现代仪器仪表.doc

仪器仪表工业是信息工业，是信息的源头，是认识世界的工具，是人们用来对物质(自然界)实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与系统的总称，其实质是研究信息的获取、处理和利用。仪器仪表发展至今已成为一门独立的学科，即仪器科学与技术，而现代精密仪器则是仪器科学与技术的一个重要组成部分。
当今科学仪器技术最引人注目的发展是在生物、医学、材料、航天、环保、国防等直接关系到人类生存和发展的诸多领域中，研究的尺度深入到介观(纳米)和微观；仪器的研制和生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化；利用现代微制造技术(光、机、电)、纳米技术、计算机技术、仿生学原理、新材料等高新技术发展新式的科学仪器已经成为主流，为精密仪器设计提出了新的研究课题。
随着科学技术的进步，特别是微电子技术、宇航工业、材料科学、生物工程等的发展，使精密仪器已进入亚微米、纳米级的新时代，为精密仪器提供了广泛的研究领域。为适应科技发展的需要，赶上世界科技进步的步伐，提高我国精密仪器的水平，本书从实际应用出发，参照全国精密仪器设计的教学大纲编写而成。书中总结了编著者长期的教学经验与科研工作成果，汇集了有关现代精密仪器设计理论和成果，着力反映了这一学科领域的当代发展水平，使读者充分了解和掌握精密仪器的学术动态和最新成就。同时力图做到概念清楚、深入浅出，对精密仪器设计有关的共同性理论和方法进行了系统、全面地阐述。每章有设计实例和习题，目的是便于学生自学并启发学生的创造性。
“精密仪器设计”是以设计为主的专业课程，其目的是使学生综合运用基础理论知识，掌握光、机、电、算相结合的现代仪器仪表设计理论和方法，以培养学生独立设计与研究现代精密仪器及微纳米系统的能力

目录1 c概论1
1.1 现代精密仪器概述1
1.1.1 仪器仪表是信息的源头1
1.1.2 我国现代精密仪器发展的状况3
1.1.3 国外仪器发展趋势5
1.1.4 “精密仪器设计”课程的目的与要求6
1.2 精密仪器的基本组成7
1.3 精密仪器设计的指导思想与程序9
1.3.1 指导思想9
1.3.2 设计程序11
习题122 精密仪器设计方法13
2.1 设计方法概述13
2.2 设计任务分析15
2.3 系统参数与指标设计17
2.3.1 主要参数与技术指标的内容17
2.3.2 确定主要参数和技术指标的方法18
2.4 总体方案的制定25
2.4.1 基本设计原则25
2.4.2 总体方案制定的内容40
2.5 典型设计方法47
2.5.1 优化设计47
2.5.2 可靠性设计49
2.5.3 虚拟仪器设计51
习题54目录现代精密仪器设计（第2版）3 仪器精度设计与分析57
3.1 仪器精度概述57
3.1.1 误差57
3.1.2 精度(不确定度)59
3.1.3 仪器精度(不确定度)指标60
3.2 仪器误差的来源与分类65
3.2.1 原理误差65
3.2.2 制造误差66
3.2.3 运行误差66
3.3 误差计算分析方法70
3.3.1 误差独立作用原理70
3.3.2 微分法72
3.3.3 几何法72
3.3.4 逐步投影法73
3.3.5 作用线与瞬时臂法73
3.4 误差综合与实例分析77
3.4.1 随机误差的合成77
3.4.2 系统误差的合成78
3.4.3 不同性质误差的合成79
3.4.4 误差分析计算实例80
习题824 精密机械系统87
4.1 基座与支承件87
4.1.1 基座与支承件的结构特点87
4.1.2 对基座和支承件的主要技术要求88
4.1.3 基座与支承件的设计要点90
4.2 导轨副92
4.2.1 种类及特点92
4.2.2 基本要求94
4.2.3 导轨设计思路97
4.3 主轴系统100
4.3.1 设计的基本要求100
4.3.2 主轴的类型102
4.3.3 结构举例105
4.3.4 几种轴系的比较106
习题1065 传感检测技术107
5.1 检测系统107
5.1.1 测量方法简介107
5.1.2 传感检测系统的构成110
5.1.3 检测系统设计要点111
5.2 传感器选择113
5.2.1 模型与指标参数114
5.2.2 传感器的分类116
5.2.3 传感器选择原则120
5.2.4 典型仪器传感器121
5.2.5 多传感器信息融合技术125
5.3 传感检测抗干扰技术127
5.3.1 噪声源及噪声耦合方式127
5.3.2 共模与差模干扰132
5.3.3 屏蔽技术135
5.3.4 接地技术138
习题1406 光学系统设计141
6.1 光学系统的组成与特点141
6.1.1 光学系统的组成141
6.1.2 光学系统的特点142
6.2 人眼和光电探测器142
6.2.1 人眼的特征143
6.2.2 光电探测器概述144
6.3 光源147
6.4 光学系统设计原则及典型光学系统的基本参数149
6.4.1 光学系统总体设计原则149
6.4.2 显微系统及其参数确定150
6.4.3 投影系统及其参数确定156
6.4.4 望远系统及其参数确定160
6.4.5 照明系统及其参数确定165
6.5 光电系统参数170
6.5.1 入瞳直径的计算170
6.5.2 探测器位于像面上的结构171
6.5.3 光源像大于探测器的结构173
6.5.4 探测器位于出瞳上的结构174
6.6 总体设计举例175
6.6.1 FTIR光谱仪器的原理、特点及用途175
6.6.2 技术指标176
6.6.3 设计方案177
6.6.4 FTIR主要结构参数的确定178
习题1817 微位移技术183
7.1 概述184
7.2 柔性铰链187
7.2.1 柔性铰链的类型187
7.2.2 柔性铰链设计188
7.2.3 典型柔性铰链及应用189
7.3 精密致动技术193
7.3.1 机电耦合致动193
7.3.2 电磁致动197
7.4 典型微位移系统201
7.4.1 柔性支承+压电致动201
7.4.2 滚动导轨+压电致动203
7.4.3 弹簧导轨+机械致动204
7.4.4 弹簧导轨+电磁致动205
7.4.5 气浮导轨206
7.4.6 滑动导轨+压电致动207
7.4.7 其他微位移系统208
7.5 精密微动系统设计实例213
7.5.1 微动工作台设计要求213
7.5.2 系统设计中的关键问题分析214
7.5.3 精密微动工作台的设计218
7.5.4 微动工作台的特性分析221
习题2248 机械伺服系统设计226
8.1 概述226
8.1.1 伺服系统的分类及闭环控制系统的构成和设计步骤226
8.1.2 设计要求及性能指标228
8.1.3 伺服系统的设计步骤230
8.2 开环伺服系统设计231
8.2.1 步进电机控制系统231
8.2.2 开环系统的误差分析与校正232
8.3 闭环伺服系统设计236
8.3.1 闭环伺服系统的基本类型及原理236
8.3.2 设计举例: 脉宽调速系统的设计和校正241
习题2519 精密测量技术254
9.1 精密测量技术概述254
9.2 瞄准与对准技术255
9.2.1 接触式瞄准方法256
9.2.2 非接触式瞄准方法267
9.2.3 典型光电对准系统273
9.3 光栅测量技术284
9.3.1 测量原理285
9.3.2 光栅系统设计289
9.3.3 典型光栅测量系统293
9.4 激光干涉测量技术296
9.4.1 测量原理296
9.4.2 激光干涉测量系统设计297
9.4.3 双频激光干涉测量系统305
习题30810 精密仪器设计实例与实验310
10.1 线宽测量仪自动调焦系统310
10.1.1 仪器设计任务310
10.1.2 系统方案选择311
10.1.3 清晰度判据函数选择312
10.1.4 最佳物面搜索315
10.1.5 自动调焦实验317
10.2 基于光学立体显微镜的微装配系统318
10.2.1 仪器设计任务318
10.2.2 系统方案选择319
10.2.3 微动工作台设计322
10.2.4 系统测量实验323
10.3 精密仪器设计综合实验327
10.3.1 实验目的327
10.3.2 实验原理327
10.3.3 实验仪器328
10.3.4 综合实验328
现代仪器仪表的特点与设计方法2

1.1　硬件功能软件化
　随着微电子技术的发展，微处理器的速度越来越快，价格越来越低，已被广泛应用于仪器仪表中，使得一些实时性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通过软件来实现。甚至许多原来用硬件电路难以解诀或根本无法解决的问题，也可以采用软件技术很好地加以解决。数字信号处理技术的发展和高速数字信号处理器的广泛采用，极大地增强了仪器的信号处理能力。数字滤波、FFT、相关、卷积等是信号处理的常用方法，其共同特点是，算法的主要运算都是由迭代式的乘和加组成，这些运算如果在通用微机上用软件完成，运算时间较长，而数字信号处理器通过硬件完成上述乘、加运算，大大提高了仪器性能，推动了数字信号处理技术在仪器仪表领域的广泛应用。
1.2集成化、模块化
　大规模集成电路LSI技术发展到今天，集成电路的密度越来越高，体积越来越小，内部结构越来越复杂，功能也越来越强大，从而大大提高了每个模块进而整个仪器系统的集成度。模块化功能硬件是现代仪器仪表的一个强有力的支持，它使得仪器更加灵活，仪器的硬件组成更加简洁，比如在需要增加某种测试功能时，只需增加少量的模块化功能硬件，再调用相应的软件来使用此硬件即可。
1.3　参数整定与修改实时化
　随着各种现场可编程器件和在线编程技术的发展，仪器仪表的参数甚至结构不必在设计时就确定，而是可以在仪器使用的现场实时置入和动态修改。
1.4　硬件平台通用化
　现代仪器仪表强调软件的作用，选配一个或几个带共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统。一台仪器大致可分解为三个部分：1)数据的采集；2)数据的分析与处理；3)存储、显示或输出。传统的仪器是由厂家将上述三类功能部件根据仪器功能按固定的方式组建，一般一种仪器只有一种或数种功能。而现代仪器则是将具有上述一种或多种功能的通用硬件模块组合起来，通过编制不同的软件来构成任何一种仪器。
2　仪器仪表设计的新方法
　为了造应仪器仪表发展的新特点，各种新型的设计工具和设计方法不断涌现。这里择其具有代表性的二者加以介绍。
2.1　仪器仪表的虚拟化设计与LabVIEW图形化发工具
　电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式：虚拟仪器(Virtual Instrument)。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。
　NI公司的LabVIEW是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将LabVIEW与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不象传统的仪器那样，受生产商所设计功能的限制。

　LabVIEW提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。它的基本程序单位是VI。LabVIEW通过图形编程的方法，建立一系列的VI，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一个VI完成;对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种VI以完成每项子任务，然后把这些VI组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括众多功能子虚拟仪器的集合。
　使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关心程序流程方面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题，这些问题在LabVIEW中都迎刃而解了。LabVIEW还带有多种基本的VI库。其中包括采用GP-IB、VISA、VXI和串行接口的仪器的驱动程序。LabVIEW还拥有功能超强且庞大的分析函数库，其涵盖了统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。
2.2　ESP在系统可编程技术
　ISP(In System Programmability)在系统可编程是指在用户自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑器件进行编程或反复编程的能力。这种重构可以在实验开发过程中、制造过程中甚至在交付用户使用后在现场进行或通过Internet进行。ISP技术的应用，给仪器仪仪器仪表系统的设计带来了革命性的变化。它使得仪器仪表的硬件系统不再是固定结构，而是具有了软件的灵活性，在调试过程中不断更改“软件”就可达到硬件功能的改进，这种“软”硬件的全新设计概念，使系统具有了极强的灵活性的适应性。
　传统上，在系统可编程技术主要用于数字系统设计中，如美国Xilinx公司的FPGA现场可编程门阵列和CPLD复杂可编程逻辑器件等均支持ISP技术。
　1999年11月，美国Lattic公司推出了ispPAC在系统可编程模拟电路，将ISP技术引入到了模拟系统中。在ispPAC出现前，模拟系统的设计往往是用大量标准器件来搭建。ispPAC的出现，使得高集成度的精确模拟设计能够通过一小片单片ispPAC来实现。从根本上简化和加速了模拟电路的设计、集成和装配。在系统可编程模拟器件可实现三种基本功能：(1)信号调理；(2)信号处理；(3)信号转换。信号调理主要是对信号进行放大，衰减，滤波。信号处理是指对信号进行求和、求差、积分运算。信号转换是指能把数字信号转换成模拟信号。同时，还可以将这些基本模拟功能进行灵活的组合配置，设计出更加复杂的模拟系统。这种器件允许设计者使用ED A开发软件来设计和修改模拟电路，进行电路特性模拟，最后通过Lattic公司的ispDOWNLOAD CABLE编程电缆将设计方案下载至芯片中，瞬间即可完成器件的重配置和重编程。