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精密儀器

精密儀器是指用以產(chǎn)生、測(cè)量精密量的設(shè)備和裝置,包括對(duì)精密量的觀察、監(jiān)視、測(cè)定、驗(yàn)證、記錄、傳輸、變換、顯示、分析處理與控制。精密儀器是儀器儀表的一個(gè)重要分支。
精密儀器
分類
按照測(cè)量對(duì)象的不同,精密儀器可以劃分為以下幾類:

①幾何量精密儀器

主要包括檢測(cè)各種幾何量的精密儀器,如立式測(cè)角儀、激光干涉比長(zhǎng)儀、經(jīng)緯儀三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、圓度儀輪廓儀和掃描隧道顯微鏡測(cè)量?jī)x器。

②熱工量精密儀器

主要包括溫度、濕度、壓力、流量檢測(cè)精密儀器,如各種氣壓計(jì)、真空計(jì)、多波長(zhǎng)測(cè)溫儀表、流量計(jì)和高度表等。

③機(jī)械量精密儀器

主要包括各種測(cè)力儀器、應(yīng)變儀、加速度與速度測(cè)量?jī)x、轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x、振動(dòng)測(cè)量?jī)x、萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)和布氏硬度計(jì)等。

④時(shí)間頻率精密儀器

主要包括各種計(jì)時(shí)儀器與儀表、原子鐘、時(shí)間頻率測(cè)量?jī)x等。

⑤電磁精密儀器

主要用于測(cè)量各種電量和磁量,如電流表、電壓表、功率表、電阻測(cè)量?jī)x、電容測(cè)量?jī)x、靜電儀和磁參數(shù)測(cè)量?jī)x等。

⑥無線電精密儀器

主要包括示波器、信號(hào)發(fā)生器、相位測(cè)量?jī)x、頻譜分析儀和動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等。

⑦光學(xué)與聲學(xué)精密儀器主要包括光譜儀、光度計(jì)、色度計(jì)、激光參數(shù)測(cè)量?jī)x、光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x、噪聲測(cè)量?jī)x和聲吶測(cè)量?jī)x等。

⑧電離輻射精密儀器

主要包括各種放射性、核素計(jì)量、X和λ等射線計(jì)量?jī)x器等。

技術(shù)內(nèi)容
1、機(jī)械技術(shù)

儀器各部分的安裝固定,儀器測(cè)量精度、定位精度和運(yùn)動(dòng)精度的保證,由精密機(jī)械系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)和完成。精密儀器的測(cè)量控制對(duì)象也通常為機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)量。

2、電子技術(shù)

實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、傳輸、放大。研究對(duì)象包括:

①測(cè)量電路:實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

②計(jì)算機(jī)控制:包括信號(hào)處理分析,以及在此基礎(chǔ)上的自動(dòng)控制(發(fā)出控制指令)。

伺服驅(qū)動(dòng):電子與機(jī)械部分的接口,按控制指令的要求控制被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)預(yù)定的動(dòng)作。

3、光學(xué)技術(shù)

利用各種光學(xué)原理,實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的轉(zhuǎn)換、放大、投影、顯示、傳輸?shù)取鹘y(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)是與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)其功能的,現(xiàn)代的光學(xué)系統(tǒng)又結(jié)合了電子技術(shù),實(shí)現(xiàn)光學(xué)信息的處理和控制。

光、機(jī)、電技術(shù)相結(jié)合進(jìn)一步擴(kuò)大了現(xiàn)代精密儀器的應(yīng)用領(lǐng)域。

組成
精密儀器種類繁多、結(jié)構(gòu)各異。對(duì)于用于測(cè)量的精密儀器而言,可將其結(jié)構(gòu)分為基準(zhǔn)、感受轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換放大傳輸、瞄準(zhǔn)/讀數(shù)、數(shù)據(jù)處理、顯示記錄、驅(qū)動(dòng)控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)等八大功能部件。但并不是說一臺(tái)精密儀器中必須包含上述八大功能部件,而是應(yīng)根據(jù)儀器功能的要求有所選擇。

1、基準(zhǔn)部件

基準(zhǔn)部件為測(cè)量提供標(biāo)準(zhǔn)量,測(cè)量結(jié)果均須與之比較方能得到準(zhǔn)確的測(cè)量值。因此,它是決定精密儀器精度的主要環(huán)節(jié)。

基準(zhǔn)器件的種類很多,如用于幾何量(長(zhǎng)度和角度)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)器件:量塊、精密測(cè)量絲杠、線紋尺、度盤、多面棱體、多齒分度盤、光柵尺(盤)、磁柵尺(盤)、感應(yīng)同步器、光波等。對(duì)于復(fù)雜參數(shù),有漸開線樣板、表面粗糙度樣板等標(biāo)準(zhǔn)件,還有提供標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)圓運(yùn)動(dòng)、漸開線運(yùn)動(dòng)和齒輪運(yùn)動(dòng)裝置。此外還有標(biāo)準(zhǔn)硬度塊、頻率計(jì),以及時(shí)間、照度、流量、色度、激光參數(shù)、溫度、測(cè)力、稱重等標(biāo)準(zhǔn)?筛鶕(jù)需要選取。

2、感受轉(zhuǎn)換部件

感受轉(zhuǎn)換部件感受被測(cè)量,拾取原始信號(hào)以便進(jìn)一步轉(zhuǎn)換、處理和分析。其精度直接影響整個(gè)儀器的精度。

有的儀器的感受轉(zhuǎn)換部件僅起感受原始信號(hào)的作用,有的同時(shí)還進(jìn)行一次信號(hào)的轉(zhuǎn)換。感受轉(zhuǎn)換部件有兩大類:一類為接觸式的,如各種機(jī)械式探頭;一類為非接觸式的,如氣動(dòng)非接觸測(cè)頭、光學(xué)探頭、紅外線、渦流測(cè)頭、拾音器等。

3、轉(zhuǎn)換放大傳輸部件

轉(zhuǎn)換放大傳輸部件將感受轉(zhuǎn)換來的微小信號(hào),通過各種原理(光、機(jī)、電、氣)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換和放大,成為觀察者或其下一部件可直接接收的信號(hào),如顯示或進(jìn)一步加工處理。

4、瞄準(zhǔn)/讀數(shù)部件

瞄準(zhǔn)/讀數(shù)部件感受被測(cè)量/標(biāo)準(zhǔn)量,用以對(duì)零/讀數(shù)。

瞄準(zhǔn)部件用以感受被測(cè)量,要求指零準(zhǔn)確,一般不做讀數(shù)用,故不要求其靈敏度。讀數(shù)部件用以感受標(biāo)準(zhǔn)量,由它產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果。在實(shí)際測(cè)量中,二者又是可互換,而不是絕對(duì)的。但有的儀器二者不能互換。

5、數(shù)據(jù)處理部件

數(shù)據(jù)處理部件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、校正、計(jì)算等處理。通常由微處理器、微機(jī)來完成。

6、顯示記錄部件

顯示記錄部件用來顯示和存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果,包括的種類很多,如指針表盤、記錄器、數(shù)字顯示器打印機(jī)、熒光圖像顯示器以及各種ROM和RAM存儲(chǔ)器、磁盤、CF和SD等各種存儲(chǔ)卡。

7、驅(qū)動(dòng)控制部件

驅(qū)動(dòng)控制部件驅(qū)動(dòng)測(cè)量部分的測(cè)頭移動(dòng)或驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量動(dòng)作;在自動(dòng)檢測(cè)儀器中,其對(duì)數(shù)據(jù)處理部件的輸出——測(cè)得的誤差量進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)作。

8、機(jī)械結(jié)構(gòu)部件

機(jī)械結(jié)構(gòu)部件是用以保障其他部件功能實(shí)現(xiàn)的連接、支承、保護(hù)、限位、移動(dòng)導(dǎo)向的機(jī)械結(jié)構(gòu)。主要有基座、支架、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、軸系以及其他部件,如微調(diào)、鎖緊、限位、保護(hù)等機(jī)構(gòu)。它是儀器中不可缺少的部件,其精度有時(shí)對(duì)儀器精度的影響起決定作用。

技術(shù)指標(biāo)
技術(shù)指標(biāo)是用于反映精密儀器性能和功用的一些具體數(shù)據(jù),它既是設(shè)計(jì)精密儀器的基本依據(jù),又是檢驗(yàn)成品質(zhì)量的重要根據(jù)。技術(shù)指標(biāo)與儀器的用途、功能、特點(diǎn)等有關(guān),不同類型的儀器設(shè)備具有不同的技術(shù)指標(biāo)。技術(shù)指標(biāo)可以歸納為以下幾個(gè)方面。

1、反映設(shè)計(jì)工作的性能

具體是指儀器設(shè)備的各種功能,例如加工范圍、運(yùn)動(dòng)范圍、速度范圍、測(cè)量范圍、顯示功能、打印數(shù)據(jù)功能等。

2、反映儀器設(shè)備的精度

例如加工精度、表面粗糙度、制造精度、刻劃精度、測(cè)量精度、示值誤差、分辨力、靈敏度等。

3、反映儀器設(shè)備的自動(dòng)化程度

例如數(shù)控、微機(jī)控制、全自動(dòng)、半自動(dòng)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理等。

4、反映儀器設(shè)備的效率

例如生產(chǎn)率、檢驗(yàn)率等。

5、反映儀器設(shè)備的可靠性

可靠性是指定產(chǎn)品在給定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的一種能力,可以理解為產(chǎn)品的技術(shù)性能在時(shí)間上的延續(xù)性、穩(wěn)定性或重復(fù)性。

6、反映儀器設(shè)備的維修性

維修性指維修產(chǎn)品的難易程度,是衡量產(chǎn)品發(fā)生故障后能夠迅速修復(fù)并恢復(fù)功能的一種指標(biāo)。

7、反映儀器設(shè)備的安全性

安全性是說明產(chǎn)品質(zhì)量特性的一項(xiàng)重要指標(biāo),從設(shè)計(jì)開始就應(yīng)當(dāng)認(rèn)真對(duì)待。

8、反映儀器設(shè)備的質(zhì)量、尺寸等

該指標(biāo)對(duì)生物醫(yī)學(xué)以及航空航天儀器設(shè)備尤其重要。

設(shè)計(jì)內(nèi)容
在精密儀器的設(shè)計(jì)中需要考慮的主要問題包括功能、性能、精度、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和外觀等方面。

1、功能方面

在精密儀器的具體設(shè)計(jì)過程中,需要考慮的因素或者要求有時(shí)可能很多,但首先要滿足的是功能要求,例如儀器的檢測(cè)、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、誤差修正、故障診斷、控制、顯示、存儲(chǔ)、記錄、打印功能等。

2、性能方面

要使精密儀器在一定的使用條件下和一定的時(shí)間內(nèi)有效地實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的性能,必須要求儀器工作安全可靠,操作維修方便。因此精密儀器所使用的零部件應(yīng)當(dāng)具有相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性等。

3、精度方面

精度是精密儀器最重要的技術(shù)指標(biāo)之一,設(shè)計(jì)時(shí)必須保證精密儀器在正常工作條件下能夠達(dá)到所要求的精度指標(biāo)。例如有傳感器的精度、工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度、導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度、控制系統(tǒng)的精度、轉(zhuǎn)換電路的精度、運(yùn)算精度等。

4、經(jīng)濟(jì)實(shí)用方面

精密儀器產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性要求既是增加產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、贏得用戶的需要,也是節(jié)約社會(huì)資源、提高社會(huì)效益的需要。提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性是以壽命周期成本最低為目標(biāo)的,要求組成精密儀器的機(jī)械、電子、光學(xué)零部件,能夠最經(jīng)濟(jì)地被制造出來,使得零件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、價(jià)格低廉、實(shí)用性強(qiáng)。

5、外觀方面

隨著科技水平的提高,人們對(duì)產(chǎn)品外觀的審美意識(shí)越來越強(qiáng),尤其是新研發(fā)的各類儀器儀表。儀器外觀品質(zhì)的好壞,直接反映了一個(gè)企業(yè)的實(shí)力和對(duì)細(xì)節(jié)的注重,間接地反映了企業(yè)的生產(chǎn)狀況及服務(wù)質(zhì)量,還有可能影響到測(cè)量的效果。因此在設(shè)計(jì)精密儀器時(shí)應(yīng)使其造型美觀大方、色澤柔和,尤其要處理好一些細(xì)節(jié)的問題。

發(fā)展趨勢(shì)
精密儀器的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾個(gè)方面:

1、精密儀器的結(jié)構(gòu)向光機(jī)電整合方向發(fā)展

光機(jī)電整合本質(zhì)上是一個(gè)高度跨領(lǐng)域整合的工程技術(shù),包括機(jī)電整合、光電技術(shù)、光機(jī)整合乃至微機(jī)電或微光機(jī)電系統(tǒng)等幾大領(lǐng)域,光電、機(jī)電或光機(jī)組件(或系統(tǒng))皆是現(xiàn)代精密儀器的基本構(gòu)成要素。

2、精密儀器的尺寸向微型化方向發(fā)展

納米級(jí)的精密機(jī)械研究成果、基因?qū)哟蔚纳飳W(xué)研究成果、新型微型傳感器研究成果,以及特種功能材料研究成果不斷涌現(xiàn),為精密儀器向微型化方向發(fā)展提供了技術(shù)支持。

3、精密儀器的通信向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

以Internet為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)以及與其他高新科技的互相融合,不僅已開始將智能互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品帶入現(xiàn)代生活,而且也為精密儀器技術(shù)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇,具備網(wǎng)絡(luò)功能的新型精密儀器應(yīng)運(yùn)而生。

4、精密儀器的功能向虛擬化方向發(fā)展

美國(guó)的National Instrument公司最先提出了"軟件就是儀器"的設(shè)計(jì)思想,虛擬精密儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)精密儀器的概念框架,得到了很快的發(fā)展。相比而言,虛擬精密儀器對(duì)被測(cè)量的處理和計(jì)算可以更復(fù)雜,速度更快,測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣,能更方便地存儲(chǔ)和交換測(cè)試數(shù)據(jù),價(jià)格低并且技術(shù)更新越來越快。

精密儀器的智能化和高科技化,必將成為未來精密儀器科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。

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