现代精密仪器设计考试重点概念

现代精密仪器设计

第一章

1. 一起时认识世界的工具，是信息的源头，是人们用来对物质（自然界）实体及其属性进

行观察、件事、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与系统的总称。 2. 先进的科学仪器设备是知识创新和技术创新的前提

科学仪器是从事科学研究的物质手段，科研之成败决定与试验方法及探测仪器。有些科研工作可以用现成的商品仪器来完成，这是堆一起的配置，可以认为是科研上技术条件的后勤工作；但是当需要靠一起装备的创新开发来解决科研和生产中的关键问题是，探索研究试验方法何以奇设备的研制，就应该是科技发展工作，是科研工作的重要组成部分，也是哦当前所提倡的知识创新、技术创新研究主体内容之一和创新成就和重要体现形式。科学技术与转化为生产力，首先要靠科学仪器仪表去认识世界。 3. 国外仪器发展趋势

（一） 科学仪器发展已成为国家的一项战略措施

（二）当今科学仪器技术最引人注目的发展是在生物、医学、材料、航天、环保、国防等直接关系到人类生存和发展的诸多领域中

（三）仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化 （四）测试仪器网络化 4. 精密仪器设计的指导思想

（一）精度（不确定度）

（二）经济性 （三）效率 （四）可靠性 （五）寿命 （六）造型

5. 精密仪器设计的程序 如下

（一）根据用户要求、国家发展要求、国内外市场需求等来确定仪器任务

（二）调查研究国内外同类产品的性能和特点等技术指标 （三）对设计任务进行分析，制定设计任务书。 （四）进行总体方案设计。在明确设计任务和深入调查之后，就可以进行总体方案的构思和设计了。总体方案设计包括：（1） 分析实现功能；（2） 确定信号转换原理与流程；（3） 确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型；（4）确定主要参数；（5）进行技术经济评价。总体设计师一起设计的关键一步。在分析时，要画出示意草图和关键部件的结构草图，进行初步的精度试算和精度分配，进行方案论证和必要的模拟实验，以考察所拟方案是否可行，确定最佳方案之后，才可进行下一步的具体技术设计。

（五）进行技术设计，包括 ： 1. 总体结构设计；2.部件设计；3.零件设计；4.精度计算；5.技术经济评价；6.编写包括分析和计算的设计说明书。这一步应该包括机、电、光各部分的结构设计。

（六）制造样机，进行样机鉴定。设计完成后要制造，进行产品试验，并对样机进行鉴

定，编写设计说明书、使用说明书、检定规程。根据试制和实验总结，修正设计，最后设计定型，并进行技术经济评价及市场情况分析。

（七）批量生产。

第二章 精密仪器设计方法

1. 精密仪器产品设计主要由以下3种类型：

（一） 创新设计。

（二） 适应性设计。 （三） 变型设计。 2. 阿贝（Abbe）原则（重点）

1890年，Abbe提出一项量仪设计的指导性原则——“要使量仪给出 准确的测量结果，必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上”

举例：线纹尺测量的三种方式

I)

图a中

绕Z轴转动，1atgaII)

图b中

绕Z轴转动，2c1cos

'

12

c

2

绕Y轴转动，2

''

12

c

2

222c

''2

III)

图c中

绕Z和Y轴转动：

3b

2

—微量、—二阶微量、

12

c—二阶微量、

2

2

a—一阶微量

δ1——一阶误差（First-order Error） δ2——二阶误差（Second-order Error）

结论——遵守阿贝原则可以消除一阶误差。

螺旋测微器（千分尺）的阿贝误差计算

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，其原因通常有二： 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，如图3-3所示的三坐标测量机，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。

其测量点的轨迹是测头1的行程所构成的尺寸线，而仪器读数线分别在图示的X、Y与Z直线位置处，显然，在图示情况下测量时，X与Y坐标方向均不遵守阿贝原则。

图3-3 a) 图3-3 b)

图3-3 a)为XZ平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读数线共线，但与X方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。

图3-3 b)为YZ平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读数线共线，但与Y方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。 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。 补偿方法：

①动态跟踪测量补偿法：

将监测系统与仪器主体固定为一体，动态跟踪导轨的偏移信息并将其补偿掉。 ②定点测量补偿法

事先对仪器在某种标准条件下进行定点测量得到误差函数，实际测量时根据误差函数对读数进行补偿。这种方法的最大缺点是：仪器某标定点的定标条件与被测件在此标定点上的被测条件都应完全一样，否则将造成更大的测量误差。 3.产品的可靠性设计

在产品设计师，可靠性通常包括以下内容：

（1）失效模式、后果及致命度分析。 （2）可靠性预计及可考靠度分配。 （3）结构、飘移及兼容设计。 （4）安全与维修设计等。 4.可靠性试验

目的：1）发现产品在设计、材料、工艺等方面的缺陷，为改进设计提供依据； 2）提供可靠性数据，为工作状态、维修成本等古迹提供参考。

产品可靠性试验分为破坏性试验和非破坏性试验，主要有寿命实验、可靠性增长试验和可靠性鉴定试验等。

习题：总体设计前为什么要进行设计任务分析？设计任务分析应该考虑哪些问题？

答：在总体设计时，首先要做设计任务分析，也就是要详细了解设计任务的各种要求。这一工作的目的是要弄清楚设计任务对仪器设计提出的各项指标，摘要写进设计任务书中，并且根据总体设计的基本原则逐一地进行分析研究。应考虑：1.使用要求；2.仪器精度；3.生产批量。4.生产效率。5.工作环境。6.安全保护。

第三章 仪器精度设计与分析

1.与误差有关的概念

（1）理论真值(即名义值)：设计时给定的或是用数学物理公式计算的给定值，如零件的名义尺寸等。

（2）约定真值：世界各国公认的一些几何量和物理量的最高标准的量值，如作为公制长度的基准 米

（3）相对真值：如果标准仪器的误差比一般仪器误差小一个数量级，则标准仪器的测定值可视为真值，称作相对真值。

（4）参与误差：其定义为

n



ViXiXXi

i1

Xi

n

式中Vi为残余误差；Xi为相对真值；X为多次测定值的算术平均值。 2.误差的分类

1）按误差的性质区分

（1）随机误差：由一些独立因素的微量变化的综合影响造成的误差。

（2）系统误差：大小和方向在测量过程中恒定不变，或按一定的规律变化的误差 （3）粗大误差：一般由于疏忽或错误，在测得值中出现的误差应予以剔除。

2）按被测参数的时间特性区分

（1）静态参数误差：不随时间而变化的被测参数成为静态参数，测定静态参数所得的误差成为静态参数误差。

（2）动态参数误差：是时间函数的被测参数成为动态参数，测定动态参数所得的误差称为动态参数误差。

3）按误差间的关系区分

（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：一种误差的出现与其他误差相关联，这种彼此相关的误差称为非独立误差。在计算总误差时其相关系数不为零。 3.误差的表示方法

（1）绝对误差：xx0 （2）相对误差：x0

4.精度不确定度的含义：精度是误差的反义词，精度的高低是用误差来衡量的。误差大则精度低，误差小则精度高。

通常把精度区分为一下几种：

（1）准确度，反应系统误差的大小； （2）精密度，反应随机误差的大小；

(3) 精确度，反映系统误差和随机误差的综合。 4.运行误差包括：

（1）自重变形引起的误差；

（2）应力变形引起的误差； （3）接触变形引起的误差； （4）磨损引起的误差；

（5）间隙与空程引起的误差； （6）温度引起的误差；

（7）震动引起的误差。 5.误差计算分析方法：

a微分法b几何法c逐步投影法d作用线与瞬时臂法

第四章 精密机械系统

1.对基座和支承件的主要技术要求：

a刚性b抗震性c稳定性（时效处理包括自然失效处理与人工时效处理两种）d热变性 2.导轨的基本要求：

A导向精度；b刚度；c耐磨度；d运动平稳性。 3.主轴系统设计的基本要求：

A回转精度b系统刚度c系统震动d系统温升e轴承的耐磨性f结构合理性

4.消除材料内在向应力的方法：对基座和支撑件要进行时效处理，时效处理：指合金工件经固熔处理，冷塑性变形或铸造锻造后，在较高温度放置，使其性能形状尺寸随时间而变化的热处理工艺包括自然失效和人工时效。

5.回转精度：指在位置上测得的株洲在径向方向上对理想轴线的偏离，或叫主轴回转式的定中心精度和方向精度。

6.工具显微镜有哪些部分构成？工作原理？

显微镜由物镜，目镜和照明系统构成。物体经物镜放大成像后，其像再经目镜放大供人眼。工具显微镜组成：物镜、目镜、光源、放大装置，工作台，ccd，影像卡，软件，影像线等具显微镜又称工具制造用显微镜，是一种工具制造时所用高精度的二次元坐标测量仪。它是利用光学原理将工件成像经物镜投射至目镜，即借着光线将工件放大成虚像，再利用装物台与目镜网线 (eyepiece reticle) 等辅助，以作为尺寸、角度和形状等测量工作，可作为检验非金属光泽的工件表面。此种仪器在立柱上装有一显微镜，放大倍率从10倍至100倍间等数种倍率，工具显微镜的测量系统光源 ( 灯炮 ) 通电后，光线依次经过二个透镜滤热镜 ( 片 )、镜径薄膜、透镜、反射镜、装物台、物镜、反射镜、目镜等，工件与物镜间的距离，随着放大倍率和工件厚薄，可利用对焦旋钮调至理想位置。

第六章 光学系统设计

1.光源分类：a热辐射光源b气体放电光源c固体发光光源d激光源

2.人眼特性：趋光度调节，人眼所能接受的光波波长约在390nm~760nm，这个波段范围正好与光学窗口锁头过的波段相吻合，这是人眼对大自然适应的必然结果。

瞄准精度：指标志物与被观测物相互重合的程度。仪器的瞄准精度=人眼的瞄准精度/仪器的放大倍数。

3.显微镜放大倍数=目镜放大倍数*物镜放大倍数 题 书181 6—1

第七章 微位移技术

1.微位移技术的用途？目前性能指标？答：a精度补偿b微进给c微调d微执行机构。行程 2um~100mm不等，一般几um~几mm之间。 2.P202解释图的工作原理

答：当压电晶体两端面施加电压时， 产生微量位移，使杠杆m1上的a点产生 一绕直点b转动的微位移，在c点上使杠杆 M2绕支点d转动并在e点处拉动工作台 S作微量位移。杠杆M3的直点为f，工作 台s由两个杠杆M2和M3上的e点和g 点支持。这样，压电晶体的微位移便

经过杠杆M1和M2放大，其放大比为RT=（1+R1/R）(1+R3/2R2/3)。

3.尺蠖原理：开始时3个压电陶瓷全部与轴脱开。在1上加电压，1与轴夹紧，后在2上加电压，使2沿轴伸长1缩短；再在3加电压使3与轴夹紧再去掉1电压，使1与轴分开；去掉2然后再在使1与轴夹紧后去掉3电压，使3与轴脱开，m电压使之收缩伸长；：工作台的运动质量1上加电压；这样期间相对于轴就移动了一步。 4.工作台位移分辨率

K：传动系统的刚度

F：/导轨之间的摩擦力 工作台传动系统——简化模型

FsF

Fm

(υ0)



(υ0)

m：工作台的运动质量K：传动系统的刚度F：导轨之间的摩擦力FsF

Fm



(υ0)υ

第八章 机械伺服系统设计

1.机械伺服系统设计要求：a稳定性b精确性c快速性d安全性

第九章 定位与测量系统

1.用测量手段检测精密仪器种精密机械部分运动位置精度的系统，称为精密仪器的定位系统。定位系统：开环控制系统与闭环控制系统 2..精密仪器精度的高低，除精密仪器机械部分的运动精度外，很大程度上还取决于它的定位与测量系统。

3.开环控制系统：优点：系统比较简单；调整使用维修比较方便；工作稳定可靠；成本低，其缺点是精度比较低一般只能达到10um级精度如测量显微镜。

4.闭环控制系统：用位置检测系统获得的信息与指令性信号进行比较，通过反馈来控制精密机械运动精度的系统称为闭环控制系统。优点：定位精度高；抗外界干扰和内部参数变化能力强，易实现自动化。缺点：系统比较复杂调整使用维修比较困难；陈本较高。

5.定位系统种类：开环（螺旋传动，齿轮传动，标尺与度盘，感应同步器），闭环（光电编码器，激光干涉仪）

6.定位与测量系统的设计的要求

A与仪器相匹配（根据仪器所要求的精度合理地悬着定位与检测方法，定位系统的精度应为总体精度的1/3~1/5。） B具有足够的分辨率（当分辨率与仪器的精度接近或者相等时，对控制系统要求很高，即在测量过程种不允许丢脉冲，反之对控制系统要求可降低）

C较高的频率反应速度。主要取决于光电接受原件和控制电路的频率响应速度。 D 控制系统尽量简单，维修方便。

E 在满足精度要求的前提下尽量降低成本。

7.计量光栅（是增量式光学编码器）的分类：1）原理——物理光栅、计量光栅、偏振光栅、全息光栅2）工艺——刻线光栅、复制光栅3）结构——幅值光栅、相位光栅4）形状——长光栅、圆光栅

缺点：受光栅刻划、加工工艺影响大

计量光栅优点：1.测量精度高，计量光栅应用莫尔条纹原理。莫尔条纹是由很多刻线综合作用的结果，故对刻划线误差有均化作用。2.读数速率高，一般取决于光电接收元件和所使用的电路的时间常数。3.分辨率高；4读数容易实现数字化、自动化。莫尔条纹信号接近正弦信号，比较适合于电路处理。

8.莫尔条纹形成——当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角θ时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带 ；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带 。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹。

9.振幅型莫尔条纹经过光电转换后为什么成为带有直流的成分的交流分量；交流信号频率与运动有关，光源发出的光经聚光景变成平行光束，照明标尺光栅和指示光栅形成莫尔条纹，被硅光电池4接受转变成电信号。

设主光栅、指示光栅栅则

tg



距为1和

2

1cos

1sin

2

条纹1：y1xtg条纹2：y2条纹3：y3



1cos

1sin

2

2

x

2

1cos

1sin1cos

1sin

xx＋



sin

2

2

sin

(1)当1＝2，0时，得到横向莫尔条纹。

此时：

2两条 纹在y轴上的距离B为：

Byyyy

sin

y

y

3

1

1

2

tgtg



，y1xtg

2

(2)当

1＝2，0时，B莫尔条纹随着主光栅的移动而明暗交替变化，此时成为光闸莫尔条纹。(3)当12，0时，形成纵向莫尔条纹

。

两条 纹间隔B为：BBycos

2

cossin

2

2sin

2



由于很小sin

22

BBy

10.激光干涉仪基本公式；迈克尔逊双光束干涉仪测长公式方向性好，单色性及相干性好

12干涉仪采用整体式布局误差有哪些？

误差计算——

分别计算δnm、δnc，δLm和δLc的影响。 第10章精密机械设计实例与实验

1.自动调焦的调焦范围？为什么要自动调焦？ 2. 3.

11.激光作为光源的有优势：定向发光，亮度极高，颜色极纯，闪光时间可以极短，亮度高，