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《《测控仪器设计》2016上课(第二章)》.ppt
仪器精度的高低是衡量仪器设计质量的关键 精度理论是研究仪器误差的重要理论依据 第一节 仪器精度理论中的若干基本概念 一、误差 (一)误差定义 其大小反映测得值对于真值的偏离程度 误差特点 真值基本概念 1、理论真值 2、约定真值 3、相对真值 (二)误差的分类 (三)误差的表示方法 1、绝对误差 2、相对误差 没有量纲 有两种表示方法 1)引用误差 2)额定相对误差 二、精度 精度是误差的反义词 1)正确度 2)精密度 3)准确度 三、仪器精度指标 (一)仪器静态特性与精度指标 1、仪器静态特性与线性度误差 静态特性 线性函数 规定线性 非线性 实验得到的特性曲线 拟合直线 线性度误差 拟合直线的不同,有不同的线性度 端基线性法、理论线性法、平均线性法、零基线性法、独立线性法、最小二乘线性法 2、示值误差与示值重复性 3、灵敏度与分辨力 4、仪器的稳定性与漂移 5、滞差 6、复现性精度 7、灵敏阈(灵敏限) 8、示值范围(量程) 9、测量范围 (二)仪器的动态特性与精度指标 1、仪器的动态特性 常系数线性微分方程 2、动态偏移误差和动态重复性误差 常用3倍的动态输出标准差s(tk)来表示 动态重复性误差的变化范围为 第二节 仪器误差的来源与性质 例1、激光光束在传播中是高斯光束,不是球面波。在用应用光学理论设计时,按球面波计算,带来原理误差。 例2、A/D转换器。 被测电压为V,转换器位数为 ,脉冲当量为 产生了量化误差 杠杆百分表机构 此误差折算到测量端 原理误差的分类: 1)理论误差 2)方案误差 3)技术原理误差 4)机构原理误差 5)零件原理误差 6)电路控制系统原理误差 如何减小原理误差 原则为:把原理误差控制在允许的范围内,简化结构、简化工艺、简化计算、降低成本 如何找到原理误差(分析途径) 将仪器各个组成环节之间的实际关系与设计、计算时采用的理论关系相比较,如有差异即存在原理误差 减小或消除原理误差影响的方法 共有4种方法: 1、补偿法 建立原理误差的数学模型,用微机在测量中加以补偿 如激光小角度测量仪,存在着正切原理误差 要根据θ角的大小,在测量结果中补偿。 结果是线性区域增大 2、调整法 正弦误差、正切误差,如有机构的情况下,可以通过调整机构的某些环节来减小原理误差 以杠杆百分表机构(正弦机构)为例来说明 调整a的大小,补偿△S 杠杆百分表特性图 3、改变刻度特性法 在光学杠杆放大仪器中,其长臂为光学杠杆,无法用调整机构的方法,如自准直光管(正切机构) 刻划方程 准直光管刻度特性图 原理误差的特点 它是产生在仪器设计过程中,是固有误差 从数学特征看,它是系统误差。 二、制造误差(工艺误差) 工艺误差 原始误差 制造误差的定义 举 例 内外尺寸的配合间隙 回转运动的径向误差 表面波度和粗糙度影响运动的平稳性 差动式电路中元件的结构不对称 光学仪器中光学元件的制造误差引起成像畸变和光线方向变化等 说明制造误差在仪器误差中占有极大的比重 注意:不是所有制造误差对仪器精度有影响 主要研究与仪器精度有关的制造误差(原始误差) 在设计中采取什么措施来控制原始误差的影响? 三、运行误差(使用误差) 定义:仪器在使用过程中所产生的误差 力变形引起的误差 例子 测量力引起的变形误差 例子 应力变形引起的误差 磨损带来的误差 间隙与空程引起的误差 温度变化引起的误差 振动带来的误差 干扰与环境条件波动引起的误差 重力变形、读数线与测量线不重合 第三节 仪器误差的分析与计算 误差分析也称为精度分析 分析的目的: 寻找影响仪器精度的根源及其规律 计算误差的大小 对仪器总精度的影响程度 … 保证仪器的总精度 精度分析按阶段进行: 1、寻找仪器源误差 2、计算分析各个源误差对仪器精度的影响 3、精度综合(判断是否满足设计要求) 一、误差独立作用原理 在理想情况下(特性参数无误差情况下),仪器输出与输入及相关仪器各特性参数的关系为 当仪器的特性参数有误差时 为各参数 的相应源误差 一个源误差(误差源)仅使仪器产生一个的局部误差; 局部误差是其源误差的线性函数,与其它源误差无关,仪器总误差是局部误差的综合——误差独立作用原理(近似原理) 二、微分法 如果能列出仪器全部或局部的作用原理方程式,可用此法。 举例 1、用微分法求杠杆百分表的误差 2、激光干涉测长仪的误差分析与计算 3、求投影仪光学系统影屏位置变化所带来的误差 优点:简单
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