光電儀器設(shè)計(jì)

光電儀器設(shè)計(jì)第一節(jié)概述

儀器是傳遞和轉(zhuǎn)換信息的工具，它是各類儀器儀表、傳感器及觀察、監(jiān)控、測(cè)試、分析設(shè)備的總稱。

儀器儀表在當(dāng)代社會(huì)的重要作用

在科學(xué)研究中，儀器儀表是“先行官”。在軍事上，儀器儀表是“戰(zhàn)斗力”。

現(xiàn)代儀器儀表還是當(dāng)今社會(huì)的“物化法官”。

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，儀器儀表是“倍增器”，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著巨大的輻射作用和影響力。儀器儀表在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、大地測(cè)繪、診治疾病、指揮交通、探測(cè)災(zāi)情等社會(huì)生活許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，遍布“農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用”。美國(guó)“阿波羅”登月計(jì)劃總投資200億美元用于測(cè)量和試驗(yàn)的費(fèi)用達(dá)100～110億美元，占總投資的40％。

儀器儀表學(xué)科在自然科學(xué)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中具有十分重要的地位與作用

儀器對(duì)于生產(chǎn)、生活、高精尖技術(shù)的意義儀器儀表發(fā)展至今已成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科光電儀器則是儀器儀表學(xué)科的一個(gè)重要分支,它是傳統(tǒng)的與現(xiàn)代的光學(xué)機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)的集成。技術(shù)性能低、質(zhì)量差：在精度上較國(guó)際水平約低1—2個(gè)等級(jí)，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，單機(jī)平均無(wú)故障時(shí)間國(guó)外為1.初步具有正確的估算和分析儀器精度的能力。靈敏度是指儀器對(duì)被測(cè)量變化的反應(yīng)能力。國(guó)外已把微處理器作為儀器儀表的組成部件，而國(guó)內(nèi)則處于初步應(yīng)用階段。二、儀器的靜態(tài)特性指標(biāo)二、儀器的靜態(tài)特性指標(biāo)儀器儀表在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、大地測(cè)繪、診治疾病、指揮交通、探測(cè)災(zāi)情等社會(huì)生活許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，遍布“農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用”。對(duì)于儀器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)被測(cè)量x不隨時(shí)間變化，即dx／dt=0，或作緩慢變化時(shí)，可按靜態(tài)測(cè)量處理，應(yīng)著重討論它的靜態(tài)特性。測(cè)量過(guò)程中發(fā)生在儀器測(cè)頭和被測(cè)工件表間的接觸力。示值誤差是指儀器示值與被測(cè)量的真值之差。我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距元器件每年更新20—30％，基本上可以保證儀器儀表整機(jī)更新?lián)Q代的需要。示值范圍是指儀器所顯示或指示的最低值到最高值的范圍。我國(guó)的儀器儀表企業(yè)，新技術(shù)采用慢，產(chǎn)品更新周期一般為3—4年，少則也需要兩年。儀器儀表在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、大地測(cè)繪、診治疾病、指揮交通、探測(cè)災(zāi)情等社會(huì)生活許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，遍布“農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用”。光電儀器的發(fā)展水平是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。研究對(duì)象

基于光學(xué)原理、采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的各類光電精密儀器。研究方法

綜合應(yīng)用有關(guān)技術(shù)

以點(diǎn)帶面、舉一反三理論聯(lián)系實(shí)際從整體上分析問(wèn)題儀器儀表技術(shù)的特點(diǎn)儀器技術(shù)是信息技術(shù)中的源頭技術(shù)儀器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)儀器技術(shù)是信息技術(shù)傳感技術(shù)；系統(tǒng)集成技術(shù)；智能控制技術(shù)；人機(jī)界面技術(shù)；可靠性技術(shù)。我國(guó)光電儀器發(fā)展?fàn)顩r

目前我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品的綜合水平，大體上相當(dāng)于國(guó)際80年代中期的水平，其中屬90年代水平的約占20％～30%。美國(guó)“阿波羅”登月計(jì)劃根據(jù)儀器中各部件的功能，可將儀器分為以下幾個(gè)基本組成部分：初步具有正確的估算和分析儀器精度的能力。y=（a0＋a1x＋a2x2＋a3x3＋…＋anxn）x這一項(xiàng)表示儀器感受微小量的敏感程度。掌握機(jī)、光、電技術(shù)結(jié)合的儀器總體設(shè)計(jì)有關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)。元器件每年更新20—30％，基本上可以保證儀器儀表整機(jī)更新?lián)Q代的需要。重復(fù)測(cè)量次數(shù)一般為10～15次，變動(dòng)范圍一般允許為分度值的1/3～1/5。主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)：

*測(cè)溫范圍：32℃----42℃

*測(cè)量溫度低于32℃時(shí)，顯示L℃

*測(cè)量溫度高于42℃時(shí)，顯示H℃

*顯示分辨率：0.分度值是儀器最小分度所代表的被測(cè)量的值。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)落后、功能少、智能化程度低：國(guó)際上已由單元組合式向功能組件組裝式發(fā)展，而國(guó)內(nèi)多為單元組合式。分度值對(duì)于如數(shù)字式儀器來(lái)說(shuō)，將儀器所能測(cè)得的被測(cè)量的最小增量稱為分辨力。國(guó)內(nèi)儀器儀表發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)的儀器儀表企業(yè)，新技術(shù)采用慢，產(chǎn)品更新周期一般為3—4年，少則也需要兩年。示值誤差是指儀器示值與被測(cè)量的真值之差。我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距技術(shù)性能低、質(zhì)量差：在精度上較國(guó)際水平約低1—2個(gè)等級(jí)，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，單機(jī)平均無(wú)故障時(shí)間國(guó)外為1.8萬(wàn)多小時(shí)，而國(guó)產(chǎn)單機(jī)則為2千小時(shí)，國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)工作儀表平均無(wú)故障率時(shí)間普遍達(dá)到10—30萬(wàn)小時(shí)，而國(guó)產(chǎn)儀表一般只有5千小時(shí)。國(guó)內(nèi)外工業(yè)儀表的相對(duì)故障率大體為9：1。品種系列不全，成套水平低：世界上儀器儀表大約有25000種，而我國(guó)機(jī)械部所屬的只有12000多種。我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距新技術(shù)采用緩慢，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期長(zhǎng)：國(guó)外一些廠家產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期一般為1—2年，少則半年或幾個(gè)月。元器件每年更新20—30％，基本上可以保證儀器儀表整機(jī)更新?lián)Q代的需要。我國(guó)的儀器儀表企業(yè)，新技術(shù)采用慢，產(chǎn)品更新周期一般為3—4年，少則也需要兩年。標(biāo)準(zhǔn)化程度低：在我國(guó)的儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋率只占18％，絕大多數(shù)產(chǎn)品沒(méi)有可靠性指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化工作仍舊存在許多問(wèn)題。我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距產(chǎn)品結(jié)構(gòu)落后、功能少、智能化程度低：國(guó)際上已由單元組合式向功能組件組裝式發(fā)展，而國(guó)內(nèi)多為單元組合式。國(guó)外已把微處理器作為儀器儀表的組成部件，而國(guó)內(nèi)則處于初步應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)儀器多為單點(diǎn)，單參數(shù)、靜態(tài)測(cè)量，而國(guó)際上已向多點(diǎn)、多參數(shù)、自動(dòng)測(cè)量發(fā)展，由靜態(tài)測(cè)量為主向靜動(dòng)態(tài)結(jié)合方向發(fā)展，由接觸式向非接觸式測(cè)量發(fā)展。其它在儀器儀表材料、工藝、元器件等方面也都存在不少的差距。國(guó)內(nèi)儀器儀表發(fā)展趨勢(shì)

標(biāo)準(zhǔn)化、系列化高效率

高智能化

高精度、高可靠性

以溫度計(jì)為例

主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)：

*測(cè)溫范圍：32℃----42℃

*測(cè)量溫度低于32℃時(shí)，顯示L℃

*測(cè)量溫度高于42℃時(shí)，顯示H℃

*顯示分辨率：0.1℃

*顯示方式：液晶顯示（三位半）

*功耗：工作狀態(tài)下為0.15毫瓦

*電池：AG3型1.5V普通紐扣電池

*蜂鳴提示：測(cè)量結(jié)束后發(fā)出蜂鳴提示聲

本課程的目的與要求掌握機(jī)、光、電技術(shù)結(jié)合的儀器總體設(shè)計(jì)有關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)。初步掌握儀器總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。初步具有正確的估算和分析儀器精度的能力。第二節(jié)精密儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與組成根據(jù)儀器中各部件的功能，可將儀器分為以下幾個(gè)基本組成部分：1．基準(zhǔn)部件（基準(zhǔn)器或標(biāo)準(zhǔn)器）2．感受轉(zhuǎn)換部件接觸式非接觸式感受被測(cè)量，拾取原始信號(hào)3．轉(zhuǎn)換放大部件將感受轉(zhuǎn)換來(lái)的微小信號(hào)，通過(guò)各種原理（如光、機(jī)、電、氣）進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換和放大4．顯示部件5．處理與計(jì)算裝置6．瞄準(zhǔn)部件7．機(jī)械結(jié)構(gòu)部件第三節(jié)光電儀器的靜態(tài)特性

對(duì)于儀器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)被測(cè)量x不隨時(shí)間變化，即dx／dt=0，或作緩慢變化時(shí)，可按靜態(tài)測(cè)量處理，應(yīng)著重討論它的靜態(tài)特性。

一、靜態(tài)測(cè)量中輸入和輸出的關(guān)系

當(dāng)輸入信號(hào)為定值或變化十分緩慢時(shí)，儀器系統(tǒng)的輸出信號(hào)特性稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)測(cè)量中儀器系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系一般可用下式表示：y=（a0＋a1x＋a2x2＋a3x3＋…＋anxn）x式中x、y——分別為輸人和輸出信號(hào)；a0、a1、a2、a3、…、an——標(biāo)定系數(shù)或刻度因子二、儀器的靜態(tài)特性指標(biāo)

分度值及分辨力分度值是儀器最小分度所代表的被測(cè)量的值。它是一臺(tái)儀器可能讀出的最小讀數(shù)值（不包括估讀值）。分度值對(duì)于如數(shù)字式儀器來(lái)說(shuō)，將儀器所能測(cè)得的被測(cè)量的最小增量稱為分辨力。分度值有別于分劃間隔。分劃間隔是指刻尺或度盤(pán)上相鄰兩刻線所代表的量值之差。靈敏度及放大比靈敏度是指儀器對(duì)被測(cè)量變化的反應(yīng)能力。s=Δy／Δx當(dāng)輸入與輸出為同一量綱時(shí)可用放大比來(lái)代替靈敏度。當(dāng)靈敏度為定值時(shí)，儀器系統(tǒng)為線性的。測(cè)量范圍及示值范圍測(cè)量范圍是指在允許誤差極限內(nèi)儀器所能測(cè)出的最大被測(cè)量與最小被測(cè)量之間的范圍。示值范圍是指儀器所顯示或指示的最低值到最高值的范圍。

國(guó)外已把微處理器作為儀器儀表的組成部件，而國(guó)內(nèi)則處于初步應(yīng)用階段。其它在儀器儀表材料、工藝、元器件等方面也都存在不少的差距。對(duì)于儀器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)被測(cè)量x不隨時(shí)間變化，即dx／dt=0，或作緩慢變化時(shí)，可按靜態(tài)測(cè)量處理，應(yīng)著重討論它的靜態(tài)特性。儀器技術(shù)是信息技術(shù)中的源頭技術(shù)示值誤差是指儀器示值與被測(cè)量的真值之差。當(dāng)靈敏度為定值時(shí)，儀器系統(tǒng)為線性的。儀器儀表學(xué)科在自然科學(xué)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中具有十分重要的地位與作用美國(guó)“阿波羅”登月計(jì)劃它是一臺(tái)儀器可能讀出的最小讀數(shù)值（不包括估讀值）。分劃間隔是指刻尺或度盤(pán)上相鄰兩刻線所代表的量值之差。儀器技術(shù)是信息技術(shù)中的源頭技術(shù)靜態(tài)測(cè)量中儀器系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系一般可用下式表示：第二節(jié)精密儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與組成光電儀器的發(fā)展水平是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距示值重復(fù)性示值重復(fù)性是指在外界條件不變的情況下，對(duì)同一量重復(fù)測(cè)量時(shí)儀器示值的最大變化范圍。重復(fù)測(cè)量次數(shù)一般為10～15次，變動(dòng)范圍一般允許為分度值的1/3～1/5。主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)：

*測(cè)溫范圍：32℃----42℃

*測(cè)量溫度低于32℃時(shí)，顯示L℃

*測(cè)量溫度高于42℃時(shí)，顯示H℃

*顯示分辨率：0.重復(fù)測(cè)量次數(shù)一般為10～15次，變動(dòng)范圍一般允許為分度值的1/3～1/5。靈敏度是指儀器對(duì)被測(cè)量變化的反應(yīng)能力。靈敏度是指儀器對(duì)被測(cè)量變化的反應(yīng)能力。二、儀器的靜態(tài)特性指標(biāo)當(dāng)靈敏度為定值時(shí)，儀器系統(tǒng)為線性的。我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品與國(guó)外的主要差距重復(fù)測(cè)量次數(shù)一般為10～15次，變動(dòng)范圍一般允許為分度值的1/3～1/5。第二節(jié)精密儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與組成現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)國(guó)外已把微處理器作為儀器儀表的組成部件，而國(guó)內(nèi)則處于初步應(yīng)用階段。在軍事上，儀器儀表是“戰(zhàn)斗力”。分劃間隔是指刻尺或度盤(pán)上相鄰兩刻線所代表的量值之差。當(dāng)靈敏度為定值時(shí)，儀器系統(tǒng)為線性的。國(guó)外已把微處理器作為儀器儀表的組成部件，而國(guó)內(nèi)則處于初步應(yīng)用階段。示值誤差

示值誤差是指儀器示值與被測(cè)量的真值之差。滯差（回程誤差）產(chǎn)生滯差的原因:儀器內(nèi)的間隙、摩擦、死區(qū)機(jī)械材料和電氣材料與器件的滯后特