第1章测控仪器设计(第2版)》浦昭邦 王宝光

测控仪器设计(第2版)》浦昭邦 王宝光

普通高等教育“十一五” 普通高等教育“十一五”国家级规划教 材第 2 版

测 控 仪 器 设 计主编：哈尔滨工业大学 浦昭邦 天 津 大 学 王宝光

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前

言

各位老师，由于本书为重新修订版，内容根据各校教学老师的意见 作了较大的修改，补充 了部分先进的技术和概念，因此，该书的多媒体 课件也在重新编辑和制作之中，为了满足部分院校老师开学后的教学要 求，特将本书多媒体课件的草稿刻为光盘试用，请各位试用该课件的教 师，提出宝贵的意见和有益的补充，我们将不胜感激。由于时间匆忙， 难免有错，敬请谅解，希望共同为该课件的正式出版作出贡献 。 多媒体课件总策划师： 机械工业出版社 贡克勤老师 多媒体课件编辑人员： 天津大学精仪学院 王宝光 教授 合肥工业大学 天津大学精仪学院 刘雯雯 教授 卢慧卿 博士 李温温 硕士

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本书共分六章：第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 测控仪器设计概论 仪器精度理论 测控仪器的总体设计 精密机械系统设计 电路与软件系统设计

第六章 光电系统设计

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第一章 测控仪器设计概论第一节 第二节 第三节 第四节 习 题 测控仪器的概念和组成 测控仪器及其设计的发展状况与趋势 测量仪器通用术语及定义 对测控仪器设计的要求和设计程序

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第一节

测控仪器的概念和组成

一、测控仪器的概念按照系统工程学的观点,生产过程中有三大技术系统: ★ 以能量到能量变换为主的能量流系统 如锅炉, 冷凝器, 热交换器, 发动机等 ★ 以材料到材料变换为主的材料流系统 如机床, 农业机械, 纺织机械, 液压机械等 ★ 以信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等为主的信息流 系统 ，如仪器仪表、计算机、通信装置、自动控制系统等。

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仪器仪表的用途和重要性— 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: 仪器仪表的用途:在机械制造业中： 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： 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： 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。

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测控仪器的分类1. 几何

量计量仪器测量对象：包括各种尺寸检测仪器，如长度、角度、形貌、相 互位置位移、距离测量仪器、扫描仪、跟踪仪等。

2. 热工量计量仪器测量对象：包括温度、湿度、流量测量仪器，如各种气压计、 真空计、多波长测温仪表、流量计等。

3. 机械量计量仪器测量对象：如各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪，力 矩测量仪、振动测量仪等。

4. 时间频率计量仪器测量对象：时间、频率等

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5. 电磁量计量仪器测量对象：用于测量各种电量和磁量的仪器，如各种交、直流电流 表、电压表、功率表、电阻测量仪、电容测量仪、静电仪、磁参数测 量仪等。

6. 无线电参数测量仪器测量对象：如示波器、信号发生器、相位测量仪、频率发生器、动 态信号分析仪等。

7. 光学与声学量测量仪器测量对象：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传 递函数测量仪等。

8. 电离辐射计量仪器测量对象：如各种放射性、核素计量，x、γ射线及中子计量仪器等。 以上8大类计量仪器的共性技术： 计量测试仪器的 设计理论 和 测试理论

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测控仪器的概念在现代计量测试仪器中，测量与控制已经密不可分，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。

本课程的要求： 本课程的要求：①掌握机、电、光、计算机技术相结合的仪器总体设计的基础理论知识； ②学会如何从设计任务出发，进行总体设计的方法； ③具有进行仪器精度设计的能力。 本门课程力求使学生在测控仪器设计中具有勇于探索、有创新思维的设 计能力。

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二、测控仪器的组成测控仪器种类繁多，其组成多种多样，但可按其各部分的功能来分成 若干组成部分。 测控仪器组成以图1—1 “微电子产品视觉检测仪” 为例说明。 仪器组成： 支承底座、精密工作台、X、Y二维运动导轨、立柱、显微镜及CCD摄像 器件、光栅系统、精密驱动系统、光源。

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图1-1

微电子产品视觉检测仪三维效果图

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图1—2

微电子产品视觉检测仪组成框图

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工作原理： 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： 功能将仪器分成以下几个组成部分： 将仪器分成以下几个组成部分1 基准

部件 2 传感器与感受转换部件 3 放大部件 4 瞄准部件 5 信息处理与运算装置 6 显示部件 7 驱动控制器部件 8 机械结构部件