《测控仪器设计(第2版)》课后习题答案_浦昭邦_王宝光

测控仪器则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。

仪器仪表的用途和重要性—

遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，仪器仪表中的计量测试仪器与控制仪器统称为测控仪器，可以说测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志。

仪器仪表的用途:

在机械制造业中：对产品的静态与动态性能测试；加工过程的控制与监测；设备运行中的故障诊断等。 在电力、化工、石油工业中：对压力、流量、温度、成分、尺寸等参数的检测和控制；对压力容器泄漏和裂纹的检测等。

在航天、航空工业中：对发动机转速、转矩、振动、噪声、动力特性、喷油压力、管道流量的测量；对构件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的电流、电压、绝缘强度的测量等。

发展趋势 :

高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化 （1）高精度与高可靠性随着科学技术的发展，对测控仪器的精度提出更高的要求，如几何量nm精度测量，力学量的mg精度测量等。同时对仪器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。 （2）高效率 大批量产品生产节奏，要求测量仪器具有高效率，因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。（3）高智能化 在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展，并且具有多种人工智能从学习机向人工智能机发展是必然的趋势。（4）多维化、多功能化（5）开发新原理 （6）动态测量

现代设计方法的特点：

(1)程式性 强调设计、生产与销售的一体化。

(2)创造性 突出人的创造性，开发创新性产品。

(3)系统性 用系统工程思想处理技术系统问题。力求系统整体最优，同时要考虑人-机-环境的大系统关系。

(4)优化性 通过优化理论及技术，以获得功能全、性能良好、成本低、性能价格比高的产品。

(5)计算机辅助设计 计算机将更全面地引入设计全过程，计算机辅助设计不仅用于计算和绘图，在信息储存、评价决策、动态模拟、人工智能等方面将发挥更大作用。

工作原理：

Z向运动具有自动调焦功能，通过计算机对CCD摄像器件摄取图像进行

分析，用调焦评价函数来判断调焦质量。被检测的印刷线路板或IC芯片

的瞄准用可变焦的光学显微镜和CCD摄像器件来完成。摄像机的输出经图

像卡送到计算机进行图像处理实现精密定位和图像识别与计算，并给出

被检测件的尺寸值、误差值及缺陷状况。

按功能将仪器分成以下几个组成部分：

1 基准部件 5 信息处理与运算装置

2 传感器与感受转换部件 6 显示部件

3 放大部件 7 驱动控制器部件

4 瞄准部件 8 机械结构部件

基准部件

测量的过程是一个被测量与标准量比较的过程，因此，仪器中要有与被测量相比较的标准量，标准量

与其相应的装置一起，称为仪器的基准部件。

有的仪器中无标准器而是用校准的方法将标准量复现到仪器中。标准量的精度对仪器的测量精度影响很大，在大多数情况下是1∶1，在仪器设计时必须予以重视。

传感器与感受转换部件

测控仪器中的传感器是仪器的感受转换部件，它的作用是感受被测

量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信号。

放大部件

瞄准部件

用来确定被测量的位置(或零位），要求瞄准的重复性精度要好。

信息处理与运算装置

数据处理与运算部件主要用于数据加工、处理、运算和校正等。可以利用硬件电路、单片机或微机来完成。

显示部件

显示部件是用指针与表盘、记录器、数字显示器、打印机、监视器等将测量结果显示出来。 驱动控制器部件

驱动控制部件用来驱动测控系统中的运动部件，在测控仪器中常用步进电机、交直流伺服电机、力矩电机、测速电机、压电陶瓷等实现驱动。控制一般用计算机或单片机来实现，这时要将一个控制接口卡插入到计算机的插槽中。

机械结构部件

仪器中的机械结构部件用于对被测件、标准器、传感器的定位，支承和运动,如导轨、轴系、基座、支架、微调、锁紧、限位保护等机构。所有的零部件还要装到仪器的基座或支架上,这些都是测控仪器必不可少的部件，其精度对仪器精度影响起决定作用。

分度值

在计量器具的刻度标尺上，最小格所代表的被测尺寸的数值叫做分度值，分度值又称刻度值。 分辨力(resolution)

显示装置能有效辨别的最小示值。对于数字式仪器，分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值。对模拟式仪器，分辨力就是分度值。分辨力是与仪器的精度密切相关的。要提高仪器精度必须有足够的分辨力来保证；反过来仪器的分辨力必须与仪器精度相适应,不考虑仪器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。

示值误差(error of indication)

测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。由于真值不能确定，实际上用的是约定真值，即常用某

量的多次测量结果来作为约定真值。测量仪器的示值误差，包含有仪器的随机误差和系统误差，因此用测量的方法确定仪器示值误差时，同一个值测量次数一般不要超过三次。示值误差越小，表明仪器的准确度越高。

测量范围(measuring range)

测量仪器误差允许范围内的被测量值。测量范围包含示值范围还包含仪器的调节范围。如光学计的示值范围为±0.1mm，但其悬臂可沿立柱调节180mm，在该范围内仍可保证仪器的测量精度，则其测量范围为180±0.1mm。又如千分尺的测量范围有0～25mm，25～50mm，50～75mm……等规格，但其示值范围均为25mm。

灵敏度(sensitivity)

测量仪器响应(输出)的变化除以对应的激励(输入)的变化。若输入激励量为 X，相应输出是 Y，则灵敏度表示为：

S= Y／ X

仪器的输出量与输入量的关系可以用曲线来表示，称为特性曲线，特性曲线有线性的也有非线性的，非线性特性用线性特性来代替时带来的误差，称为非线性误差。特性曲线的斜率即为灵敏度。

灵敏度的量纲可以是相同的，也可以是不相同的，如电感传感器的输入量是位移，而输出量是电压，其灵敏度的量纲为V/mm；而齿轮传动的百分表其输入量是位移，输出量也是位移，在这样情况下，灵敏度又称为放大比。

灵敏度是仪器对被测量变化的反映能力。

鉴别力(阈)(discrimination)

使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应是缓慢而单调地进行。它表示仪器感受微小量的敏感程度。仪器的鉴别力可能与仪器的内部或外部噪声有关，也可能与摩擦有关或与激励值有关。

测量仪器的准确度(accuracy of measuring instrument)

测量仪器的准确度是一个定性的概念，它是指测量仪器输出接近于真值的响应的能力。符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等级或级别称为测量仪器的准确度等级，如零级、一级、二级等。

测量仪器的示值误差(error of indication)

测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。由于真值不能确定，实际上用的是约定真值，即常用某量的多次测量结果来作为约定真值。测量仪器的示值误差，包含有仪器的随机误差和系统误差，因此用测量的方法确定仪器示值误差时，同一个值测量次数一般不要超过三次。示值误差越小，表明仪器的准确度越高。

视差(parallax error)

当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察方向进行读数和瞄准所引起的误差。 估读误差(interpolation error)

观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置而引起的误差，有时也称为内插误差。 读数误差(reading error)

由于观测者对计量器具示值读数不准确所引起的误差，它包括视差和估读误差。

(1)精度要求 精度是测控仪器的生命，精度本身只是一种定性的概念。为表征一台仪器的性能和达到的水平，应有一些精度指标要求，如静态测量的示值误差、重复性误差、复现性、稳定性、回程误差、灵敏度、鉴别力、线性度等，动态测量的稳态响应误差、瞬态响应误差等。这些精度指标不是每一台仪器都必须全部满足，而是根据不同的测量对象和不同的测量要求，选用最能反映该仪器精度的一些指标组合来表示。

仪器的精度应根据被测对象的要求来确定，当仪器总误差占测量总误差比重较小时，常采用1/3原则，即仪器总误差应小于或等于被测参数总误差的1/3；若仪器总误差占测量总误差的主导部分时，可允许仪器

总误差小于或等于被测参数总误差的1/2。

为了保证仪器的精度，仪器设计时应遵守一些重要的设计原则和设计原理，如阿贝原则、变形最小原则、测量链最短原则、精度匹配原则、误差平均作用原理、补偿原理、差动比较原理等。

(2)检测效率要求 一般情况下仪器的检测效率应与生产效率相适应。在自动化生产情况下，检测效率应适合生产线节拍的要求。提高检测效率不仅有经济上的效益，有时对提高检测精度也有一定作用，因为缩短了测量时间可减少环境变化对测量的影响。同时还可以节省人力，消除人的主观误差，提高测量的可靠性。

(3)可靠性要求 一台测量仪器或一套自动测量系统，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面，在精度上如何高，若可靠性差，故障频繁，不能长时间稳定工作，则该仪器或系统就无使用价值。因此对仪器的可靠性要求是十分必要的。可靠性要求，就是要求设备在一定时间、一定条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。可靠性要求可由可靠性设计来保证。

(4)经济性要求 仪器设计时应采用各种先进技术，以获得最佳经济效果。盲目追求复杂、高级的方案，不仅会造成仪器成本的急剧增加，有时甚至无法实现。因此仪器设计时应尽量选择最经济的方案，即技术先进、零部件少、工艺简单、成本低、可靠性高、装调方便，这样在市场上才有竞争力。 同时还要考虑仪器的功能，具有较好的功能与产品成本比，即价值系数高。

(5)使用条件要求 使用条件不同，仪器的设计也不同。如在室外使用的仪器仪表应适应宽范围的温度、湿度变化，以及抗振和耐盐雾；在车间使用除了防振外，电磁干扰，尤其是强电设备起动的干扰应重点防范；在易燃易爆场合下工作的仪器仪表则要求防爆和阻燃；在线测量与离线测量，连续工作与间歇工作……其条件都有不同，在设计仪器时应慎重考虑，以满足不同使用条件的要求。

(6)造型要求 仪器的外观设计极为重要，优美的造型、柔和的色泽是人们选择产品的考虑因素之一，有利于销售，同时也会使操作者加倍爱护和保养仪器，延长使用寿命，提高工作效率。

微分法 若能列出仪器全部或局部的作用方程，那么，当源误差为各特性或结构参数误差时，可以用对作用原理方程求全微分的方法来求各源误差对仪器精度的影响。微分法的优点是具有简单、快速，但其局限性在于对于不能列入仪器作用方程的源误差，不能用微分法求其对仪器精度产生的影响，例如仪器中经常遇到的测杆间隙、度盘的安装偏心等，因为此类源误差通常产生于装配调整环节，与仪器作用方程无关。 几何法 能画出机构某一瞬时作用原理图，按比例放大地画出源误差与局部误差之间的关系，依据其中的几何关系写出局部误差表达式。几何法的优点是简单、直观，适合于求解机构中未能列入作用方程的源误差所引起的局部误差，但在应用于分析复杂机构运行误差时较为困难。

作用线与瞬时臂法 基于机构传递位移的机理来研究源误差在机构传递位移的过程中如何传递到输出。因此，作用线与瞬时臂法首先要研究的是机构传递位移的规律

数学逼近法 评定仪器实际输出与输入关系方法：测量（标定或校准）－－测出在一些离散点上仪器输出与输入关系的对应值，应用数值逼近理论，依据仪器特性离散标定数据，以一些特定的函数（曲线或公式）

去逼近仪器特性，并以此作为仪器实际特性，再将其与仪器理想特性比较即可求得仪器误差中的系统误差分量。常用代数多项式或样条函数，结合最小二乘原理来逼近仪器的实际特性。

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。

原始误差

由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统(简称工艺系统)会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。

能转换成瞬时臂误差的源误差多发生在转动件上；而既不能换成瞬时臂误差，其方向又不与作用线方向一致的源误差多发生在平动件上。

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2）动态参数误差

按误差间的关系分 1）独立误差2）非独立误差

绝对误差 ：被测量测得值 x 与其真值(或相对真值) x0 之差

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

特点：无量纲

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。

（1）采用近似的理论和原理进行设计是为了简化设计、简化制造工艺、简化算法和降低成本 。

（2）原理误差属于系统误差，使仪器的准确度下降，应该设法减小或消除。

（3）方法：

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 。 研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。 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。

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）力变形误差 （二）测量力 （三）应力变形（四）磨损 （五）间隙与空程

（六）温度（七）振动与干扰（八）干扰与环境波动引起的误差

高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化 （1）高精度与高可靠性随着科学技术的发展，对测控仪器的精度提出更高的要求，如几何量nm精度测量，力学量的mg精度测量等。同时对仪器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。 （2）高效率 大批量产品生产节奏，要求测量仪器具有高效率，因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。（3）高智能化 在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展，并且具有多种人工智能从学习机向人工智能机发展是必然的趋势。（4）多维化、多功能化（5）开发新原理 （6）动态测量

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。

要考虑的主要问题有：

1.设计任务分析

2.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）

3.测控仪器若干设计原则的考虑

4.测控仪器若干设计原理的斟酌

5.测控仪器工作原理的选择和系统设计

6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定

7.仪器总体的造型规划

共有六项设计原则：

一、阿贝(Abbe)原则及其扩展

阿贝原则定义：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。

二、变形最小原则及减小变形影响的措施

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。

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

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要求而避免附加的误差。

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

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。

1）工艺性。2）合理的精度要求。3）合理选材。4）合理的调整环节。5）提高仪器寿命。

一、平均读数原理

在计量学中，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。

二、比较测量原理

差动比较测量原理

一）位移量同步比较测量原理

位移量同步比较原理主要应用于复合参数的测量：渐开线齿形误差，齿轮切向综合误差，螺旋线误差，凸轮型面误差的测量

▼特点：这类复合参数一般都是由线位移和角位移，或角位移和角位移以一定关系作相互运动而成。它们的测量过程，实际上是相应的位移量之间的同步比较过程，故在设计这类参数的测量仪器中，形成了一种位移量同步比较的测量原理。这一原理的特点是符合按被测参数定义进行测量的基本原则。

二）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，并可以改善

仪器的线性度。2．光学量差动比较测量

三）零位比较测量原理

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：1．补偿环节的选择

为了取得比较明显的补偿效果，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，但通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果。

阿贝原则定义：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。

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

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共线误差微小到可以忽略不计

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。

如图3-3所示的三坐标测量机，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。

其中图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。

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。

激光两坐标测量仪中监测导轨转角与平移的光电补偿方法

3．以动态准直仪为标准器的电学补偿方法

4．标准器工作点与被测点共线的平直度测量系统

5．遵守阿贝原则的传动部件设计

例 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

0ˊ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

θ，则在测量线方向上，测端因倾斜而向左挪动 △L==h tanθ ，如无补偿措施，则此 值即为阿贝误差。

但这时与尾座联为一体的M2，N2也随之倾斜θ角，这样，刻线0ˊ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 s1 s2 = f tanθ

为了补偿阿贝误差，头座需向左

移动靠紧工件 △L=h tanθ

为使读数正确， S1S也需等于向

左移动 s1 s2 = f tanθ==△

L==h tanθ即h=f

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，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。

1)．如丝杠动态测量仪，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信号中增减脉冲数的办法来进行补偿的方案。在补偿时，

①

先测出环境的温度、气压和湿度，

②

1m长度内的激光脉冲数为 脉冲，对激光一路增减一个脉冲信号。

，则每隔

7.零位比较测量原理与利用仪器指示测量绝对值的方法相比，优点是什么?

1)在2和4之间没有放入具有偏光性质的被测物3,则检偏器输出的光通量为零;

2)在2和4之间放入被测物3, 引起偏振面旋转。使检偏器有光通量输出，使指示表的指针偏离零位。

3)通过读数装置5转动检偏器直至指示表示值再次为零，此时，检偏器的转角等于被测物引起的偏振面转角。 测量方法的误差分析:当重新调整使表指示为零时，则必须使被测量与补偿量相平衡。因此它的测量精度仅取决于指零表的零位漂移，而读数装置的非线性误差及光通量的不稳定对测量精度的影响大大减小

1—平行光光源 2—起偏器 3—被测物 4—检偏器 5—读数装置 6—光电检测器 7—放大器

8—指示表

综合补偿（最佳调整原理）的实施

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，但通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果。

造型设计是总体设计中一个重要的问题，造型设计是与设备的功能、结构、材料、工艺、视觉感受与市场关系紧密相关的重要设计工作。造型设计也是具有实用功能的设计，造型中所采用结构、材料和工艺要符合经济原则。

造型设计还要使产品的外形、色彩和表面特征符合美学原则，以适应人们的时尚要求，并从式样、形态、风格、气氛上体现时代的特点。外形轮廓应给人以美的享受，使用户喜爱它，使操作者珍爱它，加倍保护它。

下面主要从造型设计中如何依据科学技术原理和依据美学原则的两个方面进行探讨。

一、外形设计

（一）外形比例的选择

一台仪器的零部件组合必须匀称谐调，在尺寸上要符合一定的比例关系，这是达到符合美学原则的前提条件。

（二）外形的均衡与稳定

均衡与稳定是自然界物体美感的基本规律，凡是美的形象必然给人以各部分

形体间平衡、安定的视觉感。

（1）均衡，均衡是指仪器的整体各部分轻重对称，相对和协。获得形体均衡

的方法是以支承面的中点为对称轴线，使形体两边的重量矩大致相等。并以图

形、色彩等视觉重量感来弥补实际较轻的一边。从而取得较好的视觉平衡，产

生最强的静态美、条理美，但又产生心理上的庄重、严肃的感觉。

（2）稳定，对一台仪器而言，其下部分应大而重，而上面的部分小而轻，从

而使仪器自身重心较低，也给人以稳定感。除此之外，还有利用色彩对比的方

法，增强下部色彩的浓度，以达到增加下部重量感的效果。

（三）外形的风格

在艺术造型中，统一与差别，整体和个性是辩证的统一。在外形设计中，要

充分考虑到各零部件的功能和结构具有统一性和差别的因素。

（四）外形形体的过渡

（五）表面装饰处理

二、人机工程

所谓人机工程是指所设计的仪器设备要达到机器—人—环境的协调统一,使仪器设备适合人的生理和心理要求,从而达到工作环境舒适安全、操作准确、省力、轻便,减轻了劳动强度,提高了工作效率的目的。人机工程包括以下几方面：

（1）人体尺度 在仪器总体设计时，应考虑操作人员的身高、体重等与人体有关的数据，以便达到上述要求。

（2）视角要求 仪器设备的显示和读数部件对人的视觉影响最大。

（3）作用力要求 作用力要求指人在操作时，需使用的作用力的大小和作用点相对于操作者的位置。对于精密测控仪器而言，由于操作的对象是按钮，按动按钮无需很大的作用力，因此，按钮的位置需按视角要求的位置和操作者容易达到的位置来设计。

（4）工作环境和安全设计 工作环境应最大限度地减小噪音，工作的时序、操作的难易、故障的排除应有利于减轻操作者的精神紧张状况，尽量减轻人的体力和脑力消耗；在设计时，应有直接安全技术措施和间接安全技术措施。

导向精度 动导轨运动轨迹的准确度，直线度。

1）导轨的几何精度—导轨的几何精度包括导轨在垂直平面内与水平面内的直线度，导轨面间的平行度和导轨间的垂直度。

2）接触精度—指动静导轨之间的微观不平度，它将影响导轨的接触变形。因此要求接触积大于80%。为此，要有粗糙度指标。 对滑动摩擦导轨、动导轨 Ra 0.2 0.8 m；静导轨=0.1—0.4 对滚动摩擦导轨 Ra 0.2 m

3）实际上因导轨引起的误差是很复杂的。以单轴方向导轨为例：其存在扭摆（Raw）误差、俯仰 (Pitch) 误差和偏转(Roll)误差，此外还有两维平行度(Straightness)误差、线性（Linear）误差。

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。

1) 支承件的结构特点和设计要求

基座立柱 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。

A要具有足够的刚度，力变形要小 B稳定性好，内应力变形小 C热变形要小 D良好的抗振性 相应措施

A刚度设计常采用的方法有模拟试验法（仿真试验）、量纲分析法和有限元分析法。有限元分析已有成熟的分析软件可借用。采用正确的结构设计也是保证支承件刚度的重要手段。

B对铸造的基座和立柱要进行时效处理，以消除内应力，减少应力变形。时效处理的方法有两种，即自然时效和人工时效。

C严格控制工作环境温度, 控制仪器内的热源, 采取温度补偿措施

D在满足刚性要求情况下，尽量减轻重量，以提高固有频率，防止共振；如合理地选择截面形状和尺寸，合理地布置肋板或隔板以提高静刚度；减小内部振源的振动影响，如采用气体、液体静压导轨或轴系；对驱动电动机的振动加隔离措施；对运动件进行充分润滑以增加阻尼等；采用减振或隔振设计，如弹簧隔振、

橡胶隔振、气垫隔振等。

2) 支承件的结构设计内容

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：构件受压时变形量与截面积大小有关；受弯、扭时，变形量与截面形状有关。参阅表4-1横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较进行设计

2）合理地选择和布置加强肋，以增加刚度，参阅表4-1-1所示各种肋条(板)的形状及其优缺点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 通常要求基座及支承件的材料具有较高的强度和刚度、耐磨性以及良好的铸造、焊接以及机械加工的工艺性参阅表4-1-2 支承件常用材料性能及改善措施6)基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度设计可参阅表4-2

主轴回转精度

包括：径向、轴向、倾角、端面误差运动。

①径向误差运动—包括倾角运动和纯径向运动之和。

②径向跳动—包括径向误差运动及偏心和圆度误差

③端面误差运动—轴向误差运动

④端面跳动--端面误差运动及端面与轴线的垂直度、平行度。

主轴回转精度 定义：指旋转体回转轴线相对于其轴线平均线的位置变动。

基本要求

A主轴回转精度

造成回转误差的原因

是主轴和轴承的尺寸误差、形状误差、装配误差及刚度、润滑、阻尼等因素综合作用的结果。 B主轴刚度

提高主轴刚度的措施：

①加大主轴直径，但导致机构尺寸加大。一般D取锥孔大端直径的1.5—2倍

②合理选择支撑跨距

③缩短主轴悬伸长度a / l0=1/2—1/4

④提高轴承刚度

C主轴系统振动

引起原因：传动轴与主轴连接方式不好；主轴上的零部件不平衡。因此，不能采用刚性连接的方法。一般采用弹性元件连接，以力偶的方式传递

D主轴系统的热稳定性

减小力变形 主轴设计应形状简单，避免产生应力变形。主轴上的紧固件尽量少，以减小夹紧应力产生变形。必要时应设计有凸肩。

E寿命

①加大主轴直径，但导致机构尺寸加大。一般D取锥孔大端直径的1.5—2倍

②合理选择支撑跨距

③缩短主轴悬伸长度a / l0=1/2—1/4

④提高轴承刚度

1．密珠轴承轴系的特点及结构 密集的滚珠近似于多头螺旋排列，每个滚珠公转时有自己滚道， 互不重复。滚珠装配时过盈，相当于预加载荷，起到消除间隙，减小几何形状误差。这种轴系成本 低，使用方便，寿命长，精度高，但承载能力不大。

2．密珠轴承设计要点

滚珠的密集度：适当提高滚珠密集度，即增加滚珠数量，可以使主轴的“飘移”有所改善，所以，提高滚珠的密集度是有好处的。但过多的增加不仅使结构尺寸增大，而且摩擦力矩随之增大，影响主轴运动的灵活性。一般根据受力情况按公式（4-47）、式（4-50）计算，再考虑结构的可能性和过盈量确定滚珠数量。 滚珠的排列方式：排列方式必须满足每个滚珠的滚道互不重叠，并在直径方向上滚珠的配置成对称的原则。 过盈量的确定过盈量能补偿轴承零件的加工误差，提高轴系的回转精度和刚度。过盈量过小则不能消除轴承间隙，回转精度和刚度均下降；过盈量太大，则摩擦力矩增大，轴系转动的灵活性降低，主轴、轴套、滚珠的磨损加快，还容易引起轴、套和滚珠的塑性变形，破坏原有几何形状的正确性，同样会引起回转精度下降。

动压轴承获得油动压的条件是：

1）在结构上，轴承必须有斜楔。主轴只有向斜楔减小方向转动时，才会产生油动压，若主轴转动速度高，则油膜加厚。因此为保证主轴有高的回转精度，转速应均匀。不允许向斜楔增大方向转动，这时没有油动压，主轴与轴承刚性接触，而产生磨损。

2）轴系在转动之前必须加有一定粘度的润滑油，进行充分润滑。润滑油不能随便代替，必须用圆度仪主轴专用油。

闭式平面导轨型 导轨精度高，刚性大，承载能力也大，最适于作精密机械的长行程导轨。经过研磨，使导轨面的精度和导轨与工作台之间的间隙达到所需要的数值 。

闭式圆柱或矩形导轨型 结构简单，零件的精度可由机械加工保证。随着工作台的移动，导向圆轴可能产生挠度，故不适用做长导轨，可用于高精度、高稳定性的短行程工作台的导轨。

开式重量平衡型 这是工作台重量（包括负载）与空气静压相平衡保持一定间隙的一种形式，其结构简单、零件加工也比较容易。但刚度小，承载能力低，可用于负载变动小的精密仪器和测量仪器。

开式真空吸附平衡型 其结构与重量平衡型相同。由真空泵的真空压力来限制工作台的浮起量，因此，可以减少工作台浮起间隙量，甚至可以减少到1μm，故可提高刚度。常在微细加工设备中应用。如250CC型图形发生器X向导轨，就是用气垫中心真空吸附加载的，在气垫外环有气浮平衡以保持间隙。

微位移技术是一行程小、分辨力和精度都很高的技术，其精度要达到亚微米和纳米级。通常把应用微位移技术的系统称为微系统，它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成。

柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在3′的角度范围内，达到了10-7（°）的稳定分辨率。近年来，柔性铰链又在精密微位移工作台中得到了实用，并被广泛地用于陀螺仪、加速度仪、精密天平等仪器仪表中。柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。

（一）设计要求

1）微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。

2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复性精度。

3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好。

4）微动工作台应具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。

5）工作台最好采用直接驱动，即无传动环节，这不仅刚性好，固有频率高，而且减少了误差环节。

6）系统响应速度要快，便于控制。

（二）精密微动工作台设计中的几个问题

（1）导轨形式的选择 在微动工作台微位移范围内，要求工作台有较高的位移分辨率，又要求响应特性好。因此要求导轨副导向精度高。

▼滑动摩擦导轨摩擦力不是常数，动、静摩擦系数差较大，有爬行现象，运动均匀性不好。

▼滚动摩擦导轨虽然摩擦力较小，但由于滚动体的尺寸一致性误差、滚动体与导轨的形状误差会使滚动体与导轨面间产生相对滑动，使摩擦力在较大范围内变动，即动、静摩擦力也有一定差别，也有爬行现象产生，但运动灵活性好于滑动导轨。

▼弹性导轨，包括平行片簧导轨和柔性支承导轨，它们无机械摩擦，无磨损，动、静摩擦系数差很小，几乎无爬行，又无间隙，不发热，可达到很高的分辨率，是高精度微动工作台常用的导轨形式，但它们行程小，只适合用于微位移。

▼空气静压导轨，这种导轨导向精度高，无机械摩擦、无磨损、无爬行，又具有减震作用，但成本较高。

▼在要求既要大行程，又要高精度微位移情况下，可采用粗、细位移相结合的方法。大行程时用步进电动机以机械减速机构推动工作台在空气静压导轨上运动，而微位移时用压电器件推动工作台以弹性导轨导向运动。

（2）微动工作台的驱动 微工作台的驱动可采用如下方法：

▼电机驱动与机械位移缩小装置(杠杆传动、齿轮传动、丝杠传动、楔块传动、摩擦传动)相结合，这是一种常规方法，但结构复杂、体积大、定位精度低于0.1μm。适于大行程，中等精度微位移场合。 ▼电热式和电磁式机构较简单，但伴随发热，易受电磁干扰，难以达到高精度，一般为0.1μm左右，行程较大，可达数百微米。

▼压电和电致伸缩器驱动不存在发热问题，稳定性和重复性都很好，分辨力可达纳米级，驱动工作台的定位精度可达0.01μm。但行程小，一般为几十微米。

（3）微动工作台的控制 微动工作台的控制有开环控制和闭环控制，并配有适当的误差校正和速度校正系统。对于闭环控制还要有精密检测装置。用微机进行控制具有速度快、准确、灵活、便于实现精密微工作台与整机的统一控制等优点，是目前发展的主要方向。

一．压电及电致伸缩器件 压电器件和电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件，它结构紧凑，体积小，位移分辨力高，控制简单，不发热，抗干扰性强，因而是理想的微位移器件，分辨力可达到0.001μm，定位精度可达到正负0.01μm

二．在微位移器件中压电及电致伸缩器是应用逆压电效应或电致伸缩效应工作的

压电微位移器件是用逆压电效应工作的，广泛用于激光稳频、精密微动及进给等。对压电器件要求其具有压电灵敏度高、行程大、线性好、稳定性好和重复性好等。

电磁驱动器是用电磁力来驱动微工作台。微工作台可用平行片簧导轨导向，也可用金属丝悬挂导向。原理见图4-96。通过改变电磁铁线圈的电流来控制电磁铁的吸引力，克服弹簧的作用力，达到控制工作台微位移的目的。电磁微驱动器方法简单，驱动范围大，但线圈通电流后易发热，易受电磁干扰。

简单说压电效应分正压电效应（顺压电效应）和逆压电效应（电致收缩效应）。前者是机械能转变为电能，后者是电能转变为机械能。

具体说：当某些物质沿其某一方向被施加压力或拉力时，会发生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷；当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象叫压电效应。有时，也把这种机械能转变为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应。反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种电能转变为机械能的现象，称为逆压电效应或电致收缩效应。

1、柔性支承一压电器件驱动的微位移机构 这种机构是一种新型微位移机构，微移动工作台被安装在柔性支承上；压电元件在电压驱动下可精密伸长与缩短，并推动柔性支承与工作台一起位移。由于柔性支承无间隙、无摩擦、不发热，而压电驱动精度高、无噪声、不受温度和电磁场影响、体积小、不老化，因而很容易实现0.l～0.001μm的微位移。

2、平行片簧导轨一电压器件驱动的微位移机构 微工作台由平行片簧导向，压电器件驱动，无间隙，无摩擦。微位移时片簧产生的弹性变形，即为工作台的微位移。这种微位移机构可以达到O.Olμm的位移分辨力，方法简便，精度高，是常用的微位移机构。

3、滚动导轨一压电器件驱动 滚动导轨是精密仪器中常用的导轨形式，它具有运动灵活、行程大、结构较简单、精度较高等优点。用压电器件驱动，可以得到高的位移分辨力。这种组合的微动工作台，易于实现大行程及微位移的结合。

4、平行片簧导轨一步进电机及机械式位移缩小机构驱动 微位移机构用平行片簧导轨，驱动采用步进电机，为获得微位移，需将步进电机的输出用机械式位移机构缩小，如用精密螺旋传动、弹性传动、齿轮传动、楔块传动等。

5、平行弹簧导轨一电磁位移器驱动 为克服丝杠螺母机构的摩擦和间隙，可采用电磁驱动的弹簧导轨微动工作台，其原理见图4-92。微动工作台用平行片簧导向，在工作台端部固定着强磁体，如坡莫合金制成的小片，与坡莫合金小片相隔适当的间隙装有电磁铁，通过电磁铁的吸力与上述平行片簧导轨的反力平衡，进行移动工作台的定位。

6、气浮导轨一步进电机及摩擦传动 弹性导轨是为解决高分辨力而采用的，但行程小。为解决大行程和亚微米分辨力的矛盾，可采用气浮导轨。气浮导轨精度高，极灵敏，无摩擦，无磨损，运动平稳。摩擦传动无振动，运动平稳，缩小比大，定位精度可达±O.1μm。图4-93是用于分步重复照相机上的气浮导轨—步进电机及摩擦传动工作台。

7、二维X-Y双向微位移工作台 由于常用的压电和电致伸缩传感器本身的最大伸长量为8～25μm，不能满足宽范围微位移工作台的要求，故常采用一级或两级杠杆放大机构，以达到宽范围的位移。

X、Y双向微位移部分，互相垂直地设计在同一整体结构平面内，其中X向微位移部分，刚性地嵌套在Y向微位移部分工作台之内，即内层为X向工作台，外层为Y向工作台。通过二级杠杆放大机构驱动，可以实现无爬行、无蠕动、无转角的大范围移动。

1. 测量电路

测量电路是信息流的输入通道，其作用是将传感器输出的测量信号进行调理、转换、或者运算等。 测量电路包含的电路类型众多，例如各种放大电路、调制解调电路、滤波电路、阻抗变换电路、电平转换电路、模数转换（A/D）电路、频率-电压转换电路、傅立叶变换电路、量程自动切换电路、非线性补偿电路、温度补偿电路、运算电路等等。

2. 控制电路

控制电路是信息流的输出通道，其作用是根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。 控制电路也包含多种电路，例如各种电压放大电路、电流放大电路、功率放大路、驱动与隔离电路、数字模拟（D/A）转换电路、电压-电流转换电路、遥控电路等。

3. 中央处理系统

中央处理系统同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道，因此它是整个电路与软件系统的中心，同时也是整个测控仪器的神经中枢。

多数的中央处理系统一般都采用计算机。小型的测控仪器常采用单片机(MPU)、微处理器(μP)、可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理(DSP)芯片，并配以相应的外围电路，组成便携式测控仪器和工业过程控制仪器。

4. 电源

上述的测量电路、控制电路和中央处理系统在硬件形式上均为电路系统，因此电源是必不可缺的重要环节。电源的主要作用包括：①为整个电路系统各单元提供必要的能量，②为各个电路单元提供电平基准，③为测量信号和控制信号提供参考电平等等。

5. 软件系统

在基于计算机或各种微处理器构建的中央处理系统中，必须配以软件系统才能正常工作，否则系统将成为“裸机”。

软件系统对于完成各种信息处理、提高系统的自动化和智能化水平、提升系统性能和可靠性、共享测量数据以及系统之间互相通讯和联络等具有直接的作用，同时它也是提高测控仪器附加值的重要手段之一。

信噪比：衡量系统抗干扰能力的技术指标，以有用信号强度与噪音信号强度之间的比率来表示，称其为信号噪声比，简称信噪比（Signal/Noise），通常以S/N表示，单位为分贝（dB）

分辨力：对于数字式仪器分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值。对模拟式仪器，分辨力就是分度值。

线性度：测控系统的实际静态特性输出是一条曲线而并非是一条直线。

灵敏度：在稳态工作情况下输出量变化△ y 对输入量变化△ x 的比值。它是输出－输入特性曲线的斜率。 量化误差：当输入量的变化小于数字电路的一个最小数字所对应的被测量值时，数字系统将没有变化，这一误差称为量化误差。

稳定性（漂移）一般分为时间稳定性（时间漂移）和温度稳定性（温度漂移）两种。时间稳定性是指测控系统在不同时间段内特性的稳定程度。

频率特性：在动态测试情况下，输出信号幅度和相位随输入信号的频率变化而变化的特性，即幅频和相频特性。

输入与输出阻抗

对于模拟式控制电路，抗干扰能力差将导致控制准确性的降低；而对于数字式控制电路，抗干扰能力低将有可能产生误动作，从而带来破坏性的后果。

其影响包括：①非线性的标尺和刻度盘难于制作；②在系统换档时需要重新标定；③测试数据记录容易失真；④当进行模/数、数/模转换时不易保证精度；⑤当进行反馈控制时，控制方法和算法不易实现等。提高灵敏度，可以提高信噪比和分辨力，从而得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

选用不同的传感器、电子元器件以及电路原理，可对信噪比有较大的改进①选择适当的测量电路形式，选取合适的测量段，可以显著减小非线性误差。②可以通过适当设计或增加补偿和校正环节，降低非线性误差。灵敏度与系统的量程及分辨力是相互关联的指标，需要统筹考虑

对于输出模拟信号的传感器而言（如图5-2所示），放大电路和滤波电路一般是必需的。 对于需要交流激励信号的传感器而言，还需振荡器和调制解调器。很多测控场合还需运算电路，来实现一些简单的运算和数据处理任务。对于采用计算机和微处理器的场合，常常还需模数转换电路。

对于输出数字信号的传感器而言，计数器和锁存器一般是必需的（如图5-3所示）。对于传感器输出数字信号与后续电路不匹配（如TTL信号与CMOS信号等）的场合，还需电平转换电路。对于传感器输出正弦波的场合，还需整形电路将正弦波转变为方波。对于传感器输出连续脉冲的场合，还需辨向电路判断被测量变化的方向。为了进一步提高分辨力和精度，还常常采用细分电路。

对传感器输出的微弱模拟信号（电压、电流或者电荷）进行放大，以便满足测量灵敏度和后续电路的要求。这些放大电路也称测量放大电路或仪器放大电路。

① 噪声要求：要求放大电路具有较高的信噪比。

② 稳定性要求：包括较低的输入失调电压和失调电流，温度漂移和灵敏度漂移要小等。

③ 阻抗要求：放大电路的输入阻抗应与传感器的输出阻抗相匹配。

④ 增益要求：要求放大电路具有一定的放大倍数，增益稳定，以免降低测量精度。

⑤ 速度要求：要求放大电路有足够的带宽和转换速率，以满足采样速率的要求。

主要取决于传感器输出信号的形式和后续电路（中央处理系统活控制电路）的输入要求。建议优先选用集成运算放大器。

① 阻抗匹配问题：有时，传感器的输出阻抗很高，例如压电式传感器，必须配接高输入阻

抗的放大器。可以采用跟随器电路。

② 漂移问题：应优先考虑低温漂或具有自动稳零功能的放大器。斩波放大器提供了较低的电压和较低的随温度变化的偏置电压漂移，是一种很好的选择。

③ 增益问题：放大器增益的选择和确定应权衡量程与分辨力两方面的因素。当二者不能同时满足时，可以考虑采用量程切换的方法。

在大多数场合下，被测量都是模拟量，传感器的输出也多为模拟电压信号。为了适应后续的计算机处理，完成将模拟量转换成一定位数的数字量的器件就是模拟／数字转换器，简称A/D转换器。

按照模拟/数字转换的原理，A/D转换器可以分为双积分式、逐次逼近式、并行比较式、Σ-Δ式等；按照转换器的位数，可以分为8位、10位、12位、16位、24位等；按照转换速度的高低，有可以分为低速和高速两种。

A/D转换电路的设计主要应考虑以下几方面因素：

① A/D转换器的位数：一般说来，位数越多，分辨率越高，量化误差就越小。因此，A/D转换器的相对精度也常用最低有效值的位数LSB来表示，即：1 LSB = 满刻度值/2n。

② 线性误差：指A/D转换器在满量程内的输入和输出之间的比例关系不是完全的线性而产生的误差。

③ 转换时间 ：指A/D转换器完成一次转换所需要的时间，是从模拟量输入至数字量输出所经历的时间。

④ 基准电源稳定度：当基准电源电压变化时，将使A/D转换器的基准电压发生变化，从而使输出数字量发生变化。这种变化的实质，相当于输入模拟信号有变化，从而产生误差。

[5-7] 试分析：由微处理器和由卫星计算机构成的中央处理系统的区别？举例说明各自的应用场合。

在设计D/A转换电路时，应注意考虑以下几个问题：

① D/A转换器位数：为了适应不同控制精度的要求，可采用8位、10位、12位或更多位的D/A转换器。 ② 输出接口的设计：D/A转换器的输出信号可为电压信号或电流信号，而输出信号幅值的大小与D/A转换器的参考电压的高低成正比，输出信号的极性可为单极性或双极性等。

③ D/A转换器的调整：在投入正常工作之前，必须要对放大器进行零点和满刻度的调整，同时对D/A转换器本身进行调整，以保证零点的正确性和满刻度输出幅值的要求。

④ D/A转换器的时钟匹配：在硬件系统设计时，要正确选择D/A转换器件和EPROM器件，使其能保证与计算机的时钟相匹配。另外，计算机输出的数据保持时间必须要大于D/A转换器的数据保持时间，否则将出现D/A转换的不稳定。

⑤ D/A转换器参考电压的确定：D/A转换器的输出准确度主要取决于参考电压的精度，因此对于参考电压的选择应根据系统的精度要求来确定。一般情况下，可将参考电压直接接电源（正电源或负电源）；当D/A转换精度要求较高时，可采用精密电压集成电路来提供高精度基准电压。

⑥ D/A转换器输入接口设计：D/A转换器的输入接口电路一般可分为直通型和缓冲型两种。对于直通型的输入通道，计算机的数据可直接打入D/A转换器进行转换，电路系统简单，执行速度快，常用于连续反馈控制系统中。对于缓冲型通道又可分为单级缓冲和二级缓冲两种，二级缓冲通道主要用于多路D/A转换器同步系统中，单级缓冲通道主要用于一路D/A转换器系统或多路D/A转换器不需同步的系统中。

信号隔离：将转换电路与驱动电路的之间的电联系切断，从而保护控制电路。

光电隔离的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地，因此输入回路与输出回路完全隔离。同时光电耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压，不会击穿器件。因此当外部设备出现故障，不会损坏控制电路和计算机系统。从而避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。采用光电耦合器件的输入隔离电路具有很好的适用性，特别适合驱动一些高压器件和设备，可以有效保护测控系统的安全。

作为电路系统的基准，如果电源输出电压的稳定性不好，必然导致测控系统精度下降，甚至出现错误判断和动作。在极端情况下，电压太低则系统无法工作，电压太高会烧坏系统。因此，测控仪器系统一般均采用稳压电源，而稳定性是首要的技术指标。 ① 稳压系数：在开路情况下，输出电压Vo变化量与输入电压Vi变化量之比，即Sr= VO VI VO VIIO=0 ② 电压调整率(Line Regulation)：是指在负载不变的条件下，输入电压变化时电源维持输出电压不变的能力。一般采用在开路情况下，当输入电压相对变化为ΔVi/Vi=±10%时，输出电压的变化量与输入电压变化量之比表示电压调整率，即SV=1 VOVO VIIO=0, Vi/Vi 10% 100%

③ 负载调整率(Load Regulation)：输入电压不变而输出电流从零（空载）变化到最大额定值（满载）时，输出电压的相对变化值，因此也称为电流调整率，用百分比表示为

SI= VOVO VI=0,Io 0~max 100%

④ 纹波抑制比：理想的直流稳压电源输出的应是干净的直流电，没有任何交流成分。但是实际的稳压电源

均不同程度地存在交流成分，称之为纹波。纹波过大，会对电路芯片造成不良影响。纹波抑制比是指输入纹波峰值Vipp与输出纹波峰值Vopp之比的分贝数，即

Srip=20lgVip-pVop-p

信号地线的接地方式有两种：即一点接地和多点接地。不论采取何种方式，都应注意两点：①所有的导线都具有一定的阻抗，包括电阻和电抗；②两个分开的接地点难于做到等电位。

① 一点接地

串联式一点接地方式各电路的地线是串联的，电路比较简单，但容易相互干扰。通常在制作电路板时，习惯于采用这种方式。

并联式一点接地方式，各电路的地线是并联的，各自的地电位由各自的地电阻和地电流所决定，不存在共用阻抗耦合产生的干扰。从防止低频噪声（1MHz以下）的角度来看，并联接地方式较好。但它不适于高频场合，因为高频不仅增大了地线阻抗，而且由于导线电感的不可忽视，将造成相应之间的电磁耦合。同时，地线间的分布电容招致的耦合也严重起来。特别是当地线的长度是1/4波长的奇数倍时，地线阻抗会变得很高，这时地线就变成了天线，可以向外辐射噪声。所以在高频（1MHz至10MHz）应用时，地线的长度应小于信号波长的1/20，以防止辐射噪声，并降低地线阻抗。

② 多点接地

为了降低地线长度，在高频(10MHz以上)场合多数采用多点接地方式，因为随着频率的增高，地线阻抗中的感抗分量将显著增大。因此，在高频场合下，缩短地线长度成为降低地线阻抗的关键。

③ 电路的单地原则

精密测量系统中，特别是前置放大电路，若有两个接地点，则很难获得同一电位，其对地电位差将耦合至放大器。为了消除噪声，应取消一条地线。

④ 电缆屏蔽层的接地

当信号电路确定为一点接地之后，低频信号线的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层的接地点不只一个，则在屏蔽层将产生噪声电流，对于扭绞的芯线将耦合不同的电压，构成噪声干扰。电缆屏蔽层的一点接地的位置不同，其效果也不一样。当信号源不接地，而放大器接地时，输入端的电缆屏蔽层应接至放大器的公共端此时无噪声电压，而其他位置均有噪声电压。当信号源接地，而放大器不接地时，输入端的电缆屏蔽层应接至信号源的公共端，此时无噪声电压，而其他位置均有噪声电压。

软件设计的结果因人而异、各不相同，甚至大相径庭。但是，同其他计算机系统一样，测控仪器系统的软

件设计也应当遵循一定的设计原则。

(1) 先进性：软件设计方法与采用的工具要符合计算机技术发展趋势，采用先进成熟的技术和手段，易于技术更新。

(2) 可扩充性：软件系统的架构应当方便系统和支撑平台的升级，满足用户对信息需求不断变化的需要，

以及系统投资建设的长期性效益。

(3) 灵活性：通过采用结构化、模块化的设计形式，满足系统及用户各种不同的需求，适应不断变化的要求。

(4) 规范性：采用的技术标准要遵循国际标准和国家标准与规范，保证系统发展的延续和可靠性。

(5) 系统性：软件的设计并不是独立于系统硬件之外的，应当在满足系统设计的总体前提下综合考虑。典型的情况，就是经常采用“以软代硬”的方法。

提高硬件可靠性的一般方法

在测控仪器系统中，如何提高硬件系统的可靠性，是整个系统设计的关键。影响测控系统可靠性的因素中，有约45%是来自系统设计。为了保证整个系统的可靠性，在对电路系统进行设计时，应按最坏的情况设计。

(1) 注意元器件的电气性能

元器件的电气性能是指元器件所能承受的电压、电流、功率等。在使用时不能超额工作。

对于电阻，除了要清楚阻值以外，还要注意误差和功率。

对于电容，在多数情况下，将电容值改变10%-100%，对电路没有严重影响（滤波器和RC和LC等电路除外）。但应注意电容的耐压值，所选用的电容的耐压值一定要高于系统中的电压值，以避免电容器击穿。另外，断开电源后，电容上积累的电荷不会马上消失。一般要在电容器的引出线与公共线或地线之间并接1KΩ左右的电阻，为电容器提供一条泄放回路。

对于CMOS数字集成电路，输入信号的幅值应处于地与电源之间，应尽量避免输入缓慢上升或下降的信号，以免产生额外的功耗，通常上升时间以15μS之内为宜。未采用的引脚输入端必须和电源或地相连，否则易于出现异常现象或发生过流损坏。输出端不许短路，尤其不能与电源和地短路。对CMOS集成电路焊接时，应先切断电源，利用余热进行焊接。

对于使用最多的TTL集成电路，电源电压不应超过5±0.25V，否则容易造成芯片损坏，或使芯片处于不正常的工作状态。输入信号的幅值应处于地与电源之间，固定的高电平应接在电源上，固定的低电平应接在地上。

(2) 设计时应考虑环境条件对硬件参数的影响

由于环境因素的影响，不少测控系统实验情况虽然良好，但在现场长期运行就频繁出现故障。具体表现为：

① 温度：元件温度过高或过低，都将增加其失效率。在进行系统设计时，应按元器件热参数的上下界，采用降限使用。同时应适当采取一定的降温或升温措施，以减少故障。

② 干扰：在测控系统中，各种电磁干扰都可能耦合到控制系统中，也可能窜入计算机中，在设计时应考虑采用各种有效的抗干扰措施。

③ 电源：由于电源本身的波动以及各种干扰经电源进入系统，对测控系统影响严重。在设计时必须采取相应的措施。系统供电电源的容量应大于负载的最大值，并应留有足够的余量。

④ 空气：在有些现场，空气质量很差。其中湿度很大，有时还有各种腐蚀气体等。这些对电路元器件以及集成电路引脚都有较大影响，必须予以足够的重视。

(3) 考虑组装工艺

在硬件设计中，组装工艺直接影响硬件系统的可靠性。有时由于工艺上的原因引起的故障很难定位排除。例如，一个焊点出现虚焊时，必将导致这个系统在工作过程中时隐时患，出现工作不正常的现象。在设计印制电路板时应引起足够的重视和考虑。

(4) 优化结构设计

结构可靠性设计，是硬件可靠性设计的后期阶段。在结构设计时，首先应注意元器件及设备的安装方式，其次是控制工作环境条件，如通风，除湿，防尘等。

(5) 冗余设计

硬件系统的冗余设计可以在元件级、子系统级、系统级上进行。但是冗余设计必须增加硬件，增加成本。因此在设计时应仔细权衡利弊关系。常用的措施是采用若干设备并联，当并联系统中至少有一个装置工作正常时，整个系统即维持正常工作。在并联系统中，如果所有设备同时运行，则称之为热备份；如果只有一个设备运行，其它设备不工作，则称之为冷备份。

软件可靠性的定义是：软件按规定的条件，在规定的时间内运行而不发生故障的能力。

为了保证软件的可靠性，应在软件寿命周期的各个阶段千方百计地减少缺陷。具体如下：

(1)需求分析阶段：主要措施是，全面理解用户的使用要求、使用条件和软件功能，在全面分析和与用户充分交换意见的基础上，制订出软件的技术规格书。该规格书要说明测试软件的方法，有完整的软件技术要求，用语要准确和规范。

(2)设计阶段：要把软件的技术要求转换成设计方案。可采取的方法有：自顶向下设计、采用结构化程序设计、容错设计、设计评审、（标准）模块化设计、制订和贯彻软件可靠性设计准则。

(3) 编码阶段：编码就是把设计方案变成计算机语言，也就是所谓的编程序。编码产生的缺陷也是软件缺陷的一个主要来源。常见的编码缺陷有：键入错代码、原始数据输入错误（含单位不一致等）、用了被零除这类不正确表达式等。应在编码过程中尽可能早地查出缺陷并予以改正。

(4) 检验阶段：检验阶段主要任务是发现软件中的缺陷，并加以清除。这个阶段对于保证软件的可靠性是很关键的。为了查找缺陷，首先要对软件进行静、动态调试。需检查源程序的结构、方法和过程间的接口是否有误，运行时是否存在不必要的功能，检查“要求”、“数据”、“结果”和“内部程序工作状态”对应关系是否正确。软件的测试按模块测试、整体测试和系统测试的次序依次进行，最终确认软件的全部功能能否正确而完全地实现。

(5) 维护阶段：软件交付使用后，要对使用中发现的残存缺陷进行纠正。同时，由于软件的运行环境和调试时不尽相同，也需对软件进行必要的修改、补充和完善。此时用户也可能提出一些新的要求。此外，还应经常研究出错的记录，前后对照和分析，弄清楚软件是否存在某种隐患。

软件的可靠性设计方法

(1) 数字滤波

数字滤波(Digital Filter) 是通过软件计算的方式完成对信号的滤波，具有更强的适应性，复用性好，允许自行定义分割点频率，修改方便，可实现超低频滤波。

常用的软件滤波方法：

平均值滤波：把n次采样结果的算术平均值作为输出，也可以根据需要改变采样值的权，形成加权平均值滤波。适用于对具有随机干扰的信号进行滤波，缺点是速度慢。

中值滤波：把M次连续采样值进行排序，取其中位值作为滤波器的输出。这种方法对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，缺点是对快速变化的参数不宜。 平滑滤波：把连续取n个采样值看成一个序列，序列的长度固定不变，采取先进先出原则，把队列中的n个数据进行算术平均运算并输出。平滑滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的测控系统，缺点是灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合。

限幅滤波：根据采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最大可能差值Δ，将本次采样和上次采样的差值小于等于Δ的信号认为是有效信号，大于Δ的信号作为噪声处理，放弃本次测量值，采用上次测量值代替本次值。优点是能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，缺点是无法抑制周期性的干扰，平滑度差。

卡尔曼滤波：1960年，美国数学家卡尔曼(R. Kalman)提出了一种数学方法，可以把随机出现的干扰“滤”掉，使监测的数据和真实值达到最佳吻合，这便是著名的卡尔曼滤波。卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法（optimal recursive data processing algorithm），对于大部分的问题是最优的、效率最高的甚至是最有用的算法。它的广泛应用已经超过30年，包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面

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