測控儀器設(shè)計ppt(全)

1、1總復(fù)習(xí)2013年6月測控儀器設(shè)計測控儀器設(shè)計第第2版版2一、測控儀器的概念一、測控儀器的概念按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn), ,生產(chǎn)過程中有三大技術(shù)系統(tǒng)生產(chǎn)過程中有三大技術(shù)系統(tǒng): : 以以能量到能量變換能量到能量變換為主的為主的 如鍋爐如鍋爐, , 冷凝器冷凝器, , 熱交換器熱交換器, , 發(fā)動機(jī)等發(fā)動機(jī)等 以以材料到材料變換材料到材料變換為主的為主的 如機(jī)床如機(jī)床, , 農(nóng)業(yè)機(jī)械農(nóng)業(yè)機(jī)械, , 紡織機(jī)械紡織機(jī)械, , 液壓機(jī)械等液壓機(jī)械等 以以信息獲取到測量、變換、控制、處理、顯示等信息獲取到測量、變換、控制、處理、顯示等為為主的主的 ，如儀器儀表、計算機(jī)、通信裝置，如儀器儀表

2、、計算機(jī)、通信裝置、自、自動控制系統(tǒng)等。動控制系統(tǒng)等。3按將儀器分成以下幾個組成部分：1 基準(zhǔn)部件 5 信息處理與運(yùn)算裝置 2 傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件 6 顯示部件 3 放大部件 7 驅(qū)動控制器部件 4 瞄準(zhǔn)部件 8 機(jī)械結(jié)構(gòu)部件4 1. 1.基準(zhǔn)部件基準(zhǔn)部件 測量的過程是一個測量的過程是一個被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較的過程，的過程，因此，儀器中要有與被測量相比較的標(biāo)準(zhǔn)量，因此，儀器中要有與被測量相比較的標(biāo)準(zhǔn)量，?？勺??？勺鳛榛鶞?zhǔn)部件的包括：量塊、精密線紋尺、激光波長、為基準(zhǔn)部件的包括：量塊、精密線紋尺、激光波長、光柵尺、標(biāo)準(zhǔn)時間等等。光柵尺、標(biāo)準(zhǔn)時間等等。 有的儀器中無標(biāo)準(zhǔn)器而是有的

3、儀器中無標(biāo)準(zhǔn)器而是用用校準(zhǔn)的方法校準(zhǔn)的方法將標(biāo)準(zhǔn)將標(biāo)準(zhǔn)量復(fù)現(xiàn)到儀器中量復(fù)現(xiàn)到儀器中。標(biāo)準(zhǔn)量的精度對儀器的測量精度標(biāo)準(zhǔn)量的精度對儀器的測量精度影響很大，在大多數(shù)情況下是影響很大，在大多數(shù)情況下是1111，在儀器設(shè)計時，在儀器設(shè)計時必須予以重視。必須予以重視。52.2.傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件 測控儀器中的傳感器是儀器的感受轉(zhuǎn)換部件，它的作用是感感受被測量受被測量，拾取原始信號并將它轉(zhuǎn)換為易于放大或處理的信號。不同測量對象可以用不同測量原理的傳感器進(jìn)行感受與轉(zhuǎn)換，因此正確選用和設(shè)計傳感器是十分重要的，通常要遵守儀器設(shè)計的和等。常用的傳感器有機(jī)械式、電子式、光電式、光學(xué)式、聲學(xué)式、壓

4、電式等等，有數(shù)千種，選用時一定要分析清楚其工作原理、精度指標(biāo)、測量范圍、使用場合、特點(diǎn)和成本。同時一定要注意要按照被測參數(shù)的定義來選用和設(shè)計傳感器。63.3.放大部件：將傳感器得到的信號進(jìn)行放大。放大部件：將傳感器得到的信號進(jìn)行放大。分類分類實(shí)例實(shí)例名稱名稱機(jī)械式放大部件機(jī)械式放大部件齒輪放大，杠桿放大，彈性及剛度放齒輪放大，杠桿放大，彈性及剛度放大等大等機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng) 光學(xué)式放大部件光學(xué)式放大部件 光準(zhǔn)直式、顯微鏡式、投影放大、攝光準(zhǔn)直式、顯微鏡式、投影放大、攝影放大式、莫爾條紋、光干涉等影放大式、莫爾條紋、光干涉等 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng) 電子放大部件電子放大部件 前置放大、功率放大等前置放大

5、、功率放大等電子信息處電子信息處理系統(tǒng)理系統(tǒng) 光電放大部件光電放大部件 光電管放大、倍增管放大等光電管放大、倍增管放大等 光電系統(tǒng)光電系統(tǒng) 7 4.4.瞄準(zhǔn)部件瞄準(zhǔn)部件 用來確定被測量的位置（或零位），用來確定被測量的位置（或零位），要求瞄準(zhǔn)的重復(fù)要求瞄準(zhǔn)的重復(fù)性精度要好性精度要好。 5.5.信息處理與運(yùn)算裝置信息處理與運(yùn)算裝置 數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算部件主要用于數(shù)據(jù)加工、處理、運(yùn)算數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算部件主要用于數(shù)據(jù)加工、處理、運(yùn)算和校正等。可以利用和校正等?？梢岳糜布娐?、單片機(jī)硬件電路、單片機(jī)或或微機(jī)微機(jī)來完成。來完成。 6.6.顯示部件顯示部件 顯示部件是用指針與表盤、記錄器、數(shù)字顯示器、打顯示部

6、件是用指針與表盤、記錄器、數(shù)字顯示器、打印機(jī)、監(jiān)視器等將測量結(jié)果顯示出來。印機(jī)、監(jiān)視器等將測量結(jié)果顯示出來。87.7.驅(qū)動控制器部件驅(qū)動控制器部件 驅(qū)動控制部件用來驅(qū)動測控系統(tǒng)中的運(yùn)動部件，在測驅(qū)動控制部件用來驅(qū)動測控系統(tǒng)中的運(yùn)動部件，在測控儀器中常用控儀器中常用步進(jìn)電機(jī)、交直流伺服電機(jī)、力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交直流伺服電機(jī)、力矩電機(jī)、測速電機(jī)、壓電陶瓷測速電機(jī)、壓電陶瓷等實(shí)現(xiàn)驅(qū)動?？刂埔话阌糜嬎銠C(jī)或等實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。控制一般用計算機(jī)或單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 8.8.機(jī)械結(jié)構(gòu)部件機(jī)械結(jié)構(gòu)部件 儀器中的儀器中的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件機(jī)械結(jié)構(gòu)部件用于對被測件、標(biāo)準(zhǔn)器、傳感用于對被測件、標(biāo)準(zhǔn)器、傳感器的定位、支

7、承和運(yùn)動，如導(dǎo)軌、軸系、基座、支架、器的定位、支承和運(yùn)動，如導(dǎo)軌、軸系、基座、支架、微調(diào)、鎖緊、限位保護(hù)等機(jī)構(gòu)。所有的零部件還要裝到微調(diào)、鎖緊、限位保護(hù)等機(jī)構(gòu)。所有的零部件還要裝到儀器的基座或支架上，這些都是測控儀器必不可少的部儀器的基座或支架上，這些都是測控儀器必不可少的部件，其精度對儀器精度影響起決定作用。件，其精度對儀器精度影響起決定作用。標(biāo)尺間隔和分度值標(biāo)尺間隔和分度值標(biāo)尺間隔：標(biāo)尺兩相鄰標(biāo)記的兩個值標(biāo)尺間隔：標(biāo)尺兩相鄰標(biāo)記的兩個值之差。之差。分度值：一個標(biāo)尺間隔所代表的被測分度值：一個標(biāo)尺間隔所代表的被測量值。量值。分辨力分辨力 顯示裝置能有效辨別的最小示值。顯示裝置能有效辨別的最小

8、示值。 對于數(shù)字式儀器，分辨力是指儀器顯示的對于數(shù)字式儀器，分辨力是指儀器顯示的最末一位數(shù)字間隔代表的被測量值。最末一位數(shù)字間隔代表的被測量值。 對于模擬式儀器，分辨力就是分度值。對于模擬式儀器，分辨力就是分度值。示值范圍和量程示值范圍和量程示值范圍：極限示值界限內(nèi)的一組數(shù)。示值范圍：極限示值界限內(nèi)的一組數(shù)。量程：示值最大值與最小值之差。量程：示值最大值與最小值之差。如：體溫計的示值范圍是如：體溫計的示值范圍是3542 3542 ，量程是量程是7 7 。測量范圍測量范圍測量儀器誤差允測量儀器誤差允許范圍內(nèi)的被測許范圍內(nèi)的被測量值。量值。光學(xué)計光學(xué)計 如光學(xué)計的示值范圍如光學(xué)計的示值范圍為為0.

9、10.1mmmm，但其懸臂可但其懸臂可沿立柱調(diào)節(jié)沿立柱調(diào)節(jié)180180mmmm，在該在該范圍內(nèi)仍可保證儀器的測范圍內(nèi)仍可保證儀器的測量精度，則其測量范圍為量精度，則其測量范圍為1801800 0.1mm.1mm。靈敏度靈敏度 測量儀器輸出的變化與對應(yīng)的輸入變化的測量儀器輸出的變化與對應(yīng)的輸入變化的比值。比值。 s= s=y/y/x x 表征儀器對被測量變化的反應(yīng)能力。表征儀器對被測量變化的反應(yīng)能力。 當(dāng)輸出值與輸入值為同一量綱時，靈敏度當(dāng)輸出值與輸入值為同一量綱時，靈敏度又稱為放大比。又稱為放大比。14第四節(jié) 對測控儀器設(shè)計的要求和設(shè)計程序 一、設(shè)計要求一、設(shè)計要求 (1)(1)精度要求精度要

10、求 精度本身只是一種定性的概念。為表征一臺儀器的性能和精度本身只是一種定性的概念。為表征一臺儀器的性能和達(dá)到的水平，應(yīng)有一些精度指標(biāo)要求，如靜態(tài)測量的示值達(dá)到的水平，應(yīng)有一些精度指標(biāo)要求，如靜態(tài)測量的示值誤差、重復(fù)性誤差、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、回程誤差、靈敏度、誤差、重復(fù)性誤差、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、回程誤差、靈敏度、鑒別力、線性度等，動態(tài)測量的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差、瞬態(tài)響應(yīng)鑒別力、線性度等，動態(tài)測量的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差、瞬態(tài)響應(yīng)誤差等。誤差等。這些精度指標(biāo)不是每一臺儀器都必須全部滿足，這些精度指標(biāo)不是每一臺儀器都必須全部滿足，而是根據(jù)不同的測量對象和不同的測量要求，選用最能反而是根據(jù)不同的測量對象和不同的測量要求，選

11、用最能反映該儀器精度的一些指標(biāo)組合來表示。映該儀器精度的一些指標(biāo)組合來表示。15 儀器的精度應(yīng)根據(jù)被測對象的要求來確定，當(dāng)儀器總誤儀器的精度應(yīng)根據(jù)被測對象的要求來確定，當(dāng)儀器總誤差占測量總誤差比重較小時，常采用差占測量總誤差比重較小時，常采用。 為了保證儀器的精度，儀器設(shè)計時應(yīng)遵守一些重要的設(shè)為了保證儀器的精度，儀器設(shè)計時應(yīng)遵守一些重要的設(shè)計原則和設(shè)計原理，如計原則和設(shè)計原理，如16 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對儀器的精度也提隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對儀器的精度也提出了越來越高的要求。出了越來越高的要求。2009年年9月，月，Intel總裁兼總裁兼CEO Paul Otellini展示世界展示世界上第一

12、塊基于上第一塊基于22nm工藝的工藝的晶圓。該晶圓上的每個指甲晶圓。該晶圓上的每個指甲蓋大小的單獨(dú)硅片內(nèi)都集成蓋大小的單獨(dú)硅片內(nèi)都集成了多達(dá)了多達(dá)29億個晶體管。億個晶體管。努力于努力于2016年實(shí)現(xiàn)年實(shí)現(xiàn)10nm工工藝。藝。17是誤差的反義詞，精度的高低是用誤差的大小來衡量的。是誤差的反義詞，精度的高低是用誤差的大小來衡量的。誤差大，精度低；反之，誤差小，精度高。誤差大，精度低；反之，誤差小，精度高。無論是精密儀器還是精密機(jī)械設(shè)備，其自身的無論是精密儀器還是精密機(jī)械設(shè)備，其自身的精度都是一項重要指標(biāo)。精度都是一項重要指標(biāo)。儀器精度的高低是衡量儀器設(shè)計質(zhì)量儀器精度的高低是衡量儀器設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵

13、。的關(guān)鍵。儀器的精度是一種定性的概念。儀器的精度是一種定性的概念。定量地表征儀器的精度水平應(yīng)由一些定量地表征儀器的精度水平應(yīng)由一些精度指標(biāo)精度指標(biāo)來體現(xiàn)，如：來體現(xiàn)，如：（1）靜態(tài)精度指標(biāo)：示值誤差、重復(fù)性誤差、回程誤差、靈）靜態(tài)精度指標(biāo)：示值誤差、重復(fù)性誤差、回程誤差、靈敏度等；敏度等；（2）動態(tài)精度指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差、瞬態(tài)響應(yīng)誤差等。）動態(tài)精度指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差、瞬態(tài)響應(yīng)誤差等。18v儀器誤差的儀器誤差的客觀存在性客觀存在性：決定了儀器的精度無論多高，總存：決定了儀器的精度無論多高，總存在誤差。在誤差。v找出產(chǎn)生誤差的根源和規(guī)律，分析誤差對儀器設(shè)備的精度的找出產(chǎn)生誤差的根源和規(guī)律，分析誤差

14、對儀器設(shè)備的精度的影響，以便影響，以便，從而，從而。v精度分析是儀器設(shè)計中的重要一環(huán)，通常貫穿于儀器設(shè)計、精度分析是儀器設(shè)計中的重要一環(huán)，通常貫穿于儀器設(shè)計、制造和使用的全過程。制造和使用的全過程。190 xxiini2 , 1（一）誤差定義誤差定義：測量值 與其真值 之間的差 ix0 x誤差特性：誤差特性：1. 客觀存在性客觀存在性：無論所采用的測量手段的精度多么高，誤差始終存在。：無論所采用的測量手段的精度多么高，誤差始終存在。2. 不確定性不確定性：多次重復(fù)測量，所得到的測量值并不完全相等。：多次重復(fù)測量，所得到的測量值并不完全相等。3. 未知性未知性：因為通常測量真值：因為通常測量真值

15、 未知。未知。0 x桿秤：精度為桿秤：精度為“錢錢”=5g電子秤：可精確到電子秤：可精確到0.1g引出問題：如何確定測量真值引出問題：如何確定測量真值 ：1.理論真值：理論真值：設(shè)計時給定或者可以用數(shù)學(xué)、物理方程計算設(shè)計時給定或者可以用數(shù)學(xué)、物理方程計算得到得到2.約定真值：約定真值：如阿伏伽德羅常數(shù)值如阿伏伽德羅常數(shù)值=6.0221367X1023 mol-13.相對真值：相對真值：若標(biāo)準(zhǔn)儀器的誤差比一般儀器的誤差小一個若標(biāo)準(zhǔn)儀器的誤差比一般儀器的誤差小一個數(shù)量級，則可將標(biāo)準(zhǔn)儀器的的測量值作為相對真值。數(shù)量級，則可將標(biāo)準(zhǔn)儀器的的測量值作為相對真值。0 x20（二）誤差的分類二）誤差的分類 按

16、誤差的按誤差的數(shù)學(xué)特征數(shù)學(xué)特征 隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差 服從統(tǒng)計規(guī)律，大多數(shù)服從服從統(tǒng)計規(guī)律，大多數(shù)服從。系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差 由一些穩(wěn)定的誤差因素的影響所造成，可以由一些穩(wěn)定的誤差因素的影響所造成，可以 調(diào)整或修正。調(diào)整或修正。粗大誤差粗大誤差超出規(guī)定條件所產(chǎn)生的誤差。應(yīng)予以剔除。超出規(guī)定條件所產(chǎn)生的誤差。應(yīng)予以剔除。 按被測參數(shù)按被測參數(shù)的時間特性的時間特性 靜態(tài)參數(shù)誤差：靜態(tài)參數(shù)：不隨時間變化或隨時間緩靜態(tài)參數(shù)誤差：靜態(tài)參數(shù)：不隨時間變化或隨時間緩 慢變化慢變化動態(tài)參數(shù)誤差動態(tài)參數(shù)誤差 ：動態(tài)參數(shù)：隨時間變化而變化：動態(tài)參數(shù)：隨時間變化而變化按誤差間按誤差間的關(guān)系的關(guān)系 獨(dú)立誤差：相關(guān)系數(shù)為獨(dú)立誤

17、差：相關(guān)系數(shù)為“零零” 互不影響互不影響非獨(dú)立誤差：相關(guān)系數(shù)非非獨(dú)立誤差：相關(guān)系數(shù)非“零零” A誤差與誤差與B誤差相互關(guān)誤差相互關(guān)聯(lián)聯(lián)P2121&定義：同一測量條件下，多次測量重復(fù)同一量定義：同一測量條件下，多次測量重復(fù)同一量時，測量誤差的絕對值和符號都保持不變，或時，測量誤差的絕對值和符號都保持不變，或在測量條件改變時按一定規(guī)律變化的誤差，稱在測量條件改變時按一定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差。例如儀器的刻度誤差和零位誤差，為系統(tǒng)誤差。例如儀器的刻度誤差和零位誤差，或值隨溫度變化的誤差。或值隨溫度變化的誤差。v系統(tǒng)誤差表明了一個測量結(jié)果偏離真值或?qū)嶋H值的程度。系統(tǒng)誤差表明了一個測量結(jié)果

18、偏離真值或?qū)嶋H值的程度。系統(tǒng)誤差越小，測量就越準(zhǔn)確。系統(tǒng)誤差越小，測量就越準(zhǔn)確。v系統(tǒng)誤差可以歸結(jié)為某一個或某幾個因素的函數(shù)，可以用系統(tǒng)誤差可以歸結(jié)為某一個或某幾個因素的函數(shù)，可以用解析公式、曲線或數(shù)表表達(dá)。解析公式、曲線或數(shù)表表達(dá)。系統(tǒng)誤差具有規(guī)律性系統(tǒng)誤差具有規(guī)律性。v消除方法：可以通過實(shí)驗的方法或引入修正值的方法計算消除方法：可以通過實(shí)驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。22v定義：同一測量條件下（測量環(huán)境、測量人員、測量技術(shù)定義：同一測量條件下（測量環(huán)境、測量人員、測量技術(shù)和測量儀器都相同的條件）

19、，多次重復(fù)測量同一量值時和測量儀器都相同的條件），多次重復(fù)測量同一量值時（等精度測量），每次測量誤差的絕對值和符號都以（等精度測量），每次測量誤差的絕對值和符號都以的方式變化的方式變化的誤差，稱為的誤差，稱為誤差或誤差或誤差。誤差。v產(chǎn)生原因：主要由對測量值影響微小但卻互不相關(guān)的產(chǎn)生原因：主要由對測量值影響微小但卻互不相關(guān)的共同造成。這些因素主要是噪聲干擾、電磁場微變、共同造成。這些因素主要是噪聲干擾、電磁場微變、零件的摩擦和配合間隙、熱起伏、空氣擾動、大地微震、零件的摩擦和配合間隙、熱起伏、空氣擾動、大地微震、測量人員感官的無規(guī)律變化等。測量人員感官的無規(guī)律變化等。23v存在隨機(jī)誤差的測量結(jié)

20、果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實(shí)驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。24隨機(jī)誤差的特點(diǎn) 絕對值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多，絕對絕對值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多，絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)少。在誤差為零處，概值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)少。在誤差為零處，概率最大。率最大。 絕對值絕對值 某值，這類誤差幾乎不出現(xiàn)。某值，這類誤差幾乎不出現(xiàn)。 測量次數(shù)足夠多后，大小相等符號相測量次數(shù)足夠多后，大小相等符號相反的誤差出現(xiàn)的次數(shù)（概率）大致相同。反的誤差出現(xiàn)的次數(shù)（概率）大致相同。 對稱性對稱性正負(fù)誤差互相抵消，測量次正負(fù)誤差互相抵消，測量次數(shù)足夠多時，隨機(jī)誤差的

21、代數(shù)和趨于零。數(shù)足夠多時，隨機(jī)誤差的代數(shù)和趨于零。v可用數(shù)理統(tǒng)計方法對隨機(jī)誤差進(jìn)行估算，估可用數(shù)理統(tǒng)計方法對隨機(jī)誤差進(jìn)行估算，估計對測量結(jié)果的影響程度。計對測量結(jié)果的影響程度。25v粗大誤差是一種顯然與實(shí)際值不符的誤差。粗大誤差是一種顯然與實(shí)際值不符的誤差。v產(chǎn)生粗差的原因：產(chǎn)生粗差的原因：測量操作疏忽和失誤。如測錯、讀錯、記錯以及實(shí)驗條測量操作疏忽和失誤。如測錯、讀錯、記錯以及實(shí)驗條件未達(dá)到預(yù)定的要求而匆忙實(shí)驗等。件未達(dá)到預(yù)定的要求而匆忙實(shí)驗等。測量方法不當(dāng)或錯誤。如用普通萬用表電壓檔直接測高測量方法不當(dāng)或錯誤。如用普通萬用表電壓檔直接測高內(nèi)阻電源的開路電壓。內(nèi)阻電源的開路電壓。測量環(huán)境條件

22、的突然變化。如電源電壓突然增高或降低，測量環(huán)境條件的突然變化。如電源電壓突然增高或降低，雷電干擾、機(jī)械沖擊等引起測量儀器示值的劇烈變化等。雷電干擾、機(jī)械沖擊等引起測量儀器示值的劇烈變化等。v含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值，含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值，。261）正確度正確度 它是它是系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差大小的反映，表征測量結(jié)果穩(wěn)定大小的反映，表征測量結(jié)果穩(wěn)定地接近真值的程度。地接近真值的程度。2）精密度精密度 它是它是隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差大小的反映，表征測量結(jié)果的一大小的反映，表征測量結(jié)果的一致性或誤差的分散性。致性或誤差的分散性。 3）準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度 它是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差它是系統(tǒng)誤差和

23、隨機(jī)誤差。表。表征測量結(jié)果與真值之間的一致程度。征測量結(jié)果與真值之間的一致程度。二、精度二、精度精度是誤差的反義詞。精度是誤差的反義詞。誤差大誤差大精度低，誤差小精度低，誤差小精度高。精度高。通常把精度區(qū)分為：通常把精度區(qū)分為：27 圖圖2-1 儀器精度舉例說明儀器精度舉例說明正確度差，精密度差正確度差，精密度差 正確度好，精密度差正確度好，精密度差正確度差，精密度好正確度差，精密度好 正確度好，精密度好正確度好，精密度好準(zhǔn)確度好準(zhǔn)確度好正確度？精密度？28A-傳感器的精度等級；A-測量范圍內(nèi)允許的最大絕對誤差；YFS-滿量程輸出。 minmaxYYYSF例：若精度等級為1.5級，則A1.5，

24、即%5 . 1%100SFYA在工程應(yīng)用中，為了簡單表示測量結(jié)果的可靠程度，引入一個的概念，用A表示。它是。表示為：%100SFYAA精確度的工程表示精確度的工程表示精確度的工程表示精確度的工程表示29課堂小練習(xí)：有一個精度等級為1.5級的溫度計，其測量范圍為0400。當(dāng)用該溫度計進(jìn)行測量時，其最大絕對誤差為多少？6400%5 . 1SFYAA30 當(dāng)測試裝置的輸入當(dāng)測試裝置的輸入x有一增量有一增量x，引引起輸出起輸出y發(fā)生相應(yīng)的變化發(fā)生相應(yīng)的變化y時時，則則 S=y/x 測試系統(tǒng)的測試系統(tǒng)的靈敏度靈敏度 線性裝置：線性裝置：S（常數(shù)）常數(shù)）= =X- -Y關(guān)系關(guān)系直線直線的斜率的斜率 斜率越

25、大，其靈敏度就越高。斜率越大，其靈敏度就越高。 (1)靈敏度靈敏度裝置的穩(wěn)定性越差裝置的穩(wěn)定性越差裝置的靈敏度越高裝置的靈敏度越高易受外界干擾易受外界干擾非線性裝置：非線性裝置：S（變量）（變量）=XY關(guān)系關(guān)系曲線曲線的斜率的斜率輸入量不同，靈敏度就不同。輸入量不同，靈敏度就不同。表示靜態(tài)響應(yīng)特性的參數(shù)，主要有：表示靜態(tài)響應(yīng)特性的參數(shù)，主要有：靈敏度、線性度、回靈敏度、線性度、回程誤差。程誤差。31v線性誤差線性誤差若在若在標(biāo)稱（全量程）輸出范圍標(biāo)稱（全量程）輸出范圍A內(nèi)，標(biāo)內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬合直線的最大偏差為定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B,則定義則定義(2)線性度線性度線性誤差線性誤差=(

26、B/A)100%線性度線性度標(biāo)定曲線標(biāo)定曲線與與擬合直線擬合直線的偏離程度的偏離程度。32v在同樣的測試條件下，實(shí)際測試裝置在輸入量由小增大輸入量由小增大和由由大減小大減小的測試過程中，對應(yīng)于同一個輸入量往往有不同的輸不同的輸出量出量。v在全量程輸出范圍內(nèi)全量程輸出范圍內(nèi)，把對于同一個輸入量同一個輸入量所得到的兩個輸輸出量之間的最大差值出量之間的最大差值h hmaxmax稱為回程誤差，即 (3)回程誤差回程誤差回程誤差回程誤差=hmax（垂直于橫坐標(biāo)）（垂直于橫坐標(biāo)） 回程誤差是由遲滯現(xiàn)回程誤差是由遲滯現(xiàn)象產(chǎn)生的，即由于裝置內(nèi)象產(chǎn)生的，即由于裝置內(nèi)部的彈性元件、磁性元件部的彈性元件、磁性元件的

27、滯后特性以及機(jī)械部分的滯后特性以及機(jī)械部分的摩擦、間隙、灰塵積塞的摩擦、間隙、灰塵積塞等原因造成的。等原因造成的。33（二）儀器的動態(tài)特性與精度指標(biāo)（二）儀器的動態(tài)特性與精度指標(biāo)xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn01111011110101,bbbaaammnn和為與儀器結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)，與時間無關(guān)。為與儀器結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)，與時間無關(guān)。 系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性一般可以通過系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性一般可以通過定常線性微分方程定常線性微分方程、傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)等數(shù)學(xué)模型來描述。等數(shù)學(xué)模型來描述。 要精確地建立傳感器（或測試系統(tǒng)

28、）的數(shù)學(xué)模型是很困難的。在工程上常采取一些近似的方法，忽略一些影響不大的因素。 傳感器系統(tǒng)的定常線性微分方程為（線性時不變系統(tǒng)）：34傳遞函數(shù)與微分方程兩者完全等價，可以相互轉(zhuǎn)化?？疾靷鬟f函數(shù)所具有的基本特性，比考察微分方程的基本特性要容易得多。這是因為傳遞函數(shù)是一個代數(shù)有理分式函數(shù)，其特性容易識別與研究。 35傳遞函數(shù)有以下幾個特點(diǎn)：傳遞函數(shù)有以下幾個特點(diǎn)： v傳遞函數(shù)H(s)H(s)用于描述系統(tǒng)系統(tǒng)本身固有固有的特性特性，與x(t)的表達(dá)式無關(guān)。 x(t)不同時，y(t)的表達(dá)式也不同，但二者拉普拉斯變換的比值始終保持為H(s)。 36不同物理系統(tǒng)不同物理系統(tǒng): :例如：例如：液柱溫度計液

29、柱溫度計和簡單的和簡單的RCRC低通濾波器低通濾波器同是同是一階一階系系統(tǒng)，具有相同的傳遞函數(shù)；統(tǒng)，具有相同的傳遞函數(shù)；彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)和和LRCLRC振蕩電路振蕩電路都是都是二階二階系統(tǒng)，具有相同的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)，具有相同的傳遞函數(shù)。微分方程相同微分方程相同傳遞函數(shù)相同傳遞函數(shù)相同37v由于拉普拉斯變換是由于拉普拉斯變換是一一對應(yīng)一一對應(yīng)變換，不丟失任何變換，不丟失任何信息，故傳遞函數(shù)與微分方程等價信息，故傳遞函數(shù)與微分方程等價。 38第二節(jié)第二節(jié) 儀器誤差的來源與性質(zhì)儀器誤差的來源與性質(zhì) 儀器設(shè)計中采用了儀器設(shè)計中采用了近似的理論近似的理論、近似的數(shù)學(xué)模型近似的數(shù)學(xué)模型、近

30、似的近似的機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)和和近似的測量控制電路近似的測量控制電路所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)計有關(guān)，而與制造和使用無關(guān)。具體情況有：計有關(guān)，而與制造和使用無關(guān)。具體情況有：一、原理誤差一、原理誤差設(shè)計設(shè)計生產(chǎn)生產(chǎn)使用使用原理誤差原理誤差 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差制造誤差制造誤差運(yùn)行誤差運(yùn)行誤差隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差儀器誤差：指儀器本身所具有的誤差。在儀器制成以后，在規(guī)定的使用儀器誤差：指儀器本身所具有的誤差。在儀器制成以后，在規(guī)定的使用條件之下，儀器誤差就已經(jīng)基本確定。條件之下，儀器誤差就已經(jīng)基本確定。儀器誤差產(chǎn)生的原因：儀器誤差產(chǎn)生的原因：難點(diǎn)難點(diǎn)39（一）線性化（一）線性化： 將儀

31、器的實(shí)際非線性特性近似地視為線性，采用線性的技術(shù)處理措將儀器的實(shí)際非線性特性近似地視為線性，采用線性的技術(shù)處理措施來處理非線性的儀器特性，由此而引起原理誤差施來處理非線性的儀器特性，由此而引起原理誤差。激光掃描測徑儀激光掃描測徑儀 11激光器激光器 2 2、33反射鏡反射鏡 44透鏡透鏡 55多面棱鏡多面棱鏡 66透鏡透鏡 77被測工件被測工件 88透鏡透鏡 99光電二極管光電二極管激光測徑儀工作原理激光測徑儀工作原理P26P26動畫演示動畫演示40產(chǎn)生原理誤差的根本原因是將非線性的掃描速度視為線性。產(chǎn)生原理誤差的根本原因是將非線性的掃描速度視為線性。理論上掃描速度為：理論上掃描速度為：實(shí)際掃

32、描速度為：實(shí)際掃描速度為：一旦設(shè)計完成，此誤差也就確定。一旦設(shè)計完成，此誤差也就確定。fnfv42)(1 420fynfv41（五）總結(jié)（五）總結(jié) （1 1）采用近似的理論和原理進(jìn)行設(shè)計是為了）采用近似的理論和原理進(jìn)行設(shè)計是為了簡化設(shè)計、簡化制造工簡化設(shè)計、簡化制造工藝、簡化算法和降低成本。藝、簡化算法和降低成本。在有些情況下，是由于理想的原理在設(shè)在有些情況下，是由于理想的原理在設(shè)計中難以實(shí)現(xiàn)。計中難以實(shí)現(xiàn)。 （2 2）原理誤差屬于）原理誤差屬于系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差，使儀器的準(zhǔn)確度下降，應(yīng)該，使儀器的準(zhǔn)確度下降，應(yīng)該設(shè)法減小設(shè)法減小或消除或消除。（3 3）減小或消除原理誤差的方法：）減小或消除原理

33、誤差的方法： 采用采用更為精確的、符合實(shí)際的理論和公式更為精確的、符合實(shí)際的理論和公式進(jìn)行設(shè)計和參數(shù)計算進(jìn)行設(shè)計和參數(shù)計算 。 研究原理誤差的規(guī)律，研究原理誤差的規(guī)律，采取技術(shù)措施采取技術(shù)措施避免原理誤差。避免原理誤差。例如凸輪機(jī)構(gòu)，用半徑等于頂桿球端半徑的刀具來加工。例如凸輪機(jī)構(gòu)，用半徑等于頂桿球端半徑的刀具來加工。 采用采用誤差補(bǔ)償措施誤差補(bǔ)償措施。原理誤差是系統(tǒng)誤差，通過研究其規(guī)律，可以。原理誤差是系統(tǒng)誤差，通過研究其規(guī)律，可以補(bǔ)償?shù)?。補(bǔ)償?shù)簟?2二、制造誤差二、制造誤差 產(chǎn)生于產(chǎn)生于制造、裝配以及調(diào)整中的不完善制造、裝配以及調(diào)整中的不完善所引起的誤差。所引起的誤差。 主要由儀器主要由儀

34、器的零件、元件、部件和其他各個環(huán)節(jié)在尺寸、形狀、相互位置以及其他的零件、元件、部件和其他各個環(huán)節(jié)在尺寸、形狀、相互位置以及其他參量等方面的制造及裝調(diào)的不完善所引起的誤差。參量等方面的制造及裝調(diào)的不完善所引起的誤差。 由于由于滾動體的形狀誤差滾動體的形狀誤差使使?jié)L動軸系在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生滾動軸系在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生徑向和軸向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差。徑向和軸向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差。xy測桿與導(dǎo)套的配合間測桿與導(dǎo)套的配合間隙隙使測桿傾斜，引起測使測桿傾斜，引起測桿頂部的位置誤差。桿頂部的位置誤差。xy測桿測桿導(dǎo)導(dǎo)套套43三、運(yùn)行誤差三、運(yùn)行誤差 儀器在儀器在使用過程中所產(chǎn)生使用過程中所產(chǎn)生的誤差。如力變形誤差、磨損和間

35、隙造成的的誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的誤差，溫度變形引起的誤差，材料的內(nèi)摩擦所引起的彈性滯后和彈性后效，誤差，溫度變形引起的誤差，材料的內(nèi)摩擦所引起的彈性滯后和彈性后效，以及振動和干擾等以及振動和干擾等 。（一）（一）力變形誤差力變形誤差 由于儀器的測量裝置由于儀器的測量裝置(測量頭架等測量頭架等)在測量過程中的移動，使儀器結(jié)構(gòu)件在測量過程中的移動，使儀器結(jié)構(gòu)件(基座和支架等基座和支架等)的受力大小和受力點(diǎn)的的受力大小和受力點(diǎn)的位置發(fā)生變化，從而引起儀器結(jié)構(gòu)件位置發(fā)生變化，從而引起儀器結(jié)構(gòu)件的變形。的變形。大型測量儀器中，對測量大型測量儀器中，對測量精度有較大的影響。精度有較大的影響。

36、搖臂式坐標(biāo)測量搖臂式坐標(biāo)測量 設(shè)橫臂為設(shè)橫臂為a b50 200mm的等截面梁，的等截面梁，選用鋁合金材料，長度選用鋁合金材料，長度l3000mm， l1400mm，測頭部件的自重，測頭部件的自重W200N。 圖圖210 懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)原理圖懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)原理圖1立柱立柱 2平衡塊平衡塊 3讀數(shù)基尺讀數(shù)基尺 4橫臂橫臂 5測頭部件測頭部件 6z向測量軸向測量軸44（二）二）測量力測量力 測量力作用下的測量力作用下的接觸變形接觸變形和測桿變形和測桿變形也會對測量精度產(chǎn)生影響，引起也會對測量精度產(chǎn)生影響，引起運(yùn)行誤差。運(yùn)行誤差。 靈敏杠桿靈敏杠桿 如圖如圖2-122-12設(shè)靈敏杠桿長為設(shè)靈敏杠

37、桿長為70mm70mm，直徑為約，直徑為約8mm8mm，測球直徑為，測球直徑為4mm4mm，測桿和被測零件材料同為鋼，在測，測桿和被測零件材料同為鋼，在測量力量力F=0.2NF=0.2N的作用下，將引起測球與被測的作用下，將引起測球與被測平面之間的平面之間的接觸變形接觸變形約為約為0.1m0.1m。同時在。同時在此測量力的作用下，測桿的此測量力的作用下，測桿的彎曲變形彎曲變形為約為約為為0.54m0.54m，這兩項誤差對工具顯微鏡瞄準(zhǔn)，這兩項誤差對工具顯微鏡瞄準(zhǔn)精度產(chǎn)生直接的影響。精度產(chǎn)生直接的影響。F 圖圖212 測量力引起的測桿變形測量力引起的測桿變形 接觸變形量的大小與接觸表面的形狀、材

38、料、表面粗糙度以及作用接觸變形量的大小與接觸表面的形狀、材料、表面粗糙度以及作用力大小有關(guān)。而測桿的彎曲變形量與測桿的長度和測量力大小有關(guān)。力大小有關(guān)。而測桿的彎曲變形量與測桿的長度和測量力大小有關(guān)。45（三）（三）應(yīng)力變形應(yīng)力變形 結(jié)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)件在加工和裝配過程中形成的內(nèi)應(yīng)力釋放所引發(fā)加工和裝配過程中形成的內(nèi)應(yīng)力釋放所引發(fā)的變形的變形同樣影響儀器精度。零件雖然經(jīng)過同樣影響儀器精度。零件雖然經(jīng)過時效處理時效處理，內(nèi)應(yīng)，內(nèi)應(yīng)力仍可能不平衡，金屬的晶格處于不穩(wěn)定狀態(tài)。例如未充力仍可能不平衡，金屬的晶格處于不穩(wěn)定狀態(tài)。例如未充分消除應(yīng)力的鑄件毛坯，經(jīng)切削加工后，由于除去了不同分消除應(yīng)力的鑄件毛坯，經(jīng)

39、切削加工后，由于除去了不同應(yīng)力的表層，破壞了材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡，經(jīng)過一段時間應(yīng)力的表層，破壞了材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡，經(jīng)過一段時間會使零件產(chǎn)生變形，在運(yùn)行時產(chǎn)生誤差。會使零件產(chǎn)生變形，在運(yùn)行時產(chǎn)生誤差。是充分進(jìn)行時效處理，切除表面應(yīng)力層，是充分進(jìn)行時效處理，切除表面應(yīng)力層，用氮化代替淬火，鍛造代替軋制等。三坐標(biāo)測量機(jī)的工作用氮化代替淬火，鍛造代替軋制等。三坐標(biāo)測量機(jī)的工作臺：由花崗巖代替鑄鐵或鑄鋼。臺：由花崗巖代替鑄鐵或鑄鋼。46（四）（四）磨損磨損 磨損使零件產(chǎn)生尺寸、磨損使零件產(chǎn)生尺寸、形狀、位置誤差，配合間隙形狀、位置誤差，配合間隙增加，降低儀器的工作精度增加，降低儀器的工作精度的穩(wěn)定性。磨

40、損與摩擦密切的穩(wěn)定性。磨損與摩擦密切相關(guān)。由于零件加工表面存相關(guān)。由于零件加工表面存在著在著微觀不平度微觀不平度，在運(yùn)行開，在運(yùn)行開始時，配合面僅有少數(shù)頂峰始時，配合面僅有少數(shù)頂峰接觸，因而使局部單位面積接觸，因而使局部單位面積的比壓增大，頂峰很快被磨的比壓增大，頂峰很快被磨平，從而迅速擴(kuò)大了接觸面平，從而迅速擴(kuò)大了接觸面積，磨損的速度隨之減慢。積，磨損的速度隨之減慢。0 0t tt t1 1t t2 2f ff fh h 圖圖213 213 實(shí)際的磨損過程實(shí)際的磨損過程47（五）（五）間隙與空程間隙與空程 配合零件之間存在間隙，造成空程，影響精度。配合零件之間存在間隙，造成空程，影響精度。在

41、在滑動軸系滑動軸系中，中，軸與套之間的間隙軸與套之間的間隙制約著軸系的回轉(zhuǎn)精度的提高；制約著軸系的回轉(zhuǎn)精度的提高；在在開環(huán)伺服定位系統(tǒng)開環(huán)伺服定位系統(tǒng)中，通常以蝸輪蝸桿或精密絲杠驅(qū)動工作臺作直線中，通常以蝸輪蝸桿或精密絲杠驅(qū)動工作臺作直線位移或回轉(zhuǎn)運(yùn)動，位移或回轉(zhuǎn)運(yùn)動，蝸輪與蝸桿之間的齒側(cè)間隙或絲杠與螺母之間的配合蝸輪與蝸桿之間的齒側(cè)間隙或絲杠與螺母之間的配合間隙間隙直接引起工作臺的定位誤差。直接引起工作臺的定位誤差。 彈性變形彈性變形在許多情況下，會引起在許多情況下，會引起彈性空程彈性空程，同樣會影響精度。，同樣會影響精度。減小空程誤差的方法有減小空程誤差的方法有：（1 1）使用儀器時，采用

42、單向運(yùn)轉(zhuǎn)，把間隙和彈性變形預(yù)先消除，然后再）使用儀器時，采用單向運(yùn)轉(zhuǎn)，把間隙和彈性變形預(yù)先消除，然后再進(jìn)行使用；進(jìn)行使用；（2 2）采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，把間隙調(diào)到最??；）采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，把間隙調(diào)到最??；（3 3）提高構(gòu)件剛度，以減少彈性行程；）提高構(gòu)件剛度，以減少彈性行程；（4 4）改善摩擦條件，降低摩擦力，以減少由于摩擦力造成的空程。）改善摩擦條件，降低摩擦力，以減少由于摩擦力造成的空程。48（六）（六）溫度溫度1m1m長的傳動絲杠均勻溫升長的傳動絲杠均勻溫升11，軸向伸長，軸向伸長0.011mm0.011mm，引，引起傳動誤差。起傳動誤差。水準(zhǔn)儀的軸系在的水準(zhǔn)儀的軸系在的-40+40-40

43、+40的工作環(huán)境下，軸系為間隙的工作環(huán)境下，軸系為間隙配合從過盈配合從過盈2.4um2.4um間隙間隙4.8um 4.8um ；軸系間隙的變化量達(dá)；軸系間隙的變化量達(dá)7.2um7.2um。溫度的變化可能引起電器參數(shù)的改變及儀器特性的改變，溫度的變化可能引起電器參數(shù)的改變及儀器特性的改變，引起溫度靈敏度漂移和溫度零點(diǎn)漂移。引起溫度靈敏度漂移和溫度零點(diǎn)漂移。溫度的變化使?jié)櫥偷恼扯认陆担瓜到y(tǒng)剛度和運(yùn)動精度溫度的變化使?jié)櫥偷恼扯认陆?，使系統(tǒng)剛度和運(yùn)動精度下降、磨損加快。下降、磨損加快。 結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形，改變了儀器各組成部件之間的位置結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形，改變了儀器各組成部件之間的位置關(guān)系。關(guān)系

44、。49（七）（七）振動與干擾振動與干擾 當(dāng)儀器受振時，儀器除了隨著振源作整機(jī)振動外，各主要部件及其當(dāng)儀器受振時，儀器除了隨著振源作整機(jī)振動外，各主要部件及其相互間還會產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，從而破壞了儀器的正常工作狀態(tài)，影相互間還會產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動，從而破壞了儀器的正常工作狀態(tài)，影響儀器精度。響儀器精度。如在如在瞄準(zhǔn)讀數(shù)瞄準(zhǔn)讀數(shù)中，振動可能使被瞄準(zhǔn)件和刻尺的像抖動而變模糊；中，振動可能使被瞄準(zhǔn)件和刻尺的像抖動而變模糊；振動頻率高時，還會使緊固件松動。振動頻率高時，還會使緊固件松動。若外界振動頻率與儀器的自振頻率相近，則會發(fā)生若外界振動頻率與儀器的自振頻率相近，則會發(fā)生共振共振，損壞儀器。，損壞儀

45、器。減小振動影響的辦法：減小振動影響的辦法：（1 1）在高精度計量儀器中，盡量避免采用間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)，而用連續(xù)掃描）在高精度計量儀器中，盡量避免采用間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)，而用連續(xù)掃描或勻速運(yùn)動機(jī)構(gòu)；或勻速運(yùn)動機(jī)構(gòu)；（2 2）零部件的自振頻率要避開外界振動頻率，防止產(chǎn)生共振；）零部件的自振頻率要避開外界振動頻率，防止產(chǎn)生共振；（3 3）采取各種防振措施，如防振墻、防振地基、防振墊等；）采取各種防振措施，如防振墻、防振地基、防振墊等；（4 4）通過柔性環(huán)節(jié)使振動不傳到儀器主體上。）通過柔性環(huán)節(jié)使振動不傳到儀器主體上。50（八）干擾與環(huán)境波動引起的誤差（八）干擾與環(huán)境波動引起的誤差 所謂干擾，一方面是所謂干擾

46、，一方面是外部設(shè)備電磁場、電火花等外部設(shè)備電磁場、電火花等的干擾，的干擾，另一方面是由于另一方面是由于內(nèi)部各級電路之間電磁場干擾以及通過地線、內(nèi)部各級電路之間電磁場干擾以及通過地線、電源等相互耦合電源等相互耦合造成的干擾。造成的干擾。例如：例如：偶然的電磁干擾可能使儀器電路產(chǎn)生錯誤的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)；偶然的電磁干擾可能使儀器電路產(chǎn)生錯誤的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)；環(huán)境的波動使激光波長發(fā)生變化；環(huán)境的波動使激光波長發(fā)生變化；氣源壓力的波動可使氣動測量儀器的示值發(fā)生改變。氣源壓力的波動可使氣動測量儀器的示值發(fā)生改變。51 （1）采用近似的理論和原理進(jìn)行設(shè)計是為了采用近似的理論和原理進(jìn)行設(shè)計是為了簡化設(shè)計、簡化制造工藝、簡

47、化設(shè)計、簡化制造工藝、簡化算法和降低成本。簡化算法和降低成本。在有些情況下，是由于理想的原理在設(shè)計中難在有些情況下，是由于理想的原理在設(shè)計中難以實(shí)現(xiàn)。以實(shí)現(xiàn)。 （2）（3）減小或消除原理誤差的方法：）減小或消除原理誤差的方法：p 采用采用更為精確的、符合實(shí)際的理論和公式更為精確的、符合實(shí)際的理論和公式進(jìn)行設(shè)計和參數(shù)計算進(jìn)行設(shè)計和參數(shù)計算 。p 研究原理誤差的規(guī)律，研究原理誤差的規(guī)律，采取技術(shù)措施采取技術(shù)措施避免原理誤差。避免原理誤差。例如凸輪機(jī)構(gòu)，用半徑等于頂桿球端半徑的刀具來加工例如凸輪機(jī)構(gòu)，用半徑等于頂桿球端半徑的刀具來加工 p 采用采用誤差補(bǔ)償措施誤差補(bǔ)償措施。原理誤差屬于系統(tǒng)誤差，通過

48、研究其規(guī)律，可以。原理誤差屬于系統(tǒng)誤差，通過研究其規(guī)律，可以補(bǔ)償?shù)?。補(bǔ)償?shù)簟?2 屬于隨機(jī)誤差。始終存在，無法消除。屬于隨機(jī)誤差。始終存在，無法消除。控制控制方法包括：方法包括：提高加工精度和裝配精度提高加工精度和裝配精度合理分配誤差和確定制造公差。合理分配誤差和確定制造公差。正確應(yīng)用儀器設(shè)計原理和設(shè)計原則，如阿貝原則，變形最小原則等正確應(yīng)用儀器設(shè)計原理和設(shè)計原則，如阿貝原則，變形最小原則等合理確定儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)合理確定儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的結(jié)構(gòu)工藝性合理的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和補(bǔ)償環(huán)節(jié)儀器在使用過程中產(chǎn)生的誤差，屬于隨機(jī)誤差。始終存在，無法消除。儀器在使用過程中產(chǎn)生

49、的誤差，屬于隨機(jī)誤差。始終存在，無法消除。第三節(jié)第三節(jié) 儀器誤差的分析儀器誤差的分析 如何進(jìn)行儀器誤差分析：如何進(jìn)行儀器誤差分析： 尋找尋找儀器誤差源；儀器誤差源； 分析分析計算各個源誤差對儀器精度的影響；計算各個源誤差對儀器精度的影響； 精度精度綜合綜合。根據(jù)。根據(jù)所得到的結(jié)果所得到的結(jié)果估計估計儀器的總誤差，并判斷儀器總誤差儀器的總誤差，并判斷儀器總誤差是否滿足設(shè)計要求。是否滿足設(shè)計要求。滿足滿足設(shè)計成功；不滿足設(shè)計成功；不滿足設(shè)計失敗，需要進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計失敗，需要進(jìn)行調(diào)整。儀器誤差分析的目的：儀器誤差分析的目的：p正確地選擇儀器設(shè)計方案；正確地選擇儀器設(shè)計方案；p合理地確定儀器結(jié)構(gòu)和技術(shù)

50、參數(shù)；合理地確定儀器結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)；p為設(shè)置誤差補(bǔ)償環(huán)節(jié)提供依據(jù)。為設(shè)置誤差補(bǔ)償環(huán)節(jié)提供依據(jù)。是誤差的反義詞。誤差大是誤差的反義詞。誤差大精度低；精度低；誤差小誤差小精度高精度高所以，又稱為第二節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第四節(jié) 除儀器輸入以外，另有影響儀器輸出的因素除儀器輸入以外，另有影響儀器輸出的因素 。假設(shè)某一。假設(shè)某一因素的變動（源誤差）因素的變動（源誤差） 使儀器產(chǎn)生一個附加輸出，稱為局部誤差。使儀器產(chǎn)生一個附加輸出，稱為局部誤差。), 2 , 1(niqiiqiiiqPQ局部誤差局部誤差影響系數(shù)影響系數(shù)源誤差源誤差誤差獨(dú)立作用原理的內(nèi)容：誤差獨(dú)立作用原理的內(nèi)容：一個源誤差僅使儀器產(chǎn)生

51、一個局部誤差。局部誤差是源誤差的線性函一個源誤差僅使儀器產(chǎn)生一個局部誤差。局部誤差是源誤差的線性函數(shù)，與其他源誤差無關(guān)。數(shù)，與其他源誤差無關(guān)。儀器總誤差是局部誤差的綜合。儀器總誤差是局部誤差的綜合。意義：意義：根據(jù)誤差獨(dú)立作用原理，在進(jìn)行儀器誤差分析時，可以：根據(jù)誤差獨(dú)立作用原理，在進(jìn)行儀器誤差分析時，可以：1 1）首先計算每個源誤差所造成的局部誤差；）首先計算每個源誤差所造成的局部誤差；2 2）然后將每個局部誤差綜合成儀器總誤差。）然后將每個局部誤差綜合成儀器總誤差。niiiniiQqPy11儀器總誤差儀器總誤差56設(shè)儀器的作用方程為設(shè)儀器的作用方程為 ，其中，其中 為儀器各特性參為儀器各特

52、性參數(shù)，數(shù)， 為儀器被測量。為儀器被測量。對作用方程求全微分對作用方程求全微分來求各源誤差來求各源誤差 對對儀器精度的影響（局部誤差）即儀器精度的影響（局部誤差）即),(21nqqqxfy), 2 , 1(niqiniiiniiiniiQqPqqyy111), 2 , 1(niqix具體步驟：具體步驟：1. 列出儀器的作用方程；列出儀器的作用方程；2. 對作用方程求全微分（包含對作用方程求全微分（包含各個各個源誤差）。源誤差）。（一）微分法（一）微分法微分法總結(jié)：微分法總結(jié)：簡單、快速。：簡單、快速。： （1 1）首先要能夠正確得到儀器作用方程；）首先要能夠正確得到儀器作用方程； （2 2）對

53、于）對于不能列入儀器作用方程的源誤差不能列入儀器作用方程的源誤差，不能用微不能用微分法求其對儀器精度產(chǎn)生的影響分法求其對儀器精度產(chǎn)生的影響，。（二）幾何法（二）幾何法 利用利用源誤差與其局部誤差之間的幾何關(guān)系源誤差與其局部誤差之間的幾何關(guān)系，分析計算局，分析計算局部誤差。部誤差。具體步驟：具體步驟： 畫出機(jī)構(gòu)某一瞬時作用原理圖，按比例放大地畫出源誤畫出機(jī)構(gòu)某一瞬時作用原理圖，按比例放大地畫出源誤差與局部誤差之間的關(guān)系，依據(jù)其中的幾何關(guān)系寫出局部誤差與局部誤差之間的關(guān)系，依據(jù)其中的幾何關(guān)系寫出局部誤差表達(dá)式。差表達(dá)式。優(yōu)點(diǎn)是簡單、直觀，適合于優(yōu)點(diǎn)是簡單、直觀，適合于求解機(jī)構(gòu)中未能列求解機(jī)構(gòu)中未能

54、列入作用方程的源誤差所引起的局部誤差入作用方程的源誤差所引起的局部誤差，但在，但在應(yīng)用于分析應(yīng)用于分析時較為困難。時較為困難。幾何法總結(jié)：幾何法總結(jié)：關(guān)鍵在于要正確畫出源誤差與其局部誤差之間關(guān)鍵在于要正確畫出源誤差與其局部誤差之間的幾何圖。的幾何圖。60第四節(jié)第四節(jié) 儀器誤差的綜合儀器誤差的綜合 儀器設(shè)計完成后，需要估算儀器的總精度；儀器設(shè)計完成后，需要估算儀器的總精度；儀器技術(shù)鑒定時，需要評價其性能儀器技術(shù)鑒定時，需要評價其性能需要理論上的精度分析需要理論上的精度分析與估算。與估算。 由于儀器源誤差很多、性質(zhì)又各不相同，因此儀器誤差由于儀器源誤差很多、性質(zhì)又各不相同，因此儀器誤差綜合方法也各

55、不相同。根據(jù)儀器誤差性質(zhì)的不同，儀器誤差綜合方法也各不相同。根據(jù)儀器誤差性質(zhì)的不同，儀器誤差可按下述方法綜合?？砂聪率龇椒ňC合。61一、隨機(jī)誤差的綜合一、隨機(jī)誤差的綜合隨機(jī)誤差具有隨機(jī)誤差具有隨機(jī)性隨機(jī)性及其分布規(guī)律的及其分布規(guī)律的多樣性多樣性（如正態(tài)分布、均勻分布、（如正態(tài)分布、均勻分布、三角分布）三角分布）采用采用均方法均方法和和極限誤差極限誤差法。法。1.1.均方法（方和根法）：均方法（方和根法）： 為隨機(jī)誤差為隨機(jī)誤差 的標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)差 為隨機(jī)誤差為隨機(jī)誤差 的誤差影響系數(shù)的誤差影響系數(shù) iiiPi)502()(12niiiyyPttt為置信系數(shù)，一般認(rèn)為合成總隨機(jī)誤差服從為置信系數(shù)，

56、一般認(rèn)為合成總隨機(jī)誤差服從，即當(dāng)置信概率為，即當(dāng)置信概率為99.7%時，時，t=3；置信概率為；置信概率為95%時，時， t=2 。假設(shè)儀器中有假設(shè)儀器中有n個單項隨機(jī)性源誤差，其個單項隨機(jī)性源誤差，其標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)差分別為分別為 、 、 、12n當(dāng)各個源誤差互不相關(guān)時：當(dāng)各個源誤差互不相關(guān)時：622.2.極限誤差法：極限誤差法： 由來：在儀器設(shè)計階段，由來：在儀器設(shè)計階段， 通常未知；而其通常未知；而其 已知。已知。若已知各單項誤差源的極限誤差若已知各單項誤差源的極限誤差 （），根據(jù)各隨機(jī)誤差源的概率），根據(jù)各隨機(jī)誤差源的概率分布即分布即 ，其中，其中 為為，那么可以用各單項誤，那么可以用各單項

57、誤差的極限誤差來合成總隨機(jī)誤差的不確定度：差的極限誤差來合成總隨機(jī)誤差的不確定度： iiiititii)522()(1212niiiiniiiyytPtPtt63已定系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差的已定系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差的大小大小和和方向方向已知。采用已知。采用代數(shù)和法代數(shù)和法合合成。儀器總已定系統(tǒng)誤差為：成。儀器總已定系統(tǒng)誤差為： 為誤差的影響系數(shù)。如果是原理誤差，則為誤差的影響系數(shù)。如果是原理誤差，則 。二、系統(tǒng)誤差的綜合二、系統(tǒng)誤差的綜合iyriiiyP11iPiP儀器總已定系統(tǒng)誤差儀器總已定系統(tǒng)誤差第第i個已定系統(tǒng)源誤差個已定系統(tǒng)源誤差64未定系統(tǒng)誤差是其大小和方向或變化規(guī)律未被確切掌握，而只能估

58、計出不未定系統(tǒng)誤差是其大小和方向或變化規(guī)律未被確切掌握，而只能估計出不致超出某一極限范圍的系統(tǒng)誤差。致超出某一極限范圍的系統(tǒng)誤差。絕對和法絕對和法 考慮到未定系統(tǒng)誤差的考慮到未定系統(tǒng)誤差的。若儀。若儀器有器有mm個未定系統(tǒng)性源誤差，其各單項未定系統(tǒng)個未定系統(tǒng)性源誤差，其各單項未定系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的范圍為誤差出現(xiàn)的范圍為 ，合成未，合成未定系統(tǒng)誤差為定系統(tǒng)誤差為meee,21miiiyeP1方和根法方和根法 考慮到未定系統(tǒng)誤差的考慮到未定系統(tǒng)誤差的。若有。若有mm個未定系統(tǒng)源誤差，各項未定系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的個未定系統(tǒng)源誤差，各項未定系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的范圍為范圍為 ，當(dāng)各項未定系統(tǒng)誤差，當(dāng)各項未定系統(tǒng)誤差相互

59、獨(dú)立時，合成未定系統(tǒng)誤差為相互獨(dú)立時，合成未定系統(tǒng)誤差為meee,21miiiiytePt12)(65第五節(jié)第五節(jié) 儀器誤差分析合成舉例儀器誤差分析合成舉例 數(shù)字顯示式立式光學(xué)計數(shù)字顯示式立式光學(xué)計66補(bǔ)充一、光柵及莫爾條紋補(bǔ)充一、光柵及莫爾條紋光柵：光柵：等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件物理光柵：物理光柵：計量光柵：計量光柵：利用光的衍射現(xiàn)象，用以分析光譜、測定波長利用光的衍射現(xiàn)象，用以分析光譜、測定波長利用光的莫爾條紋現(xiàn)象，用以測量精密位移利用光的莫爾條紋現(xiàn)象，用以測量精密位移67按光線的運(yùn)動路徑分：透射光柵和反射光柵

60、p在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱為稱為透射光柵透射光柵p在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱為稱為反射光柵反射光柵p條紋之間的距離稱為條紋之間的距離稱為柵距柵距。p透射光柵分辨率較反射光柵高透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達(dá)，其檢測精度可達(dá)1m1m以上。以上。68莫爾條紋（莫爾條紋（MOIRE pattern）：）： 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很