测控仪器设计课件

测控仪器设计复习

一、 测控仪器：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。

二、 测控仪器的组成：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

三、 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

四、 误差的分类：

按误差的数学性质分：

1）随机误差 是由大量的独立微小因素的综合影响所造成的，其数值的大小和方向没有一定的规律，但就其总体而言，服从统计规律，大多数随机误差服从正态分布。

2）系统误差 由一些稳定的误差因素的影响所造成，其数值的大小的方向在测量过程中恒定不变或按一定的规律变化。

3）粗大误差 粗大误差指超出规定条件所产生的误差，一般是由于疏忽或错误所引起，在测量值中一旦出现这种误差，应予以剔除。

按被测参数的时间特性分：

1）静态参数误差 不随时间而变化或随时间而缓慢变化的被测参数称为静态参数，测定静态参数所产生的误差

2）动态参数误差 随时间而变化或时间的函数的被测参数称为动态参数，测定动态参数所产生的误差

按误差间的关系分：

1）独立误差 彼此相互独立，互不相关，互不影响的误差

2）非独立误差（或相关误差） 一种误差的出现与其他的误差相关联，这种彼此相关的误差

绝对误差 ：被测量测得值 x 与其真值(或相对真值) x0 之差 △=x-x0

特点：有量纲、能反映出误差的大小和方向。

相对误差 ：绝对误差与被测量真值的比值 δ=△/x0

特点：无量纲 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

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

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

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。

减小或消除原理误差影响的方法：

1）采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算。

2）研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。

3）采用误差补偿措施。

制造误差 产生于制造、支配以及调整中的不完善所引起的误差。 主要由仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。

减小或制造原理误差影响的方法：

制造过程中1）提高加工精度2）装配精度

设计过程中1）合理地分配误差和确定制造公差2）正确应用仪器设计原理和设计原则3）合理地确定仪器的结构参数4）合理的结构工艺性5）设置适当的调整好补偿环节

运行误差 仪器在使用过程中所产生的误差。如力变形误差、磨损和间隙造成的误差，温度变形引起的误差，材料的内摩擦所引起的弹性滞后和弹性后效，以及振动和干扰等。

（一）力变形 为了减小力变形，在设计过程中要着重提高仪器结构件的刚度，合理选择支点的位置和材料，适当采用卸荷装置，使重力引起的变形达到最小

（二）测量力变形 在设计中应尽量减小测量力同时确保测量力在测量过程中的恒定

（三）应力变形 结构件在加工和装配过程中形成的内应力的释放所引发的变形同样影响仪器精度

（四）磨损 磨损使零件产生尺寸、形状、位置误差，配合间隙增加，降低仪器的工作精度的稳定性

五、 仪器误差分析步骤：

1）寻找仪器误差源，找出影响仪器精度的各项误差

2）计算分析各个源误差对仪器精度的影响

3）精度综合

误差独立作用原理： 一个源误差仅使仪器产生一个局部误差，局部误差是源误差的线性函数，与其他源误差无关；仪器总误差是局部误差的综合。

微分法：对仪器作用方程求全微分。

优点：简单、快速

缺点：需要得到仪器作用方程；无法应用于不能列入仪器作用方程的源误差

几何法：利用源误差与局部误差之间的几何关系来计算局部误差。

优点：简单、直观

缺点：几何关系要正确；无法应用于复杂机构。

作用线于瞬时臂法：

分析各个源误差对仪器精度产生影响的中间过程，分析源误差在机构中的传递机理。

六、 光栅及摩尔条纹

1. 摩尔条纹宽度计算；

2. 莫尔条纹特性：

方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 → 与光栅移动方向垂直

同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距。

放大性：夹角θ很小 → L>>W → 光学放大 → 提高灵敏度

可调性：夹角θ↓→ 条纹间距L↑ → 灵活

准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度

七、 光学杠杆原理

八、 量块及其组合

1） 量块块数尽可能少，一般不超过3~5块。

2） 必须从同一套量块中选取，决不能在两套或两套以上的量块中混选。

3） 组合时，不能将测量面与非测量面相研合。

4） 组合时，下测量面一律朝下。

九、 微小误差原理

若略去某项误差对总误差的影响小于不略去结果的1/10，则该项误差可视为微小误差。微小误差可忽略不计。

十、 检测能力指数Mcp

表示检测能力满足被测量对象测量准确度要求程度的量值。Mcp越大，检测能力越高。

十一、 阿贝（Abbe）原则及其扩展 为使量仪能给出正确的测量结果,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。

扩展：

即：1）标尺与被测量共线；

2）如无法做到，则确保导轨没有角运动；

3）如1）、2）无法做到，则应跟踪测量，算出导轨偏移加以补偿。

十二、 变形最小原则及减小变形影响的措施

在仪器工作过程中，应尽量避免因受力变化或因受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，并使之对仪器精度的影响最小。

十三、 测量链最短原则

一台仪器中构成测量链环节的构件数目应最少。测量链最短原则一般只能从原始设计上加以保证，而无法用补偿方法来实现。

十四、 平均读数原理：

多次读数取其平均值以提高读数精度。

十五、 基座与立柱结构特点：结构尺寸较大，结构比较复杂，要承受外载荷及其变化，受热变形影响较大。

设计要求：1）要具有足够的刚度，力变形要小2）稳定性好，内应力变形小3）热变形要小

4）良好的抗振性

刚度设计：1)有限元分析法：此分析法是一种将数学、力学与计算机技术相结合的对支承件刚度和动特性进行分析的一种方法；

2)仿真分析法：对结构形状复杂的支承件，可采用模型仿真，虽然花费些物力和时间，但得出的结果与实际比较接近。

结构设计：1）正确选择截面形状与外形结构2）合理地选择和布置加强肋，以增加刚度3）正确的结构布局，减小力变形4）良好的结构工艺性，减小应力变形5）合理地选择材料6)

基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度

提高抗振性的方法

① 提高静刚度；

② 减小内部振源的振动影响；

③ 尽量减轻重量以提高固有频率；

④ 采取减振或隔振措施以减小外界振源对仪器的影响。 十六、 导轨的功用：

导轨是稳定和灵活传递直线运动的部件，起着确保运动精度及部件间相互位置精度的作用。其由运动导轨（动导轨）和支承导轨（静导轨）组成。

导轨种类：

1）滑动摩擦导轨 两导轨面间直接接触形成滑动摩擦。

2）滚动导轨 动静导轨面间有滚动体，形成滚动摩擦。

3）静压导轨 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。

4）弹性摩擦导轨 利用材料弹性变形，使运动件做精密微小位移。这种导轨仅有弹性材料内分子间的内摩擦。

导向精度 动导轨运动轨迹的准确度，直线度

运动的平稳性 指导轨低速运行时的爬行。表现为忽快忽慢

刚度要求 1)自重变形2)局部变形3)接触变形

运动学原理 把动导轨视为有确定运动的刚体，设计是不允许有多余的自由度和多余的约束，即只保留确定运动方向的自由度。

弹性平均效应原理

如滚动导轨，是在动导轨与静导轨之间加上滚动体组成的。如果滚动体个数很多，那么这些滚动体尺寸不可能完全一致，当导轨装配施加预载荷时，少数偏大的滚动体因受力而产生弹性变形，因而工作台的运动误差，将因导轨副的弹性平均效应而得到平均，从而提高其承载能力和导向精度

导向导轨与压紧导轨分立原则 在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为导向面，另一面作压紧面，即导向和压紧分开，保证通过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度。

滑动摩擦导轨的组合形式：

1）V形和平面组合导轨2）双V形组合导轨3）双矩形组合导轨4）燕尾组合导轨5）双圆柱导轨

滚动摩擦导轨的结构形式及其特点：

滚动导轨按不同的滚动体可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨

1、双V型滚珠导轨 优点：运动灵敏，能承受不大的倾覆力矩

缺点：承载能力小，容易压出沟槽 2、双圆弧滚珠导轨 优点：接触面积大，承载能力强，寿命长

缺点：摩擦力大于 V型滚珠导轨，形状复杂，加工困难，不易达到高精度。属过定位 。

3、四圆柱棒滚道的滚珠导轨 优点：运动精度和运动的灵活性比较高，维修方便，圆柱磨损后，只需转个方位，仍保持原精度

缺点：承载力小，属过定位

4、V型——平面滚珠导轨 优点：既保证了确定的运动，又没有过定位。加工与装配方便。受热变形也不会影响精度

缺点：左右滚珠的运动速度不等， Vn>Vm，必须使用单独的隔离架。

5、V形滚柱导轨 优点：承载能力大，耐磨性好，对导轨面的局部缺陷不敏感

缺点：对 、 的差值要求较严

6、平面滚动导轨（滚珠或滚柱） 优点：形状简单，加工容易。

7、滚动轴承导轨 优点：摩擦力矩小，运动灵活，承载能力大，调整方便。

十七、 主轴系统

如何减小“双周滚动”：

a)严格控制主轴、滚动体、轴套的尺寸/形状误差，尤其应尽量减小滚动体的尺寸一致性误差；

b)采用误差平均原理，用平均读数法尽量减小主轴“飘移”所带来的读数误差。

提高主轴刚度的措施：

①加大主轴直径。②缩短主轴悬伸长度。③合理选择支承跨距。④提高轴承刚度。

主轴系统振动：采用弹性元件连接，或采用直流电动机/力矩电动机

④主轴系统的热稳定性：

❀正确选择和设计轴系；

❀合理选择推力支承位置；

❀减小热源的影响;

❀采取热补偿措施

液体动压轴承

主轴只能向油楔减小方向转动，不能反转。

常用的微位移机构： 12