自动化装置设计基础：第3章 测控仪器总体设计

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1、第三章 测控仪器总体设计 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。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。要考虑的主要问题有：要考虑的主要问题有：v1.设计任务分析v2.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）v3.测控仪器若干设计原则的考虑v4.测控仪器若干设计原理的斟酌v5.测控仪器工作原理的选择和系统设计v6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定v7.仪

2、器总体的造型规划第一节第一节 设计任务分析设计任务分析测控仪器的设计任务一般有三种情况：测控仪器的设计任务一般有三种情况：1）设计者根据用户专门的需要，针对特定的测控对象，被测参数或工作特性来设计专用的仪器。2）设计者根据目前市场需求，设计开发通用产品和系列产品。在这种情况下，设计者应对市场需求作广泛的调研，以确定适当的仪器技术指标，达到以最少的产品系列和较全的仪器功能来覆盖最大的社会需求。3）设计者超前预测，设计出先进的新型产品，进行开发性设计。以上不同情况，对设计任务的分析，其侧重考虑的内容和方面是不同的。通常，设计任务的分析包括以下内容：了解被测控参数的特点了解被测控参数的特点 1）了解

3、精度、数值范围（一维、二维、量值范围）、量值性质（单值、多值）、测量状态（动态、静态）等要求；2）按国家标准严格的定义确定仪器工作原理了解测控参数载体（被测控对象）的特点了解测控参数载体（被测控对象）的特点 机械与光学载体居多。要考虑载体的大小、形状、材料、重量、状态等了解仪器的功能要求了解仪器的功能要求 是静态还是动态、开环还是闭环、一维还是多维、单一参数还是复合参数、检测效率、测量范围、承载能力、操作方式、显示方式、自动诊断、自动保护等。了解仪器的使用条件了解仪器的使用条件室内还是室外、在线还是脱机、间断还是连续、环境状况。了解国内外同类产品的原理和技术水平了解国内外同类产品的原理和技术水

4、平了解国内加工工艺水平及关键元器件的销售情况了解国内加工工艺水平及关键元器件的销售情况设计任务设计任务 的分析的分析第二节第二节 追踪新技术，进行创新设计追踪新技术，进行创新设计 创新创新是对原设计的继承和发展，我们对现有仪器的原理、功能、特点了解的愈多，掌握的愈深入，愈容易发现现有仪器的缺陷，从而找到进一步完善和发展的途径。就测控仪器的总体设计而言,创新设计将体现在:仪器设计所实现的原理、所达到的功能、所反映出的新方法和新技术等方面。举例如下举例如下:开关 机械式开关是最早的通断控制形式，但其反映的频率低，定位精度差，结构复杂，惯性大，寿命短。随着科技的发展，人们开发出触摸式、感应式、声控式

5、、光控式、红外线式等多种新的开关。这些新的开关设计反映出设计者对各种新技术和新方法的创新研究。对对 比比 光学投影式刀具预调仪光学投影式刀具预调仪 计算机视觉型刀具预调仪计算机视觉型刀具预调仪 测量原理图示 工作过程 将刀尖到影屏上，采用目视瞄准定 使用CCD摄像机采集被测刀具图像，测量时，计算机影屏上的十字线自动跟踪刀具切削点，当刀尖稳定在测量区域后，即已完成测量 优缺点 光学投影光路的加工及调整复杂，由人眼控制刀尖对准十字线的微细调整过程，要求二维光栅数字系统的导轨必须具备微调机构，增加了机构设计的难度；而且人眼目视瞄准的精度低，工作效率差。消除了操作者的人为误差，实现了自动化、数字化、微

6、米级的测量精度。结论 这种由光学投影式瞄准原理发展为利用计算机视觉系统进行瞄准的创新，开创了新一代刀具预调仪的发展，也为生产厂家带来了较大的经济利润和社会效益。创新设计思维能力的培养创新设计思维能力的培养突破“思维定势”的束缚。人们往往习惯于从已有的经验和知识中，从考虑某类问题获得成功的思维模式中寻求解题方案，这就是所说的思维定势。要克服心理上的惯性，从思维定势的框框中解脱出来，善于从新的技术领域中接受有用的事物，提出新原理、创造新模式、贡献新方法，闯出新局面。敢于标新立异。创新思维的特点不仅是要突破“思维定势”的束缚，而且要敢于标新立异，即敢于提出与前人甚至多数人不同的见解，敢于对似乎完美的

7、现实事物提出怀疑，寻找更合理的解法。善于从不同角度思考问题，探索多种解法，设想多个可供选择的方案，这样，成功的几率必然成倍增长。我们称这种思维方法为多向思维或扩散思维。创新设计的诀窍在于创新设计的诀窍在于 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。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 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。创新设计方法的训练创新设计方法的训练 1）学习，掌握创造学理论的基本思想，掌握创新思

8、维规律，面对来自于自然界生存压力、社会发展需求压力、经济竞争压力、个人工作压力及自我责任心，事业心的主客观强大压力，激发出积极、主动创造精神。2）摸索创新设计的方法和技巧第三节第三节 测控仪器设计原则测控仪器设计原则 在仪器设计长期实践的基础上,形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带有普遍性的仪器设计所应遵循的基本原则与基本原理。这些设计原则与设计原理,作为仪器设计中的技术措施,在保证和提高仪器精度,改善仪器性能,以及在降低仪器成本等方面带来了良好的效果。如何在仪器的总体方案中遵循或恰当地运用这些原则与原理,便是在仪器总体设计阶段应当突出考虑的一个内容。一一.阿贝阿贝(Abbe)原则及其扩展原

9、则及其扩展 对于线性尺寸测量仪器线性尺寸测量仪器的设计，1890年，阿贝提出了一条指导性原则。阿贝原则定义：阿贝原则定义：为使量仪能给出正确的为使量仪能给出正确的测量结果测量结果,必须将仪器的读数刻线尺安放在被必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上。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。因此，遵守阿贝(Abbe)原则的仪器，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。举例说明阿贝原则举例说明阿贝原则 图31 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

10、刻线尺与被测件的直径共线误差微小到可以忽略不计 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 阿贝误差产生的原因误差和倾角成二次方关系，习惯上称为二次微小误差 误差和倾角成一次方关系，习惯上称为一次误差 结论 用千分尺测量工件的直径。符合阿贝原则。如果由于安装等原因，测微丝杆轴线的移动方向与尺寸线方向有一夹角，则此时带来测量误差为 设d=20毫米，=1则引起的误差为 =20mm即误差微小到可以忽略不计的程度。用游标卡尺测量工件的直径。不符合阿贝原则。测量时，活动量爪在尺架（导轨）上移动，由于导轨之间存在间隙，使活动量爪发生倾斜角而带来测量误差，其值为 设S=30毫米

11、，=1则引起的误差为 =300.0003=0.009mm测量过程 测量图示 用千分尺测量工件的直径 用游标卡尺测量工件的直径 对比对比 Stg114/2dL 272105.44/)0003.0(再举一例：再举一例：用阿贝比长仪阿贝比长仪测量线纹尺的刻线间隔，被测尺寸线W和仪器基准线S在同一条直线上，故符合阿贝原则。如果由于导轨误差，基准读数显微镜和测量读数显微镜支架在下图示平面内产生 的转动，使基准读数显微镜的第二次瞄准位置由 移到 此时带来的测量误差为：因为：（1-cos）=2sin2/2设d 被测线纹长度，且d=20mm，=1，则引起的误差为：=20（0.0003）2/2=910-7 mm

12、即误差微小到可以忽略不计的程度。2M2M 2/)cos1(2dddd 图3-2 工件的直径测量 b）用阿贝比较仪测量 1被测工件 2工作台 3底座 4基准刻线尺 5支架 可见，阿贝原则在量仪设计中的意义重大。阿贝原则被公认为是量仪设计中最基本的原则之一，在一般的设计情况下应尽量遵守。但在实际的设计工作中，有些情况不能保证阿贝原则的实施，其原因有二：1）遵守阿贝原则一般造成仪器外廓尺寸过大，特别是对线值测量范围大的仪器，情况更为严重。2）多自由度测量仪器，如三坐标测量机，或其它有线值测量系统的仪器。很难作到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原则。图3-3 三坐标测量机 1-测

13、头的触球 2-被测工件 许多线值测量系统的仪器，很难做到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原则。基于上述实际情况，引出了扩展阿贝原则的思路和方法。美国学者布莱恩（J.B.Bryan）建议将扩展了的阿贝原则表达如下：“位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于一条直线上。如果这不可能，那么或者必须使传送位移的导轨没有角运动，或者必须用实际角运动的数据计算偏移的影响。它包含三重意思，遵守了这三条中的一条，即遵守了阿贝原则。即：1）标尺与被测量一条线；2）如无法做到则确保导轨没有角运动；3）或应跟踪测量，算出导轨偏移加以补偿。针对上述问题，可采用了针对上述问题，可采用了

14、动态跟踪测量动态跟踪测量的方的方法。动态跟踪补偿的方法是将监测系统与仪器主法。动态跟踪补偿的方法是将监测系统与仪器主体固定为一体，监测系统负责检测导轨的偏移信体固定为一体，监测系统负责检测导轨的偏移信息，补偿阿贝误差，一旦经过统调和定标，则补息，补偿阿贝误差，一旦经过统调和定标，则补偿的精度稳定。偿的精度稳定。爱彭斯坦（爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法）光学补偿方法 爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法主要被应用于高精度测长机的读数系统中。图3-4a为测长机原理图。刻尺面位于焦距f相同的两个透镜N1，N2的焦面上。M2，N2与尾座联为一体，M1，N1与头座联为一体。刻尺由装

15、在尾座内的光源照明。对零时，设0刻线成象在s1点。测量时，尾座向左移动。当导轨平直时，设相应于被测长度读数值的刻线0亦成象在s1处时不产生误差。现假设由于导轨直线度的影响，使尾座产生倾角，则在测量线方向上，测端因倾斜而向左挪动 ，如无补偿措施则此值即为阿贝误差。tanLh 但这时与尾座联为一体的M2，N2也随之倾斜角，这样，刻线O通过M2，N2及M1，N1便成象到s2点，则S2点相对于S1点在刻尺面上也有一挪动量 。12tans sf 为了补偿阿贝误差，头座检测到此偏移成像点后，需向左移动靠紧工件 若 则 =于是，由尾座倾斜而带来的阿贝误差，由于在仪器中设置了上述光学系统，在读数时自动消失了，

16、即达到了补偿的目的。这种补偿原理被称为爱彭斯坦光学补偿原理，是通过结构布局随机补偿阿贝误差的方法。tanLh 12tans sftanLhfh 图34 爱彭斯坦光学补偿方法 a)测长机工作原理图 b)光学补偿原理以动态准直仪为标准器的电学补偿方法以动态准直仪为标准器的电学补偿方法 以动态准直仪为标准器来跟踪测量一些高精度、数字式计量仪器导轨的直线度误差，并把测得的误差值经电路处理后转换为相应的脉冲数，输入给计数器或计算机进行误差补偿。其电路框图如图3-7所示。准直仪的输出电压随导轨导角变化而相应变化，此输出值与基准值（导轨不偏移，无导角时准直仪输出电压）通过比较器产生“闸门电压”，使干涉仪产生

17、的加减脉冲信号（相位不同，加减作用不同）进入计算机，继而调节导轨导角至平衡状态。图 电学补偿方法原理框图遵守阿贝原则的传动部件设计遵守阿贝原则的传动部件设计 阿贝原则虽然主要是针对几何量中大量程线值测量仪器总体布局设计的一条原则，但同样适合各类仪同样适合各类仪器传动部件的设计。器传动部件的设计。图 a）符合阿贝原则；而图 b）不符合阿贝原则。为什么？图 传动部件遵守阿贝原则的设计a）正确 b)不正确二、变形最小原则二、变形最小原则变形最小原则定义变形最小原则定义：应尽量避免在仪器工作过程中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。例如：仪器承重变化 仪器结构变形 外界

18、温度变化 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。2减小热变形影响的技术措施减小热变形影响的技术措施有：减小热变形影响的技术措施有：采用恒温条件，以减小温度变化量采用恒温条件，以减小温度变化量 ；选择合适的材料，以减小线膨胀的影响，或选用线胀系数相反的材选择合适的材料，以减小线膨胀的影响，或选用线胀系数相反的材 料在某些敏感环节上进行补偿；料在某些敏感环节上进行补偿；采用采用补偿法补偿法补偿温度变化的影响，如测出被测件与标准件的温度补偿温度变化的影响，如测出被测件与标准件的温度 和和 ，查得被测件与标准件的线胀系数，查得被测件与标准件的线胀系数 与与 ，则温度误差的修

19、，则温度误差的修正公式为正公式为 式中，式中，L为被测件的标准长度。为被测件的标准长度。t1t2t12)20()20(022011CtCtLL1减小力变形影响的技术措施 要从总体设计上，或从具体的结构设计上，考虑减小或消除力变要从总体设计上，或从具体的结构设计上，考虑减小或消除力变形的影响。形的影响。丝杠动态测量仪的补偿 丝杠动态测量仪，利用圆光栅测量转角角度（产生脉冲信号），利用激光波长测量线位移长度（产生脉冲信号），完成对丝杠参数的动态测量。由于温度的影响，被测丝杠将伸长或缩短，此外，当环境温度、气压、湿度偏离标准状态时，激光波长也将发生变化，这些都将带来测量误差。因此，可以采用在激光一路

20、信号中增减脉冲数的办法来进行补偿的方案。在补偿时：先测出环境的温度、气压和湿度值；再据此计算出每米需累积补偿量 ；位移每移动半个波长 时，产生一个脉冲，计算每米补偿量的脉冲数 ，1m长度内的激光脉冲数为 ，要把补偿脉冲平均分配到1m移位内（注意不是在发生1m位移后一次性补偿），故每隔 脉冲，对激光一路增减一个脉冲信号。N)2/()2/(1016M/101/6NM2/图 分频补偿原理1分频器 2补偿器 3与门 扩散硅压力传感器零点温漂的补偿 扩散硅压力传感器是在硅材料的基片上，用集成电路的工艺制成扩扩散硅压力传感器是在硅材料的基片上，用集成电路的工艺制成扩散电阻并组成桥路。由于采用了半导体材料的

21、扩散技术，不可避免地产散电阻并组成桥路。由于采用了半导体材料的扩散技术，不可避免地产生了如下问题：生了如下问题：扩散电阻的离散性很大，桥路的四个电桥臂阻值扩散电阻的离散性很大，桥路的四个电桥臂阻值 R1R2R3R4；扩散电阻的各个电阻温度系数不等，即扩散电阻的各个电阻温度系数不等，即 ；扩散电阻随温度的非线性变化。扩散电阻随温度的非线性变化。因此，将产生严重的各不相同的零点温度漂移和灵敏度温度漂移。因此，将产生严重的各不相同的零点温度漂移和灵敏度温度漂移。为了解决扩散硅压力传感器零点温度漂移的补偿，提出了为了解决扩散硅压力传感器零点温度漂移的补偿，提出了串并联、双并串并联、双并 联、双串联联、

22、双串联等几种补偿方案。等几种补偿方案。4321图 电阻式桥路（1 1）桥路的平衡条件桥路的平衡条件 图为四个扩散电阻所组成的桥路，若使桥路在所要求的温度点和温度变化 后均能平衡，则平衡条件应有二个，即：（3-7）（3-8）式中，、为在所要求温度点的电阻，、的阻值。tRRRR10402030aaaa142310R20R30R40R1R2R3R4R 图316 电阻的串联或并联补偿形式 a)串联形式 b）并联形式（2 2）串、并联电阻对电阻温度系数的影响串、并联电阻对电阻温度系数的影响在电阻为 的扩散电阻上串联补偿电阻 。设串联后的等效电阻温度系数为 ，等效电阻为 ，的电阻温度系数为 。如图 3-1

23、6a，则有：得 可见 ，即串联电阻后其电阻温度系数降低。aRRRas aasRRR RRRssRtaRtaR)1()1(R 在扩散电阻上并联电阻 。如图3-16b所示，并联后其等效电阻为：pR即 ppRtaRRtaRtaR)1()1()1(得 tRaRRaRapp因 RRRa tp RRRRRpp故 ppRRaRa即并联后亦能降低其电阻温度系数。即并联后亦能降低其电阻温度系数。可见 aa图317 串并联电阻补偿原理 RRRaRRRass1010110101桥臂2上的等效电阻和等效温度系数分别为：2202202020aRRRaRRRRRpppp（39）（310）（3）串并联电阻补偿原理串并联电阻

24、补偿原理 见图3-17，在 上串联 ，在 上并联 。这样，桥臂1上的等效电阻和等效温度系数分别为pR1RsR2R将式（3-9）和（3-10）代入电桥平衡公式（3-7）及（3-8）得：（311）（312）令 ，故（313）()RRRR RRRRspp1040203020003202410101aRRRaaRRRappsppRRRK20RRKKp201pRsR又由式（3-11）得 （3-14）将式（3-13）、（3-14）代入式（3-12），解得由K的定义知K0，故取上式根号前的正值得 （3-15）在此，将桥路的各电阻和 值代入(3-15)便可求得K值，再将K值代入式（3-13）、式（3-14）就

25、可以求出 和 。这样求出的 和 值能够同时满足式（3-11）和式（3-12），也就是说在有温度变化时，电桥总是处在平衡的条件下，这就达到了补偿温度漂移的目的。RR RRKRs20304010KaaaaaaR RR Raa4324322104020301222KaaaaaaR RR Raa4324322104020301222pRsR三、测量链最短原则三、测量链最短原则 测量链定义：仪器中直接感受标准量和被测量的有关元件，如被测件、标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链。在精密测量仪器中，根据各环节对仪器精度影响程度的不同，可将仪器中的结构环节区分为测量链、放大指示链和辅助链三类。测量链的误差

26、对仪器精度的影响最大，一般都是1:1影响测量结果。因此，对测量链各环节的精度要求应最高。因此测量链最短原则显然指一台仪器中测量链环节的构件数目应最少，即测量链应最短。因此，测量链最短原则作为一条设计原则要求设计者予以遵守。四、坐标系统一原则四、坐标系统一原则 以上设计原则，一般都是从某台仪器总体出发考虑的。而坐标系统一原则,则是对仪器群体之间的位置关系,相互依赖关系来说的,或主要是针对仪器中的零件设计及部件装配要求来说的。对零部件设计来说，对零部件设计来说，这条原则是指：在设计零件时，应该使零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致起来，符合这个原则，才能使工艺上或测量上能够较经济地获得规定的精度

27、要求而避免附加的误差。五、精度匹配原则五、精度匹配原则 在对仪器进行精度分析的基础上，根据仪器中各部分各环节对仪器精度影响程度的不同，分别对各部分各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，这就是精度匹配原则。六、经济原则六、经济原则 经济原则是一切工作都要遵守的一条基本而重要的原则。经济原则反映到测控仪器的设计之中，可从以下几方面来考虑：1）工艺性。选择正确的加工工艺和装配工艺，从而达到节省工时，节约能源，不但易于组织生产，而且降低管理费用。2）合理的精度要求。精度的高低，决定了成本的高低。因此各环节则应根据不同的要求分配不同的精度。3）合理选材。合理选材是仪器设计中的重要环节之一，从减小磨损

28、、减小热变形、减小力变形、提高刚度及满足许多物理性能上来说，都离不开材料性能。而材料的成本又差价很大，因此合理选材是至关重要的一条。4）合理的调整环节。设计合理的调整环节，往往可以降低仪器零部件的精度要求，达到降低仪器成本的目的。5）提高仪器寿命。为提高仪器寿命要对电气元件进行老化和筛选；对机械零部件中的易损系统采用更合理的结构型式。虽然这两方面的改进会使成本增加，但如果仪器寿命延长一倍，等于使仪器价格降低了一半。总结共有六项设计原则：总结共有六项设计原则：一、阿贝(Abbe)原则及其扩展二、变形最小原则及减小变形影响的措施三、测量链最短原则四、坐标系统一原则五、精度匹配原则六、经济原则 以上

29、六条基本原则是众多科技工作者在多年的设计实践中总结出的理论成果，这些原则经过了长期实践的检验，并为大多数仪器设计者所公认。第四节第四节 测控仪器设计原理测控仪器设计原理一、平均读数原理一、平均读数原理 在测控系统中，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322 度盘安装偏心示意图 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

30、差为 （3-16）式中-安装偏心，-度盘刻划半径。eRsineR 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。如果，在度盘的对径方向上安装两个读数头，并取两个读数头读数值的平均值作为度盘在这一转角位置上的读数值。这样，度盘安装偏心或轴系晃动带来的读数误差为正的话，则对读数头II来说，其读数误差必为负，且两者的绝对值相等。因此，当存在着度盘安装偏心或轴系晃动误差时，对径读数取它们的平均值，则可自动消除读数误差。结论：结论：多读数头结构平均读数原理，在消除轴系晃动、度盘安装偏心及度盘刻划误差等对读数精度的影响方面具有良好的效果。因此，平均读数原理已成为高精密圆分度测量装置中一条重要

31、设计原理，而为量仪设计所普遍重视和共同遵循。二、比较测量原理二、比较测量原理u共模电压：单根导线与规定参考点（地、机壳）之间的电压。u共模干扰：干扰信号为共模电压形成的干扰，是导线与地之间的干扰，每接地干扰电流具有相同的方向。u差模电压：带电导体中任意两根之间的电压。u差模干扰：干扰信号为差模电压形式的干扰，是线与线之间的干扰，干扰电流在两线上的方向相反。图325 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。（一）差动比较测量原理（一）差动比较测量原理1电学量差动比较测量 电学量差动比较测量可以大大减小共模信号的影响，从而可以提高测量精度和灵敏度，并可以

32、改善仪器的线性度。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。LSwSwLLLLL2)(2)(2)()(020221式中，为线圈匝数，为空气的磁导率，为空气隙的截面积。w0S1-铁心 2-线圈 3-衔铁 4-测杆 5-工件 图3-26差动式电感传感器 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 电测仪器中，电感传感器常设计成差动式。对于非差动式电感线圈传感器来说

33、，测杆4向上移动引起电感量的变化量为 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。)()(20202LSwSwL（二）零位比较测量原理（二）零位比较测量原理过零比较器，顾名思义，其阈值电压UT=0V。电路如图(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+UOM 或-UOM。当输入电压UI0V时，UO=-UOM。因此，电压传输特性如图(b)所示。在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的UOH和UOL，如图(a)所示。图中R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压UOM。设稳压管DZ1的稳定电压为UZ1，

34、稳压管DZ2的稳定电压为UZ2，UZ1和UZ2的正向导通电压均为UD。v当UI0时，由于集成运放的输出电压UO=-UOM，DZ2使工作在稳压状态，DZ1工作在正向导通状态，所以输出电压 UO=UOL=-(UZ2+UD)UZ1=UZ2,则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，其符号如图(b)所示，稳定电压标为UZ。当UI 0时，UO=UOL=-UZ。限幅电路的稳压管还可跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间，如图所示。假设稳压管截止，则集成运放必然工作在开环状态，输出电压不是+UOM，就是-UOM。这样，必将导致稳压管击穿而工作在稳压状态，DZ构成负反馈通路，使反相输入端为“虚地”，限流电

35、阻上的电流iR等于稳压管的电流iZ，输出电压UO=UZ。u由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零，从而保护了输入级；u由于集成运放并没有工作到非线性区(因为采用了负反馈)，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。电路优点电路优点三、补偿原理三、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。补偿原理的核心包括：补偿原理的核心包括：1补偿环节的补偿环节的选择选择 为了取得比较明显的补

36、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补偿方法的补偿方法的确定确定 有光电方法、软件方法、电学方法、标准器比较的方法等。3补偿要求的补偿要求的分析分析 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）的综合补偿（最佳调整原理）的实施实施 优点：综合补偿方法具有简单、易行、补偿效果好的特点。涵义：该方法不必研究仪器产生的误差来自哪个或哪些环节，但

37、通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果。第五节第五节 测控仪器工作原理的选择和系统设计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。一、传感器的选择与设计一、传感器的选择与设计传感器的作用和重要性传感器的作用和重要性:

38、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足设计任务的要求。如何进行设计与选择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。按传感器的工作原理和特性进行选择或设计有以下三种方式作为参考：按传感器的工作原理和特性进行选择或设计有以下三种方式作为参考：1)按按传感器转换功能传感器转换功能的不同的不同l 可选择位置检测传感方式（如几何量测量中的瞄准系统）,其作用在于确定被测量对应于标准量的位置，转换后的位置信息经检测系统中的放大环节来提高仪器的分辨率。

39、l 或选择数值检测传感方式,其作用是为了测量被测量的数值（它包括绝对测量的数值，也包括相对测量时，获取被测量的偏差部分，如测微式三坐标测头、视觉成像传感器等），故要求传感器灵敏度高、线性好、原理误差小。2)按传感器对原始信号感受方式对原始信号感受方式的不同可选择接触式感受方式（如三坐标测量机中所配置的机械式硬测头或发讯式开关测头）由于其结构简单，使用方便，故适用于复杂形状工件的检测。或选择非接触式感受方式(如光学式、电容式和气动式)。直接引入式多应用于对于热工量和电学量的感受。3）按）按传感器转换放大原理传感器转换放大原理的不同的不同 可选择机械式（如杠杆式、杠杆齿轮式放大机构等）光学式（如显

40、微式、投影式放大成像原理等）光电式（如自准直法、干涉法放大原理等）电学式（如电感法、电容法放大原理等）气动式五种。根据上述选择依据，即可确定传感器的类型，但在实际设计过程中还要进一步考虑应用要求方面的特殊性，如：满足某些极限测量情况的要求，还要考虑测量条件的要求，如热轧钢直径的在线测量及浮法玻璃厚度的在线测量，测量的环境温度都远远超过了测量传感器的允许范围。所谓浮法玻璃生产工艺指的是当熔融玻璃液漂浮在650锡槽内的金属锡液面上时，在重力、表面张力、粘度和拉引力的共同作用下，逐渐完成摊平、抛光、定型、并使玻璃带具有平衡厚度值。可见玻璃厚度的在线测量要将测厚传感器置于650的锡槽上方，该处温度远远

41、超过了测量传感器所允许的温度极限。因此，多采用基于激光三角法和图像处理的计算机视觉检测技术，通过CCD摄像机采集玻璃厚度图像并送入计算机进行处理。为达到之一目的，测量头要用循环冷却水和氮气气冷保护。满足现代测控仪器的高速检测效率要求，为了提高效率，显然首先要确定选择非接触式、光电感受方式来满足动态在线检测要求。如各种手机的固紧螺钉，直径和长度只有23mm，但要检查螺杆是否弯曲、螺杆上是否有涂料、螺帽的内六方孔是否标准等三项指标。对这样的检验分选仪器，目前可选用内嵌高速RISC(Reduced Instruction Set Computing)内核的FPGA（Field Programmabl

42、e Gate Array-a programmable integrated circuit）作为主处理芯片的新一代摄像头，从而实现了快速图像法视觉检测，达到了一台仪器设备每秒检测5个螺钉，实现了一定的生产利润。满足对纳米精度和分辨力的测量要求，要首选激光干涉外差测量仪；对超大量程或多维参数的测量，传感器的选择和设计都有许多关键技术需要考虑。关于这些方面的设计已有许多成熟的实例，可参阅有关书籍。常用传感器的类型、特性及使用范围列于表3-1中。表3-1 常用传感器的类型、特性及使用范围类型示值范围示值误差对环境要求特点应用场合机机械械式式不同类型，示值范围不同 110 对环境要求不严 分位置检测

43、或数值检测两类，接触式测量方式，使用方便、耐用 位置检测如三坐标开关测头，数值检测如各种测微仪及三坐标测微测头，广泛应用于车间及温控不严的实验室 光光学学式式不同类型，示值范围不同 微米或亚微米数量级 对环境要求高 感受方式上有接触式和非接触式，功能上分位置检测或数值检测，性能稳定，耐用 位置检测如万工显的光学灵敏测头，数值检测如各种光学测微仪，广泛应用于计量室或计量站 电感、电感、互互感感式式（0.00130）0.1mm范围内为（0.050.5）对环境要求一般，抗干扰能力较好，要求有密封结构以防灰尘和油污接触式测量，使用方便，信号可进行各种运算处理，或直接进行数字显示，或输入计算机存储 作高

44、精度测微仪及在自动测量中应用电电容容式式（0.0011）0.1mm范围内为（0.050.5）易受外界干扰，尤其对温度变化敏感，要求有密封结构以防灰尘和油污非接触式测量，频率特性好，信号可进行各种运算处理，或直接进行数字显示，或输入计算机存储 动态测量应用较多，测量效率高，可测带磁工件或电缆芯偏心等特殊参数，多用于测量金属或塑料簿膜厚度mmm类型示值范围示值误差对环境要求特点应用场合电电触触式式0.21（12）对振动较敏感，一般应有密封结构只能指示被测参数是否处于公差范围内，或是否达到某一定值；其结构与电路简单，反应速度快，测力大一般用于自动分选与主动测量中光光电电式式不同类型，示值范围不同应用

45、情况不同，示值误差不同 由于半导体激光的应用及抗杂光干扰新技术的出现，改变了易受外界光影响的缺陷 精度高，适宜非接触测量，反应速度快，分位置检测或数值检测两类；易于数字化或与计算机接口 CCD视觉检测、CCD透射或反射外观尺寸检测等新技术，广泛应用于动态测量、快速尺寸或表面瑕疵的检测 气气动动式式（0.020.25）0.04mm范围内为（0.21）对环境要求低，对清洁条件要求较高 便于实现非接触测量，可进行各种运算；因气体惯性，反应速度慢；压缩空气要净化 各种气动测微仪，各种尺寸及形状的自动测量，特别是内孔、内表面、软材料工件等射射线线式式0.005300（1+10-2L）L-被测长度（毫米）

46、受温度影响大 非接触测量 轧制板、带及镀层厚度的自动测量 mmm二、标准量及其细分二、标准量及其细分（一）标准量的分类（一）标准量的分类:在采用绝对测量法中，标准量是作为仪器不可分割的一个组成部分，例如万能工具显微镜中的标准尺，测力机中的砝码等。在采用相对测量法中，被测量是通过检测仪器与标准量相比较，由检测仪器读出两者的偏差值。虽然标准量不作为检测仪器结构中的一个组成部分，但这类检测仪器是经过标准量（例如量块）的校准，所以在相对测量中能够准确地指示出被测量的偏差值。归纳起来，标准量的作用有：用来与被测件进行比较，实现测量；用来校准仪器的示值或检定仪器的示值误差。（二）对于标准量的其它概念二）对

47、于标准量的其它概念,如量值、绝对码与增量码、实如量值、绝对码与增量码、实物标准与自然标准、标准器的类型及特点请参考常用的标准物标准与自然标准、标准器的类型及特点请参考常用的标准量的类型、特性及使用范围。见附表。量的类型、特性及使用范围。见附表。表3-2 长度标准器的类型、特性及使用范围类型原理量值个数计值方法精度特性及使用范围备注量块量块端面研合单值绝对码三等量块：-被测长度（米）可用各种尺寸的量块任意选配，用于比较仪作相对测量基准或作为仪器校准用基准 量块尺寸与规格已标准化 线线纹纹尺尺线纹分度与光学机械细分多值绝对码一级精度线纹尺：-被测长度（米）与光学读数头配套使用，可采用光学机械细分法

48、进行细分，广泛用于万能工具显微镜及光学测长仪中 通常刻划间隔为 ；有玻璃线纹尺和金属线纹尺；金属尺线胀系数接近金属工件，因而温度对测量精度的影响较小 丝杠丝杠螺旋传动多值增量码高精度型：（13）一般精度型：（310）与步进或伺服电机组合，可实现机动与自动控制，用于一般计量仪器及三坐标测量机 丝杠精度可按需要，在加工中提高；精密丝杠常选用三角形牙型 mmL)/210.0(LmmL)/5.05.0(Lmm1mm/mm/激光激光干涉干涉光波干涉多值增量码双频激光干涉仪在波长稳定性为 时，测量范围1050m，准确度可达1 高精度、高分辨力，大的测量范围，对环境要求高，造价高，可用于计量室进行精密测量或

49、作为检定用基准，也可应用于车间条件，作大量程精密测量 激光具有单色性好、亮度高、方向性好、波长稳定及相干长度长等优点，是理想的长度标准量；对空气折射率进行修正，还可提高其测量精度 类型原理量值个数计值方法精度特性及使用范围备注角度角度量块量块端面研合单值绝对码根据需要任意选配，可用于绝对或相对测量中量块的尺寸和规格已经标准化 多面多面棱体棱体角度样块多值绝对码（15）棱体的角度经加工和检定达到规定的精度，可用来检定精密测角仪或对角度编码器进行角度标定 棱体可分为4、6、8、10、12、14、36、72面等多种，棱体反射面基体材料为金属和玻璃两种；亦可制出奇数面棱体 度盘度盘线纹分度与光学机械细

50、分多值绝对码高精度：（110）一般精度：（1020）与光学读数头配套使用，可采用光学机械细分法进行细分，广泛用于测角仪器中 度盘直径一般在 之间；刻度间隔值为 或 ；度盘刻线应与主轴同心 多齿多齿分度分度盘盘多齿平均效应多值增量码（0.10.25）它可配置小角度测量仪进行细分，用于检定精密测角仪 多齿分度盘的牙数一般为1440个，故每齿间隔值为 ；为了获得更小的分度值，可设计成差动式多齿分度盘 01 mm120mm3001 02 025.0表3-3 常用的角度标准器的类型、特性及使用范围（三）标准量的细分（三）标准量的细分 为了获得适当大小的分度值和提高仪器的分辨力，常需要将标准量进行细分。细

51、分的方法与所采用的标准量类型密切相关，可分为机械细分法与光电细分法两大类。1.机械细分法机械细分法 其基本原理是：当主标尺的刻线像没有正好对准读数指标时，通过微动机构移动主标尺刻线像或读数指标线，使它们对准，然后由微动机构读出尾数部分。只要微动机构具有足够的准确性，可以实现很高的细分数。其缺点是:需经微动对零，比较麻烦。典型的微动对零法有两种形式：第一种为测微螺杆式、阿基米德螺旋线式和楔块移动式所代表的读数指标移动式；第二为转动平板玻璃式、移动光楔式和移动补偿透镜式所代表的主标尺刻线像移动式。机械细分法的具体原理和设计可以参考有关书籍。2.光电细分法光电细分法光学倍程法 如图334所示，光束1

52、射到可动角隅棱镜的A点，经反射至B点后沿2线射到固定角隅棱镜的C点，经反射到D点后又沿3线射回棱镜的E点，经F、G、H、I、J最后沿6线返回。这样当可动角隅棱镜移动 ，光程改变6 。干涉条纹变化一个周期，对应于可动棱镜移动/6，相当于实现了六细分。又如在影像式光栅系统中，主光栅与它自身像形成莫尔条纹，主光栅向前移动，光栅像向后移动。这样，主光栅移过一个栅距，莫尔条纹变化两个周期，实现了光学二细分。ss图334 光学倍乘法原理三、数据处理与显示装置的选取三、数据处理与显示装置的选取（一）数据处理系统的功能、类型及其选择方法（一）数据处理系统的功能、类型及其选择方法 数据处理系统的功能数据处理系统

53、的功能:1）进行快速数据处理。一些过去被认为数据处理十分繁琐的测量项目，利用计算机可在极短时间内自动的完成。2）扩大了仪器的使用范围，提高了仪器的通用性。例如坐标测量机，由于用计算机进行数据处理，可以用坐标测量法测得各种型面、箱体、齿轮和形位误差等。3）提高了仪器的测量精度。利用数据处理装置可对预先测得的标尺误差、导轨直线度及测量环境条件等引起的误差进行修正。4）实现测量过程的自动化，可方便地实现计算机数字控制和程序控制。数据处理系统的类型数据处理系统的类型:1）模拟式:应用于简单的求和、求差电路到轮廓仪中的算术平均偏差Ra计算电路、周节仪中周节累积误差计算电路等。但运算速度较慢，测量数据不易

54、长期储存。（二）显示系统的功能、类型及选择方法（二）显示系统的功能、类型及选择方法显示系统的功能：显示系统的功能：显示测量结果，还可将测量结果去控制加工过程。显示系统的类型：显示系统的类型：指示式、记录式、数字显示和打印式等。1指示式显示部件指示式显示部件 采用计数指标或指针在标尺上或光电器件阵列上指示被测位移变化或连续变化的模拟量。如，霓虹电光柱、发光二极管列阵（LED光柱）及液晶条图显示器（LCD）等。它直观性强，指示清晰。2）数字式:以逻辑代数为基础的电路运算速度快，抗干扰能力强。通用电子计算机和单片机做计算装置有更多的优越性，它们具有结构简单、体积小、环境适应性强、操作方便、价格便宜、

55、运算速度快、功能强等优点，其性能完全能满足一般测量任务的需要。选用时应视具体情况而定。为了画出被测参数 随自变量 变化的曲线 ，可以采取三种方案。1）长记录器，又称直角坐标记录器，见图3-35。2）圆记录器，又称极坐标记录器,见图3-36。3）XY记录器，又称函数记录器，见图3-37。yx)(xfy 2记录式显示部件记录式显示部件 记录式显示部件常用于各种连续变化参数的测量中，也可用于序列参数（如齿轮周节）误差的记录中。优点：它能比较容易地看出误差变化范围与规律。缺点：需要目测辨读时，存在人眼读数时的瞄准误差，所需辨读的时间长。3数字式显示部件数字式显示部件 传统的数字式显示部件有:发光二极管

56、（LED）、等离子体、荧光数码管、电致发光管等，它们都是自身发光的显示部件，应用中直接以数字形式显示测量结果。近年来，液晶（LCD）显示器以其体积小、重量轻、低电压、微功耗、寿命强、对比度大等突出的优点，被广泛应用于仪器仪表、计算器及终端显示等方面。图335 长记录器1-描迹装置 2-记录笔 3-记录纸 4-走纸机构 图336 圆记录器1-描迹装置 2-记录笔 3-圆记录纸 4-走纸机构 图337 X-Y记录器 1、4-描迹装置 2-记录笔 3-记录纸LCD显示器有：段码显示器 段码显示器由多位字符构成一块数字式液晶显示片，类似七段数码管，它读数方便，示数客观，数字显示的位数多，可同时实现高分

57、辨率与大显示范围。字符式显示器 字符式显示器模块由LCD显示屏、驱动器及控制器组成，并具有一个与微机兼容的数据总线接口。它可显示96个ASC字符和92个特殊字符，经过编程还可自定义8个字符，因此可显示中文。图形式显示器 图形式显示器可直接与8位微处理器相联，可显示信号的波形或大量的汉字。数字式显示要用人眼读数或观测，故两次采样间隔时间不能太短，也不能自动保存测量结果。4打印式显示部件打印式显示部件 打印式显示部件是一种数字式记录部件。它与记录式显示部件的主要区别，一是数字量；二是它按一定节拍工作。它主要用于序列参数和坐标记录中，但也可用于连续变化参数的测量中。其不足之处是用于连续参数的记录时，

58、它将参数离散化了。由于受打印速度的限制，往往采样点打印得不很密。由打印数据看误差变化规律，不如记录曲线醒目。但它可打印出图表。5其他显示部件其他显示部件 1)信号式显示部件常用于指示仪器或控制系统的工作状态，如电源接通、过程显示及故障报警等。故障指标还常采用声信号。2)图像显示常采用示波器或电视显像管来实现。示波器的应用范围与记录器相仿，其优点是频响范围比记录器宽得多，数字式示波器还可保存测量结果，并通过接口电路输入给计算机。3)利用计算机的显示屏可以显示被测件的轮廓像，也能显示被测件各相应参数的数值和图表。利用计算机还可以实现仪器或设备在显示屏上的仿真运行，实时显示测与控的状态。这就为远距离

59、监视与控制提供了条件。随着光盘录制技术的发展，计算机还可把一天运行的状态，包括产量、合格品数量、不合格品数量、故障率及故障的工位、测量结果、控制时序等一一记录在一张光盘之中。4)20世纪90年代，触摸屏技术在工业及人民生活各领域获得广泛的发展。触摸屏是一种新型的计算机输入设备，它可以通过图符或文字实现对系统的操作、控制，直观地实现人机对话的交流；它也可显示仪器或系统的测与控状态，方便对仪器的监控。触摸屏的应用简化了计算机操作模式，降低了对操作人员专业知识的要求。四、运动方式与控制方式的确定四、运动方式与控制方式的确定运动方式控制方法优点缺点执行器件直线运动，包括匀速运动或变速运动要有保证运动精度的导轨，控制方式有开环控制、半闭环控制和闭环控制它的执行器件常选用步进电机,因而使控制灵活，可点动，可快速运动，停位时自动锁紧。回转运动（摆角运动），包括匀速运动或变速运动 要有精密轴系，控制方式同上 连续运动 检测系统是在运动过程中完成测量，控制方式同上 无停位误差，检测效率高，可减小温度漂移的影响 但有动态误差，一般要求检测系统有较高频响，控制较复杂 间歇运动检测系统是在停位时进行测量，因此属静态测量法，控制方式同上 避免了动态误差 但检测效率低，有停位误差 粗动在超精测量中往往需要粗动和微动 微动本章结束，谢谢。