测控仪器设计 上课.pptx
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1、第一节第一节 仪器精度理论中的若干基本概念仪器精度理论中的若干基本概念一、误差!(一)误差定义 !其大小反映测得值对于真值的偏离程度其大小反映测得值对于真值的偏离程度误差特点误差特点第1页/共90页真值基本概念真值基本概念1、理论真值2、约定真值3、相对真值第2页/共90页第3页/共90页(三)误差的表示方法1、绝对误差2、相对误差没有量纲有两种表示方法1)引用误差 2)额定相对误差 第4页/共90页二、精度精度是误差的反义词1)正确度2)精密度3)准确度第5页/共90页被测量真值被测量真值被测量真值被测量真值正确度与精密度都高,即准确度高正确度与精密度都高,即准确度高正确度与精密度都高,即准
2、确度高正确度与精密度都高,即准确度高正确度高,精密度低正确度高,精密度低正确度高,精密度低正确度高,精密度低正确度低,精密度高正确度低,精密度高正确度低,精密度高正确度低,精密度高正确度与精密度都低,即准确度低正确度与精密度都低,即准确度低正确度与精密度都低,即准确度低正确度与精密度都低,即准确度低第6页/共90页三、仪器精度指标(一)仪器静态特性与精度指标1、仪器静态特性与线性度误差静态特性线性函数规定线性非线性 实验得到的特性曲线 拟合直线第7页/共90页线性度误差拟合直线的不同,有不同的线性度端基线性法端基线性法、理论线性法、平均线性法、零基线性法、独立线性法、最小二乘线性法最小二乘线性
3、法最小二乘线性法最小二乘线性法第8页/共90页2、示值误差与示值重复性3、灵敏度与分辨力4、仪器的稳定性与漂移5、滞差6、复现性精度7、灵敏阈(灵敏限)8、示值范围(量程)9、测量范围第9页/共90页(二)仪器的动态特性与精度指标1、仪器的动态特性常系数线性微分方程第10页/共90页2、动态偏移误差和动态重复性误差常用3倍的动态输出标准差s(tk)来表示动态重复性误差的变化范围为第11页/共90页例1、激光光束在传播中是高斯光束,不是球面波。在用应用光学理论设计时,按球面波计算,带来原理误差。例2、A/D转换器。被测电压为V,转换器位数为 ,脉冲当量为 产生了量化误差 第二节第二节 仪器误差的
4、来源与性质仪器误差的来源与性质 一、原理误差第12页/共90页例例3 激光扫描测径仪f多面棱镜多面棱镜反射镜反射镜反射镜反射镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜激光器激光器光电接光电接收器件收器件工件工件第13页/共90页NNAAhrBO例例4、凸轮机构(正弦和正切机构)第14页/共90页杠杠杆杆百百分分表表机机构构aRrLSt例例5第15页/共90页此误差折算到测量端第16页/共90页原理误差的分类:1)理论误差 2)方案误差 3)技术原理误差 4)机构原理误差 5)零件原理误差 6)电路控制系统原理误差 第17页/共90页如何减小原理误差如何减小原理误差原则为:把原理误差控制在允许的范把原理误差控制
5、在允许的范围内,简化结构、简化工艺、简化围内,简化结构、简化工艺、简化计算、降低成本计算、降低成本如何找到原理误差(分析途径)如何找到原理误差(分析途径)将仪器各个组成环节之间的实际关系与设计、计算时采用的理论关系相比较,如有差异即存在原理误差第18页/共90页减小或消除原理误差影响的方法减小或消除原理误差影响的方法共有4种方法:1、补偿法、补偿法2、调整法、调整法3、改变刻度特性、改变刻度特性4、限制量程范围的大小或选择合适的工作区段、限制量程范围的大小或选择合适的工作区段第19页/共90页1、补偿法建立原理误差的数学模型,用微机在测量中加以补偿如激光小角度测量仪,存在着正切原理误差要根据角
6、的大小,在测量结果中补偿。结果是线性区域增大第20页/共90页第21页/共90页2、调整法正弦误差、正切误差,如有机构的情况下,可以通过调整机构的某些环节来减小原理误差以杠杆百分表机构(正弦机构)为例来说明调整a的大小,补偿S S第22页/共90页杠杆百分表特性图a0a0sina1sina2sinS02S13第23页/共90页第24页/共90页3、改变刻度特性法在光学杠杆放大仪器中,其长臂为光学杠杆,无法用调整机构的方法,如自准直光管(正切机构)刻划方程第25页/共90页22ft第26页/共90页准直光管刻度特性图tmaxmaxt =f 2t0 0=f tg2t1 1t第27页/共90页原理误
7、差的特点原理误差的特点它是产生在仪器设计过程仪器设计过程仪器设计过程仪器设计过程中,是固有误差从数学特征看,它是系统误差。第28页/共90页二、制造误差(工艺误差)二、制造误差(工艺误差)工艺误差 原始误差制造误差的定义制造误差的定义第29页/共90页举 例内外尺寸的配合间隙回转运动的径向误差表面波度和粗糙度影响运动的平稳性差动式电路中元件的结构不对称光学仪器中光学元件的制造误差引起成像畸变和光线方向变化等说明制造误差在仪器误差中占有极大的比说明制造误差在仪器误差中占有极大的比重重第30页/共90页注意:注意:不是所有制造误差对仪器精度有影响主要研究与仪器精度有关的制造误差主要研究与仪器精度有
8、关的制造误差(原始误差)(原始误差)在设计中采取什么措施来控制原始误在设计中采取什么措施来控制原始误差的影响?差的影响?第31页/共90页三、运行误差(使用误差)三、运行误差(使用误差)定义:定义:仪器在使用过程中所产生的误差仪器在使用过程中所产生的误差力变形引起的误差 例子测量力引起的变形误差 例子应力变形引起的误差磨损带来的误差间隙与空程引起的误差温度变化引起的误差振动带来的误差干扰与环境条件波动引起的误差第32页/共90页重力变形、读数线与测量线不重合测量线测量线测量线测量线读数线读数线读数线读数线B BA AS S第33页/共90页F F第34页/共90页第三节第三节 仪器误差的分析与
9、计算仪器误差的分析与计算误差分析也称为精度分析分析的目的:寻找影响仪器精度的根源及其规律寻找影响仪器精度的根源及其规律计算误差的大小计算误差的大小对仪器总精度的影响程度对仪器总精度的影响程度 保证仪器的总精度第35页/共90页精度分析按阶段进行:1、寻找仪器源误差2、计算分析各个源误差对仪器精度的影响3、精度综合(判断是否满足设计要求)第36页/共90页一、误差独立作用原理一、误差独立作用原理在理想情况下(特性参数无误差情况下),仪器输出与输入及相关仪器各特性参数的关系为当仪器的特性参数有误差时 为各参数 的相应源误差源误差第37页/共90页一个源误差(误差源)仅使仪器产生一个的局部误差;一个
10、源误差(误差源)仅使仪器产生一个的局部误差;局部误差是其源误差的线性函数,与局部误差是其源误差的线性函数,与其它源误差无关其它源误差无关,仪器总误差是局部仪器总误差是局部误差的综合误差的综合误差独立作用原误差独立作用原理理(近似原理)第38页/共90页二、微分法二、微分法如果能列出仪器全部或局部的作用原理方程式,可用此法。举例1、用微分法求杠杆百分表的误差2、激光干涉测长仪的误差分析与计算3、求投影仪光学系统影屏位置变化所带来的误差优点:简单、快速有一定的局限性第39页/共90页三、几何法三、几何法利用几何图形(几何关系)找出源误差所造成的影响。例4:读盘安装偏心所带来的影响第40页/共90页
11、eOOO”R+O是主轴回转中心是主轴回转中心O是度盘的几何中心是度盘的几何中心AB例例4 4第41页/共90页三、几何法三、几何法利用几何图形(几何关系)找出源误差所造成的影响。例4:读盘安装偏心所带来的影响例5:螺旋测微机构误差分析第42页/共90页例5第43页/共90页三、几何法三、几何法利用几何图形(几何关系)找出源误差所造成的影响。例4:读盘安装偏心所带来的影响例5:螺旋测微机构误差分析优点:简单、直观,适用于分析未能列入方程的源误差带来的影响。第44页/共90页四、作用线与瞬时臂法四、作用线与瞬时臂法这种方法主要研究源误差的传递过程传递过程基于源误差在仪器机构中的基于源误差在仪器机构
12、中的传递机理与传递位移的过程紧密相关(一)机构传递位移的基本公式(一)机构传递位移的基本公式 1)推力传动)推力传动 2)摩擦力传动)摩擦力传动每一对运动副之间存在着作用线第45页/共90页作用线定义:作用线定义:为一对运动副之间为一对运动副之间瞬时作用力的方向线瞬时作用力的方向线作用线用作用线用l-l表示表示 为转动件的瞬时微小角位移为转动件的瞬时微小角位移 公法线和公切线公法线和公切线 位移位移沿作用线传递沿作用线传递的基本公式:的基本公式:为瞬时臂(瞬时回转中心至作用线的垂直距离)为瞬时臂(瞬时回转中心至作用线的垂直距离)为平动件沿作用线上的瞬时微小线位移为平动件沿作用线上的瞬时微小线位
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