第四节 测控仪器设计原理,一、平均读数原理 在计量学中，利用多次读数取其平均值，能够提高读数精度，即称之为平均读数原理。,一、平均读数原理 二、比较测量原理 三、补偿原理,以光学分度头为例，当采用单面读数（单个读数头）时，由于轴系晃动或度盘安装偏心等原因，不可避免地将使仪器带来读数误差。,图322 度盘安装偏心示意图,图a中，设o为度盘几何中心，o为主轴回转中心，即度盘有安装偏心。I为读数头瞄准位置。则当主轴转过角时，度盘几何中心转至O1点（图b），此时，相对读数瞄准位置I来说，产生读数误差为 （3-16） 式中 -安装偏心， -度盘刻划半径。,如仪器主轴转动时轴系有晃动，其产生的读数误差与上面分析类似。 如果，在度盘的对径方向上安装两个读数头，并取两个读数头读数值的平均值作为度盘在这一转角位置上的读数值。这样，度盘安装偏心或轴系晃动带来的读数误差为正的话，则对读数头II来说，其读数误差必为负，且两者的绝对值相等。因此，当存在着度盘安装偏心或轴系晃动误差时，对径读数取它们的平均值，则可自动消除读数误差。,图323 测角仪对径读数结构 1-照明光源 2-聚光镜 3-度盘 4、9、13-直角棱镜 5、11-物镜 6-梯形棱镜 7、8-光楔测微器 10-合像分界楔 12-秒尺 14-投影物镜 15、16、17-反射镜 18-投影屏,假设度盘有刻划误差、安装偏心、轴系有晃动等缺陷，分析当用2个读数头读数值的平均值作为读数值时，上述误差对读数误差影响的情况。,式中 -各阶谐波的阶次； -各阶谐波的幅值。,对于 次谐波,当m=1，3，5.奇数时，,当m=2，4，6.偶数时,可得出结论：m=k2（K为正整数）次谐波误差不能消除， 变为通用式：m=kn次谐波误差不能消除,结论：由上分析可见，多读数头结构平均读数原理，在消除轴系晃动、度盘安装偏心及度盘刻划误差等对读数精度的影响方面具有良好的效果。因此，平均读数原理已成为高精密圆分度测量装置中一条重要设计原理，而为量仪设计所普遍重视和共同遵循。,二、比较测量原理,（一）位移量同步比较测量原理 位移量同步比较原理主要应用于复合参数的测量：渐开线齿形误差，齿轮切向综合误差，螺旋线误差，凸轮型面误差的测量 特点：这类复合参数一般都是由线位移和角位移，或角位移和角位移以一定关系作相互运动而成。它们的测量过程，实际上是相应的位移量之间的同步比较过程，故在设计这类参数的测量仪器中，形成了一种位移量同步比较的测量原理。这一原理的特点是符合按被测参数定义进行测量的基本原则。 过去的方法：采用建立相应的机械的标准运动，然后与被测运动相比较的方法，其结果是结构复杂，环节多，测量链长，工艺难度大，特别当要求仪器具有较大通用性时，问题更为突出。 近期的方法：由于激光、光栅、电子和微机技术的发展，使位移量同步比较由机械式向电子式发展，由于这种发展，使位移量同步比较原理在仪器设计中获得了新的广泛前景。因此，测量时由非同步比较变为了同步比较的过程。,图324 万能齿轮整体误差测量机原理图 1圆光栅盘 2切向滑板 3长光栅尺 4光栅头 5刚性测头 6被测齿轮 7光栅头,图3-24是采用电子式位移量同步比较原理所设计的万能齿轮整体误差测量机的原理图。,由此可知位移量同步比较测量原理的定义是：对复合参数进行测量的近代方法是先分别用激光装置或光栅装置等测出它们各自的位移量，然后再根据它们之间存在的特定关系由计算机系统直接进行运算比较而实现测量。,第1齿测量：先将刚性点触头5调至被测齿轮基圆的切线位置上，并与被测齿轮的齿面接触。测量时，由齿轮顺时针转动带动触头沿渐开线法线移动进行测量.第2齿测量开始前，齿轮继续旋转，触头停止移动并在第1齿齿顶圆上滑过。触头滑过齿顶圆后，在测力机构作用下，进入齿轮啮合位置中并与第2齿齿面接触。此时齿轮反转，触头沿基圆切线随第2齿齿面继续返回移动，直至触头返回至被测齿轮基圆的切线位置上，并与被测齿轮的齿面接触时齿轮开始正转，开始第二齿的测量。 逐齿循环上述正反转测量过程，直至测量完截面所有各齿。在测量过程中，与齿轮一起转动的圆光栅发出 与 脉冲信号（ 为被测齿的实际分度角， 为齿轮实际测量展开角），与测头一起移动的长光栅发出 和 脉冲信号（ 为采样点序号）。两路信号同时送入计算机，按仪器测量原理所规定的程序进行计算，显示及自动画出齿轮的截面整体误差曲线。,图325 电学量差动比较测量原理 图3-25a）为桥式差动电路， 图3-25b）为双端差动电路。,（二）差动比较测量原理 1电学量差动比较测量 电学量差动比较测量可以大大减小共模信号的影响，从而可以提高测量精度和灵敏度，并可以改善仪器的线性度。,式中， 为线圈匝数， 为空气的磁导率， 为空气隙的截面积。,1-铁心 2-线圈 3-衔铁 4-测杆 5-工件 图3-26差动式电感传感器,上述每个电路内都有两个光电元件，一个接受信号光线，另一个接受同一光源的恒定光线。这样，温度变化、光源亮度变化等渐变因素对其产生的影响可互相抵消，同时，还可抵消信号中的直流。从而可提高测量精度和灵敏度，并可改善仪器的线性度。,当工件5 尺寸改变，测杆4向上移动 ，由于上、下气隙的同步增减，因而使上线圈的电感量变化，总变化量为,对于非差动式电感线圈传感器来说，测杆4向上移动引起电感量的变化量为 由上述两个公式可以看出，差动式电感传感器的灵敏度比非差动式提高一倍。,2光学量差动比较测量,图3-27所示为双通道差动法“光谱透射比”测量的例子。,按GB3102.6-1986，光谱透射比系透过的与入射的辐射能通量或光通量的光谱密集度之比。,图327 双通道差动法透过率测量原理 1-辐射光 2-反射镜 3-透镜 4-汇聚透镜 5-光电元件 6-差动放大器 7-指示表,辐射光源1借助反射镜2和透镜3分别沿着标准通道I和测量通道II并行输送，实现被测样品与标准台样品比较，以差值指示。因此，降低共模信号的影响，还可消除杂散光的干扰。,（三）零位比较测量原理,图3-28所示为测量偏振面转角的零位测量原理方案。具有偏光性质的被测物3放在起偏器和检偏器之间。起偏器2和检偏器4的光轴正交;,1)在2和4之间没有放入具有偏光性质的被测物3,则检偏器输出的光通量为零; 2)在2和4之间放入被测物3, 引起偏振面旋转。使检偏器有光通量输出，使指示表的指针偏离零位。 3)通过读数装置5转动检偏器直至指示表示值再次为零，此时，检偏器的转角等于被测物引起的偏振面转角。 测量方法的误差分析:当重新调整使表指示为零时，则必须使被测量与补偿量相平衡。因此它的测量精度仅取决于指零表的零位漂移，而读数装置的非线性误差及光通量的不稳定对测量精度的影响大大减小。,图3-28 测量偏振面转角的零位测量原理 1平行光光源 2起偏器 3被测物 4检偏器 5读数装置 6光电检测器 7放大器 8指示表,三、补偿原理 补偿原理是仪器设计中一条内容广泛而意义重大的设计原理。如果在设计中，采用包括补偿、调整、校正环节等技术措施，则往往能在提高仪器精度和改善仪器性能方面收到良好的效果。补偿原理的核心包括：,1补偿环节的选择 为了取得比较明显的补偿效果，补偿环节应选择在仪器结构、工艺、精度上的薄弱环节，对环境条件及外界干扰敏感的环节上。 2补偿方法的确定 有光电方法、软件方法、电学方法、标准器比较的方法等。 3补偿要求的分析 根据不同的补偿对象，有不同的补偿要求： 例如，对于导轨直线度偏差的补偿，必须要对整个行程范围进行连续逐点的补偿；而对仪器示值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间选几点，达到选定的特征点保证仪器示值精确即可。 4综合补偿（最佳调整原理）的实施 优点：综合补偿方法具有简单、易行、补偿效果好的特点。 涵义：该方法不必研究仪器产生的误差来自哪个或哪些环节，但通过对某个环节的调整后，便起到了综合补偿的效果。,1）对采用正弦机构的仪器误差进行综合补偿 以杠杆齿轮式测微仪为例来说明： 测微仪的第一级为正弦杠杆放大，放大比为R/a；第二级放大比为L/r。 但从图3-30可看出： 被测位移是直线 , 但传递上去的是弧 显然 s，因此产生原理误差：,因为： 所以： 记住正弦机构产生（ 正）的误差,图329 杠杆齿轮式测微仪原理图,图330 杠杆齿轮测微仪的测杆部分,采用综合补偿法的方法如下： 在刻度盘及内部结构都已经确定的情况下，我们采用增长杠杆短臂a的方法来减小 ，即将 调整为 。由理论分析可以得知（采用最小二乘法计算），当调整 ，使 处的原理误差为零时，达到最佳调整，这时的最大原理误差为 ，即为调整前的 ，调整后的杠杆臂长 可由下式求得,图3-31显示了调整前后的特性曲线。其中 为调整前的特性曲线， 为调整后的特性曲线， 为刻划特性曲线。,图331 正弦杠杆三条特性曲线,2）对采用正切机构的仪器误差进行综合补偿 以平行光管为例来说明： 在平行光管的读数系统中，由于利用分划板上的等分刻度尺量值来代替所 测量角度的理论值，而带来原理误差。见图3-32，被测角度的理论方程为 而等分刻度的实际方程为 式中， 为物镜焦距； 为被测夹角。由此带来原理误差,由于物镜已经选好，所以焦距 确定。为了减小该项原理误差，我们可采用新的焦距 进行分划板的等分刻度。新的等分刻度应使被测角度 时，原理误差 ，即达到了最佳调整补偿。式中 为最大测角范围。最佳调整后仪器的最大测量误差为调整前的1/4。,图3-33显示了 为传动特性、 为调整前的分划板刻度特性， 为调整后的分划板刻度特性，新焦距 可由下式求得,图332 平行光管测量原理简图,图333 正切杠杆三条特性曲线,第五节 测控仪器工作原理的选择和系统设计,检测系统工作原理的选择和系统功能的设计是总体考虑时首先遇到的一个问题。 检测系统是一台设备的重要组成部分，它相当于人体智能系统的五官，五官获取外界信号, 大脑相当于设备的控制系统，四肢相当于设备的执行机构,因此，一台完整的设备能否按设计要求完成预定的任务，首先取决于检测系统的精度和可靠性。 检测系统的设计包括:传感器的选择与设计、标准量及其细分方法的应用、数据处理与显示装置的选取等三大部分。,一、传感器的选择与设计 传感器的作用和重要性: 它是信息提取的源头，传感器的选择将对仪器的总体设计有很大的影响，如若选择欠妥，则不仅会造成整台仪器难于获得好的性能，甚至有时还会不能满足设计任务的要求。 如何进行设计与选择: 可依据设计任务书的要求，综合考虑传感器的工作原理和应用要求来择优选取或设计最佳方案。,按传感器的工作原理和特性进行选择或设计有以下三种方式作为参考： 1) 按传感器转换功能的不同 可选择位置检测传感方式（如几何量测量中的瞄准系统）,其作用在于确定 被测量对应于标准量的位置，转换后的位置信息经检测系统中的放大环节来提 高仪器的分辨率。 或选择数值检测传感方式, 其作用是为了测量被测量的数值（它包括绝对测 量的数值，也包括相对测量时，获取被测量的偏差部分，如测微式三坐标测 头、视觉成像传感器等），故要求传感器灵敏度高、线性好、原理误差小。 2) 按传感器对原始信号感受方式的不同 可选择接触式感受方式（如三坐标测量机中所配置的机械式硬测头或发讯式 开关测头）由于其结构简单，使用方便，故适用于复杂形状工件的检测。 或选择非接触式感受方式(如光学式、电容式和气动式)。 直接引入式多应用于对于热工