現(xiàn)代精密儀器設計

前言

儀器儀表工業(yè)是信息工業(yè)，是信息的源頭，是認識世界的工具，是人們用來對物質(自然界)實體及其屬性進行觀察、監(jiān)視、測定、驗證、記錄、傳輸、變換、顯示、分析處理與控制的各種器具與系統(tǒng)的總稱，其實質是研究信息的獲取、處理和利用。儀器儀表發(fā)展至今已成為一門獨立的學科，即儀器科學與技術，而現(xiàn)代精密儀器則是儀器科學與技術的一個重要組成部分。當今科學儀器技術最引人注目的發(fā)展是在生物、醫(yī)學、材料、航天、環(huán)保、國防等直接關系到人類生存和發(fā)展的諸多領域中，研究的尺度深入到介觀(納米)和微觀；儀器的研制和生產趨向智能化、微型化、集成化、芯片化和系統(tǒng)工程化；利用現(xiàn)代微制造技術(光、機、電)、納米技術、計算機技術、仿生學原理、新材料等高新技術發(fā)展新式的科學儀器已經成為主流，為精密儀器設計提出了新的研究課題。隨著科學技術的進步，特別是微電子技術、宇航工業(yè)、材料科學、生物工程等的發(fā)展，使精密儀器已進入亞微米、納米級的新時代，為精密儀器提供了廣泛的研究領域。為適應科技發(fā)展的需要，趕上世界科技進步的步伐，提高我國精密儀器的水平，本書從實際應用出發(fā)，參照全國精密儀器設計的教學大綱編寫而成。書中總結了編著者長期的教學經驗與科研工作成果，匯集了有關現(xiàn)代精密儀器設計理論和成果，著力反映了這一學科領域的當代發(fā)展水平，使讀者充分了解和掌握精密儀器的學術動態(tài)和最新成就。同時力圖做到概念清楚、深入淺出，對精密儀器設計有關的共同性理論和方法進行了系統(tǒng)、全面地闡述。每章有設計實例和習題，目的是便于學生自學并啟發(fā)學生的創(chuàng)造性。“精密儀器設計”是以設計為主的專業(yè)課程，其目的是使學生綜合運用基礎理論知識，掌握光、機、電、算相結合的現(xiàn)代儀器儀表設計理論和方法，以培養(yǎng)學生獨立設計與研究現(xiàn)代精密儀器及微納米系統(tǒng)的能力。根據(jù)高等學校儀器科學與技術教學指導委員會測控技術與儀器專業(yè)本科教學規(guī)范的要求，以及本教材的實際使用情況和建議，第2版對第1版中的部分內容進行了修訂： (1)  按測控技術與儀器專業(yè)本科教學規(guī)范，縮減“微型機電系統(tǒng)”一章，其內容在其他教材另行詳細、充分闡述； (2)  增加光電傳感技術的有關內容，以更多地滿足測控學科和專業(yè)教育教學要求； (3)  瞄準與對準系統(tǒng)講述測量基準，定位與測量系統(tǒng)分析測量方法，因此將二者整合為“精密測量技術”，以便對測量有更全面、整體的理解； (4)  增加“精密儀器設計實例與實驗”一章，利用典型實例闡述現(xiàn)代儀器設計方法，加強儀器設計的實踐環(huán)節(jié)； (5)  調整“自動調焦系統(tǒng)”一章，有關知識在第10章中以實例方式闡述說明。具體內容如下：第1章 現(xiàn)代精密儀器設計概論闡述了儀器儀表學科的重要性和我國以及國際上這一學科當代的發(fā)展水平與發(fā)展趨勢；介紹了儀器儀表的組成、設計與原則。第2版前言現(xiàn)代精密儀器設計（第2版）第2章 精密儀器設計方法總體設計是“戰(zhàn)略”性的、方向性的、把握全局性的設計。由于總體設計是一個戰(zhàn)略性的工作，其優(yōu)劣直接影響到精密儀器的性能和使用，所以總體設計是創(chuàng)造性的工作，特別是現(xiàn)代精密儀器，是光、機、電、算技術的綜合。在進行總體設計時，設計者要有創(chuàng)新的觀念，要充分運用科學原理和設計理論。本章介紹了幾種設計方法，對總體設計原則、方法及總體方案制定內容通過實例進行了討論。第3章 儀器精度設計與分析精度（不確定度）是精密儀器及精密機械設備的核心技術指標。隨著科學技術的發(fā)展，對于精密機械及精密儀器的精度提出了愈來愈高的要求。本章介紹了精度的概念、精度評價方法、誤差的來源及計算與分析方法、誤差的綜合及動態(tài)精度，為現(xiàn)代精密儀器的設計打下了基礎。第4章 精密機械系統(tǒng)精密機械系統(tǒng)是實現(xiàn)精密儀器高精度的基礎，特別是當代科技發(fā)展已進入納米時代，對儀器功能和精度提出了更高要求，因此對機械系統(tǒng)的設計與制造應給予高度重視。本章主要對精密機械系統(tǒng)中的關鍵部分設計（包括基座與支承件、導軌、軸系等）進行了闡述，著重討論了影響系統(tǒng)精度和性能的因素及提高精度的措施。第5章 傳感檢測技術光電傳感為精密儀器的檢測、分析提供數(shù)據(jù)來源，直接影響儀器功能及性能。本章主要介紹了精密儀器中常用的傳感系統(tǒng)檢測方法、系統(tǒng)構成、傳感器選擇以及抗干擾技術等。希望通過本章的學習讀者能夠對傳感檢測相關技術有清晰的了解，并掌握傳感器選擇方法以及抗干擾技術。第6章 光學系統(tǒng)設計光學系統(tǒng)在現(xiàn)代儀器尤其是光學儀器中起著越來越重要的作用。光學系統(tǒng)既是使儀器走向高精度測量不可或缺的部分,隨著視覺技術的發(fā)展，光學系統(tǒng)也必然成為很多常規(guī)儀器的核心內容。本章在光學系統(tǒng)構成基礎上,講述了光學系統(tǒng)各構成部分的設計思路,重點講述了光學照相、顯微、望遠及照明系統(tǒng)的設計方法。最后以傅里葉變換紅外光譜儀為例說明了光學系統(tǒng)的總體設計方法。第7章 微位移技術微位移技術是實現(xiàn)精密儀器亞微米、納米級精度的關鍵技術。本章闡述了微位移驅動方法及分類，介紹了各種微位移器件的原理、特點及其應用，分析了各種微位移系統(tǒng)的設計方法、優(yōu)缺點、適用范圍及達到的精度，特別是對柔性鉸鏈微位移系統(tǒng)作了全面的論述，同時還介紹了目前世界上多種先進、實用的微位移機構，供設計者參考。第8章 機械伺服系統(tǒng)設計伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)精密儀器智能化、自動化的基礎。為了實現(xiàn)精密儀器系統(tǒng)高效率、高精度、穩(wěn)定運動的要求，伺服控制系統(tǒng)必須具有很好的快速響應性，能靈敏地跟蹤指令，以達到運動精度及穩(wěn)定性的要求。本章介紹了伺服控制系統(tǒng)的分類、組成、設計要求及性能指標，闡述了精密機電傳動系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)設計與動態(tài)分析、開環(huán)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)設計原理，并給出了應用實例。第9章 精密測量技術瞄準與對準系統(tǒng)是精密儀器及光學儀器中的重要組成部分。精密儀器的核心問題是精度問題，瞄準與對準是精密儀器的基準，因此瞄準與對準精度將直接影響儀器精度，特別是對高精度儀器影響更大。本章介紹了瞄準與對準系統(tǒng)的用途與性能，對目前通用接觸式和非接觸式瞄準方法進行了全面論述。另外，精密儀器精度高低，除精密機械部分運動精度外，很大程度上還取決于其定位系統(tǒng)，因此定位測量也是精密儀器中的一個重要組成部分，特別是對高精度儀器尤為重要。本章重點論述了目前大量應用的高精度光柵及激光干涉定位系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的設計和特點等問題進行了詳細分析與討論。第10章 精密儀器設計實例與實驗本章以線寬測量自動調焦系統(tǒng)、基于光學立體顯微鏡的微裝配系統(tǒng)為例，對精密儀器設計的過程、方法進行了說明；并利用精密儀器設計綜合實驗對儀器應用及技術進行了實踐分析。本書是在普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材、北京高等教育精品教材《現(xiàn)代精密儀器設計》（清華大學出版社，2004）的基礎上，依據(jù)科學進步與教學經驗進行改編的。其中，第1, 2, 7, 9, 10章由李玉和編寫，第4, 5, 8章由郭陽寬編寫，第6章由王東生編寫，第3章由王鵬編寫，全書由李玉和統(tǒng)稿，李慶祥教授主審。本書編寫過程中得到李慶祥教授、王東生教授、訾艷陽博士的大力支持和幫助，在此表示感謝！本書可供高等工科院校測控技術與儀器、電子精密機械、機電一體化及光學儀器等專業(yè)師生使用，同時也可供從事精密儀器與機械及微納米機電系統(tǒng)的研究、設計、制造、使用和調修的工程技術人員學習和參考。由于編者水平有限，書中難免有不妥甚至錯誤之處，殷切希望讀者提出寶貴意見。

內容概要

　　本書為高等工科院?！熬軆x器設計”課程教材，對與精密儀器設計有關的基本理論和方法做了較全面、系統(tǒng)的論述，匯集了現(xiàn)代精密儀器設計的有關資料和科研成果，反映了該學科領域的當代發(fā)展水平?！　∪珪卜?0章，包括現(xiàn)代精密儀器設計概論、精密儀器設計方法、儀器精度設計與分析、精密機械系統(tǒng)、傳感檢測技術、光學系統(tǒng)設計、微位移技術、機械伺服系統(tǒng)設計、精密測量技術、精密儀器設計實例與實驗?！　”緯勺鳛闇y控技術與儀器、光學工程以及機電類專業(yè)大專院校教材，也可供從事儀器科學與技術及機電類研究、設計、制造、調修的工程技術人員學習和參考。

書籍目錄

1 現(xiàn)代精密儀器設計概論　1.1 現(xiàn)代精密儀器概述　　1.1.1 儀器儀表是信息的源頭　　1.1.2 我國現(xiàn)代精密儀器發(fā)展的狀況　　1.1.3 國外儀器發(fā)展趨勢　　1.1.4 “精密儀器設計”課程的目的與要求　1.2 精密儀器的基本組成　1.3 精密儀器設計的指導思想與程序　　1.3.1 指導思想　　1.3.2 設計程序　習題2 精密儀器設計方法　2.1 設計方法概述　2.2 設計任務分析　2.3 系統(tǒng)參數(shù)與指標設計　　2.3.1 主要參數(shù)與技術指標的內容　　2.3.2 確定主要參數(shù)和技術指標的方法　2.4 總體方案的制定　　2.4.1 基本設計原則　　2.4.2 總體方案制定的內容　2.5 典型設計方法　　2.5.1 優(yōu)化設計　　2.5.2 可靠性設計　　2.5.3 虛擬儀器設計　習題3 儀器精度設計與分析　3.1 儀器精度概述　　3.1.1 誤差　　3.1.2 精度（不確定度）　　3.1.3 儀器精度（不確定度）指標　3.2 儀器誤差的來源與分類　　3.2.1 原理誤差　　3.2.2 制造誤差　　3.2.3 運行誤差　3.3 誤差計算分析方法　　3.3.1 誤差獨立作用原理　　3.3.2 微分法　　3.3.3 幾何法　　3.3.4 逐步投影法　　3.3.5 作用線與瞬時臂法　3.4 誤差綜合與實例分析　　3.4.1 隨機誤差的合成　　3.4.2 系統(tǒng)誤差的合成　　3.4.3 不同性質誤差的合成　　3.4.4 誤差分析計算實例　習題4 精密機械系統(tǒng)　4.1 基座與支承件　　4.1.1 基座與支承件的結構特點　　4.1.2 對基座和支承件的主要技術要求　　4.1.3 基座與支承件的設計要點　4.2 導軌副　　4.2.1 種類及特點　　4.2.2 基本要求　　4.2.3 導軌設計思路　4.3 主軸系統(tǒng)　　4.3.1 設計的基本要求　　4.3.2 主軸的類型　　4.3.3 結構舉例　　4.3.4 幾種軸系的比較　習題5 傳感檢測技術　5.1 檢測系統(tǒng)　　5.1.1 測量方法簡介　　5.1.2 傳感檢測系統(tǒng)的構成　　5.1.3 檢測系統(tǒng)設計要點　5.2 傳感器選擇　　5.2.1 模型與指標參數(shù)　　5.2.2 傳感器的分類　　5.2.3 傳感器選擇原則　　5.2.4 典型儀器傳感器　　5.2.5 多傳感器信息融合技術　5.3 傳感檢測抗干擾技術　　5.3.1 噪聲源及噪聲耦合方式　　5.3.2 共模與差模干擾　　5.3.3 屏蔽技術　　5.3.4 接地技術　習題6 光學系統(tǒng)設計7 微位移技術8 機械伺服系統(tǒng)設計9 精密測量技術10 精密儀器設計實例與實驗參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：2．3．1主要參數(shù)與技術指標的內容儀器的使用者往往只能提出對儀器的具體使用要求、使用環(huán)境條件等，但這些條件不能直接作為儀器設計的起始數(shù)據(jù)。另外，儀器的設計者（或生產者）在向使用者介紹產品的性能時，也需要讓對方了解一定的參數(shù)和指標。然而至今尚沒有在設計者和使用者之間統(tǒng)一的名詞、術語。此處列舉一些有關儀器的基本技術指標，這些指標既可作為儀器設計的根據(jù)，又能使儀器的使用者通過它們了解儀器的性能。精密儀器的主要參數(shù)是能夠基本反映該設備的概貌和特點的一些項目，包括精度參數(shù)、尺寸參數(shù)、運動參數(shù)、動力參數(shù)等。例如，微細加工設備的精度參數(shù)表明能制作的最細線條尺寸，尺寸參數(shù)是該設備所能加工硅片的最大尺寸，運動參數(shù)則是精密工作臺的運動速度，動力參數(shù)則表明電機的功率、額定扭矩及照相用的光源的功率等，結構參數(shù)是說明整機、主要部件主要結構尺寸的參數(shù)。又如，精密計量儀器的技術參數(shù)為測量精度、測量范圍、示值范圍、工作距離、放大率、數(shù)值孔徑、視場、焦距等，基本上反映該類儀器的概貌。精密儀器的技術指標，是用來說明一臺精密儀器性能和功用的具體數(shù)據(jù)的，因此它既是設計的基本依據(jù)，又是檢驗成品質量的基本依據(jù)。精密機械設備與儀器的技術指標與用途、功能、特點等有關，不同類型的設備與儀器有不同的技術指標，但歸納起來可分為下列幾個方面：（1）反映設計工作性能，如設備的各種功能、加工對象范圍與尺寸范圍、測量對象范圍與尺寸范圍、運動速度范圍、顯示功能、打印數(shù)據(jù)功能等。（2）反映設備精度，如加工精度、表面粗糙度、刻劃精度、制造精度、測量精度、示值誤差、分辨率、靈敏度等。（3）反映設備自動化程度，如半自動、全自動、數(shù)控、微機控制、計算機數(shù)據(jù)處理等。

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