测控仪器设计 - 图文

第一部分（填空、选择、判断）

1、准确度，精密度，正确度的含义。

1）正确度：反应系统误差，表征测量结果稳定地接近真值的程度。 2）精密度：反映随机误差，表征误差的分散性。 3）准确度：是系统误差和随机误差的综合反映。

2、仪器动态特性的描述方法（微分方程、传递函数、脉冲响应函数和频率响应函数）。

1.传递函数（复域） 2.脉冲响应函数（时域） 3、频率响应函数（频域）。

3、仪器误差来源于哪些方面，按数学特性如何分类？

1.原理误差。（从数学特性上看多为系统误差） 2.制造误差。（从数学特性上看多为随机误差） 3.运行误差。（从数学特性上看多为随机误差）

4、激光测径仪的工作原理及原理误差分析。

原理：激光束沿径向匀速扫描，被工件挡住时，光敏原件检测输出低电平。根据扫描速度和被挡住的时间可以求出工件的直径。 误差来源：扫描光束不匀速而带来的原理误差。

5、如何用文字和公式描述误差独立作用原理。

△y=?i?1n?y?q0i?q??pq???Q

ii?1iii?1inn 一个源误差仅使仪器产生一个局部误差，局部误差是原误差的线性函数，与其他源误差无关。仪器总误差是局部误差的综合。

9、阿贝原则的描述及阿贝原则扩展的含义。

阿贝原则：对于线值尺寸测量，为使仪器能给出正确测量结果 , 必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上。

阿贝原则的扩展：①标尺与被测量一条线 ; ②若做不到 , 则应使导轨没有角运动 ; ③应跟踪测量算出偏移加以补偿。

10、1m激光测长机的工作原理及减小力变形影响的措施。 工作原理：利用激光干涉原理测长，属相对测量。 减小力变形影响的措施：（1）将固定角隅棱镜9与尾座5固定在一起。（2）固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆10的轴线离导轨面等高的同一平面内（3）可动角隅棱镜的锥顶位于测量主轴的轴心线上。（4）减小d

消除力变形的影响，最有效的方法是采用补偿法和结构设计法。

11、测控仪器的设计原则有哪些？

1.阿贝原则。2.变形最小原则。3.测量链最短原则。4.坐标系基准统一原则。5、精度匹配原则。6、经济原则。

12、平均读数原理在仪器设计中的应用（双头读数和多头读数的优点） 双头读数可以消除奇次谐波误差。

实际设计中常采用均布n个读数头，并取n个读数头的读数值的平均值作为读数值，可以消除k=cn阶谐波以外的所有谐波对读数误差的影响。

13、机械式和电子式位移量同步比较测量原理的应用（小模数渐开线齿形检查仪和万能齿轮整体误差测量机）。

16、标准量的作用是什么？有哪些分类？标准量的细分方法有哪几种？

标准量的作用有：①用来与被测件进行比较，实现测量 。②用来标定仪器的示值或检定仪器的示值误差。 标准量的分类：

单值标准量（量块、砝码）。

多值标准量（线纹尺、度盘）。

绝对码标准量（线纹尺、度盘、砝码）。 增量码标准量（光栅尺、激光干涉波长）。

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。

细分的方法与所采用的标准量类型密切相关 , 可分为光学机械细分法与光电细分法两大类。

18、常用总线的分类，各有哪些总线，各自的特点及应用场合如何？

1.内部总线：内部总线是用于系统内部连结芯片与芯片、芯片与微处理器的元件级总线 。（如IC、SPI、SCI）

2.系统总线：系统总线是用于联接模板与模极的板级总线 , 目前在微型计算机中广泛应用的系统总线有 ISA 总线、 PCI 总线和 AGP 总线。 3.外部总线：外部总线是用于联接系统与系统之间交换信息与数据的通信总线 , 亦称通信总线。外部总线根据传送数据的形式又可分为并行总线的串行总线两种。（如RS-232-C、RS-485、IEEE-488） GPIB 总线是字节串行、位并行总线 。

20、基于个人计算机的中央处理系统有哪三种形式，各自的设计要点是什么？ 基于PC机的测控仪器中央处理系统可分为内插式、外接式和组合式三种。 在设计内插式测控仪器时应留意可用的扩展槽的总线形式 。

外接电箱可以独立供电 , 且不 受 PC 机总线的限制 , 必要时可以有自己的微处理器和总线结构 , 其特点是灵活方 便 , 适用于多通道、高速数据采集

2

或一些特殊场合的测控要求。

组合式系统是将内插式和外接式两种方式有机结合起来 , 兼有两种方式的优点或特长。

21、电路系统的设计准则有哪些？测控系统中常用电源有哪些类型，各有什么优缺点。

电路系统的设计准则：( 一 ) 总线化准则。( 二 ) 模块化准则。(三)可靠性准则。 电源类型： 干电池：（低功耗、便携、但寿命短）。

线性直流稳定电源：（稳定性高、纹波小、可靠性高、易做成多路、输出连续可调、但 体积大、笨重、效率相对较低）。 开关型直流稳压电源：（体积小、重量轻、稳定可靠、电压范围宽，但纹波较大）。 集成稳压器：（不是单一电源，可以变换和处理）。

22、仪器电路系统的干扰源、干扰耦合方式、干扰形态有哪些？对不同干扰应该如何抑制？测控系统的接地设计方法。

干扰源：1、来自信号通道的干扰。2、来自电源的干扰。3、来自空间辐射的

干扰。4、来自元器件和电路板的噪声。

干扰耦合方式：1、静电耦合。2、电磁耦合。3、共阻抗耦合。4、漏电流耦合。 干扰的形态：1、差模干扰。2、共模干扰。 抑制措施：

(一) 信号通道干扰的抑制措施：

1. 开关量信号通道中干扰的抑制措施－－隔离（一般采用光耦合器件） 2.模拟量信号通道中干扰的抑制措施 ：主要有耦合变压器、扼流圈和光电耦合器等。

( 二 ) 电源系统的抗干扰措施：在低通滤波器DL与交流稳压器之间设置一个电源低通滤波器。

( 三 ) 空间干扰的抑制措施 ：一般是采用屏蔽的方法来解决。屏蔽的结构形式主要有以下几种 ：

(1) 屏蔽罩 (2)屏蔽栅网 (3)隔舱 (4)导电涂料 (5)屏蔽铜箔 ( 四 ) 电路板设计中的抗干扰技术：

① 电路板布局要合理。 ② 元器件选用要正确。 ③ 布线要科学。 测控系统的接地设计方法：

1、 数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地，A/D、D/A芯片

布线也以此为原则。

2、 单片机和大功率器件的地线要单独接地，低频模拟电路的地应尽量采

3、

用单点并联接地。

高频模拟电路宜采用多点串联接地。

23、测控仪器的 软件设计常用机构化设计方法，它包含哪三个步骤。为提高测控仪器软件系统的可靠性，设计时常采用哪些软件的可靠性设计方法？ 机构化设计方法：1、结构化分析。2、结构化设计。3、结构化编程。

可靠性设计方法：1、数字滤波。2、指令冗余。3、软件陷进。4、软件看

门狗技术。5、容错设计。

25、什么是主动光学系统与被动光学系统，什么是直接检测系统，相干检测系统。

主动光学系统：光电系统的照明是人工光源的系统。 被动光学系统：光学系统的照明是自然光的系统。 直接检测系统：检测器只检测光强度的光电系统。

相干检测系统：检测器检测干涉条纹的振幅、频率或相位的光电系统。

26、光电系统各特性指标（如光谱特性，探测率，噪声等效功率）等的定义如何？

要求了解入射光功率要大于噪声等效功率。

27、光电系统的设计准则有哪些？

1、匹配原则（光谱、功率、阻抗）。2、干扰光最小原则。3、共光路原则。

28、照明系统的设计准则有哪些？照明系统的类型有哪些？

设计准则：1、光孔转接原则。2、照明系统的拉赫不变量要大于或等于物

镜的拉赫不变量。

类型：1、直接照明。2、临界照明。3、远心式科勒照明。4、光纤照明

5、同轴反射照明。

29、选用光源的依据有哪些？

1、光源的光谱能量分布特性。2、光度特性。3、发光表面的形状、尺寸及光源的结构。4、满足光电系统的的功能要求。

30、直接检测系统可以测量哪些物理量？相干检测系统有什么优点，可以测量哪些物理量。

直接测量可以测物质的透明度、液体的纯度、反射率、大气质量监测、光的偏振状态、测速、测角、测距、定位、尺寸检测、位置检测、测温等.

相干检测比直接检测手段更丰富，测试精度和分辨率更高。广泛应用于精密测长、测角、测速、测力、测振、测应变及光谱分析。

第二部分（简答、设计）

6、掌握激光干涉测长的原理推导，会用微分法分析其误差。

图2—14 激光干涉光路图

当干涉仪处于起始位置，其初始光程差为2(Lm?Lc)，对应的干涉条纹数为

K1?2n(Lm?Lc)?

0

当反射镜M2移动到M2?位置时，设被测长度为L，那么，此时的干涉条纹数为：

K?K2?K1?2nL??2n(Lm?Lc)0?

0即测量方程：

L?K?02n?(Lm?Lc)

所以：

dL??L?L?L?LdK?d?0?dn?d(Lm?Lc) ?K??0?n?(L?Lc)m

KK ??0dK?d?0??20dn?d(Lm?Lc)

2n2n2n根据微分法，源误差引起的仪器误差为:

KK??0??20?n??(Lm?Lc) ?L??0?K?2n2n2n若测量开始时计数器“置零”，在理想情况下，有：L?激光测长仪仪器误差： ?L?L(?K??0?n??)??(?Lc) LmK?0nK?02n

?K为计数器误差，??0为真空波长对理论值的偏差，?n，测量环境下空气的折射率对标准状态下空气折射率的偏差，?(Lm?Lc)为测量过程中干涉仪的变动量。

8、小模数渐开线齿型检查仪的工作原理、测量原理、会用作用线与瞬时臂法分析该仪器误差。

l 一被测齿轮 2 一基圆盘 3 一主拖板4 一传动丝杠 5 一直尺 6 一主导轨 7 一手柄 8 一测量拖板 9 一测量杠杆 10 一测微仪 11 一测量导轨 12 一推力弹簧

工作原理：摇动手柄，主拖板向上移动距离L，同时主拖板带动基圆盘逆时针旋转?角，在弹簧作用下测量拖板向右移动距离S，若S=L=R?则为渐开线齿形，否则不为渐开线齿形。

测量原理：机械式位移同步比较测量原理。 下图中L1，L2为作用线：

仪器的精度取决于标准渐开线运动的准确性。建立标准渐开线运动的测量链：主拖板，斜尺基圆盘、测量拖板，测微仪，斜尺。

分析测量拖板的位移误差：

基圆盘安装偏心误差 基圆盘半径误差 斜尺表面直线度误差?以及斜尺倾斜角度的调整误差?

14差动比较测量原理在电学量、光学量测量上的应用及其特点（直流光电转换、差动式电感传感器和透过率测量）。

1、光学量差动比较测量

??KMS?(?d??s)

由于采用两个通道光通量比较法 , 用其差值去指示 , 因此对共模形式引人的干扰有抑制能力 , 还可消除杂散光的影响。

差动法还常用于几何量电测量仪之中 , 如差动式电感传感器与差动式电容传感器等。与非差动传感器相比 , 它们具有线性范围大、精度高、灵敏度高、以及抗同向干扰性能好等优点。

2、零位比较测量原理

初始设置：起偏器和检偏器的光轴正交

零位：未放入被测物时，光电检测无输出，指示表指零。

测量时：放入被测物时，偏振面旋转，经放大和光电转换后，指示表偏离零位。此时转动检偏器直至指示表指零，测检偏器的转角即等于被测物引起的偏振面转角，此转角可由读数装置读出。测量完成。

测量精度取决于指示表的零位漂移和读数装置的读数精度。

17仪器电路和软件系统的组成及各部分功能是什么？能举例说明各部分的单元电路。

软件系统 测量电路 中央处理系统 控制电路 电 源

输入信号 输出信号

1、 测量电路：作用是将传感器输出的测量信号进行调理、转换或者运算（例

如：放大电路、调制解调电路、滤波电路、温度补偿电路、运算电路、A/D转换电路等）。

2、 控制电路：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（如

电流、电压功率放大电路，驱动与隔离电路，D/A转化电路，电压—电流转化电路，遥控电路等）。

3、 中央处理系统：作用是对测量电路系统送来的信号进行运算、处理和判

断，并对测量结果进行显示、存储、打印等，然后按照测控仪器的功能要求向控制电路系统发出控制命名，并通过控制电路和执行器件对被控参数实行控制。

4、 电源：作用是为整个电路系统各单元提供必要的能源，为各单元提供电

平基准，为测量和控制电路提供参考电平等。

5、 软件系统：基于计算机或各种微处理器构建的中央处理系统必须配以软

件系统才能正常工作。

24、测控仪器的光电系统的组成及特点。

光学系统被测对象光学变换光电转换电路处理光载波 光信息 电信号 光源 光信息 光载波

1、 2、

精度高：是各种测量仪器中精度最高的一种。

非接触式测量：光照到物体上可以认为是没有测量力也没有摩擦力的，同时也不会改变被测物体的性质，因此它可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。

测量范围大：光是最便于远距离传播的介质，尤其适合于远距离测距、遥控、遥测、光跟踪等。

信息处理能力强：光电测量可以提供被测对象信息含量最多的信息，尤其适用于与计算机联机使用。

3、 4、

31、激光干涉测长仪的设计。【干涉原理与误差分析（会推导测控公式，并会用微分法分析仪器误差）、干涉信号的处理方法（光电检测、信号放大、辨向、细分以及可逆计数和显示记录等）、干涉光路的实现方法、提高精度的措施】

干涉原理：所谓干涉是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合成信号的随时间或空间有规律的变化。

激光干涉测长的基本原理：是一种基于迈克尔逊干涉的激光干涉测长的原理。

可移动平台 设计：

单模稳频 He-Ne激光 干涉光路 待测物体 器 光电 显微光电转换与电 镜 路处理 显示记录装置

1、激光光源：比半导体激光光器具有更稳定的波长和更好的相干性。 2、干涉光路：采用迈克尔逊干涉原理。

3、干涉信号处理系统：主要包括干涉信号的光电探测、信号放大、辨向、细分以及可逆计数和显示、记录等。

4、瞄准系统：采用光电显微镜，用于给出被测长度的起始和终止位置，实现对被测长度或位移的精度瞄准，使干涉信号处理系统和被测长度之间实现同步。

误差分析：

初始位置时，光程差为2(Lm?Lr)，对应的干涉条纹数为：

K0?2n(Lm?Lr)?

0测量时，如移动长度为L，那么干涉条纹变为K，其值为：

K?K1?K0?2nL???2n(Lm?Lr)0?

0经m倍细分后，再用计数器计数，所计数为K，那么

N?Km?2mnL?2mn(Lm?Lr)0?

0所以

L?N?02mn?(Lm?Lr)

全微分后得：

?L??02mn?N?NN??0??02?n??(Lm?Lr) 2mn2mn?N??0?n?L(??)??(Lm?Lr)

N?0n式中L(??N?n)为计数误差；L(?0)为波长不稳定带来的测量误差；L()为Nn?0由于测量环境下空气折射偏离标准环境下的空气折射率而带来的误差；

?(Lm?Lr)为测量过程中由于温度、力变形及振动造成初始程差发生变化而带

来的误差。

干涉信号的处理方法：

包括光电检测、信号放大、辨向、细分以及可逆计数和显示记录等。

干涉光路的实现方法：

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