第三章測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì)

測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì)，是指在進(jìn)行儀器具體設(shè)計(jì)以前，從儀器自身的功能、技術(shù)指標(biāo)、檢測(cè)與控制系統(tǒng)框架及儀器應(yīng)用的環(huán)境和條件等總體角度出發(fā)，對(duì)儀器設(shè)計(jì)中的全局問(wèn)題進(jìn)行全面的設(shè)想和規(guī)劃。

在儀器設(shè)計(jì)長(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)者經(jīng)過(guò)不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn),繼承和發(fā)展前人的科技成果,形成了一些帶有普遍性的或在一定場(chǎng)合下帶有普遍性的儀器設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的基本原則與基本原理。這些設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)原理,根據(jù)不同儀器設(shè)計(jì)的具體情況,作為儀器設(shè)計(jì)中的技術(shù)措施,在保證和提高儀器精度、改善儀器性能以及在降低儀器成本等方面帶來(lái)了良好的效果。因此,如何在儀器的總體方案中遵循且恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用這些原則與原理,便是在儀器總體設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)突出考慮的一個(gè)重要內(nèi)容。本章主要針對(duì)測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原則和測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原理進(jìn)行深入分析。第一節(jié)測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原則

在儀器設(shè)計(jì)長(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上,形成了一些帶有普遍性的或在一定場(chǎng)合下帶有普遍性的儀器設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的基本原則與基本原理。這些設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)原理,作為儀器設(shè)計(jì)中的技術(shù)措施,在保證和提高儀器精度,改善儀器性能,以及在降低儀器成本等方面帶來(lái)了良好的效果。如何在儀器的總體方案中遵循或恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用這些原則與原理,便是在儀器總體設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)突出考慮的一個(gè)內(nèi)容。

共有六項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：一、阿貝(Abbe)原則及其擴(kuò)展二、變形最小原則及減小變形影響的措施三、測(cè)量鏈最短原則四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則五、精度匹配原則六、經(jīng)濟(jì)原則一.阿貝(Abbe)原則及其擴(kuò)展

阿貝原則定義：為使量?jī)x能給出正確的測(cè)量結(jié)果,必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測(cè)尺寸線的延長(zhǎng)線上?；蛘哒f(shuō)，被測(cè)零件的尺寸線和儀器的基準(zhǔn)線（刻線尺）應(yīng)順序排成一條直線。因此，遵守阿貝(Abbe)原則的儀器，應(yīng)符合圖3-1所示的安排。儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑共線。舉例說(shuō)明阿貝原則

圖3—1遵守阿貝原則的測(cè)量1-導(dǎo)軌2-指示器3-標(biāo)準(zhǔn)線紋尺

4-被測(cè)件5-工作臺(tái)對(duì)比用游標(biāo)卡尺測(cè)量工件的直徑用千分尺測(cè)量工件的直徑測(cè)量圖示

測(cè)量過(guò)程用游標(biāo)卡尺測(cè)量工件的直徑。不符合阿貝原則。測(cè)量時(shí)，活動(dòng)量爪在尺架（導(dǎo)軌）上移動(dòng)，由于導(dǎo)軌之間存在間隙，使活動(dòng)量爪發(fā)生傾斜角而帶來(lái)測(cè)量誤差，其值為

設(shè)S=30毫米，=1ˊ則引起的誤差為=300.0003=0.009mm用千分尺測(cè)量工件的直徑。符合阿貝原則。如果由于安裝等原因，測(cè)微絲桿軸線的移動(dòng)方向與尺寸線方向有一夾角，則此時(shí)帶來(lái)測(cè)量誤差為設(shè)d=20毫米，=1ˊ則引起的誤差為=20mm即誤差微小到可以忽略不計(jì)的程度。結(jié)論

誤差和傾角φ成一次方關(guān)系，習(xí)慣上稱為一次誤差誤差和傾角φ成二次方關(guān)系，習(xí)慣上稱為二次微小誤差

阿貝誤差產(chǎn)生的原因

導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動(dòng)中的擺角由于標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑不共線而帶來(lái)測(cè)量誤差導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動(dòng)中的擺角由于標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑共線誤差微小到可以忽略不計(jì)再舉一例：用阿貝比長(zhǎng)儀測(cè)量線紋尺的刻線間隔，被測(cè)尺寸線W和儀器基準(zhǔn)線S在同一條直線上，故符合阿貝原則。如果由于導(dǎo)軌誤差，基準(zhǔn)讀數(shù)顯微鏡和測(cè)量使讀數(shù)顯微鏡支架在圖示平面內(nèi)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)，使基準(zhǔn)讀數(shù)顯微鏡的第二次瞄準(zhǔn)位置由移到此時(shí)帶來(lái)的測(cè)量誤差為：因?yàn)椋海?-cosφ）=2sin2φ/2設(shè)d

被測(cè)線紋長(zhǎng)度，且d=20mm，φ=1′，則引起的誤差為：Δ=20×（0.0003）2/2=9×10-7mm即誤差微小到可以忽略不計(jì)的程度。

可見(jiàn)，阿貝原則在量?jī)x設(shè)計(jì)中的意義重大。·阿貝原則被公認(rèn)為是量?jī)x設(shè)計(jì)中最基本的原則之一，在一般的設(shè)計(jì)情況下應(yīng)盡量遵守。·但在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，有些情況不能保證阿貝原則的實(shí)施，其原因有二：1）遵守阿貝原則一般造成儀器外廓尺寸過(guò)大，特別是對(duì)線值測(cè)量范圍大的儀器，情況更為嚴(yán)重。2）多自由度測(cè)量?jī)x器，如圖3-3所示的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，或其它有線值測(cè)量系統(tǒng)的儀器。很難作到使各個(gè)坐標(biāo)方向或一個(gè)坐標(biāo)方向上的各個(gè)平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。如圖3-3所示的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其測(cè)量點(diǎn)的軌跡是測(cè)頭1的行程所構(gòu)成的尺寸線，而儀器讀數(shù)線分別在圖示的X、Y與Z直線位置處，顯然，在圖示情況下測(cè)量時(shí)，X與Y坐標(biāo)方向均不遵守阿貝原則。其中圖3-3a)為XZ平面，測(cè)頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀數(shù)線共線，但與X方向讀數(shù)線相距為L(zhǎng)，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。其中圖3-3b)為YZ平面，測(cè)頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀數(shù)線共線，但與Y方向讀數(shù)線相距為L(zhǎng)，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。

圖3-2工件的直徑測(cè)量b）用阿貝比較儀測(cè)量

1—被測(cè)工件2—工作臺(tái)3—底座4—基準(zhǔn)刻線尺5—支架圖3-3三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1-測(cè)頭的觸球2-被測(cè)工件

結(jié)論：許多線值測(cè)量系統(tǒng)的儀器，很難做到使各個(gè)坐標(biāo)方向或一個(gè)坐標(biāo)方向上的各個(gè)平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。

圖3-3a)

圖3-3b)基于上述實(shí)際情況，引出了擴(kuò)展阿貝原則的思路和方法。美國(guó)學(xué)者布萊恩（J.B.Bryan）建議將擴(kuò)展了的阿貝原則表達(dá)如下：

“位移測(cè)量系統(tǒng)工作點(diǎn)的路程應(yīng)和被測(cè)位移作用點(diǎn)的路程位于一條直線上。如果這不可能，那么或者必須使傳送位移的導(dǎo)軌沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)，或者必須用實(shí)際角運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算偏移的影響"。它包含三重意思，遵守了這三條中的一條，即遵守了阿貝原則。即：1）標(biāo)尺與被測(cè)量一條線；2）如無(wú)法做到則確保導(dǎo)軌沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)；3）或應(yīng)跟蹤測(cè)量，算出導(dǎo)軌偏移加以補(bǔ)償。舉幾例來(lái)了解阿貝原則擴(kuò)展定義的應(yīng)用。以下實(shí)例的共性點(diǎn)：這些實(shí)例均采用了動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量，隨機(jī)補(bǔ)償測(cè)量誤差的方法。動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍⒈O(jiān)測(cè)系統(tǒng)與儀器主體固定為一體，一旦經(jīng)過(guò)統(tǒng)調(diào)和定標(biāo)，則補(bǔ)償?shù)木确€(wěn)定。注：還可采用標(biāo)準(zhǔn)器具，對(duì)儀器進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量、修正的方法。這種方法的最大缺點(diǎn)是：儀器某標(biāo)定點(diǎn)的定標(biāo)條件與被測(cè)件在此標(biāo)定點(diǎn)上的被測(cè)條件都應(yīng)完全一樣，否則將造成更大的測(cè)量誤差。愛(ài)彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法

愛(ài)彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法主要被應(yīng)用于高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)的讀數(shù)系統(tǒng)中。圖3-4a為測(cè)長(zhǎng)機(jī)原理圖?？坛呙嫖挥诮咕鄁相同的兩個(gè)透鏡N1，N2的焦面上。M2，N2與尾座聯(lián)為一體，M1，N1與頭座聯(lián)為一體。刻尺由裝在尾座內(nèi)的光源照明。對(duì)零時(shí)，設(shè)0刻線成象在s1點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，尾座向左移動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)軌平直時(shí)，設(shè)相應(yīng)于被測(cè)長(zhǎng)度讀數(shù)值的刻線0ˊ亦成象在s1處時(shí)不產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)假設(shè)由于導(dǎo)軌直線度的影響，使尾座產(chǎn)生傾角θ，則在測(cè)量線方向上，測(cè)端因傾斜而向左挪動(dòng)，如無(wú)補(bǔ)償措施，則此值即為阿貝誤差。

但這時(shí)與尾座聯(lián)為一體的M2，N2也隨之傾斜θ角，這樣，刻線0ˊ通過(guò)M2，N2及M1，N1便成象到s2點(diǎn)，則S2點(diǎn)相對(duì)于S1點(diǎn)在刻尺面上也有一挪動(dòng)量。圖3—4愛(ài)彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償方法a)測(cè)長(zhǎng)機(jī)工作原理圖b)光學(xué)補(bǔ)償原理

為了補(bǔ)償阿貝誤差，頭座需向左移動(dòng)靠緊工件，為使讀數(shù)正確，S1S也需等于向左移動(dòng)量即==即，于是，由尾座傾斜而帶來(lái)的阿貝誤差，由于在儀器中設(shè)置了上述光學(xué)系統(tǒng)，在讀數(shù)時(shí)自動(dòng)消失了，即達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康?。這種補(bǔ)償原理被稱為愛(ài)彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償原理，是通過(guò)結(jié)構(gòu)布局隨機(jī)補(bǔ)償阿貝誤差的方法。2．激光兩坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中監(jiān)測(cè)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角與平移的光電補(bǔ)償方法

圖3-5為高精度激光兩坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，為了補(bǔ)償由于導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角引起的的阿貝誤差，儀器采用雙層工作臺(tái)。下層工作臺(tái)2經(jīng)滾柱在底座1的導(dǎo)軌上作縱向移動(dòng)，上工作臺(tái)3通過(guò)三個(gè)滾珠軸承4支承在下工作臺(tái)上。上工作臺(tái)П型框板的左右各有兩個(gè)孔眼。左面兩個(gè)孔眼里裝有彈性頂塊5，把上工作臺(tái)往左拉，右面兩個(gè)孔眼里裝有壓電陶瓷組合體6、7，其端部頂在下工作臺(tái)上。利用壓電陶瓷的電場(chǎng)-壓變效應(yīng)，使上工作臺(tái)相對(duì)于下工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)微小的平移或轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角將產(chǎn)生阿貝誤差，故在此僅介紹導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)。

上工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角測(cè)量及校正原理如圖3-6所示。這里采用了激光小角度測(cè)量法。在上工作臺(tái)的左部裝了一對(duì)角隅棱鏡。若上工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，角隅棱鏡3相對(duì)于角隅棱鏡8的光程差將有增大或縮小。這樣根據(jù)測(cè)得的偏差值的正負(fù)方向，通過(guò)電子線路，使壓電陶瓷5作相應(yīng)的伸長(zhǎng)或縮短，以補(bǔ)償上工作臺(tái)在移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。

圖3-5激光兩坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的工作臺(tái)原理1-底座2-下層工作臺(tái)3-上工作臺(tái)4-滾珠軸承5-彈性頂塊6，7-壓電陶瓷組合體

圖3-6轉(zhuǎn)角測(cè)量及校正原理1-準(zhǔn)直透鏡組2-全反射鏡3-角隅棱鏡4-上工作臺(tái)5-壓電陶瓷6-分光移相鏡7-光電接收器8-角隅棱鏡3．以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器的電學(xué)補(bǔ)償方法以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器來(lái)跟蹤測(cè)量一些高精度、數(shù)字式計(jì)量?jī)x器導(dǎo)軌的直線度誤差，并把測(cè)得的誤差值經(jīng)電路處理后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖數(shù)，輸入給計(jì)數(shù)器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。其電路框圖如圖3-7所示。該電路比較復(fù)雜，沒(méi)有充分利用計(jì)算機(jī)的功能，補(bǔ)償?shù)淖杂啥葦?shù)單一。能否請(qǐng)同學(xué)設(shè)計(jì)智能化自動(dòng)補(bǔ)償方案？

圖3—7電學(xué)補(bǔ)償方法原理框圖

4．標(biāo)準(zhǔn)器工作點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)共線的平直度測(cè)量系統(tǒng)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上配制標(biāo)準(zhǔn)直尺和測(cè)微表，即可作直線度測(cè)量。布萊恩提出了一種遵守阿貝原則的結(jié)構(gòu)布局。

"平直度測(cè)量系統(tǒng)的工作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)位于垂直于滑塊移動(dòng)方向的，并通過(guò)被測(cè)的平直度的測(cè)量點(diǎn)的方向線上。如果這不可能，那么，或者必須使傳送平直度的導(dǎo)軌沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)，或者必須用角運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算偏移的影響"。見(jiàn)圖3-8，圖中測(cè)微表6和標(biāo)準(zhǔn)直尺5組合實(shí)現(xiàn)沿Z向的平直度測(cè)量，測(cè)微表15和標(biāo)準(zhǔn)直尺12組合實(shí)現(xiàn)沿Y向的平直度測(cè)量。測(cè)端17即為Z向被測(cè)的平直度的測(cè)量點(diǎn)。由于儀器導(dǎo)軌的直線度誤差，Z向滑塊移動(dòng)時(shí)，可能有Y向的平移或在Y-Z平面內(nèi)的傾斜，由此將引起測(cè)量誤差，為補(bǔ)償該誤差，布萊恩提出：將測(cè)端17與測(cè)微表6的測(cè)端按圖3-9a）布置。如若布置為如圖3-9b）所示的A1點(diǎn)或A2點(diǎn)，則不符合上面提到的原則，起不到補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｌ崾荆?、為測(cè)端17的位置；為測(cè)微表6的測(cè)端。

圖3-8平直度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局1.激光干涉儀2.激光光路邊3.測(cè)量框架4.Z軸滑塊5.標(biāo)準(zhǔn)直尺6.測(cè)微表7.激光干涉儀8.激光器9.激光干涉儀10.儀器底座11.測(cè)量框架12.標(biāo)準(zhǔn)直尺13.隔振支承14.Y軸滑塊15.測(cè)微表16.壓電晶體17.測(cè)端圖3-9標(biāo)準(zhǔn)器工作點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)的相互關(guān)系a）正確b）不正確

思考題：如果以0點(diǎn)為圓心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，請(qǐng)同學(xué)們畫(huà)圖指出為什么a）正確而b）不正確？

平直度測(cè)量的工作點(diǎn)可設(shè)在、或。（與共線，并垂直于平直度測(cè)量的移動(dòng)方向）但由于導(dǎo)軌誤差將造成Z軸滑塊發(fā)生位于紙面內(nèi)的擺動(dòng)，因此，導(dǎo)軌擺動(dòng)帶來(lái)的誤差將被引入到平直度測(cè)量中，因此，增加了標(biāo)準(zhǔn)平尺和輔助測(cè)量頭，用輔助測(cè)量頭感受導(dǎo)軌擺動(dòng)帶來(lái)的誤差，以便補(bǔ)償該誤差。當(dāng)Z軸滑塊的瞬間擺動(dòng)點(diǎn)為O時(shí)，只有當(dāng)平直度測(cè)量的工作點(diǎn)設(shè)在位置時(shí)，由于導(dǎo)軌誤差引入的測(cè)量誤差，為輔助測(cè)量頭感受到的導(dǎo)軌擺動(dòng)帶來(lái)的誤差。而<，>，均不能有效補(bǔ)償導(dǎo)軌誤差。動(dòng)畫(huà)演示5．遵守阿貝原則的傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)阿貝原則雖然主要是針對(duì)幾何量中大量程線值測(cè)量?jī)x器總體布局設(shè)計(jì)的一條原則，但同樣適合各類儀器傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)。圖3-10a）符合阿貝原則；而圖3-10b）不符合阿貝原則。為什么？請(qǐng)同學(xué)回答。圖3-10傳動(dòng)部件遵守阿貝原則的設(shè)計(jì)a）正確b)不正確二、變形最小原則及減小變形影響的措施變形最小原則定義：應(yīng)盡量避免在儀器工作過(guò)程中，因受力變化或因受溫度變化而引起的儀器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化。例如：儀器承重變化儀器結(jié)構(gòu)變形外界溫度變化儀器或傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，導(dǎo)致光電信號(hào)的零點(diǎn)漂移及系統(tǒng)靈敏度變化。1．減小力變形影響的技術(shù)措施要從總體設(shè)計(jì)上，或從具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮減小或消除力變形的影響。

（1）一米激光測(cè)長(zhǎng)機(jī)底座變形的補(bǔ)償一米激光測(cè)長(zhǎng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理：測(cè)量頭架3由電動(dòng)機(jī)和變速箱6通過(guò)閉合鋼帶7，電磁離合器8帶動(dòng)在導(dǎo)軌上移動(dòng)。工件放在工作臺(tái)4上，工作臺(tái)也可沿導(dǎo)軌移動(dòng)。固定角隅棱鏡9與尾座5固結(jié)在一起?？蓜?dòng)角隅棱鏡12與測(cè)量頭架3內(nèi)的測(cè)量主軸11固結(jié)在一起，測(cè)量主軸可在測(cè)量頭架內(nèi)作±5mm的軸向移動(dòng)。裝在干涉儀箱體2內(nèi)的激光器13發(fā)出的激光束經(jīng)反射鏡后由分光鏡14分為兩路：一路到固定角隅棱鏡9；一路到可動(dòng)角隅棱鏡12。這兩束光在返回后發(fā)生干涉。

圖3-11一米激光測(cè)長(zhǎng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理1—底座2—干涉儀箱體3—測(cè)量頭架4—工作臺(tái)5—尾座6—電動(dòng)機(jī)和變速箱7—閉合鋼帶8—電磁離合器9—固定角隅棱鏡10—尾桿11—測(cè)量主軸12—可動(dòng)角隅棱鏡13—激光器14—分光鏡工作時(shí)：第一步，儀器對(duì)零；第二步，放上工件，開(kāi)始測(cè)量，這時(shí)底座上既增加了重量,又改變了測(cè)量頭架及工作臺(tái)在底座上的位置,底座就產(chǎn)生新的重力變形如果尾座軸線相對(duì)于導(dǎo)軌面在垂直平面內(nèi)發(fā)生5″傾斜角的零位變化（見(jiàn)圖3－12）,設(shè)尾座中心高為200mm，則此時(shí)引起的零位的變動(dòng)量為

為了消除上述誤差的影響,此臺(tái)儀器在總體布局時(shí),采取了以下措施:①固定角隅棱鏡9與尾座5固結(jié)在一起;②固定角隅棱鏡9的錐頂安放在尾桿10的軸線離底座導(dǎo)軌面等高的同一平面內(nèi);③可動(dòng)角隅棱鏡12的錐頂位于測(cè)量主軸11的軸心線上(以便符合阿貝原則);④盡可能減小固定角隅棱鏡9和尾桿10在水平面內(nèi)的距離d。實(shí)踐證明上述結(jié)構(gòu)布局可使因重力變形引起的誤差大為縮小。驗(yàn)證：圖中位置I是測(cè)量頭架3對(duì)零時(shí)的位置，此時(shí)，測(cè)量光束一路，由測(cè)量角隅棱鏡到分光鏡之間的距離為L(zhǎng)1；參考光束一路，由固定角隅棱鏡到分光鏡之間的距離為（S＋d）。則此兩路相干光束的光程差為（3－3）圖3—12測(cè)量頭架位置變動(dòng)的原理示意圖

圖中位置II為測(cè)量頭架在測(cè)量時(shí)的位置，此時(shí)，尾座有傾角，由此而引起的尾桿零位變動(dòng)量為（見(jiàn)圖3－12a），其中h為尾桿軸線離底座導(dǎo)軌面的距離。

測(cè)量光束一路：由測(cè)量角隅棱鏡到分光鏡之間的距離為（L1＋－L），其中L為被測(cè)零件長(zhǎng)度。由于儀器布局滿足上述①、②兩個(gè)條件，故固定角隅棱鏡的位置也有一個(gè)和尾桿方向相同、大小相等的零位變動(dòng)量。

參考光束一路：由固定角隅棱鏡到分光鏡的距離為[（S＋d）＋]。在測(cè)量時(shí)，兩種相干光束的光程差為（3－4）式（3－4）減去式（3－3），就得到測(cè)量時(shí)和對(duì)零時(shí)兩個(gè)光程差的變化量為（3－5）即光程差的變化的正好正比于被測(cè)長(zhǎng)度L。（2）光電光波比長(zhǎng)儀消除力變形的結(jié)構(gòu)布局

為減小力變形的影響，儀器布局如下：

第一，采用了工作臺(tái)、床身、基座三層結(jié)構(gòu)的形式。工作臺(tái)1在床身2上移動(dòng)，床身2通過(guò)三個(gè)鋼球支承在基座3上，基座則用三個(gè)支點(diǎn)支在地基上。鋼球支承和基座支點(diǎn)位置上重合。這樣，工作時(shí)，無(wú)論工作臺(tái)1怎樣移動(dòng)，工作臺(tái)及床身的重量始終通過(guò)三個(gè)球支承作用在基座上，即基座受到的三個(gè)垂直力只有大小的變化，而無(wú)方向和位置的變化，而且這三個(gè)力又通過(guò)基座底下的三個(gè)相對(duì)應(yīng)的支點(diǎn)直接作用在地基上。因此，在工作過(guò)程中，基座變形基本穩(wěn)定不變。

圖3—13三層結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)1—工作臺(tái)2—床身3—基座4—V形槽支承面

5—平支承面板6—圓錐形球窩支承面第二，在光電光波比長(zhǎng)儀中，光電顯微鏡、固定參考鏡和干涉系統(tǒng)的分光鏡三者之間的相對(duì)位置，要求嚴(yán)格保持不變。因此布局上把這三者都裝在與基座相連的構(gòu)件上。由于基座變形穩(wěn)定不變，故這三者之間相對(duì)位置也保持穩(wěn)定不變。從而保證了測(cè)量精度。第三，前面提到，床身2是通過(guò)三個(gè)鋼球支承在基座3上的。這三個(gè)鋼球的支承，其支承座結(jié)構(gòu)各不相同。一個(gè)支承座是平支承面5（布置在后面），前面兩邊的兩個(gè)，其中一個(gè)是圓錐形球窩支承面6，另一個(gè)是V形槽支承面4。V形槽的方向與基座縱方向相平行。采用這種支承座結(jié)構(gòu)后，床身一經(jīng)放到基座上，就符合定位原則。這時(shí)，床身在縱向、橫向及轉(zhuǎn)角方向均無(wú)需再加諸如螺釘、夾板等的限制，避免產(chǎn)生不良的約束所帶來(lái)的附加內(nèi)應(yīng)力。此外，如果溫度有所變化，這種結(jié)構(gòu)也并不限制床身相對(duì)于基座的自由伸縮，所以也不會(huì)因熱變形而帶來(lái)內(nèi)應(yīng)力。這種設(shè)計(jì)，既能自動(dòng)定位，又無(wú)附加內(nèi)應(yīng)力，在有些資料中，把它稱之為無(wú)附加內(nèi)應(yīng)力的自動(dòng)定位設(shè)計(jì)，或稱為符合運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的設(shè)計(jì)。作為一種設(shè)計(jì)原理，在儀器設(shè)計(jì)中應(yīng)用很廣。2．減小熱變形影響的技術(shù)措施減小熱變形影響的技術(shù)措施有：采用恒溫條件，以減小溫度變化量；選擇合適的材料，以減小線膨脹的影響，或選用線脹系數(shù)相反的材料在某些敏感環(huán)節(jié)上進(jìn)行補(bǔ)償；采用補(bǔ)償法補(bǔ)償溫度變化的影響，如測(cè)出被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件的溫度和，查得被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件的線脹系數(shù)與，則溫度誤差的修正公式為（3-6）式中，L為被測(cè)件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。也可采用實(shí)時(shí)補(bǔ)償法，例如：1)．如絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，由于溫度的影響，被測(cè)絲杠將伸長(zhǎng)或縮短，此外，當(dāng)環(huán)境溫度、氣壓、濕度偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，激光波長(zhǎng)也將發(fā)生變化，這些都將帶來(lái)測(cè)量誤差。因此，可以采用在激光一路信號(hào)中增減脈沖數(shù)的辦法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨?。在補(bǔ)償時(shí)，①先測(cè)出環(huán)境的溫度、氣壓和濕度，②再計(jì)算出每米需累積補(bǔ)償量，③再計(jì)算每米補(bǔ)償量的脈沖數(shù)，1m長(zhǎng)度內(nèi)的激光脈沖數(shù)為，則每隔脈沖，對(duì)激光一路增減一個(gè)脈沖信號(hào)。圖3—14分頻補(bǔ)償原理1—分頻器2—補(bǔ)償器3—與門(mén)2)．?dāng)U散硅壓力傳感器零點(diǎn)溫漂的補(bǔ)償擴(kuò)散硅壓力傳感器是在硅材料的基片上，用集成電路的工藝制成擴(kuò)散電阻并組成橋路。由于采用了半導(dǎo)體材料的擴(kuò)散技術(shù)，不可避免地產(chǎn)生了如下問(wèn)題：擴(kuò)散電阻的離散性很大，橋路的四個(gè)電橋臂阻值R1≠R2≠R3≠R4；擴(kuò)散電阻的各個(gè)電阻溫度系數(shù)不等，即；③擴(kuò)散電阻隨溫度的非線性變化。因此，將產(chǎn)生嚴(yán)重的各不相同的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移。為了解決擴(kuò)散硅壓力傳感器零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)償，提出了串并聯(lián)、雙并聯(lián)、雙串聯(lián)等幾種補(bǔ)償方案，下面以串并聯(lián)為例，敘述其補(bǔ)償原理。

（1）橋路的平衡條件

圖3-15為四個(gè)擴(kuò)散電阻所組成的橋路若使橋路在所要求的溫度點(diǎn)和溫度變化后均能平衡，則平衡條件應(yīng)有二個(gè)，即（3-7）（3-8）式中，、、、為在所要求溫度點(diǎn)的電阻、、、的阻值圖3—15電阻式橋路

圖3—16電阻的串聯(lián)或并聯(lián)形式

a)串聯(lián)形式b）并聯(lián)形式即并聯(lián)后亦能降低其電阻溫度系數(shù)。得可見(jiàn)，即串聯(lián)電阻后其電阻溫度系數(shù)降低。（2）串、并聯(lián)電阻對(duì)電阻溫度系數(shù)的影響。在電阻為的擴(kuò)散電阻上串聯(lián)電阻。設(shè)串聯(lián)后的等效電阻溫度系數(shù)為，等效電阻為，的電阻溫度系數(shù)為。如圖3-16a，則有：

在擴(kuò)散電阻上并聯(lián)電阻。如圖3-16b所示，并聯(lián)后其等效電阻為：即得因故可見(jiàn)橋臂2上的等效電阻和等效溫度系數(shù)分別為：（3—9）（3—10）（3）串并聯(lián)電阻補(bǔ)償原理見(jiàn)圖3-17，在上串聯(lián)，在上并聯(lián)。這樣，橋臂1上的等效電阻和等效溫度系數(shù)分別為將式（3-9）、式（3-10）代入電橋平衡公式（3-7）及（3-8），得：（3—11）

（3—12）令，故

（3—13）圖3—17串并聯(lián)電阻補(bǔ)償原理又由式（3-11）得（3-14）將式（3-13）、（3-14）代入式（3-12），解得由K的定義知K＞0，故取上式根號(hào)前的正值得（3-15）在此，將橋路的各電阻和值代入(3-15)便可求得K值，再將K值代入式（3-13）、式（3-14）就可以求出和。這樣求出的和值能夠同時(shí)滿足式（3-11）和式（3-12），也就是說(shuō)在有溫度變化時(shí)，電橋總是處在平衡的條件下，這就達(dá)到了補(bǔ)償溫度漂移的目的。三、測(cè)量鏈最短原則測(cè)量鏈定義：儀器中直接感受標(biāo)準(zhǔn)量和被測(cè)量的有關(guān)元件，如被測(cè)件、標(biāo)準(zhǔn)件、感受元件、定位元件等均屬于測(cè)量鏈。

在精密測(cè)量?jī)x器中，根據(jù)各環(huán)節(jié)對(duì)儀器精度影響程度的不同，可將儀器中的結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)區(qū)分為測(cè)量鏈、放大指示鏈和輔助鏈三類。測(cè)量鏈的誤差對(duì)儀器精度的影響最大，一般都是1:1影響測(cè)量結(jié)果。因此，對(duì)測(cè)量鏈各環(huán)節(jié)的精度要求應(yīng)最高。因此測(cè)量鏈最短原則顯然指一臺(tái)儀器中測(cè)量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少，即測(cè)量鏈應(yīng)最短。因此，測(cè)量鏈最短原則作為一條設(shè)計(jì)原則要求設(shè)計(jì)者予以遵守。四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則以上設(shè)計(jì)原則，一般都是從某臺(tái)儀器總體出發(fā)考慮的。而坐標(biāo)系統(tǒng)一原則,則是對(duì)儀器群體之間的位置關(guān)系,相互依賴關(guān)系來(lái)說(shuō)的,或主要是針對(duì)儀器中的零件設(shè)計(jì)及部件裝配要求來(lái)說(shuō)的。

對(duì)零部件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這條原則是指：在設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)該使零件的設(shè)計(jì)基面、工藝基面和測(cè)量基面一致起來(lái)，符合這個(gè)原則，才能使工藝上或測(cè)量上能夠較經(jīng)濟(jì)地獲得規(guī)定的精度要求而避免附加的誤差。

例如，圖3－18所示的零件，兩個(gè)直徑d1及d2的設(shè)計(jì)基面及工藝基面均為中心線OO。在測(cè)量時(shí)，若用頂尖支承進(jìn)行（見(jiàn)圖3-18），則測(cè)量基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)重合，此時(shí)能真正地反映d2的圓柱度等加工誤差。但若以d1的外圓柱面為測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)（見(jiàn)圖3-19），則d1的形狀誤差也就反映到測(cè)量結(jié)果中，帶來(lái)附加的測(cè)量誤差。圖3—18頂尖支承法測(cè)徑向圓心晃動(dòng)圖3—19V形支承法測(cè)徑向圓心晃動(dòng)

對(duì)儀器群體之間（主系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間）的位置關(guān)系,相互依賴關(guān)系來(lái)說(shuō),

這條原則是指：在設(shè)計(jì)某臺(tái)儀器或其中的組成部件時(shí)，應(yīng)考慮到該儀器或該部件的坐標(biāo)系統(tǒng)在主坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換關(guān)系與實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的方法。較復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)，常常由機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換部分組成；有時(shí)一個(gè)復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)往往由幾個(gè)子系統(tǒng)共同來(lái)完成同一個(gè)測(cè)量任務(wù)。這時(shí)應(yīng)將各個(gè)子系統(tǒng)的坐標(biāo)都應(yīng)統(tǒng)一起來(lái)，統(tǒng)一到表征被測(cè)件位置的主坐標(biāo)系中，即在設(shè)計(jì)中要考慮各子坐標(biāo)系與主坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，否則會(huì)帶來(lái)測(cè)量結(jié)果的混亂。圖3-20所示為刀具預(yù)調(diào)儀的結(jié)構(gòu)原理圖，該儀器用于測(cè)量刀具的刀尖部分參數(shù)，主要有刀柄長(zhǎng)度和刀尖的旋轉(zhuǎn)半徑（見(jiàn)圖3-21）。其工作原理是：

圖3-20數(shù)控加工設(shè)備用刀具預(yù)調(diào)儀

1-工作臺(tái)2-床身（含X向?qū)к墸?/p>

3-被測(cè)刀具4-計(jì)算機(jī)監(jiān)視器

5-CCD攝像頭6-立柱（含Z向?qū)к墸?-Z向滑架8-光源

圖3—21數(shù)控加工用刀具

1-莫氏錐柄2-刀尖3-刀柄式中，為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)角系數(shù)；為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的平移系數(shù)。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，作到了兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的基準(zhǔn)統(tǒng)一。五、精度匹配原則在對(duì)儀器進(jìn)行精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器中各部分各環(huán)節(jié)對(duì)儀器精度影響程度的不同，分別對(duì)各部分各環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙?，這就是精度匹配原則。

刀具預(yù)調(diào)儀的主坐標(biāo)系為，立柱6構(gòu)成Z向坐標(biāo)，并沿X向?qū)к壩灰芞向滑架7上的CCD成像系統(tǒng)（包括攝像頭5和光源8）完成對(duì)刀尖的瞄準(zhǔn)，刀尖的尺寸和形狀則由CCD光敏面子坐標(biāo)系坐標(biāo)來(lái)確定。為了正確給出刀尖的尺寸和形狀坐標(biāo)，必須將確定的刀尖像坐標(biāo)與主坐標(biāo)統(tǒng)一起來(lái)。即通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣將像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到主坐標(biāo)系中。通過(guò)標(biāo)定可以找到坐標(biāo)系相對(duì)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換系數(shù)和坐標(biāo)平移系數(shù)，則六、經(jīng)濟(jì)原則經(jīng)濟(jì)原則是一切工作都要遵守的一條基本而重要的原則。經(jīng)濟(jì)原則反映到測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)之中，可從以下幾方面來(lái)考慮：1）工藝性。選擇正確的加工工藝和裝配工藝，從而達(dá)到節(jié)省工時(shí)，節(jié)約能源，不但易于組織生產(chǎn)，而且降低管理費(fèi)用。2）合理的精度要求。精度的高低，決定了成本的高低。因此各環(huán)節(jié)則應(yīng)根據(jù)不同的要求分配不同的精度。3）合理選材。合理選材是儀器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一，從減小磨損、減小熱變形、減小力變形、提高剛度及滿足許多物理性能上來(lái)說(shuō)，都離不開(kāi)材料性能。而材料的成本又差價(jià)很大，因此合理選材是至關(guān)重要的一條。4）合理的調(diào)整環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)合理的調(diào)整環(huán)節(jié)，往往可以降低儀器零部件的精度要求，達(dá)到降低儀器成本的目的。5）提高儀器壽命。為提高儀器壽命要對(duì)電氣元件進(jìn)行老化和篩選；對(duì)機(jī)械零部件中的易損系統(tǒng)采用更合理的結(jié)構(gòu)型式。雖然這兩方面的改進(jìn)會(huì)使成本增加，但如果儀器壽命延長(zhǎng)一倍，等于使儀器價(jià)格降低了一半?？偨Y(jié)共有六項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：一、阿貝(Abbe)原則及其擴(kuò)展二、變形最小原則及減小變形影響的措施三、測(cè)量鏈最短原則四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則五、精度匹配原則六、經(jīng)濟(jì)原則

以上六條基本原則是眾多科技工作者在多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐中總結(jié)出的理論成果，這些原則經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期實(shí)踐的檢驗(yàn)，并為大多數(shù)儀器設(shè)計(jì)者所公認(rèn)。第二節(jié)測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原理一、平均讀數(shù)原理在計(jì)量學(xué)中，利用多次讀數(shù)取其平均值，能夠提高讀數(shù)精度，即稱之為平均讀數(shù)原理。一、平均讀數(shù)原理二、比較測(cè)量原理三、補(bǔ)償原理

以光學(xué)分度頭為例，當(dāng)采用單面讀數(shù)（單個(gè)讀數(shù)頭）時(shí)，由于軸系晃動(dòng)或度盤(pán)安裝偏心等原因，不可避免地將使儀器帶來(lái)讀數(shù)誤差。圖3—22度盤(pán)安裝偏心示意圖

圖a中，設(shè)o為度盤(pán)幾何中心，o

為主軸回轉(zhuǎn)中心，即度盤(pán)有安裝偏心。I為讀數(shù)頭瞄準(zhǔn)位置。則當(dāng)主軸轉(zhuǎn)過(guò)

角時(shí)，度盤(pán)幾何中心轉(zhuǎn)至O1點(diǎn)（圖b），此時(shí)，相對(duì)讀數(shù)瞄準(zhǔn)位置I來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生讀數(shù)誤差為（3-16）式中 -安裝偏心，-度盤(pán)刻劃半徑。

如儀器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸系有晃動(dòng)，其產(chǎn)生的讀數(shù)誤差與上面分析類似。如果，在度盤(pán)的對(duì)徑方向上安裝兩個(gè)讀數(shù)頭，并取兩個(gè)讀數(shù)頭讀數(shù)值的平均值作為度盤(pán)在這一轉(zhuǎn)角位置上的讀數(shù)值。這樣，度盤(pán)安裝偏心或軸系晃動(dòng)帶來(lái)的讀數(shù)誤差為正的話，則對(duì)讀數(shù)頭II來(lái)說(shuō)，其讀數(shù)誤差必為負(fù)，且兩者的絕對(duì)值相等。因此，當(dāng)存在著度盤(pán)安裝偏心或軸系晃動(dòng)誤差時(shí)，對(duì)徑讀數(shù)取它們的平均值，則可自動(dòng)消除讀數(shù)誤差。

圖3—23測(cè)角儀對(duì)徑讀數(shù)結(jié)構(gòu)1-照明光源2-聚光鏡3-度盤(pán)4、9、13-直角棱鏡5、11-物鏡6-梯形棱鏡7、8-光楔測(cè)微器10-合像分界楔12-秒尺14-投影物鏡15、16、17-反射鏡18-投影屏

假設(shè)度盤(pán)有刻劃誤差、安裝偏心、軸系有晃動(dòng)等缺陷，分析當(dāng)用2個(gè)讀數(shù)頭讀數(shù)值的平均值作為讀數(shù)值時(shí)，上述誤差對(duì)讀數(shù)誤差影響的情況。式中-各階諧波的階次；

-各階諧波的幅值。對(duì)于次諧波一個(gè)讀數(shù)頭所引起的讀數(shù)誤差，可以各階諧波合成的周期誤差來(lái)表示，即

當(dāng)m=1，3，5…….奇數(shù)時(shí)，當(dāng)m=2，4，6…….偶數(shù)時(shí)可得出結(jié)論：m=k?2（K為正整數(shù)）次諧波誤差不能消除，變?yōu)橥ㄓ檬剑簃=k?n次諧波誤差不能消除

結(jié)論：由上分析可見(jiàn)，多讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)平均讀數(shù)原理，在消除軸系晃動(dòng)、度盤(pán)安裝偏心及度盤(pán)刻劃誤差等對(duì)讀數(shù)精度的影響方面具有良好的效果。因此，平均讀數(shù)原理已成為高精密圓分度測(cè)量裝置中一條重要設(shè)計(jì)原理，而為量?jī)x設(shè)計(jì)所普遍重視和共同遵循。多讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)平均讀數(shù)原理，不能消除軸系晃動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，因此，需要有高精度的軸系來(lái)保證。二、比較測(cè)量原理（一）位移量同步比較測(cè)量原理位移量同步比較原理主要應(yīng)用于復(fù)合參數(shù)的測(cè)量：漸開(kāi)線齒形誤差，齒輪切向綜合誤差，螺旋線誤差，凸輪型面誤差的測(cè)量特點(diǎn)：這類復(fù)合參數(shù)一般都是由線位移和角位移，或角位移和角位移以一定關(guān)系作相互運(yùn)動(dòng)而成。它們的測(cè)量過(guò)程，實(shí)際上是相應(yīng)的位移量之間的同步比較過(guò)程，故在設(shè)計(jì)這類參數(shù)的測(cè)量?jī)x器中，形成了一種位移量同步比較的測(cè)量原理。這一原理的特點(diǎn)是符合按被測(cè)參數(shù)定義進(jìn)行測(cè)量的基本原則。

由此可知位移量同步比較測(cè)量原理的定義是：對(duì)復(fù)合參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的近代方法是先分別用激光裝置或光柵裝置等測(cè)出它們各自的位移量，然后再根據(jù)它們之間存在的特定關(guān)系由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接進(jìn)行運(yùn)算比較而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。圖3—24萬(wàn)能齒輪整體誤差測(cè)量機(jī)原理圖1—圓光柵盤(pán)2—切向滑板3—長(zhǎng)光柵尺4—光柵頭5—?jiǎng)傂詼y(cè)頭6—被測(cè)齒輪7—光柵頭

第1齒測(cè)量：先將剛性點(diǎn)觸頭5調(diào)至被測(cè)齒輪基圓的切線位置上，并與被測(cè)齒輪的齒面接觸。測(cè)量時(shí)，由齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)觸頭沿漸開(kāi)線法線移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量.第2齒測(cè)量開(kāi)始前，齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，觸頭停止移動(dòng)并在第1齒齒頂圓上滑過(guò)。觸頭滑過(guò)齒頂圓后，在測(cè)力機(jī)構(gòu)作用下，進(jìn)入齒輪嚙合位置中并與第2齒齒面接觸。此時(shí)齒輪反轉(zhuǎn)，觸頭沿基圓切線隨第2齒齒面繼續(xù)返回移動(dòng)，直至觸頭返回至被測(cè)齒輪基圓的切線位置上，并與被測(cè)齒輪的齒面接觸時(shí)齒輪開(kāi)始正轉(zhuǎn)，開(kāi)始第二齒的測(cè)量。逐齒循環(huán)上述正反轉(zhuǎn)測(cè)量過(guò)程，直至測(cè)量完截面所有各齒。在測(cè)量過(guò)程中，與齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的圓光柵發(fā)出與脈沖信號(hào)（為被測(cè)齒的實(shí)際分度角，為齒輪實(shí)際測(cè)量展開(kāi)角），與測(cè)頭一起移動(dòng)的長(zhǎng)光柵發(fā)出和脈沖信號(hào)（為采樣點(diǎn)序號(hào)）。兩路信號(hào)同時(shí)送入計(jì)算機(jī)，按儀器測(cè)量原理所規(guī)定的程序進(jìn)行計(jì)算，顯示及自動(dòng)畫(huà)出齒輪的截面整體誤差曲線。

圖3—25電學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量原理圖3-25a）為橋式差動(dòng)電路，圖3-25b）為雙端差動(dòng)電路。（二）差動(dòng)比較測(cè)量原理1．電學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量

電學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量可以大大減小共模信號(hào)的影響，從而可以提高測(cè)量精度和靈敏度，并可以改善儀器的線性度。式中，為線圈匝數(shù)，為空氣的磁導(dǎo)率，為空氣隙的截面積。1-鐵心2-線圈3-銜鐵4-測(cè)桿5-工件圖3-26差動(dòng)式電感傳感器

上述每個(gè)電路內(nèi)都有兩個(gè)光電元件，一個(gè)接受信號(hào)光線，另一個(gè)接受同一光源的恒定光線。這樣，溫度變化、光源亮度變化等漸變因素對(duì)其產(chǎn)生的影響可互相抵消，同時(shí)，還可抵消信號(hào)中的直流。從而可提高測(cè)量精度和靈敏度，并可改善儀器的線性度。

當(dāng)工件5尺寸改變，測(cè)桿4向上移動(dòng)，由于上、下氣隙的同步增減，因而使上線圈的電感量變化，總變化量為對(duì)于非差動(dòng)式電感線圈傳感器來(lái)說(shuō)，測(cè)桿4向上移動(dòng)引起電感量的變化量為

由上述兩個(gè)公式可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的靈敏度比非差動(dòng)式提高一倍。2．光學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量圖3-27所示為雙通道差動(dòng)法“光譜透射比”測(cè)量的例子。按GB3102.6-1986，光譜透射比τ系透過(guò)的與入射的輻射能通量或光通量的光譜密集度之比。圖3—27雙通道差動(dòng)法透過(guò)率測(cè)量原理1-輻射光2-反射鏡3-透鏡4-匯聚透鏡5-光電元件6-差動(dòng)放大器7-指示表

輻射光源1借助反射鏡2和透鏡3分別沿著標(biāo)準(zhǔn)通道I和測(cè)量通道II并行輸送，實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)樣品比較，以差值指示。因此，降低共模信號(hào)的影響，還可消除雜散光的干擾。（三）零位比較測(cè)量原理

圖3-28所示為測(cè)量偏振面轉(zhuǎn)角的零位測(cè)量原理方案。具有偏光性質(zhì)的被測(cè)物3放在起偏器和檢偏器之間。起偏器2和檢偏器4的光軸正交;1)在2和4之間沒(méi)有放入具有偏光性質(zhì)的被測(cè)物3,則檢偏器輸出的光通量為零;2)在2和4之間放入被測(cè)物3,引起偏振面旋轉(zhuǎn)。使檢偏器有光通量輸出，使指示表的指針偏離零位。3)通過(guò)讀數(shù)裝置5轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器直至指示表示值再次為零，此時(shí)，檢偏器的轉(zhuǎn)角等于被測(cè)物引起的偏振面轉(zhuǎn)角。測(cè)量方法的誤差分析:當(dāng)重新調(diào)整使表指示為零時(shí)，則必須使被測(cè)量與補(bǔ)償量相平衡。因此它的測(cè)量精度僅取決于指零表的零位漂移，而讀數(shù)裝置的非線性誤差及光通量的不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量精度的影響大大減小。

圖3-28測(cè)量偏振面轉(zhuǎn)角的零位測(cè)量原理1—平行光光源2—起偏器3—被測(cè)物4—檢偏器5—讀數(shù)裝置6—光電檢測(cè)器7—放大器8—指示表三、補(bǔ)償原理

補(bǔ)償原理是儀器設(shè)計(jì)中一條內(nèi)容廣泛而意義重大的設(shè)計(jì)原理。如果在設(shè)計(jì)中，采用包括補(bǔ)償、調(diào)整、校正環(huán)節(jié)等技術(shù)措施，則往往能在提高儀器精度和改善儀器性能方面收到良好的效果。補(bǔ)償原理的核心包括：1．補(bǔ)償環(huán)節(jié)的選擇為了取得比較明顯的補(bǔ)償效果，補(bǔ)償環(huán)節(jié)應(yīng)選擇在儀器結(jié)構(gòu)、工藝、精度上的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)環(huán)境條件及外界干擾敏感的環(huán)節(jié)上。2．補(bǔ)償方法的確定有光電方法、軟件方法、電學(xué)方法、標(biāo)準(zhǔn)器比較方法等。3．補(bǔ)償要求的分析根據(jù)不同的補(bǔ)償對(duì)象，有不同的補(bǔ)償要求：例如，對(duì)于導(dǎo)軌直線度偏差的補(bǔ)償，必須要對(duì)整個(gè)行程范圍進(jìn)行連續(xù)逐點(diǎn)的補(bǔ)償；而對(duì)儀器示值的校正，一般可要求校正幾個(gè)特征點(diǎn)，如首尾兩點(diǎn)，或中間選幾點(diǎn)，達(dá)到選定的特征點(diǎn)保證儀器示值精確即可。4．綜合補(bǔ)償（最佳調(diào)整原理）的實(shí)施優(yōu)點(diǎn)：綜合補(bǔ)償方法具有簡(jiǎn)單、易行、補(bǔ)償效果好的特點(diǎn)。涵義：該方法不必研究?jī)x器產(chǎn)生的誤差來(lái)自哪個(gè)或哪些環(huán)節(jié)，但通過(guò)對(duì)某個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)整后，便起到了綜合補(bǔ)償?shù)男Ч?）對(duì)采用正弦機(jī)構(gòu)的儀器誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償以杠桿齒輪式測(cè)微儀為例來(lái)說(shuō)明：測(cè)微儀的第一級(jí)為正弦杠桿放大，放大比為R/a；第二級(jí)放大比為L(zhǎng)/r。但從圖3-30可看出：被測(cè)位移是直線,但傳遞上去的是弧顯然>s，因此產(chǎn)生原理誤差：因?yàn)椋核裕河涀≌覚C(jī)構(gòu)產(chǎn)生（正）的誤差圖3—29杠桿齒輪式測(cè)微儀原理圖圖3—30杠桿齒輪測(cè)微儀的測(cè)桿部分采用綜合補(bǔ)償法的方法如下：在刻度盤(pán)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都已經(jīng)確定的情況下，我們采用增長(zhǎng)杠桿短臂a的方法來(lái)減小，即將調(diào)整為。由理論分析可以得知當(dāng)調(diào)整，使處的原理誤差為零時(shí)，達(dá)到最佳調(diào)整，這時(shí)的最大原理誤差，即為調(diào)整前的，調(diào)整后的杠桿臂長(zhǎng)可由下式求得圖3-31顯示了調(diào)整前后的特性曲線。其中為調(diào)整前的特性曲線，為調(diào)整后的特性曲線，為刻劃特性曲線。

圖3—31正弦杠桿三條特性曲線2）對(duì)采用正切機(jī)構(gòu)的儀器誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償以平行光管為例來(lái)說(shuō)明：在平行光管的讀數(shù)系統(tǒng)中，由于利用分劃板上的等分刻度尺量值來(lái)代替所測(cè)量角度的理論值，而帶來(lái)原理誤差。見(jiàn)圖3-32，被測(cè)角度的理論方程為而等分刻度的實(shí)際方程為式中，為物鏡焦距；為被測(cè)夾角。由此帶來(lái)原理誤差

由于物鏡已經(jīng)選好，所以焦距確定。為了減小該項(xiàng)原理誤差，我們可采用新的焦距進(jìn)行分劃板的等分刻度。新的等分刻度應(yīng)使被測(cè)角度時(shí)，原理誤差，即達(dá)到了最佳調(diào)整補(bǔ)償。式中為最大測(cè)角范圍。最佳調(diào)整后儀器的最大測(cè)量誤差為調(diào)整前的1/4。

圖3-33顯示了為傳動(dòng)特性、為調(diào)整前的分劃板刻度特性，為調(diào)整后的分劃板刻度特性，新焦距可由下式求得圖3—32平行光管測(cè)量原理簡(jiǎn)圖圖3—33正切杠桿三條特性曲線第四章測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì)方法

測(cè)控儀器在測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中，通常把設(shè)計(jì)過(guò)程分為總體設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，在總體設(shè)計(jì)階段，由總體設(shè)計(jì)師組織全體設(shè)計(jì)師完成儀器的總體設(shè)計(jì)方案，具體包括如下內(nèi)容：1.對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行深入的分析；2.如何運(yùn)用總體設(shè)計(jì)理論進(jìn)行創(chuàng)新性的布局；3.確定儀器的主要參數(shù);4.儀器總體及組成部分的工作原理5.研究組成儀器的機(jī)械、光電、智能控制系統(tǒng)和測(cè)試顯示系統(tǒng)的方案等。本章詳細(xì)的對(duì)總體設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析。第一節(jié)設(shè)計(jì)任務(wù)分析測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)一般有三種情況：

1）設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶專門(mén)的需要，針對(duì)特定的測(cè)控對(duì)象，被測(cè)參數(shù)或工作特性來(lái)設(shè)計(jì)專用的儀器。

2）設(shè)計(jì)者根據(jù)目前市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通用產(chǎn)品和系列產(chǎn)品。在這種情況下，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求作廣泛的調(diào)研，以確定適當(dāng)?shù)膬x器技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到以最少的產(chǎn)品系列和較全的儀器功能來(lái)覆蓋最大的社會(huì)需求。

3）設(shè)計(jì)者超前預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)出先進(jìn)的新型產(chǎn)品，進(jìn)行開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)。以上不同情況，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，其側(cè)重考慮的內(nèi)容和方面是不同的。通常，設(shè)計(jì)任務(wù)的分析包括以下內(nèi)容：了解被測(cè)控參數(shù)的特點(diǎn)

1）了解精度、數(shù)值范圍（一維、二維、量值范圍）、量值性質(zhì)（單值、多值）、測(cè)量狀態(tài)（動(dòng)態(tài)、靜態(tài)）等要求；2）按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的定義確定儀器工作原理了解測(cè)控參數(shù)載體的特點(diǎn)機(jī)械與光學(xué)載體居多。要考慮載體的大小、形狀、材料、重量、狀態(tài)等了解儀器的功能要求是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)、開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)、一維還是多維、單一參數(shù)還是復(fù)合參數(shù)、檢測(cè)效率、測(cè)量范圍、承載能力、操作方式、顯示方式、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等。了解儀器的使用條件室內(nèi)還是室外、在線還是脫機(jī)、間斷還是連續(xù)、環(huán)境狀況。了解國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的原理和技術(shù)水平了解國(guó)內(nèi)加工工藝水平及關(guān)鍵元器件的銷(xiāo)售情況設(shè)計(jì)任務(wù)的分析第二節(jié)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

創(chuàng)新是對(duì)原設(shè)計(jì)的繼承和發(fā)展，我們對(duì)現(xiàn)有儀器的原理、功能、特點(diǎn)了解的愈多，掌握的愈深入，愈容易發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有儀器的缺陷，從而找到進(jìn)一步完善和發(fā)展的途徑。就測(cè)控儀器的總體設(shè)計(jì)而言,創(chuàng)新設(shè)計(jì)將體現(xiàn)在:儀器設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的原理、所達(dá)到的功能、所反映出的新方法和新技術(shù)等方面。舉例如下:1）數(shù)控加工機(jī)床所必備的刀具預(yù)調(diào)儀（儀器原理上的創(chuàng)新）2）齒輪全自動(dòng)誤差測(cè)量?jī)x（儀器功能上的創(chuàng)新）解決了齒輪測(cè)量參數(shù)多、測(cè)量?jī)x器復(fù)雜、測(cè)量精度不高的難題。使一臺(tái)儀器實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)儀器和量具才能達(dá)到的測(cè)量功能，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者在儀器功能上的創(chuàng)新成就。3）開(kāi)關(guān)（新技術(shù)和新方法的創(chuàng)新）機(jī)械式開(kāi)關(guān)是最早的通斷控制形式，但其反映的頻率低，定位精度差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，慣性大，壽命短。隨著科技的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)出觸摸式、感應(yīng)式、聲控式、光控式、紅外線式等多種新的開(kāi)關(guān)。這些新的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)反映出設(shè)計(jì)者對(duì)各種新技術(shù)和新方法的創(chuàng)新研究。

對(duì)比光學(xué)投影式刀具預(yù)調(diào)儀計(jì)算機(jī)視覺(jué)型刀具預(yù)調(diào)儀測(cè)量原理圖示工作過(guò)程將刀尖到影屏上，采用目視瞄準(zhǔn)定使用CCD攝像機(jī)采集被測(cè)刀具圖像，測(cè)量時(shí)，計(jì)算機(jī)影屏上的十字線自動(dòng)跟蹤刀具切削點(diǎn)，當(dāng)?shù)都夥€(wěn)定在測(cè)量區(qū)域后，即已完成測(cè)量

優(yōu)缺點(diǎn)光學(xué)投影光路的加工及調(diào)整復(fù)雜，由人眼控制刀尖對(duì)準(zhǔn)十字線的微細(xì)調(diào)整過(guò)程，要求二維光柵數(shù)字系統(tǒng)的導(dǎo)軌必須具備微調(diào)機(jī)構(gòu)，增加了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度；而且人眼目視瞄準(zhǔn)的精度低，工作效率差。消除了操作者的人為誤差，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、數(shù)字化、微米級(jí)的測(cè)量精度。結(jié)論

這種由光學(xué)投影式瞄準(zhǔn)原理發(fā)展為利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行瞄準(zhǔn)的創(chuàng)新，開(kāi)創(chuàng)了新一代刀具預(yù)調(diào)儀的發(fā)展，也為生產(chǎn)廠家?guī)?lái)了較大的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)和社會(huì)效益。

一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力的培養(yǎng)突破“思維定勢(shì)”的束縛。人們往往習(xí)慣于從已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)中，從考慮某類問(wèn)題獲得成功的思維模式中尋求解題方案，這就是所說(shuō)的思維定勢(shì)。要克服心理上的慣性，從思維定勢(shì)的框框中解脫出來(lái)，善于從新的技術(shù)領(lǐng)域中接受有用的事物，提出新原理、創(chuàng)造新模式、貢獻(xiàn)新方法，闖出新局面。敢于標(biāo)新立異。創(chuàng)新思維的特點(diǎn)不僅是要突破“思維定勢(shì)”的束縛，而且要敢于標(biāo)新立異，即敢于提出與前人甚至多數(shù)人不同的見(jiàn)解，敢于對(duì)似乎完美的現(xiàn)實(shí)事物提出懷疑，尋找更合理的解法。善于從不同角度思考問(wèn)題，探索多種解法，設(shè)想多個(gè)可供選擇的方案，這樣，成功的幾率必然成倍增長(zhǎng)。我們稱這種思維方法為多向思維或擴(kuò)散思維。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的訣竅在于充分依靠現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息資源有針對(duì)性的檢索相關(guān)資料，補(bǔ)充掌握不足的信息來(lái)達(dá)到創(chuàng)新構(gòu)思。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中采用集多人智慧，互相啟發(fā)來(lái)尋求解決問(wèn)題的途徑；也可通過(guò)有針對(duì)性、有系統(tǒng)地提問(wèn)來(lái)激發(fā)智慧，尋找解決辦法通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的觀察，優(yōu)缺點(diǎn)分析，或采用數(shù)學(xué)建模，或采用系統(tǒng)分析及形態(tài)學(xué)矩陣的理論分析方法尋求各種解決辦法。舉例子說(shuō)明：采用系統(tǒng)分析方法解決防止螺紋松動(dòng)的結(jié)構(gòu)措施。螺釘鎖緊力矩公式為

二、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的訓(xùn)練

1）學(xué)習(xí)，掌握創(chuàng)造學(xué)理論的基本思想，掌握創(chuàng)新思維規(guī)律，面對(duì)來(lái)自于自然界生存壓力、社會(huì)發(fā)展需求壓力、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)壓力、個(gè)人工作壓力及自我責(zé)任心，事業(yè)心的主客觀強(qiáng)大壓力，激發(fā)出積極、主動(dòng)創(chuàng)造精神。

2）摸索創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法和技巧式中，為螺釘鎖緊力；為螺紋中徑；為螺紋升角；為螺紋摩擦角；為螺紋間摩擦系數(shù)；為螺母壓緊端面時(shí)的摩擦系數(shù)；為螺釘、螺母、被連接件（或墊圈）材料的摩擦系數(shù)；為螺紋牙形角；為螺母錐形壓緊端面錐角之半，通常壓緊為平面時(shí)；為螺母壓緊端面的平均直徑。

防止螺紋松動(dòng)的結(jié)構(gòu)措施，它可以從四個(gè)方面考慮：①采用細(xì)牙螺紋，使螺紋升角減小，則鎖緊力矩增大；②采用大牙形角螺紋，使增大，可使增大，則鎖緊力矩增大；③采用錐形壓緊端面（錐角<180°），愈小，愈大，則鎖緊力矩增大；④采用摩擦系數(shù)大的材料，則鎖緊力矩增大。這種系統(tǒng)分析的方法，使研究更具科學(xué)性，減少盲目性。g第三節(jié)測(cè)控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)工作原理的選擇和系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)是總體考慮時(shí)首先遇到的一個(gè)問(wèn)題。檢測(cè)系統(tǒng)是一臺(tái)設(shè)備的重要組成部分，它相當(dāng)于人體智能系統(tǒng)的五官，五官獲取外界信號(hào),大腦相當(dāng)于設(shè)備的控制系統(tǒng)，四肢相當(dāng)于設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu),因此，一臺(tái)完整的設(shè)備能否按設(shè)計(jì)要求完成預(yù)定的任務(wù)，首先取決于檢測(cè)系統(tǒng)的精度和可靠性。檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括:傳感器的選擇與設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)量及其細(xì)分方法的應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理與顯示裝置的選取等三大部分。一、傳感器的選擇與設(shè)計(jì)傳感器的作用和重要性:

它是信息提取的源頭，傳感器的選擇將對(duì)儀器的總體設(shè)計(jì)有很大的影響，如若選擇欠妥，則不僅會(huì)造成整臺(tái)儀器難于獲得好的性能，甚至有時(shí)還會(huì)不能滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。如何進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇:

可依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，綜合考慮傳感器的工作原理和應(yīng)用要求來(lái)?yè)駜?yōu)選取或設(shè)計(jì)最佳方案。按傳感器的工作原理和特性進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)有以下三種方式作為參考：1)按傳感器轉(zhuǎn)換功能的不同可選擇位置檢測(cè)傳感方式（如幾何量測(cè)量中的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)）,其作用在于確定被測(cè)量對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)量的位置，轉(zhuǎn)換后的位置信息經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)中的放大環(huán)節(jié)來(lái)提高儀器的分辨率。或選擇數(shù)值檢測(cè)傳感方式,其作用是為了測(cè)量被測(cè)量的數(shù)值（它包括絕對(duì)測(cè)量的數(shù)值，也包括相對(duì)測(cè)量時(shí)，獲取被測(cè)量的偏差部分，如測(cè)微式三坐標(biāo)測(cè)頭、視覺(jué)成像傳感器等），故要求傳感器靈敏度高、線性好、原理誤差小。2)按傳感器對(duì)原始信號(hào)感受方式的不同可選擇接觸式感受方式（如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中所配置的機(jī)械式硬測(cè)頭或發(fā)訊式開(kāi)關(guān)測(cè)頭）由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，故適用于復(fù)雜形狀工件的檢測(cè)?；蜻x擇非接觸式感受方式(如光學(xué)式、電容式和氣動(dòng)式)。

直接引入式多應(yīng)用于對(duì)于熱工量和電學(xué)量的感受。3）按傳感器轉(zhuǎn)換放大原理的不同可選擇機(jī)械式（如杠桿式、杠桿齒輪式放大機(jī)構(gòu)等）光學(xué)式（如顯微式、投影式放大成像原理等）光電式（如自準(zhǔn)直法、干涉法放大原理等）電學(xué)式（如電感法、電容法放大原理等）

氣動(dòng)式五種。

根據(jù)上述選擇依據(jù)，即可確定傳感器的類型，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中還要進(jìn)一步考慮應(yīng)用要求方面的特殊性，如：

1）在表面粗糙度的測(cè)量中，利用輪廓儀測(cè)量表面粗糙度參數(shù)，該項(xiàng)被測(cè)參數(shù)的定義是在基本長(zhǎng)度范圍內(nèi)，輪廓曲線上各點(diǎn)到中線距離的絕對(duì)值的算術(shù)平均值，即式中為取樣長(zhǎng)度，大于的值認(rèn)為是波度信號(hào)或表面宏觀形狀誤差信號(hào)。

為濾除該信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響，雖選中接觸式電感轉(zhuǎn)換放大原理的傳感器，但在傳感器的觸端前需裝有一玻璃導(dǎo)頭，其曲率中心運(yùn)動(dòng)的軌跡和工件的宏觀輪廓相一致，從而可以機(jī)械的方式濾除波度或表面宏觀形狀誤差，滿足在取樣長(zhǎng)度內(nèi)的值測(cè)量精度。

2）滿足某些極限測(cè)量情況的要求，還要考慮測(cè)量條件的要求，如熱軋鋼直徑的在線測(cè)量及浮法玻璃厚度的在線測(cè)量，測(cè)量的環(huán)境溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了測(cè)量傳感器的允許范圍。所謂浮法玻璃生產(chǎn)工藝指的是當(dāng)熔融玻璃液漂浮在650℃錫槽內(nèi)的金屬錫液面上時(shí)，在重力、表面張力、粘度和拉引力的共同作用下，逐漸完成攤平、拋光、定型、并使玻璃帶具有平衡厚度值。可見(jiàn)玻璃厚度的在線測(cè)量要將測(cè)厚傳感器置于650℃的錫槽上方，該處溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了測(cè)量傳感器所允許的溫度極限。因此，多采用基于激光三角法和圖像處理的計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)CCD攝像機(jī)采集玻璃厚度圖像并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。為達(dá)到之一目的，測(cè)量頭要用循環(huán)冷卻水和氮?dú)鈿饫浔Ｗo(hù)。3）滿足現(xiàn)代測(cè)控儀器的高速檢測(cè)效率要求，為了提高效率，顯然首先要確定選擇非接觸式、光電感受方式來(lái)滿足動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)要求。如各種手機(jī)的固緊螺釘，直徑和長(zhǎng)度只有2～3mm，但要檢查螺桿是否彎曲、螺桿上是否有涂料、螺帽的內(nèi)六方孔是否標(biāo)準(zhǔn)等三項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)這樣的檢驗(yàn)分選儀器，目前可選用內(nèi)嵌高速RISC(ReducedInstructionSetComputing)內(nèi)核的FPGA（FieldProgrammableGateArray-aprogrammableintegratedcircuit）作為主處理芯片的新一代攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)了快速圖像法視覺(jué)檢測(cè)，達(dá)到了一臺(tái)儀器設(shè)備每秒檢測(cè)5個(gè)螺釘，實(shí)現(xiàn)了一定的生產(chǎn)利潤(rùn)。

4）滿足對(duì)納米精度和分辨力的測(cè)量要求，要首選激光干涉外差測(cè)量?jī)x；對(duì)超大量程或多維參數(shù)的測(cè)量，傳感器的選擇和設(shè)計(jì)都有許多關(guān)鍵技術(shù)需要考慮。關(guān)于這些方面的設(shè)計(jì)已有許多成熟的實(shí)例，可參閱有關(guān)書(shū)籍。常用傳感器的類型、特性及使用范圍列于表3-1中。表3-1常用傳感器的類型、特性及使用范圍類型示值范圍∕示值誤差∕對(duì)環(huán)境要求特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合機(jī)械式不同類型，示值范圍不同1～10

對(duì)環(huán)境要求不嚴(yán)分位置檢測(cè)或數(shù)值檢測(cè)兩類，接觸式測(cè)量方式，使用方便、耐用位置檢測(cè)如三坐標(biāo)開(kāi)關(guān)測(cè)頭，數(shù)值檢測(cè)如各種測(cè)微儀及三坐標(biāo)測(cè)微測(cè)頭，廣泛應(yīng)用于車(chē)間及溫控不嚴(yán)的實(shí)驗(yàn)室光學(xué)式不同類型，示值范圍不同微米或亞微米數(shù)量級(jí)對(duì)環(huán)境要求高

感受方式上有接觸式和非接觸式，功能上分位置檢測(cè)或數(shù)值檢測(cè)，性能穩(wěn)定，耐用位置檢測(cè)如萬(wàn)工顯的光學(xué)靈敏測(cè)頭，數(shù)值檢測(cè)如各種光學(xué)測(cè)微儀，廣泛應(yīng)用于計(jì)量室或計(jì)量站電感、互感式±（0.001～30）0.1mm范圍內(nèi)為±（0.05～0.5）對(duì)環(huán)境要求一般，抗干擾能力較好，要求有密封結(jié)構(gòu)以防灰塵和油污接觸式測(cè)量，使用方便，信號(hào)可進(jìn)行各種運(yùn)算處理，或直接進(jìn)行數(shù)字顯示，或輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)作高精度測(cè)微儀及在自動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用電容式±（0.001～1）

0.1mm范圍內(nèi)為±（0.05～0.5）易受外界干擾，尤其對(duì)溫度變化敏感，要求有密封結(jié)構(gòu)以防灰塵和油污非接觸式測(cè)量，頻率特性好，信號(hào)可進(jìn)行各種運(yùn)算處理，或直接進(jìn)行數(shù)字顯示，或輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)用較多，測(cè)量效率高，可測(cè)帶磁工件或電纜芯偏心等特殊參數(shù)，多用于測(cè)量金屬或塑料簿膜厚度類型示值范圍∕示值誤差∕對(duì)環(huán)境要求特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合電觸式0.2～1

±（1～2）

對(duì)振動(dòng)較敏感，一般應(yīng)有密封結(jié)構(gòu)只能指示被測(cè)參數(shù)是否處于公差范圍內(nèi)，或是否達(dá)到某一定值；其結(jié)構(gòu)與電路簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快，測(cè)力大一般用于自動(dòng)分選與主動(dòng)測(cè)量中光電式不同類型，示值范圍不同應(yīng)用情況不同，示值誤差不同由于半導(dǎo)體激光的應(yīng)用及抗雜光干擾新技術(shù)的出現(xiàn)，改變了易受外界光影響的缺陷精度高，適宜非接觸測(cè)量，反應(yīng)速度快，分位置檢測(cè)或數(shù)值檢測(cè)兩類；易于數(shù)字化或與計(jì)算機(jī)接口CCD視覺(jué)檢測(cè)、CCD透射或反射外觀尺寸檢測(cè)等新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量、快速尺寸或表面瑕疵的檢測(cè)氣動(dòng)式±（0.02～0.25）±0.04mm范圍內(nèi)為±（0.2～1）對(duì)環(huán)境要求低，對(duì)清潔條件要求較高便于實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，可進(jìn)行各種運(yùn)算；因氣體慣性，反應(yīng)速度慢；壓縮空氣要凈化各種氣動(dòng)測(cè)微儀，各種尺寸及形狀的自動(dòng)測(cè)量，特別是內(nèi)孔、內(nèi)表面、軟材料工件等射線式0.005～300±（1+10-2L）L-被測(cè)長(zhǎng)度（毫米）

受溫度影響大非接觸測(cè)量軋制板、帶及鍍層厚度的自動(dòng)測(cè)量光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、激光等現(xiàn)代傳感器（也稱幾何量標(biāo)準(zhǔn)器）的類型、特性及使用范圍參考表3-2及3-3表3-2長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器的類型、特性及使用范圍類型原理量值個(gè)數(shù)計(jì)值方法精度特性及使用范圍備注量塊端面研合單值絕對(duì)碼三等量塊：

-被測(cè)長(zhǎng)度（米）可用各種尺寸的量塊任意選配，用于比較儀作相對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)或作為儀器校準(zhǔn)用基準(zhǔn)量塊尺寸與規(guī)格已標(biāo)準(zhǔn)化線紋尺線紋分度與光學(xué)機(jī)械細(xì)分多值絕對(duì)碼一級(jí)精度線紋尺：

-被測(cè)長(zhǎng)度（米）與光學(xué)讀數(shù)頭配套使用，可采用光學(xué)機(jī)械細(xì)分法進(jìn)行細(xì)分，廣泛用于萬(wàn)能工具顯微鏡及光學(xué)測(cè)長(zhǎng)儀中①通?？虅濋g隔為；②有玻璃線紋尺和金屬線紋尺；③金屬尺線脹系數(shù)接近金屬工件，因而溫度對(duì)測(cè)量精度的影響較小絲杠螺旋傳動(dòng)多值增量碼高精度型：±（1～3）一般精度型：±（3～10）與步進(jìn)或伺服電機(jī)組合，可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)與自動(dòng)控制，用于一般計(jì)量?jī)x器及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)①絲杠精度可按需要，在加工中提高；②精密絲杠常選用三角形牙型類型原理量值個(gè)數(shù)計(jì)值方法精度特性及使用范圍備注光柵尺莫爾條紋多值增量碼高精度型：±（0.1～1）一般精度型：±（3～10）與光柵頭配套使用，利用莫爾條紋原理計(jì)數(shù)，對(duì)環(huán)境條件要求較高，采用整體封裝來(lái)避免灰塵和油污的侵蝕，廣泛用于長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器中，測(cè)量范圍大，精度較高①計(jì)量光柵有25、50、100線/mm幾種；②玻璃光柵比金屬反射光柵信號(hào)強(qiáng)，便于調(diào)整；③光源發(fā)熱要小長(zhǎng)度編碼器光電信號(hào)編碼多值絕對(duì)碼±（5～10）長(zhǎng)度編碼器較難制作，難于提高分辨力，用于要求有零位，有絕對(duì)值的絕對(duì)法測(cè)量中長(zhǎng)度編碼器規(guī)格已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化長(zhǎng)感應(yīng)同步器電磁感應(yīng)多值增量碼標(biāo)準(zhǔn)型：±（1.5～5）窄型：±（2.5～5）帶型：±10標(biāo)準(zhǔn)尺長(zhǎng)250它由定尺與滑尺組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，便于自動(dòng)測(cè)量與控制，有標(biāo)準(zhǔn)型、窄型、帶型、重型等4種規(guī)格,精度略低于光柵尺，但動(dòng)態(tài)測(cè)量的頻響高，常用于車(chē)間及軍用計(jì)量?jī)x器與機(jī)床設(shè)備中①標(biāo)準(zhǔn)尺長(zhǎng)為250，需要時(shí)可接長(zhǎng)，通過(guò)誤差補(bǔ)償可提高接長(zhǎng)精度；②標(biāo)準(zhǔn)型用于計(jì)量?jī)x器與機(jī)床、窄型可組裝為盒式、帶型用于大測(cè)量范圍、三重型用于重型機(jī)床設(shè)備；③定尺與滑尺上繞組的節(jié)距類型原理量值個(gè)數(shù)計(jì)值方法精度特性及使用范圍備注磁尺電磁感應(yīng)多值增量碼精密型：±（1～3）一般精度型：±（3～10）與磁頭配套使用，磁尺制造成本低，僅需錄磁，對(duì)環(huán)境條件要求較高，應(yīng)妥善屏蔽，以防磁化，可用于計(jì)量?jī)x器與機(jī)床中，使用不廣泛，適用于大量程，中等精度的場(chǎng)合①尺子可制成線型（用于高精度測(cè)量）、帶型（用于大量程測(cè)量）、同軸型（用于結(jié)構(gòu)緊湊的小型測(cè)量裝置中）；②可在磁尺安裝到儀器主體上后進(jìn)行錄磁容柵尺電容效應(yīng)多值增量碼用于數(shù)顯卡尺中測(cè)量范圍：0～300mm，示值誤差：±0.02mm測(cè)量范圍：900～1000mm，示值誤差：±0.07mm可測(cè)帶磁工件，利用多對(duì)極板間電容的誤差平均效應(yīng)，其測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定可靠，多見(jiàn)應(yīng)用于數(shù)顯卡尺中①電極材料應(yīng)能防腐，可采用鎳鐵類鍍鉻電極；②絕緣材料要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，高的形狀穩(wěn)定性、良好的抗?jié)裥阅芎托〉木€脹系數(shù)，常用石英、陶瓷、云母或工程塑料；③采用密封結(jié)構(gòu)激光干涉光波干涉多值增量碼雙頻激光干涉儀在波長(zhǎng)穩(wěn)定性為時(shí)，測(cè)量范圍10～50m，準(zhǔn)確度可達(dá)1高精度、高分辨力，大的測(cè)量范圍，對(duì)環(huán)境要求高，造價(jià)高，可用于計(jì)量室進(jìn)行精密測(cè)量或作為檢定用基準(zhǔn)，也可應(yīng)用于車(chē)間條件，作大量程精密測(cè)量①激光具有單色性好、亮度高、方向性好、波長(zhǎng)穩(wěn)定及相干長(zhǎng)度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)量；②對(duì)空氣折射率進(jìn)行修正，還可提高其測(cè)量精度類型原理量值個(gè)數(shù)計(jì)值方法精度特性及使用范圍備注角度量塊端面研合單值絕對(duì)碼根據(jù)需要任意選配，可用于絕對(duì)或相對(duì)測(cè)量中量塊的尺寸和規(guī)格已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化多面棱體角度樣塊多值絕對(duì)碼±（1"～5"）

棱體的角度經(jīng)加工和檢定達(dá)到規(guī)定的精度，可用來(lái)檢定精密測(cè)角儀或?qū)嵌染幋a器進(jìn)行角度標(biāo)定①棱體可分為4、6、8、10、12、14、36、72面等多種，棱體反射面基體材料為金屬和玻璃兩種；②亦可制出奇數(shù)面棱體

度盤(pán)線紋分度與光學(xué)機(jī)械細(xì)分多值絕對(duì)碼高精度：±（1"～10"）一般精度：±（10"～20"）與光學(xué)讀數(shù)頭配套使用，可采用光學(xué)機(jī)械細(xì)分法進(jìn)行細(xì)分，廣泛用于測(cè)角儀器中①度盤(pán)直徑一般在～之間；②刻度間隔值為或；③度盤(pán)刻線應(yīng)與主軸同心多齒分度盤(pán)多齒平均效應(yīng)多值增量碼±（0.1"～0.25"）

它可配置小角度測(cè)量?jī)x進(jìn)行細(xì)分，用于檢定精密測(cè)角儀①多齒分度盤(pán)的牙數(shù)一般為1440個(gè)，故每齒間隔值為；②為了獲得更小的分度值，可設(shè)計(jì)成差動(dòng)式多齒分度盤(pán)表3-3常用的角度標(biāo)準(zhǔn)器的類型、特性及使用范圍類型原理量值個(gè)數(shù)計(jì)值方法精度特性及使用范圍備注光柵盤(pán)莫爾條紋增量碼高精度：±（0.1"～2"）一般精度：±（2“～10”）精度高，便于細(xì)分與顯示，易于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、自動(dòng)測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，廣泛用于角度測(cè)量與跟蹤儀器中①圓周刻劃數(shù)為250～64800線/周；②多為玻璃光柵盤(pán)；③光柵頭光源發(fā)熱要小圓編碼器光電信號(hào)編碼多值絕對(duì)碼±（5"～15"）可直接讀出角度數(shù)，但圓碼盤(pán)制作較難，多用于測(cè)角讀數(shù)頭中規(guī)格已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化圓感應(yīng)同步器電磁感應(yīng)多值增量碼高精度：±（1"～3"）一般精度：±（3"～10"）同表3-2中的長(zhǎng)感應(yīng)同步器，動(dòng)態(tài)測(cè)量的頻響高，廣泛用于角度測(cè)量與跟蹤儀器中①圓盤(pán)上繞組的角節(jié)距有、、、、等；②原盤(pán)直徑大，繞組角節(jié)距小，精度亦高，反之精度低磁盤(pán)電磁效應(yīng)多值增量碼±（1"～10"）同表3-2中的磁尺，用于測(cè)角系統(tǒng)或測(cè)角讀數(shù)頭中磁盤(pán)角節(jié)距為幾到幾十角分容柵盤(pán)電容效應(yīng)多值增量碼高精度：±（1"～2"）一般精度：±4"同表3-2中的容柵尺，用于雷達(dá)測(cè)角系統(tǒng)中同表3-2

類型原理量值個(gè)數(shù)計(jì)值方法精度特性及使用范圍備注環(huán)形激光及激光測(cè)角器光波干涉多值增量碼±（0.2“～0.5”）高精度、高分辨力，對(duì)環(huán)境要求高，造價(jià)高，環(huán)形激光主要用于精密動(dòng)態(tài)測(cè)角，激光測(cè)角器主要用于靜態(tài)小角度測(cè)量?jī)x中同表3-2二、標(biāo)準(zhǔn)量及其細(xì)分方法的選用（一）標(biāo)準(zhǔn)量的分類:

在采用絕對(duì)測(cè)量法中，標(biāo)準(zhǔn)量是作為儀器不可分割的一個(gè)組成部分，例如萬(wàn)能工具顯微鏡中的標(biāo)準(zhǔn)尺，測(cè)力機(jī)中的砝碼等。在采用相對(duì)測(cè)量法中，被測(cè)量是通過(guò)檢測(cè)儀器與標(biāo)準(zhǔn)量相比較，由檢測(cè)儀器讀出兩者的偏差值。雖然標(biāo)準(zhǔn)量不作為檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)組成部分，但這類檢測(cè)儀器是經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量（例如量塊）的校準(zhǔn)，所以在相對(duì)測(cè)量中能夠準(zhǔn)確地指示出被測(cè)量的偏差值。歸納起來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)量的作用有：①用來(lái)與被測(cè)件進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)測(cè)量；②用來(lái)校準(zhǔn)儀器的示值或檢定儀器的示值誤差。

（三）標(biāo)準(zhǔn)量的細(xì)分方法為了獲得適當(dāng)大小的分度值和提高儀器的分辨力，常需要將標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行細(xì)分。細(xì)分的方法與所采用的標(biāo)準(zhǔn)量類型密切相關(guān)，可分為光學(xué)機(jī)械細(xì)分法與光電細(xì)分法兩大類。1.光學(xué)機(jī)械細(xì)分法包括:直讀法。它是利用顯微鏡將影像放大，采用單指標(biāo)線或多指標(biāo)線直接瞄準(zhǔn)尾數(shù)，讀出小數(shù)部分。例如，萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)角目鏡的讀數(shù)。

微動(dòng)對(duì)零法。其基本原理是：當(dāng)主標(biāo)尺的刻線像沒(méi)有正好對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)指標(biāo)時(shí)，通過(guò)微動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)主標(biāo)尺刻線像或讀數(shù)指標(biāo)線，使它們對(duì)準(zhǔn)，然后由微動(dòng)機(jī)構(gòu)讀出尾數(shù)部分。只要微動(dòng)機(jī)構(gòu)具有足夠的準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)很高的細(xì)分?jǐn)?shù)。其缺點(diǎn)是:需經(jīng)微動(dòng)對(duì)零，比較麻煩。典型的微動(dòng)對(duì)零法有兩種形式：第一種為測(cè)微螺桿式、阿基米德螺旋線式和楔塊移動(dòng)式所代表的讀數(shù)指標(biāo)移動(dòng)式；第二為轉(zhuǎn)動(dòng)平板