測控儀器設(shè)計(jì)

前言

　　在信息時(shí)代的今天，測控技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中一項(xiàng)必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)。為了適應(yīng)儀器儀表學(xué)科發(fā)展的需要，培養(yǎng)面向21世紀(jì)具有創(chuàng)造性的高級技術(shù)人才，使其掌握本學(xué)科基本理論、專業(yè)知識與基本技能，具備從事測控方法研究、測控儀器和裝置初步設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與研制開發(fā)，以及解決相關(guān)工程實(shí)際問題的能力，我們特嘗試編寫此書。　　全書共分6章，分別為概論、測控儀器總體設(shè)計(jì)、儀器誤差分析、測控儀器硬件電路設(shè)計(jì)、測控儀器軟件設(shè)計(jì)和測控儀器設(shè)計(jì)實(shí)例。本書從總體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對測控儀器的總體設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)和測控電路軟硬件設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析與論述；介紹測控儀器設(shè)計(jì)中基本、主要的內(nèi)容和方法；并給出了能突出測控儀器設(shè)計(jì)的應(yīng)用性和實(shí)踐性的綜合設(shè)計(jì)實(shí)例。全書內(nèi)容選擇具有代表性和典型性，強(qiáng)調(diào)基本知識介紹和基本技能培訓(xùn)，力求使讀者學(xué)會如何從設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)進(jìn)行測控儀器的設(shè)計(jì)分析、計(jì)算綜合及獨(dú)立進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)?！　”緯歉叩葘W(xué)校測控技術(shù)及儀器專業(yè)的一門主修課程教材之一，是一門綜合性實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課教材，可作為高等學(xué)校測控技術(shù)與儀器、自動化、電子信息工程、機(jī)電一體化等專業(yè)教材，也可作為相關(guān)專業(yè)參考書，供從事儀器儀表研究、設(shè)計(jì)、制造、使用和開發(fā)生產(chǎn)單位的工程技術(shù)人員參考?！　”緯蓮V西工學(xué)院韓峻峰教授擔(dān)任主編。其中，第1章由韓峻峰編寫，第2章由石玉秋編寫，第3章由馬兆敏編寫，第4章由劉勝永編寫，第5章由郭毅鋒編寫，第6章由王民慧編寫。李胡國參加了文字校對工作。全書由韓峻峰統(tǒng)稿?！　”緯鳛闇y控儀器設(shè)計(jì)方面的教材，是在總結(jié)、參考了大量國內(nèi)外研究成果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者教學(xué)、科研體會和成果編寫的。本書注重應(yīng)用設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，從工程角度考慮測控儀器設(shè)計(jì)的整體思路。在撰寫過程中參考了較多的著作和相關(guān)教材，在此對文獻(xiàn)作者以及在本書編寫中作出貢獻(xiàn)的人士表示衷心的感謝。由于編者水平有限，同時(shí)考慮到測控儀器的學(xué)科發(fā)展特征，本書可能出現(xiàn)疏漏或不妥之處，敬請廣大專家學(xué)者和讀者批評指正。

內(nèi)容概要

全書共分六章，分別為概論、測控儀器總體設(shè)計(jì)、儀器誤差分析、測控儀器硬件電路設(shè)計(jì)、測控儀器軟件設(shè)計(jì)和測控儀器設(shè)計(jì)實(shí)例。本書從總體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對測控儀器的總體設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)和測控電路軟硬件設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析與論述；介紹測控儀器設(shè)計(jì)中基本、主要的內(nèi)容和方法；并給出了能突出測控儀器設(shè)計(jì)的應(yīng)用性和實(shí)踐性的綜合設(shè)計(jì)實(shí)例。全書內(nèi)容選擇具有代表性和典型性，強(qiáng)調(diào)基本知識介紹和基本技能培訓(xùn)，力求使讀者學(xué)會如何從設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)進(jìn)行測控儀器的設(shè)計(jì)分析、計(jì)算綜合，及獨(dú)立進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。

書籍目錄

第1章　概論　1.1　概述　　1.1.1　測控儀器的概念　　1.1.2　測控儀器和系統(tǒng)的地位與作用　1.2　測控儀器的基本構(gòu)成　　1.2.1　測控儀器的基本構(gòu)成　　1.2.2　測控儀器的功能特點(diǎn)　1.3　測控儀器的發(fā)展?fàn)顩r與前景　　1.3.1　測控儀器的發(fā)展?fàn)顩r　　1.3.2　虛擬儀器　1.4　本課程的目的與要求第2章　測控儀器總體設(shè)計(jì)　2.1　設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想和設(shè)計(jì)步驟　　2.1.1　測控儀器性能指標(biāo)　　2.1.2　設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想　　2.1.3　設(shè)計(jì)步驟　2.2　測控儀器的組成及設(shè)計(jì)任務(wù)分析　　2.2.1　測控儀器的組成　　2.2.2　設(shè)計(jì)任務(wù)分析　2.3　測控儀器設(shè)計(jì)原則　　2.3.1　從原理出發(fā)提高精度的原則　　2.3.2　變形最小原則　　2.3.3　坐標(biāo)系基準(zhǔn)統(tǒng)一原則　　2.3.4　最短測量鏈原則　　2.3.5　精度匹配原則　　2.3.6　運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)原則　　2.3.7　阿貝原則　　2.3.8　硬件、軟件協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則　　2.3.9　可靠性原則　　2.3.10　經(jīng)濟(jì)性原則　2.4　測控儀器可靠性設(shè)計(jì)　　2.4.1　可靠性設(shè)計(jì)意義　　2.4.2　可靠性設(shè)計(jì)基本原則和任務(wù)　　2.4.3　靠性設(shè)計(jì)基本內(nèi)容　　2.4.4　可靠性設(shè)計(jì)步驟第3章　儀器誤差分析　3.1　儀器誤差基本概念　　3.1.1　誤差定義及表示法　　3.1.2　誤差類型　　3.1.3　精度　3.2　儀器誤差來源與性質(zhì)　　3.2.1　原理誤差　　3.2.2　原始誤差　3.3　儀器誤差分析與計(jì)算　　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　儀器誤差合成　　3.4.1　隨機(jī)誤差合成　　3.4.2　系統(tǒng)誤差合成　　3.4.3　系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差合成　3.5　儀器誤差分配　　3.5.1　系統(tǒng)誤差分配　　3.5.2　隨機(jī)誤差和未定系統(tǒng)誤差分配　　3.5.3　按可能性調(diào)整公差第4章　測控儀器硬件電路設(shè)計(jì)　4.1　電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則　　4.1.1　測控電路的組成及作用　　4.1.2　對測控電路的一般要求　　4.1.3　電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則　4.2　典型傳感器接口電路設(shè)計(jì)　　4.2.1　熱電阻接口電路　　4.2.2　電容傳感器接口電路　　4.2.3　電位器式傳感器接口電路　　4.2.4　差分變壓器式傳感器接口電路　　4.2.5　壓阻式壓力傳感器接口電路　　4.2.6　壓電晶體傳感器接口電路　　4.2.7　光電二極管接口電路　4.3　中央處理模塊設(shè)計(jì)　　4.3.1　以計(jì)算機(jī)為核心的中央處理系統(tǒng)　　4.3.2　基于單片機(jī)的主機(jī)電路　　4.3.3　基于微型計(jì)算機(jī)的主機(jī)電路　4.4　輸入輸出通道及通信接口設(shè)計(jì)　　4.4.1　模擬輸入通道　　4.4.2　模擬輸出通道　　4.4.3　開關(guān)量輸入／輸出通道　　4.4.4　測控儀器通信接口　4.5　測控儀器的抗干擾技術(shù)及可靠性沒計(jì)　　　4.5.1　測控儀器電路系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)　　4.5.2　電路系統(tǒng)的可靠性與故障診斷技術(shù)第5章　測控儀器軟件設(shè)計(jì)　5.1　接口程序設(shè)計(jì)　　5.1.1  ADC0809與8031接口程序　　5.1.2  DAC0832與8031接口程序　　5.1.3　人-機(jī)接口程序　5.2　控制算法　　5.2.1　測量數(shù)據(jù)處理有效性　　5.2.2　克服隨機(jī)誤差的數(shù)字濾波法　5.3　數(shù)字PID控制算法　　5.3.1　位置式和增量式PID控制算法　　5.3.2　改進(jìn)的PID控制算法　5.4　自動量程轉(zhuǎn)換與標(biāo)度變換　　5.4.1　量程自動轉(zhuǎn)換電路的控制　　5.4.2　標(biāo)度變換　5.5　校正算法　　5.5.1　系統(tǒng)誤差模型的建立　　5.5.2　零位誤差和增益誤差的校正　5.6　硬件故障的自診斷第6章　測控儀器設(shè)計(jì)實(shí)例　6.1　數(shù)字溫控器的設(shè)計(jì)　　6.1.1　數(shù)字溫控器的設(shè)計(jì)要求　　6.1.2　數(shù)字溫控器設(shè)計(jì)任務(wù)分析　　6.1.3　數(shù)字溫控器硬件設(shè)計(jì)　　6.1.4　數(shù)字溫控器軟件設(shè)計(jì)　6.2　光柵位移顯示儀的設(shè)計(jì)　　6.2.1　光柵位移顯示儀設(shè)計(jì)要求　　6.2.2　光柵位移檢測原理　　6.2.3　光柵位移顯示儀總體方案設(shè)計(jì)　　6.2.4　光柵位移顯示儀硬件設(shè)計(jì)　　6.2.5　光柵位移顯示儀軟件設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 概論　　本章概述測控儀器概念及其地位與作用，介紹了測控儀器的基本構(gòu)成、功能特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，并簡要介紹了學(xué)習(xí)本書的目的和要求?！　?.1 概述　　1.1.1 測控儀器的概念　　儀器是人們認(rèn)識世界、改造世界的手段和工具，是用來對客觀物質(zhì)實(shí)體及其本質(zhì)屬性進(jìn)行觀察、監(jiān)視、測量、記錄、傳輸、轉(zhuǎn)換、顯示、分析、處理以及控制的各種器具、設(shè)備與系統(tǒng)的總稱，是信息技術(shù)的源頭?！　y控是測量和控制的簡稱。測量是為確定被測對象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程，也是通過實(shí)驗(yàn)（試驗(yàn)）對客觀事物取得定量意義（或叫信息）的過程。在這個(gè)過程中常借助專門的設(shè)備，把被測對象直接或間接地與另一同類已知單位進(jìn)行比較，用已知量作為計(jì)量單位，用數(shù)值和單位共同表示被測對象的量值；控制是根據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)生活的需要，讓被控對象按預(yù)定的要求運(yùn)行的過程。測控儀器則是實(shí)現(xiàn)上述功能的具體系統(tǒng)或裝置，從功能上說，測控儀器包括了測量儀器、控制儀器、計(jì)算儀器、分析儀器、顯示儀器等?！　∧壳埃瑴y控儀器廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電子、電力、機(jī)械、輕紡、航空、航天、航海、兵器以及天文、氣象、地質(zhì)勘探、醫(yī)療等領(lǐng)域，遍及國民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域。在自動化生產(chǎn)程度較高的工業(yè)企業(yè)中，測控儀器已成為檢測、計(jì)量、記錄、計(jì)算和控制生產(chǎn)過程中不可缺少的基本設(shè)備。如機(jī)械制造和儀器制造工業(yè)中產(chǎn)品的靜、動態(tài)性能測試；加工過程的控制與監(jiān)測，故障的診斷等。在電力、化工、石油工業(yè)中，為保證生產(chǎn)過程能正常、高效運(yùn)行，要對工藝參數(shù)，如壓力、流量、溫度、尺寸等進(jìn)行檢測和控制；在航空、航天產(chǎn)品中對質(zhì)量要求更為嚴(yán)格，如對發(fā)動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、振動、噪聲、動力特性等進(jìn)行測量；在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、金融、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域，測控儀器也得到日益廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

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