現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)

前言

儀器儀表工業(yè)是信息工業(yè)，是信息的源頭，是認(rèn)識(shí)世界的工具，是人們用來(lái)對(duì)物質(zhì)(自然界)實(shí)體及其屬性進(jìn)行觀察、監(jiān)視、測(cè)定、驗(yàn)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(shí)質(zhì)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(dú)立的學(xué)科，即儀器科學(xué)與技術(shù)，而現(xiàn)代精密儀器則是儀器科學(xué)與技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。當(dāng)今科學(xué)儀器技術(shù)最引人注目的發(fā)展是在生物、醫(yī)學(xué)、材料、航天、環(huán)保、國(guó)防等直接關(guān)系到人類生存和發(fā)展的諸多領(lǐng)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(chǎn)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(shù)(光、機(jī)、電)、納米技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿生學(xué)原理、新材料等高新技術(shù)發(fā)展新式的科學(xué)儀器已經(jīng)成為主流，為精密儀器設(shè)計(jì)提出了新的研究課題。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)、宇航工業(yè)、材料科學(xué)、生物工程等的發(fā)展，使精密儀器已進(jìn)入亞微米、納米級(jí)的新時(shí)代，為精密儀器提供了廣泛的研究領(lǐng)域。為適應(yīng)科技發(fā)展的需要，趕上世界科技進(jìn)步的步伐，提高我國(guó)精密儀器的水平，本書從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，參照全國(guó)精密儀器設(shè)計(jì)的教學(xué)大綱編寫而成。書中總結(jié)了編著者長(zhǎng)期的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與科研工作成果，匯集了有關(guān)現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)理論和成果，著力反映了這一學(xué)科領(lǐng)域的當(dāng)代發(fā)展水平，使讀者充分了解和掌握精密儀器的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)和最新成就。同時(shí)力圖做到概念清楚、深入淺出，對(duì)精密儀器設(shè)計(jì)有關(guān)的共同性理論和方法進(jìn)行了系統(tǒng)、全面地闡述。每章有設(shè)計(jì)實(shí)例和習(xí)題，目的是便于學(xué)生自學(xué)并啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。“精密儀器設(shè)計(jì)”是以設(shè)計(jì)為主的專業(yè)課程，其目的是使學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)，掌握光、機(jī)、電、算相結(jié)合的現(xiàn)代儀器儀表設(shè)計(jì)理論和方法，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)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(xué)校儀器科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)本科教學(xué)規(guī)范的要求，以及本教材的實(shí)際使用情況和建議，第2版對(duì)第1版中的部分內(nèi)容進(jìn)行了修訂： (1)  按測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)本科教學(xué)規(guī)范，縮減“微型機(jī)電系統(tǒng)”一章，其內(nèi)容在其他教材另行詳細(xì)、充分闡述； (2)  增加光電傳感技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容，以更多地滿足測(cè)控學(xué)科和專業(yè)教育教學(xué)要求； (3)  瞄準(zhǔn)與對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)講述測(cè)量基準(zhǔn)，定位與測(cè)量系統(tǒng)分析測(cè)量方法，因此將二者整合為“精密測(cè)量技術(shù)”，以便對(duì)測(cè)量有更全面、整體的理解； (4)  增加“精密儀器設(shè)計(jì)實(shí)例與實(shí)驗(yàn)”一章，利用典型實(shí)例闡述現(xiàn)代儀器設(shè)計(jì)方法，加強(qiáng)儀器設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)； (5)  調(diào)整“自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)”一章，有關(guān)知識(shí)在第10章中以實(shí)例方式闡述說(shuō)明。具體內(nèi)容如下：第1章 現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)概論闡述了儀器儀表學(xué)科的重要性和我國(guó)以及國(guó)際上這一學(xué)科當(dāng)代的發(fā)展水平與發(fā)展趨勢(shì)；介紹了儀器儀表的組成、設(shè)計(jì)與原則。第2版前言現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)（第2版）第2章 精密儀器設(shè)計(jì)方法總體設(shè)計(jì)是“戰(zhàn)略”性的、方向性的、把握全局性的設(shè)計(jì)。由于總體設(shè)計(jì)是一個(gè)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(shè)計(jì)是創(chuàng)造性的工作，特別是現(xiàn)代精密儀器，是光、機(jī)、電、算技術(shù)的綜合。在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者要有創(chuàng)新的觀念，要充分運(yùn)用科學(xué)原理和設(shè)計(jì)理論。本章介紹了幾種設(shè)計(jì)方法，對(duì)總體設(shè)計(jì)原則、方法及總體方案制定內(nèi)容通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了討論。第3章 儀器精度設(shè)計(jì)與分析精度（不確定度）是精密儀器及精密機(jī)械設(shè)備的核心技術(shù)指標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于精密機(jī)械及精密儀器的精度提出了愈來(lái)愈高的要求。本章介紹了精度的概念、精度評(píng)價(jià)方法、誤差的來(lái)源及計(jì)算與分析方法、誤差的綜合及動(dòng)態(tài)精度，為現(xiàn)代精密儀器的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。第4章 精密機(jī)械系統(tǒng)精密機(jī)械系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)精密儀器高精度的基礎(chǔ)，特別是當(dāng)代科技發(fā)展已進(jìn)入納米時(shí)代，對(duì)儀器功能和精度提出了更高要求，因此對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造應(yīng)給予高度重視。本章主要對(duì)精密機(jī)械系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)（包括基座與支承件、導(dǎo)軌、軸系等）進(jìn)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(cè)技術(shù)光電傳感為精密儀器的檢測(cè)、分析提供數(shù)據(jù)來(lái)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(cè)方法、系統(tǒng)構(gòu)成、傳感器選擇以及抗干擾技術(shù)等。希望通過(guò)本章的學(xué)習(xí)讀者能夠?qū)鞲袡z測(cè)相關(guān)技術(shù)有清晰的了解，并掌握傳感器選擇方法以及抗干擾技術(shù)。第6章 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)在現(xiàn)代儀器尤其是光學(xué)儀器中起著越來(lái)越重要的作用。光學(xué)系統(tǒng)既是使儀器走向高精度測(cè)量不可或缺的部分,隨著視覺技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)系統(tǒng)也必然成為很多常規(guī)儀器的核心內(nèi)容。本章在光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成基礎(chǔ)上,講述了光學(xué)系統(tǒng)各構(gòu)成部分的設(shè)計(jì)思路,重點(diǎn)講述了光學(xué)照相、顯微、望遠(yuǎn)及照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。最后以傅里葉變換紅外光譜儀為例說(shuō)明了光學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法。第7章 微位移技術(shù)微位移技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精密儀器亞微米、納米級(jí)精度的關(guān)鍵技術(shù)。本章闡述了微位移驅(qū)動(dòng)方法及分類，介紹了各種微位移器件的原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用，分析了各種微位移系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及達(dá)到的精度，特別是對(duì)柔性鉸鏈微位移系統(tǒng)作了全面的論述，同時(shí)還介紹了目前世界上多種先進(jìn)、實(shí)用的微位移機(jī)構(gòu)，供設(shè)計(jì)者參考。第8章 機(jī)械伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)精密儀器智能化、自動(dòng)化的基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)精密儀器系統(tǒng)高效率、高精度、穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的要求，伺服控制系統(tǒng)必須具有很好的快速響應(yīng)性，能靈敏地跟蹤指令，以達(dá)到運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)要求及性能指標(biāo)，闡述了精密機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)分析、開環(huán)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，并給出了應(yīng)用實(shí)例。第9章 精密測(cè)量技術(shù)瞄準(zhǔn)與對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)是精密儀器及光學(xué)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(zhǔn)與對(duì)準(zhǔn)是精密儀器的基準(zhǔn)，因此瞄準(zhǔn)與對(duì)準(zhǔn)精度將直接影響儀器精度，特別是對(duì)高精度儀器影響更大。本章介紹了瞄準(zhǔn)與對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的用途與性能，對(duì)目前通用接觸式和非接觸式瞄準(zhǔn)方法進(jìn)行了全面論述。另外，精密儀器精度高低，除精密機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)精度外，很大程度上還取決于其定位系統(tǒng)，因此定位測(cè)量也是精密儀器中的一個(gè)重要組成部分，特別是對(duì)高精度儀器尤為重要。本章重點(diǎn)論述了目前大量應(yīng)用的高精度光柵及激光干涉定位系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和特點(diǎn)等問題進(jìn)行了詳細(xì)分析與討論。第10章 精密儀器設(shè)計(jì)實(shí)例與實(shí)驗(yàn)本章以線寬測(cè)量自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)、基于光學(xué)立體顯微鏡的微裝配系統(tǒng)為例，對(duì)精密儀器設(shè)計(jì)的過(guò)程、方法進(jìn)行了說(shuō)明；并利用精密儀器設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器應(yīng)用及技術(shù)進(jìn)行了實(shí)踐分析。本書是在普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材、北京高等教育精品教材《現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)》（清華大學(xué)出版社，2004）的基礎(chǔ)上，依據(jù)科學(xué)進(jìn)步與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(yáng)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(guò)程中得到李慶祥教授、王東生教授、訾艷陽(yáng)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(cè)控技術(shù)與儀器、電子精密機(jī)械、機(jī)電一體化及光學(xué)儀器等專業(yè)師生使用，同時(shí)也可供從事精密儀器與機(jī)械及微納米機(jī)電系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、制造、使用和調(diào)修的工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和參考。由于編者水平有限，書中難免有不妥甚至錯(cuò)誤之處，殷切希望讀者提出寶貴意見。

內(nèi)容概要

　　本書為高等工科院?！熬軆x器設(shè)計(jì)”課程教材，對(duì)與精密儀器設(shè)計(jì)有關(guān)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(shè)計(jì)的有關(guān)資料和科研成果，反映了該學(xué)科領(lǐng)域的當(dāng)代發(fā)展水平?！　∪珪卜?0章，包括現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)概論、精密儀器設(shè)計(jì)方法、儀器精度設(shè)計(jì)與分析、精密機(jī)械系統(tǒng)、傳感檢測(cè)技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微位移技術(shù)、機(jī)械伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精密測(cè)量技術(shù)、精密儀器設(shè)計(jì)實(shí)例與實(shí)驗(yàn)?！　”緯勺鳛闇y(cè)控技術(shù)與儀器、光學(xué)工程以及機(jī)電類專業(yè)大專院校教材，也可供從事儀器科學(xué)與技術(shù)及機(jī)電類研究、設(shè)計(jì)、制造、調(diào)修的工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和參考。

書籍目錄

1 現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)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(guó)現(xiàn)代精密儀器發(fā)展的狀況　　1.1.3 國(guó)外儀器發(fā)展趨勢(shì)　　1.1.4 “精密儀器設(shè)計(jì)”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(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想與程序　　1.3.1 指導(dǎo)思想　　1.3.2 設(shè)計(jì)程序　習(xí)題2 精密儀器設(shè)計(jì)方法　2.1 設(shè)計(jì)方法概述　2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)分析　2.3 系統(tǒng)參數(shù)與指標(biāo)設(shè)計(jì)　　2.3.1 主要參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的內(nèi)容　　2.3.2 確定主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)的方法　2.4 總體方案的制定　　2.4.1 基本設(shè)計(jì)原則　　2.4.2 總體方案制定的內(nèi)容　2.5 典型設(shè)計(jì)方法　　2.5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)　　2.5.2 可靠性設(shè)計(jì)　　2.5.3 虛擬儀器設(shè)計(jì)　習(xí)題3 儀器精度設(shè)計(jì)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(biāo)　3.2 儀器誤差的來(lái)源與分類　　3.2.1 原理誤差　　3.2.2 制造誤差　　3.2.3 運(yùn)行誤差　3.3 誤差計(jì)算分析方法　　3.3.1 誤差獨(dú)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(shí)臂法　3.4 誤差綜合與實(shí)例分析　　3.4.1 隨機(jī)誤差的合成　　3.4.2 系統(tǒng)誤差的合成　　3.4.3 不同性質(zhì)誤差的合成　　3.4.4 誤差分析計(jì)算實(shí)例　習(xí)題4 精密機(jī)械系統(tǒng)　4.1 基座與支承件　　4.1.1 基座與支承件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)　　4.1.2 對(duì)基座和支承件的主要技術(shù)要求　　4.1.3 基座與支承件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)　4.2 導(dǎo)軌副　　4.2.1 種類及特點(diǎn)　　4.2.2 基本要求　　4.2.3 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)思路　4.3 主軸系統(tǒng)　　4.3.1 設(shè)計(jì)的基本要求　　4.3.2 主軸的類型　　4.3.3 結(jié)構(gòu)舉例　　4.3.4 幾種軸系的比較　習(xí)題5 傳感檢測(cè)技術(shù)　5.1 檢測(cè)系統(tǒng)　　5.1.1 測(cè)量方法簡(jiǎn)介　　5.1.2 傳感檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成　　5.1.3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)　5.2 傳感器選擇　　5.2.1 模型與指標(biāo)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(shù)　5.3 傳感檢測(cè)抗干擾技術(shù)　　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(shù)　　5.3.4 接地技術(shù)　習(xí)題6 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 微位移技術(shù)8 機(jī)械伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)9 精密測(cè)量技術(shù)10 精密儀器設(shè)計(jì)實(shí)例與實(shí)驗(yàn)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：2．3．1主要參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的內(nèi)容儀器的使用者往往只能提出對(duì)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(shè)計(jì)的起始數(shù)據(jù)。另外，儀器的設(shè)計(jì)者（或生產(chǎn)者）在向使用者介紹產(chǎn)品的性能時(shí)，也需要讓對(duì)方了解一定的參數(shù)和指標(biāo)。然而至今尚沒有在設(shè)計(jì)者和使用者之間統(tǒng)一的名詞、術(shù)語(yǔ)。此處列舉一些有關(guān)儀器的基本技術(shù)指標(biāo)，這些指標(biāo)既可作為儀器設(shè)計(jì)的根據(jù)，又能使儀器的使用者通過(guò)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(shè)備的概貌和特點(diǎn)的一些項(xiàng)目，包括精度參數(shù)、尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)等。例如，微細(xì)加工設(shè)備的精度參數(shù)表明能制作的最細(xì)線條尺寸，尺寸參數(shù)是該設(shè)備所能加工硅片的最大尺寸，運(yùn)動(dòng)參數(shù)則是精密工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，動(dòng)力參數(shù)則表明電機(jī)的功率、額定扭矩及照相用的光源的功率等，結(jié)構(gòu)參數(shù)是說(shuō)明整機(jī)、主要部件主要結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)。又如，精密計(jì)量?jī)x器的技術(shù)參數(shù)為測(cè)量精度、測(cè)量范圍、示值范圍、工作距離、放大率、數(shù)值孔徑、視場(chǎng)、焦距等，基本上反映該類儀器的概貌。精密儀器的技術(shù)指標(biāo)，是用來(lái)說(shuō)明一臺(tái)精密儀器性能和功用的具體數(shù)據(jù)的，因此它既是設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，又是檢驗(yàn)成品質(zhì)量的基本依據(jù)。精密機(jī)械設(shè)備與儀器的技術(shù)指標(biāo)與用途、功能、特點(diǎn)等有關(guān)，不同類型的設(shè)備與儀器有不同的技術(shù)指標(biāo)，但歸納起來(lái)可分為下列幾個(gè)方面：（1）反映設(shè)計(jì)工作性能，如設(shè)備的各種功能、加工對(duì)象范圍與尺寸范圍、測(cè)量對(duì)象范圍與尺寸范圍、運(yùn)動(dòng)速度范圍、顯示功能、打印數(shù)據(jù)功能等。（2）反映設(shè)備精度，如加工精度、表面粗糙度、刻劃精度、制造精度、測(cè)量精度、示值誤差、分辨率、靈敏度等。（3）反映設(shè)備自動(dòng)化程度，如半自動(dòng)、全自動(dòng)、數(shù)控、微機(jī)控制、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等。

編輯推薦

《現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)(第2版)》：教材特色創(chuàng)新性——總結(jié)長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐、科研成果與工作經(jīng)驗(yàn)，薈集現(xiàn)代儀器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)與成果精華先進(jìn)性——融合精密機(jī)械、電子、光學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)，體現(xiàn)專業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)水平與最新前沿系統(tǒng)性——全面闡述現(xiàn)代儀器設(shè)計(jì)共通性理論與方法，便于學(xué)生及工程技術(shù)人員透徹深入把握實(shí)用性——豐富教學(xué)實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)實(shí)例環(huán)節(jié)，培養(yǎng)現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐動(dòng)手能力

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