測控儀器設(shè)計復(fù)習(xí)題

1、1、簡述測控儀器設(shè)計中一般的設(shè)計要求包括哪些方面？主要的設(shè)計程序包括哪些？設(shè)計要求：精度要求檢測效率要求可靠性要求經(jīng)濟性要求使用條件要求造型要求設(shè)計程序：確定設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)分析調(diào)查研究總體方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計制造樣機樣機鑒定或驗收樣機設(shè)計定型后進行小批量生產(chǎn)2、簡述測控儀器的設(shè)計原則，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，并使之對儀器精度的

2、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)計零件時，應(yīng)該使零件的設(shè)計基面、工藝基面和測量基面一致起來，符合這個原則才能使工藝上或測量上能夠較經(jīng)濟的獲得規(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)濟原則經(jīng)濟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)計原理，并稍作簡述 平均讀數(shù)原理在計量學(xué)中，利用多次讀數(shù)取其平均值，通常能夠提高讀數(shù)精度。利用這一原理來設(shè)計

3、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、差動比較測量原理、零位比較測量原理 補償原理應(yīng)用補償法進行誤差補償是應(yīng)注意的問題有補償環(huán)節(jié)補償方法補償要求綜合補償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)點是可按需要任意設(shè)置零位，這樣可以不必通過兩點的絕對坐標(biāo)差去確定位移或轉(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

4、、屏蔽、電路等方面采取措施，以提高其抗干擾能力5、導(dǎo)軌運動的不平穩(wěn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么？如何加以改善？原因：導(dǎo)軌運動的不平穩(wěn)現(xiàn)象主要是因為“爬行”現(xiàn)象。導(dǎo)致爬行現(xiàn)象的原因有導(dǎo)軌間的靜、動摩擦系數(shù)差值較大動摩擦系數(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)減小動摩擦力與靜摩擦力之差A(yù)F,增加系統(tǒng)阻尼和增加彈性環(huán)節(jié)剛度。當(dāng)運動部分潤滑較好時也可使爬行減小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是工作在線性區(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、

5、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)寄生電容是一個電路的電荷影響另一個電路 電磁耦合的產(chǎn)生原因主要由于兩個電路存在互感，使得一個電路的電流化通過電磁耦合干擾另一個電路 共阻抗耦合一般發(fā)生在兩個電路的電流流經(jīng)

6、一個公共阻抗其中一個電在該阻抗的壓降會影響另一路 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，盡量避免90°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。布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。盡可能

7、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，最后在一點接于電源地，A/D、D/A片布線也以此為原則。單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減少互相干擾。低頻模擬電路采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(lián)后在并聯(lián)接地。高頻模擬電路采用多點串聯(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)計的兩個基本要求是什么？什么是“浮地系統(tǒng)”，有何優(yōu)劣點？接地設(shè)計的兩個基本要求是:消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時所產(chǎn)生的噪聲電壓避免形成地環(huán)路浮地系統(tǒng)，是指儀器的整個地線系統(tǒng)和大

8、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)部的電子器件不會因高電壓的干音而擊穿，這對COMS電路尤為有利。浮地系統(tǒng)的缺點是，當(dāng)附近有高壓設(shè)備時，其機殼易感應(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？不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而是檢測

9、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）光學(xué)外差檢測原理如圖a所示。入射信號光波的復(fù)振幅和本機振蕩參考光波的復(fù)振幅分別為Us（t）二asin（3t+屮）sssUo（t）=a0sin（30t+屮o）則在光混頻器上的輸出光強為它的頻譜分布表如圖b所示，其中的倍頻項與和頻項不能被光電器件接受，只有當(dāng)30和WS足夠接近，并使3=3S-30處于探測器的通頻帶范圍內(nèi)才能被相應(yīng)。此時探測器的輸出信號為，此式為光學(xué)外差信號表達式（2）光外差檢測的特

10、性光外差干涉測量具有以下優(yōu)點：檢測能力強轉(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)計是測控儀器設(shè)計的一部分，它還應(yīng)遵守儀器設(shè)計的阿貝原則、差動比較原則、精度原則、基面統(tǒng)一原則以及補償原理，平均讀數(shù)原理等基本原則和理論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。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Ml上。Ml為半反半透鏡，一部分光線被M1反射作為

11、標(biāo)準(zhǔn)光束，另一部分光透過參考鏡Ml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的影響對兩束光基本上相同，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Ml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

12、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入物鏡成像，因此整個圖像都是白色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點或者污漬時，所產(chǎn)生的漫反射光線進入物鏡的甚少，因此圖像上將產(chǎn)生黑色的斑點 同軸反射照明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)計要點？光源發(fā)出的光通量0=0+Qsin(®t+申)0m00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)動電路中施加正弦電壓。則光源發(fā)出的正弦規(guī)

13、律的光通量°=°+°sin(®t+申)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屮。若被測距離為D，從發(fā)射光到接收到返回光的時間為t，光的傳播速度為c,則t=2D/c,在這段時間里光載波的相位改變了屮，即屮=30t=w0X2D/c，從而可以計算出待測距離D=c屮/2wo=c屮/4nf°被測相位值屮二(m+Am)X2n=mX2n+屮強脈沖激光器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)射到接收的時間延遲為

14、t,則被測距離為D=(1/2)ct時間t可用脈沖填充法求出t=NAT=N/fo從而可得D=(1/2)ct=(1/2f°)Cn=KN式中K=c/2f0是測距脈沖當(dāng)量，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。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Ml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，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=NA0/2

15、n測量光路與參考光路的光程差為2n(LmJ),對應(yīng)的干涉條紋數(shù)為K0=2n(L-L)/入0測量時，反射鏡M2隨被測物體一起移動。女如移動長度為L,那么干涉條0mr0紋數(shù)變?yōu)镵=2nL/A0+2n(L-L)/A0若干涉條紋經(jīng)m倍細(xì)分后，再用計數(shù)器計數(shù)，所記的數(shù)0mr0為K,那么N=Km=2mnL/A+2mn(L-L)/A"從而被測長度為L=NA/2mn-(L-L)0mr00mr由于激光干涉測長是增量碼式測量，在測量開始前應(yīng)對計數(shù)器清零，因而在測量過程中只要L-L不在變化，其測量結(jié)果為L=NA0/2mn改式為激光干涉測長的基本公式mr0誤差：對L=NA0/2mn-(Lm-Lr)進行全微分

16、，便可用微分法求出影響激光干涉測長的主要誤差L=m'為計數(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帶來的誤差；為測量過程中由于溫度、力變形及振動造成初試程差發(fā)生變化而帶來的誤差18、螺旋測微機構(gòu)誤差分析。由于制造或裝配的不完善，使得螺旋測微機構(gòu)的軸線與滑塊運動方向成一夾角。試求由此帶來的誤差。(P36)螺桿移動距離為L=£P2兀滾珠由于原誤差為夾角誤差8，滑塊的實際移動距離L為L=Lcos0=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

17、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，在測量拖板上安裝了測量杠桿9和測微儀10.轉(zhuǎn)動手柄7時，傳動絲杠4帶動主拖板上下移動，基圓盤在鋼帶的帶動下轉(zhuǎn)動，被測齒輪隨之轉(zhuǎn)動。與此同時，直尺也上下移動，是測量拖板水平移動，此時，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。實現(xiàn)測量的原理：當(dāng)主拖板在絲杠的帶動下上下移動的距離為L時，直尺也上下移動了L，在鋼帶的帶動下基圓盤逆時針旋轉(zhuǎn)屮=L/R。此時，在彈簧的作用下，測量拖板向右移動的距離s=Ltan0，設(shè)被測齒輪的基圓半徑為r0,測量

18、之前將直尺傾斜角度調(diào)整為8=arctan(r0/R)那么測量拖板的位移距離為s=Ltan0=Lr0/R=r0屮20、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開的距離z為z0=ftan2a當(dāng)a很小時zf2a、則原理誤差為a=a-a0=z0/2farctan(z0/f)%=zO/fz0/f-1/3(z0/f)3-%a3l/6(z0/f)3=021、有一光學(xué)系統(tǒng)，其放大倍數(shù)為：M=-匚。已知像面的軸向位置誤差yyAx'二0.1mm，物高y=20mm像高為y'，像面到像方焦點間距x=1000mm，求因此

19、引起的儀器誤差A(yù)y。22、用游標(biāo)卡尺測量工件的直徑。測量時，活動量爪在尺架(導(dǎo)軌)上移動，由于導(dǎo)軌之間存在間隙，使活動量爪發(fā)生傾斜角而帶來測量誤差，其值為設(shè)S=30毫米，cp=1，。卡尺設(shè)計不符合儀器設(shè)計的哪個原則？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量爪發(fā)生傾斜角而帶來測量誤差，其值為厶1=Stan屮he刻尺両讀數(shù)顯微鏡100mm刻尺23、試說明愛彭斯坦光學(xué)補償法是用來補償何種誤差的？并說明其工作原理。愛彭斯坦光學(xué)補償方法a）測長機工作原理圖b）光學(xué)補償原理 補償阿貝誤差 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Ml、透鏡N1與頭座連為一體。對于lm測長機而言，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之間的一個數(shù)字。對零時，雙刻線指標(biāo)成像在100mm刻尺的0刻線位置，即sl點。測量時，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，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，則還需同時將頭座向右移動到所需的數(shù)值上。