測控儀器設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)題(DOC)

1、1、簡述測控儀器設(shè)計(jì)中一般的設(shè)計(jì)要求包括哪些方面？主要的設(shè)計(jì)程序包括哪些？ 設(shè)計(jì)要求： 精度要求檢測效率要求可靠性要求經(jīng)濟(jì)性要求使用條件要求造 型要求設(shè)計(jì)程序： 確定設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)分析調(diào)查研究總體方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)制 造樣機(jī)樣機(jī)鑒定或驗(yàn)收樣機(jī)設(shè)計(jì)定型后進(jìn)行小批量生產(chǎn)2、簡述測控儀器的設(shè)計(jì)原則，并稍作說明 阿貝原則 該原則指出，為使量儀能給出正確測量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)可先吃安放在被測 尺寸線的延長線上。就是說，被測零件的尺寸線和儀器中作為讀數(shù)用的基準(zhǔn)線應(yīng)順 序排成一條直線 最小變形原則 該原則指出，應(yīng)盡量避免在儀器工作過程中，因受力變化或因溫度變化而引起的儀 器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化

2、，并使之對儀器精度的影響量小 測量鏈最短原則 測量鏈最短原則則是指構(gòu)成儀器測量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少 坐標(biāo)系基準(zhǔn)統(tǒng)一原則 這條原則是指，在設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)該使零件的設(shè)計(jì)基面、工藝基面和測量基面一致 起來，符合這個(gè)原則才能使工藝上或測量上能夠較經(jīng)濟(jì)的獲得規(guī)定的精度要求而避 免附加的誤差 精度匹配原則 在對儀器進(jìn)行精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器中各部分各環(huán)節(jié)對儀器精度影響的不 同，分別對各部分個(gè)環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙?，這就是精度匹配 原則 經(jīng)濟(jì)原則 經(jīng)濟(jì)原則是一切工作都要遵守的一條基本而重要的原則3、簡述測控儀器的設(shè)計(jì)原理，并稍作簡述 平均讀數(shù)原理 在計(jì)量學(xué)中，利用多次讀數(shù)取其平均值，通

3、常能夠提高讀數(shù)精度。利用這一原理來 設(shè)計(jì)儀器的讀數(shù)系統(tǒng)，即稱之為平均讀數(shù)原理 比較測量原理 包括位移量同步比較測量原理、差動(dòng)比較測量原理、零位比較測量原理 補(bǔ)償原理 應(yīng)用補(bǔ)償法進(jìn)行誤差補(bǔ)償是應(yīng)注意的問題有補(bǔ)償環(huán)節(jié)補(bǔ)償方法補(bǔ)償要求 綜合補(bǔ)償4、線紋尺、度盤、碼盤都是絕對碼標(biāo)準(zhǔn)量的例子，根據(jù)它們的起始和終止的位置就可以 確定所對應(yīng)的線位移或轉(zhuǎn)角， 與測量的中間過程無關(guān)。 絕對碼標(biāo)準(zhǔn)量的抗干擾能力優(yōu)于增量 馬標(biāo)準(zhǔn)量，它不受停電、斷線等意外故障以及測量中間過程的影響，并易于恢復(fù)測量光柵、 激光干涉條紋等屬于增量馬標(biāo)準(zhǔn)量。 它的優(yōu)點(diǎn)是可按需要任意設(shè)置零位， 這樣可以 不必通過兩點(diǎn)的絕對坐標(biāo)差去確定位移或

4、轉(zhuǎn)角。 有的增量馬標(biāo)準(zhǔn)量還設(shè)有絕對零位。 增量馬 標(biāo)準(zhǔn)量需從測量條件、屏蔽、電路等方面采取措施，以提高其抗干擾能力5、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么？如何加以改善？ 原因：導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)現(xiàn)象主要是因?yàn)椤芭佬小爆F(xiàn)象。導(dǎo)致爬行現(xiàn)象的原因有導(dǎo)軌間的靜、 動(dòng)摩擦系數(shù)差值較大動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度 變化系統(tǒng)剛度差改善：要減小爬行，影視臨界速度降低，即應(yīng)減小動(dòng)摩擦力與靜摩擦力之差 F,增加系統(tǒng)阻尼和增加彈性環(huán)節(jié)剛度。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部分潤滑較好時(shí)也可使爬行減小6、試述線性直流穩(wěn)定電源和開關(guān)型穩(wěn)定電源的工作原理，說明其特點(diǎn)和優(yōu)勢。 線性直流穩(wěn)定電源的原理是，靠調(diào)整管之間的電壓來穩(wěn)定輸出，因此線性電源的 出特點(diǎn)是工作

5、在線性區(qū)，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路。輸出連續(xù)可調(diào)，但是 體積大、較笨重、效率相對較低 開關(guān)型直流穩(wěn)定電源的功率器件調(diào)整管不是工作在線性區(qū)，而是工作在飽和區(qū)及 止區(qū)，即始終處于功率開關(guān)狀態(tài)， 開關(guān)電源因此而得名。 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小， 重量輕， 穩(wěn)定可靠，尤其是輸入電壓范圍很寬；缺點(diǎn)相對于線性電源來說文波較大7、干擾耦合的方式主要有哪些？分別是怎么形成的？干擾耦合的方式主要有靜電耦合電磁耦合共阻抗耦合漏電流耦合 靜電耦合亦稱電容性耦合，產(chǎn)生的原因主要是由于兩個(gè)電子器件或者兩 電路之間存在寄生電容，經(jīng)寄生電容是一個(gè)電路的電荷影響另一個(gè)電路 電磁耦合的產(chǎn)生原因主要由于兩個(gè)電路存在互

6、感，使得一個(gè)電路的電流 化通過電磁耦合干擾另一個(gè)電路 共阻抗耦合一般發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗其中一個(gè)電 在該阻抗的壓降會(huì)影響另一路 漏電流耦合主要是由于絕緣不良，而流經(jīng)絕緣電阻的電流所引起的的干擾8、 試述在印刷電路板設(shè)計(jì)中的布線要掌握的一些原則？（對應(yīng)電源線，信號線和地線）。 電源線的布線原則： 電源線和地線要盡量粗， 除減小壓降外， 更重要的是降低耦合噪 聲。只要允許， 還是盡可能用寬線。 導(dǎo)線的最小寬度主要有導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和 流過它們的電流值決定。 導(dǎo)線之間的最小距離主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓 決定 信號線的布線原則： 布線時(shí)，盡量避免 90

7、76;折線，使用 45 °折線或圓弧布線， 以 減 少高頻信號對外的發(fā)射和耦合。 布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積， 以降低感應(yīng)噪聲。 盡可能縮 短高頻元件之間的連線， 設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。 輸入端和輸出端用 的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。 地線的布線原則：數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地，A/D、D/A片布線也以此為原則。 單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地， 以減少互相干擾。 低頻模擬 電路采用單點(diǎn)并聯(lián)接地， 實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后在并聯(lián)接地。 高頻模擬電路采用多 點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。9、 接地設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本要

8、求是什么？什么是“浮地系統(tǒng)”，有何優(yōu)劣點(diǎn)？接地設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本要求是： 消除各電路電流流經(jīng)一個(gè)公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲 電壓避免形成地環(huán)路浮地系統(tǒng)， 是指儀器的整個(gè)地線系統(tǒng)和大地之間沒有歐姆連接，僅以“浮地”作為它的電平基準(zhǔn)，即參考電平。浮地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不受大地電流的影響。 因此，作為系統(tǒng) “地”的參考電平是按水漲船 高的原理歲電壓的感應(yīng)而相應(yīng)的提高。 所以， 儀器內(nèi)部的電子器件不會(huì)因高電壓的干音而擊 穿，這對COM電路尤為有利。浮地系統(tǒng)的缺點(diǎn)是， 當(dāng)附近有高壓設(shè)備時(shí)，其機(jī)殼易感應(yīng)較高電壓，形成噪聲干擾，因 此安全性較差。10、在光學(xué)檢測系統(tǒng)中，什么是直接檢測系統(tǒng)和相干檢測系統(tǒng)？各有何特點(diǎn)？不

9、論是相干光源還是非相干光源來攜帶光信息， 而檢測器件只直接檢測光強(qiáng)度， 這種 光電系統(tǒng)稱為直接檢測系統(tǒng)； 如果采用相干光源利用光波的振幅、 頻率、相位來攜帶信息，光電檢測器檢測不是直接檢測光強(qiáng)而是檢測干涉條紋的振幅、頻率、或相位則稱為相干檢測系統(tǒng)。直接檢測系統(tǒng)簡單、應(yīng)用范圍廣，而相干檢測具有更高的檢測能力和更高的信噪比， 因而系統(tǒng)精度更高，穩(wěn)定性也更好。11、說明干涉條紋外差檢測原理及特性。(1)原理b)圖6-51光學(xué)外差探測原理光學(xué)外差檢測原理如圖a所示。入射信號光波的復(fù)振幅和本機(jī)振蕩參考光波的復(fù)振幅分別為Us(t)=a sSin( w st+ ® s)U0(t)=a osin(

10、w ot+ ® o)則在光混頻器上的輸出光強(qiáng)為它的頻譜分布表如圖 b所示，其中的倍頻項(xiàng)與和頻項(xiàng)不能被光電器件接受，只有當(dāng)w0和w s足夠接近，并使Aw =w s- w 0處于探測器的通頻帶范圍內(nèi)才能被相應(yīng)。此時(shí)探測器的輸出信號為，此式為光學(xué)外差信號表達(dá)式(2)光外差檢測的特性光外差干涉測量具有以下優(yōu)點(diǎn)：檢測能力強(qiáng)轉(zhuǎn)換增益高信噪比高濾波性好穩(wěn)定性和可靠性高。12、光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮哪些重要原則？匹配原則(光譜匹配、功率匹配、阻抗匹配)干擾光最小原則共光路原則光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是測控儀器設(shè)計(jì)的一部分，它還應(yīng)遵守儀器設(shè)計(jì)的阿貝原則、差動(dòng)比較原則、精度原則、基面統(tǒng)一原則以及補(bǔ)償原理，平均讀數(shù)原理等

11、基本原則和理論13、如圖所示是斐索平面干涉儀原理圖，試說明其工作原理，并說明其共光路情 況。屈空被測卩面0 M 原理：激光束1被聚光鏡3匯聚于小孔光欄4處,光欄4位于準(zhǔn)直物鏡7的焦面處，光束透過分光 鏡5向下通過準(zhǔn)直物鏡 7一平行光束出射，并垂 直入射到參考物鏡 M1上。M1為半反半透鏡， 一部分光線被 M1反射作為標(biāo)準(zhǔn)光束，另一部分 光透過參考鏡M1入射到被測表面M2上有被測 表面反射形成測量光束，兩束光在光欄6處匯合而產(chǎn)生干涉。在光欄 6處放置CCD攝像機(jī)便可 記錄下與被測表面相對應(yīng)的干涉圖。 光路情況：該系統(tǒng)的測量光束與參考光束基本上 處于同一環(huán)境中，溫度的變化和外界振動(dòng)的影響 對兩束光

12、基本上相同，因而有利于提高測量精度。系統(tǒng)的測量光束與參考光束在參考鏡M1到被測物體之間是不同路的斐索干涉儀原理圖1-激光束2-反射鏡3-聚光鏡4,6-光欄5-分光鏡7-準(zhǔn)直物鏡14、如圖所示光路是用來檢測物面（鏡面）的，試說明其工作原理？采用的是何 種照明？ 原理：光源發(fā)出的光經(jīng)物鏡 7投射 到物體8上，物鏡本身兼做聚光鏡。物鏡將物面成像到 CCD器件9的 光敏面上。這種照明系統(tǒng)可以檢測 反射鏡面上的缺陷。如果被測表面 是鏡面，則鏡面的反射光線全部進(jìn) 入物鏡成像，因此整個(gè)圖像都是白 色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點(diǎn)或者污漬 時(shí)，所產(chǎn)生的漫反射光線進(jìn)入物鏡 的甚少，因此圖像上將產(chǎn)生黑色的 斑點(diǎn) 同軸反射照

13、明1-光源 2-集光鏡 3-孔徑光4-視場光闌5-聚光鏡 6-分光鏡7-物鏡 8-物面9-CCD15、試說明其工作原理，并用相應(yīng)公式推導(dǎo)，設(shè)計(jì)要點(diǎn)? 光源發(fā)出的光通量 宅：msin(.0t，L)£原理：是正弦波調(diào)制的激光束在傳播過程中利用其相位變化來測量距離。如圖所示該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為光源，在光源的驅(qū)動(dòng)電路中施加正弦電壓。則光源發(fā)出的正弦規(guī)律的光通量© = % + ©msi n(灼ot + ®o)光輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng) 3發(fā)射到放在被測距離物體上的靶鏡4上，光被靶鏡全反射后被光學(xué)器件6接收，經(jīng)放大、鑒相后可獲得相位差變化“。若被測距離為D，從發(fā)射光到接

14、收到返回光的時(shí)間為t，光的傳播速度為c則t=2D/c，在這段時(shí)間里光載波的相位改變了"，即“ =3 ot= 3 qX 2D/c，從而可以計(jì)算出待測距離D=c 2 /2 3 o=c W /4 n fo 被測相位值 “ =(m+ m)X 2n =m X 2 n + “強(qiáng)脈沖激光器1發(fā)出的激光巨脈沖經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)2射向被測距離的目標(biāo)3，光被目標(biāo)反射后被測距儀的光電檢測器件5接收。若該巨脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間延遲為t，則被測距離為D=(1/2)ct時(shí)間t可用脈沖填充法求出t=N T=N/fo從而可得D=(1/2)ct= ( 1/2 f°) Cn=KN式中K=c/2 fo是測距脈沖當(dāng)量，

15、即單位脈沖對應(yīng)的被測距離17、簡述激光干涉測長的基本原理，并給出公式，分析其原理誤差邁克爾魁下涉儀原理：由激光器發(fā)出的光經(jīng)分束鏡BS分為兩束，一束射向干涉儀的固定參考臂，經(jīng)參考反射鏡M1返回后形成參考光束；另一束干涉儀的測量臂，測量臂中的反射鏡 M2將隨被測長度位移而移動(dòng)，這一束光從測量反射鏡返回后形成測量光束；測量光束和參考光束的相互疊加干涉形成干涉信號。干涉信號的明暗變化次數(shù)N直接對應(yīng)于測量靜的位移，可表示為L=N入/2=N入o/2n測量光路與參考光路的光程差為2n(Lm-Lr),對應(yīng)的干涉條紋數(shù)為Ko=2n(Lm-Lr)/入o測量時(shí)，反射鏡 M2隨被測物體一起移動(dòng)。如移動(dòng)長度為L，那么干

16、涉條紋數(shù)變?yōu)镵=2nL/入o+2n(Lm-Lr)/入o若干涉條紋經(jīng)m倍細(xì)分后，再用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，所記的數(shù) 為 K，那么 N=Km=2mnL/ 入 °+2mn(Lm-Lr)/ 入 o從而被測長度為 L=N 入 o/2mn-(L m-Lr)由于激光干涉測長是增量碼式測量，在測量開始前應(yīng)對計(jì)數(shù)器清零，因而在測量過程 中只要Lm-Lr不在變化，其測量結(jié)果為L=N入o/2mn改式為激光干涉測長的基本公式誤差：對L=N入o/2mn-(Lm-Lr)進(jìn)行全微分，便可用微分法求出影響激光干涉測長的主 要誤差 L=為計(jì)數(shù)誤差；為波長不穩(wěn)定帶來的測量誤差；為由于測量環(huán)境下空氣折射偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的空氣折射率而

17、帶來的誤差；為測量過程中由于溫度、力變形及振動(dòng)造成初試程差發(fā)生變化而帶來的誤差18、螺旋測微機(jī)構(gòu)誤差分析。由于制造或裝配的不完善，使得螺旋測微機(jī)構(gòu)的軸 線與滑塊運(yùn)動(dòng)方向成一夾角。試求由此帶來的誤差。(P36)螺桿移動(dòng)距離為L P導(dǎo)軌螺旋副滑塊手輪滾珠由于原誤差為夾角誤差0，滑塊的實(shí)際移動(dòng)距離L為L=Lcos 0 =19、如圖所示是小模數(shù)漸開線尺廓檢查儀。試說明其工作過程及實(shí)現(xiàn)測量的原理工作過程：被測齒輪 1與半徑為R的基圓盤2同心安裝在主軸上，基圓盤2有由鋼帶將其與主拖板3相連。在主拖板3上安裝了直尺5，其角度可以通過專門的裝置實(shí)現(xiàn)調(diào)整。在推 力彈簧12的作用下，測量拖板 8與直尺5保持接觸，

18、在測量拖板上安裝了測量杠桿9和測微儀10.轉(zhuǎn)動(dòng)手柄7時(shí)，傳動(dòng)絲杠4帶動(dòng)主拖板上下移動(dòng)，基圓盤在鋼帶的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，被 測齒輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，直尺也上下移動(dòng)，是測量拖板水平移動(dòng)，此時(shí)，測量杠桿感受 的是被測齒輪的齒廓偏差信號，測微儀10將其放大顯示。實(shí)現(xiàn)測量的原理：當(dāng)主拖板在絲杠的帶動(dòng)下上下移動(dòng)的距離為L時(shí)，直尺也上下移動(dòng)了L,在鋼帶的帶動(dòng)下基圓盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)2 =L/R。此時(shí)，在彈簧的作用下，測量拖板向右移動(dòng)的距離s=Ltan 0 ,設(shè)被測齒輪的基圓半徑為ro,測量之前將直尺傾斜角度調(diào)整為0 =arctan(r°/R)那么測量拖板的位移距離為s=Ltan 0 =L r°/R

19、= ro 220、自準(zhǔn)直儀簡化原理圖如圖所示，用分劃板上的刻線尺來測量反射鏡的偏轉(zhuǎn)角, 分劃板上的刻線是均勻的，求原理誤差。十字線與其倒像之間錯(cuò)開的距離z為zO=ftan2 a當(dāng)a很小時(shí)Z f 2 a則原理誤差為 a = a - a o=zo/2f ?arctan（zo/f）=z0/f ?zo/f-1/3（z 0/f） 3 i/6（zo/f） 3=? a o3FF21、有一光學(xué)系統(tǒng)，其放大倍數(shù)為：M二工二-冬。已知像面的軸向位置誤差y y：x=0.1mm，物高y=20mm像高為y ，像面到像方焦點(diǎn)間距x' =1000mm，求 因此引起的儀器誤差 y22、用游標(biāo)卡尺測量工件的直徑。測量時(shí)

20、，活動(dòng)量爪在尺架（導(dǎo)軌）上移動(dòng)，由 于導(dǎo)軌之間存在間隙，使活動(dòng)量爪發(fā)生傾斜角而帶來測量誤差，其值為設(shè)S=30毫米，=1 /。卡尺設(shè)計(jì)不符合儀器設(shè)計(jì)的哪個(gè)原則？求由此帶來的誤差，此誤差屬于何種類型誤差 游標(biāo)卡尺的讀數(shù)刻線尺和被測件的尺寸線不在一條線上，故不符合阿貝 原則 活動(dòng)量爪發(fā)生傾斜角而帶來測 量誤差，其值為 i =Stan 因?yàn)?S=30mm, =1 /*匸所以 i=30x 0.0003mm=9x 10 323、試說明愛彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償法是用來補(bǔ)償何種誤差的？并說明其工作原理愛彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償方法a）測長機(jī)工作原理圖b）光學(xué)補(bǔ)償原理 補(bǔ)償阿貝誤差 工作原理：由尾座內(nèi)光源照明的雙刻線分劃板及由讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)的100mm刻線尺均安置于儀器床身上，并分別位于焦距f相同的兩個(gè)透鏡 N1、N2的焦平面上。反射鏡M2、透鏡N2及照明光源與尾座連為一體，反射鏡M1、透鏡N1與頭座連為一體。對于1m測長機(jī)而言，儀器床身上裝有10塊雙刻線分劃板，每兩塊相距100mm，每塊上面刻有09之間的一個(gè)數(shù)字。對零時(shí)，雙刻線指標(biāo)成像在100mm刻尺的0刻線位置，即s1點(diǎn)。測量時(shí)，若工件長度的基本尺寸為100mm或其整數(shù)倍，則需尾座向左移動(dòng)，若工件長度的基本尺寸除了100mm的整數(shù)倍外，還有自 0.1100mm的小數(shù)時(shí)，則還需同時(shí)將頭座向右移動(dòng)到所需的數(shù)值上。 光學(xué)補(bǔ)償