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1现代精密仪器设计概论 1

1.1现代精密仪器概述 1

1.1.1仪器仪表是信息的源头 1

1.1.2我国现代精密仪器发展的状况 3

1.1.3国外仪器发展趋势 5

1.1.4“精密仪器设计”课程的目的与要求 6

1.2精密仪器的基本组成 7

1.3精密仪器设计的指导思想与程序 9

1.3.1指导思想 9

1.3.2设计程序 11

习题 12

2精密仪器设计方法 13

2.1设计方法概述 13

2.2设计任务分析 15

2.3系统参数与指标设计 17

2.3.1主要参数与技术指标的内容 17

2.3.2确定主要参数和技术指标的方法 18

2.4总体方案的制定 25

2.4.1基本设计原则 25

2.4.2总体方案制定的内容 40

2.5典型设计方法 47

2.5.1优化设计 47

2.5.2可靠性设计 49

2.5.3虚拟仪器设计 51

习题 54

3仪器精度设计与分析 57

3.1仪器精度概述 57

3.1.1误差 57

3.1.2精度（不确定度） 59

3.1.3仪器精度（不确定度）指标 60

3.2仪器误差的来源与分类 65

3.2.1原理误差 65

3.2.2制造误差 66

3.2.3运行误差 66

3.3误差计算分析方法 70

3.3.1误差独立作用原理 70

3.3.2微分法 72

3.3.3几何法 72

3.3.4逐步投影法 73

3.3.5作用线与瞬时臂法 73

3.4误差综合与实例分析 77

3.4.1随机误差的合成 77

3.4.2系统误差的合成 78

3.4.3不同性质误差的合成 79

3.4.4误差分析计算实例 80

习题 82

4精密机械系统 87

4.1基座与支承件 87

4.1.1基座与支承件的结构特点 87

4.1.2对基座和支承件的主要技术要求 88

4.1.3基座与支承件的设计要点 90

4.2导轨副 92

4.2.1种类及特点 92

4.2.2基本要求 94

4.2.3导轨设计思路 97

4.3主轴系统 100

4.3.1设计的基本要求 100

4.3.2主轴的类型 102

4.3.3结构举例 105

4.3.4几种轴系的比较 106

习题 106

5传感检测技术 107

5.1检测系统 107

5.1.1测量方法简介 107

5.1.2传感检测系统的构成 110

5.1.3检测系统设计要点 111

5.2传感器选择 113

5.2.1模型与指标参数 114

5.2.2传感器的分类 116

5.2.3传感器选择原则 120

5.2.4典型仪器传感器 121

5.2.5多传感器信息融合技术 125

5.3传感检测抗干扰技术 127

5.3.1噪声源及噪声耦合方式 127

5.3.2共模与差模干扰 132

5.3.3屏蔽技术 135

5.3.4接地技术 138

习题 140

6光学系统设计 141

6.1光学系统的组成与特点 141

6.1.1光学系统的组成 141

6.1.2光学系统的特点 142

6.2人眼和光电探测器 142

6.2.1人眼的特征 143

6.2.2光电探测器概述 144

6.3光源 147

6.4光学系统设计原则及典型光学系统的基本参数 149

6.4.1光学系统总体设计原则 149

6.4.2显微系统及其参数确定 150

6.4.3投影系统及其参数确定 156

6.4.4望远系统及其参数确定 160

6.4.5照明系统及其参数确定 165

6.5光电系统参数 170

6.5.1入瞳直径的计算 170

6.5.2探测器位于像面上的结构 171

6.5.3光源像大于探测器的结构 173

6.5.4探测器位于出瞳上的结构 174

6.6总体设计举例 175

6.6.1 FTIR光谱仪器的原理、特点及用途 175

6.6.2技术指标 176

6.6.3设计方案 177

6.6.4 FTIR主要结构参数的确定 178

习题 181

7微位移技术 183

7.1概述 184

7.2柔性铰链 187

7.2.1柔性铰链的类型 187

7.2.2柔性铰链设计 188

7.2.3典型柔性铰链及应用 189

7.3精密致动技术 193

7.3.1机电耦合致动 193

7.3.2电磁致动 197

7.4典型微位移系统 201

7.4.1柔性支承＋压电致动 201

7.4.2滚动导轨＋压电致动 203

7.4.3弹簧导轨＋机械致动 204

7.4.4弹簧导轨＋电磁致动 205

7.4.5气浮导轨 206

7.4.6滑动导轨＋压电致动 207

7.4.7其他微位移系统 208

7.5精密微动系统设计实例 213

7.5.1微动工作台设计要求 213

7.5.2系统设计中的关键问题分析 214

7.5.3精密微动工作台的设计 218

7.5.4微动工作台的特性分析 221

习题 224

8机械伺服系统设计 226

8.1概述 226

8.1.1伺服系统的分类及闭环控制系统的构成和设计步骤 226

8.1.2设计要求及性能指标 228

8.1.3伺服系统的设计步骤 230

8.2开环伺服系统设计 231

8.2.1步进电机控制系统 231

8.2.2开环系统的误差分析与校正 232

8.3闭环伺服系统设计 236

8.3.1闭环伺服系统的基本类型及原理 236

8.3.2设计举例：脉宽调速系统的设计和校正 241

习题 251

9精密测量技术 254

9.1精密测量技术概述 254

9.2瞄准与对准技术 255

9.2.1接触式瞄准方法 256

9.2.2非接触式瞄准方法 267

9.2.3典型光电对准系统 273

9.3光栅测量技术 284

9.3.1测量原理 285

9.3.2光栅系统设计 289

9.3.3典型光栅测量系统 293

9.4激光干涉测量技术 296

9.4.1测量原理 296

9.4.2激光干涉测量系统设计 297

9.4.3双频激光干涉测量系统 305

习题 308

10精密仪器设计实例与实验 310

10.1线宽测量仪自动调焦系统 310

10.1.1仪器设计任务 310

10.1.2系统方案选择 311

10.1.3清晰度判据函数选择 312

10.1.4最佳物面搜索 315

10.1.5自动调焦实验 317

10.2基于光学立体显微镜的微装配系统 318

10.2.1仪器设计任务 318

10.2.2系统方案选择 319

10.2.3微动工作台设计 322

10.2.4系统测量实验 323

10.3精密仪器设计综合实验 327

10.3.1实验目的 327

10.3.2实验原理 327

10.3.3实验仪器 328

10.3.4综合实验 328

习题 334

参考文献 335