现代精密仪器设计

1 现代精密仪器设计概论

1.1 现代精密仪器概述

1.1.1 仪器仪表是信息的源头

1.1.2 我国现代精密仪器发展的状况

1.1.3 国外仪器发展趋势

1.1.4 “精密仪器设计”课程的目的与要求

1.2 精密仪器的基本组成

1.3 精密仪器设计的指导思想与程序

1.3.1 指导思想

1.3.2 设计程序

习题12

2 精密仪器设计方法

2.1 设计方法概述

2.2 设计任务分析

2.3 系统参数与指标设计

2.3.1 主要参数与技术指标的内容

2.3.2 确定主要参数和技术指标的方法

2.4 总体方案的制定

2.4.1 基本设计原则

2.4.2 总体方案制定的内容

2.5 典型设计方法

2.5.1 优化设计

2.5.2 可靠性设计

2.5.3 虚拟仪器设计

习题

3 仪器精度设计与分析

3.1 仪器精度概述

3.1.1 误差

3.1.2 精度（不确定度）

3.1.3 仪器精度（不确定度）指标

3.2 仪器误差的来源与分类

3.2.1 原理误差

3.2.2 制造误差

3.2.3 运行误差

3.3 误差计算分析方法

3.3.1 误差独立作用原理

3.3.2 微分法

3.3.3 几何法

3.3.4 逐步投影法

3.3.5 作用线与瞬时臂法

3.4 误差综合与实例分析

3.4.1 随机误差的合成

3.4.2 系统误差的合成

3.4.3 不同性质误差的合成

3.4.4 误差分析计算实例

习题

4 精密机械系统

4.1 基座与支承件

4.1.1 基座与支承件的结构特点

4.1.2 对基座和支承件的主要技术要求

4.1.3 基座与支承件的设计要点

4.2 导轨副

4.2.1 种类及特点

4.2.2 基本要求

4.2.3 导轨设计思路

4.3 主轴系统

4.3.1 设计的基本要求

4.3.2 主轴的类型

4.3.3 结构举例

4.3.4 几种轴系的比较

习题

5 传感检测技术

5.1 检测系统

5.1.1 测量方法简介

5.1.2 传感检测系统的构成

5.1.3 检测系统设计要点

5.2 传感器选择

5.2.1 模型与指标参数

5.2.2 传感器的分类

5.2.3 传感器选择原则

5.2.4 典型仪器传感器

5.2.5 多传感器信息融合技术

5.3 传感检测抗干扰技术

5.3.1 噪声源及噪声耦合方式

5.3.2 共模与差模干扰

5.3.3 屏蔽技术

5.3.4 接地技术

习题

6 光学系统设计

6.1 光学系统的组成与特点

6.1.1 光学系统的组成

6.1.2 光学系统的特点

6.2 人眼和光电探测器

6.2.1 人眼的特征

6.2.2 光电探测器概述

6.3 光源

6.4 光学系统设计原则及典型光学系统的基本参数

6.4.1 光学系统总体设计原则

6.4.2 显微系统及其参数确定

6.4.3 投影系统及其参数确定

6.4.4 望远系统及其参数确定

6.4.5 照明系统及其参数确定

6.5 光电系统参数

6.5.1 入瞳直径的计算

6.5.2 探测器位于像面上的结构

6.5.3 光源像大于探测器的结构

6.5.4 探测器位于出瞳上的结构

6.6 总体设计举例

6.6.1 FTIR光谱仪器的原理、特点及用途

6.6.2 技术指标

6.6.3 设计方案

6.6.4 FTIR主要结构参数的确定

习题

7 微位移技术

7.1 概述

7.2 柔性铰链

7.2.1 柔性铰链的类型

7.2.2 柔性铰链设计

7.2.3 典型柔性铰链及应用

7.3 精密致动技术

7.3.1 机电耦合致动

7.3.2 电磁致动

7.4 典型微位移系统

7.4.1 柔性支承+压电致动

7.4.2 滚动导轨+压电致动

7.4.3 弹簧导轨+机械致动

7.4.4 弹簧导轨+电磁致动

7.4.5 气浮导轨

7.4.6 滑动导轨+压电致动

7.4.7 其他微位移系统

7.5 精密微动系统设计实例

7.5.1 微动工作台设计要求

7.5.2 系统设计中的关键问题分析

7.5.3 精密微动工作台的设计

7.5.4 微动工作台的特性分析

习题

8 机械伺服系统设计

8.1 概述

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

8.1.2 设计要求及性能指标

8.1.3 伺服系统的设计步骤

8.2 开环伺服系统设计

8.2.1 步进电机控制系统

8.2.2 开环系统的误差分析与校正

8.3 闭环伺服系统设计

8.3.1 闭环伺服系统的基本类型及原理

8.3.2 设计举例：脉宽调速系统的设计和校正

习题

9 精密测量技术

9.1 精密测量技术概述

9.2 瞄准与对准技术

9.2.1 接触式瞄准方法

9.2.2 非接触式瞄准方法

9.2.3 典型光电对准系统

9.3 光栅测量技术

9.3.1 测量原理

9.3.2 光栅系统设计

9.3.3 典型光栅测量系统

9.4 激光干涉测量技术

9.4.1 测量原理

9.4.2 激光干涉测量系统设计

9.4.3 双频激光干涉测量系统

习题

10 精密仪器设计实例与实验

10.1 线宽测量仪自动调焦系统

10.1.1 仪器设计任务

10.1.2 系统方案选择

10.1.3 清晰度判据函数选择

10.1.4 最佳物面搜索

10.1.5 自动调焦实验

10.2 基于光学立体显微镜的微装配系统

10.2.1 仪器设计任务

10.2.2 系统方案选择

10.2.3 微动工作台设计

10.2.4 系统测量实验

10.3 精密仪器设计综合实验

10.3.1 实验目的

10.3.2 实验原理

10.3.3 实验仪器

10.3.4 综合实验

习题

参考文献

本书为高等工科院校“精密仪器设计”课程教材，对与精密仪器设计有关的基本理论和方法做了较全面、系统的论述，汇集了现代精密仪器设计的有关资料和科研成果，反映了该学科领域的当代发展水平。全书共分10章，包括现代精密仪器设计概论、精密仪器设计方法、仪器精度设计与分析、精密机械系统、传感检测技术、光学系统设计、微位移技术、机械伺服系统设计、精密测量技术、精密仪器设计实例与实验。本书可作为测控技术与仪器、光学工程以及机电类专业大专院校教材，也可供从事仪器科学与技术及机电类研究、设计、制造、调修的工程技术人员学习和参考。