 透过率 测量原理
1-辐射光 2-反射镜 3-透镜 4-汇聚透镜 5-光电元件 6-差动放大器 7-指示表
辐射光源1借助反射镜2和透镜3分别沿着标准通道I和测量通道II并行输送， 实现被测样品与标准台样品比较，以差值指示。因此，降低共模信号的影响，还 可消除杂散光的干扰。
图3—32 平行光管测量原理简图
图3—33 正切杠杆三条特性曲线
平行光管是一种能产生平行光束的仪器，是装校调整光学仪器的重要 工具之一，也是光学量度的重要仪器。当配用不同的分划板时，可用 来测量透镜或透镜组的焦距、分辨率等。 D550电子平行光管采用高分辨率电子目镜系统将分划板图像清晰成像 于CCD光敏面上，图像通过USB线传输至电脑显示器，通过专用图像 采集软件可实现分划板图像的放大显示、保存、及图像再处理。
Z 图3-33显示了 Z f tan 为传动特性、 f 为调整前的分划板刻度特性， f n Z
为调整后的分划板刻度特性，新焦距 f n 可由下式求得
f t an0.874 0 f n 0.874 0
2）对采用正切机构的仪器误差进行综合补偿（平行光管）
以平行光管为例来说明：
在平行光管的读数系统中，由于利用分划板上的等分刻度尺量值来代替所 测量角度的理论值，而带来原理误差。见图3-32，被测角度的理论方程为
Z f tan
而等分刻度的实际方程为 Z f
式中，f 为物镜焦距； 为被测夹角。由此带来原理误差 Z
1 f 3 3
足设计任务的要求。
如何进行设计与选择:
可依据设计任务书的要求，综合考虑传感器的工作原理和应用要求来择优选
取或设计最佳方案。
汽车传感器

温度传感器 空气流量传感器 压力传感器 位置与角度传感器 速度与加速度传感器 振动传感器 气体浓度传感器
温度传感器
二、比较测量原理
（一）位移量同步比较测量原理
位移量同步比较原理主要应用于复合参数的测量：渐开线齿形误差，齿轮切 向综合误差，螺旋线误差，凸轮型面误差的测量 ▼特点：这类复合参数一般都是由线位移和角位移，或角位移和角位移以一定 关系作相互运动而成。它们的测量过程，实际上是相应的位移量之间的同步比 较过程，故在设计这类参数的测量仪器中，形成了一种位移量同步比较的测量
原理。这一原理的特点是符合按被测参数定义进行测量的基本原则。
▼过去的方法：采用建立相应的机械的标准运动，然后与被测运动相比较的方 法，其结果是结构复杂，环节多，测量链长，工艺难度大，特别当要求仪器具 有较大通用性时，问题更为突出。