第一章 测控仪器设计概论
1． 测控仪器的概念、分类
分类：（1）计量测试仪器
（2）工业自动化仪器及仪表
（3）科学仪器
（4）医疗仪器
（5）自动化与网络化测试系统
（6）各种传感器
2． 计量测试仪器的测量对象
计量测试仪器的主要测量对象是各种物理量
3． 测控仪器的组成部分
按功能将仪器分成以下几个组成部分：
（1） 基准部件，仪器中与被测量相比较的标准量
（2） 传感器与感受转换部件，感受被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信
号。
（3） 放大部件，提供进一步加工处理和显示的信号。
（4） 瞄准部件，用来确定被测量的位置或零件。
（5） 信息处理与运算装置，用于数据加工、处理、运算和校正等，
（6） 显示部件，将测量结果显示出来的部件。
（7） 驱动控制部件，用来驱动测控系统中的运动部件。
（8） 机械结构部件，用于对被测件、标准器、传感器的定位、支承和运动。
4． 测控仪器发展趋势
（1） 高精度、高可靠性
（2） 高效率
（3） 高智能化
（4） 多维化、多功能化
（5） 研究新原理的新型仪器
（6） 研究多学科融合的新的测控技术
（7） 拓宽探测的新领域
（8） 基于量子物理的计量基准研究
5． 测控仪器现代设计方法的特点
（1） 程式性
（2） 创造性
（3） 系统性
（4） 优化性
（5） 计算机辅助设计
（一）计算机辅助设计3个方面
（二）优化设计步骤
（三）测控仪器的可靠性设计目的、理论基础和特点
6． 可靠性定义
可靠性设计是以实现产品的可靠性为目的的设计技术。可靠性设计理论的基础是概率论和数理统计，所以可靠性又概率设计。
所谓可靠性，是指产品在规定的条件下河规定的时间内完成规定功能的能力。测控仪器产品的可靠性是衡量测控仪器产品质量的一个重要指标。
7． 通用术语定义
（1） 测量仪器：测量仪器又称计量器具，指单独地或同辅助设备一起用以进行测量的器具。
测量仪器是将被测量转换成指示值或等效信息的一种计量器具。
（2） 测量传感器：提供与输入量有确定关系的输出量的器件。
（3） 测量系统：组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其他设备。
（4） 模拟式测量仪器：指仪器的输出或显示是输入信号的连续函数的测量仪器。
数字式测量仪器：提供数字化输出或显示的仪器。
（5） 敏感元件或敏感器：测量仪器或测量链中直接感受被测量作用的元件。
（6） 检测器：用于指示某个现象的存在而不必提供有关量值的器件或物质。
（7） 指示器：显示装置的固定的或可动的部件，根据它相对标尺标记的位置即可确定示值。
（8） 测量仪器的标尺：由一组有序的带有数码的标记构成的测量仪器显示装置的部件。
（9） 标尺间隔和分度值：标尺间隔是指对应标尺两相邻标记的两个值之差，标尺间隔用标尺
上的单位表示。
分度值是指一个标尺间隔所代表的被测量值。
（10） 示值范围：极限示值界限内的一组数。对模拟量显示而言它就是标尺范围；在有些领域
中它是仪器所能显示的最大值与最小值之差。有时又把示值范围称为量程。
（11） 测量范围：测量仪器误差允许范围内的被测量值。测量范围包含示值范围还包含仪器的
调节范围。
（12） 灵敏度：测量仪器响应的变化与对应的激励的变化之比。特性曲线的斜率即为灵敏度。
灵敏度是仪器对被测量变化的反应能力。
（13） 鉴别力（阈）：使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应是缓
慢而单调地进行，它表示仪器感受微小量的敏感程度。仪器的鉴别力可能与仪器的内部或外部噪声有关，也可能与摩擦有关或与激励值有关。
（14） 分辨力：显示装置能有效辨别的最小值。对于数字式仪器，分辨力式指
（15） 测量仪器的准确度：测量仪器的准确度是一个定性的概念，它是指测量仪器输出接近于
真值的响应的能力。符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等级或级别称为测量仪器的准确度等级。
（16） 测量仪器的示值误差：测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。
（17） 测量仪器的重复性：在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，仪器提供相近示值的
能力。示值重复性可用示值的分散性定量地表示。当用实验的方法确定重复性时可用实验标准差乘以响应的扩展因子来定量表示。
（18） 稳定性和漂移：稳定性是指测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。漂移是指仪器
计量特性的慢变化。
（19） 测量仪器的引用误差：测量仪器的误差除以仪器特定值。该特定值一般称引用值。
（20） 测量仪器的校准：在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，或实物量
具或参考物质所代表的量值与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作。校准结果即可给出被测量的示值，又可确定示值的修正值，也可确定其他计量特性。
（21） 测量仪器的偏移误差：测量仪器示值的系统误差。通常用适当次数重复测量的示值误差
的平均值来估计。
（22） 回程误差：在相同条件下，被测量值不变，计量器具行程方向不同其示值之差的绝对值。
（23） 视差：当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察方向进行读数和瞄准
所引起的误差。
（24） 估读误差：观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置而引起的误差，有时也
称为内插误差。
（25） 读数误差：由于观测者对计量器具示值读数不准确所引起的误差，它包括视差和孤独误
差。
8． 对测控仪器的设计要求
（1） 精度要求
（2） 检测效率要求
（3） 可靠性要求
（4） 经济性要求
（5） 使用条件要求
（6） 时间要求
（7） 造型要求
9． 对测控仪器的设计程序
（1） 确定设计任务
（2） 设计任务分析
（3） 调查研究
（4） 总体方案设计
（5） 技术设计
（6） 制造样机
（7） 样机鉴定或验收
（8） 样机设计定型后进行小批量生产
第二章 仪器精度理论
10． 测量误差定义，基本概念
定义：对某物理量进行测量，所测得的数值xi与其真值xn之间的差称为测量误差。 概念：理论真值，它是设计时给定的或是用数学、物理公式计算出的给定值。
约定真值，对于给定目的具有适当不确定度并赋予特定量的值，有时该值是约定值。 相对真值，若标准仪器的误差比一般仪器的误差小一个数量级，则标准的测得值可视为真值，称作相对真值，有时也作为约定真值来使用。
11． 误差的三种分类法
按误差的数学特征分：随机误差；系统误差；粗大误差
按被测参数的时间特性分：静态参数误差；动态参数误差
按误差间的关系分：独立误差；非独立误差
12． 误差两种表示方法（填空、理解）
绝对误差：被测量量测得值x与其真值x0之差称为绝对误差
相对误差：绝对误差与被测量真值的比值称为相对误差。（相对误差无量纲）
13． 误差与精度的关系
误差大则精度低，误差小则精度高。
14． 精度的区分
（1） 正确度
（2） 精密度
（3） 准确度
15．
16．
17．
18． 静态特性精度指标 动态特性精度指标 仪器误差的定义 仪器误差产生的原因
仪器误差产生的原因是多方面的，在仪器设计、制造和使用的各个阶段都可能产生误差，在此，分别把它们称为原理误差、制造误差和运行误差。原理误差多为系统误差，制造误差和运行误差多为随机误差。
19．
20． 原理误差 减小或消除原理误差的方法
（1） 采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算。
（2） 研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。
（3） 采用零位比较和差动比较测量原理，采用零位比较测量法或利用具有同样原理误差的测
量系统与标准系统相比来消除原理误差。
（4） 采用误差补偿措施。
21． 制造误差
由于制造工艺的不完善，仪器各个环节在制造过程中总会产生各种各样的误差，由此影响仪器的精度。制造误差是指由仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。
22． 控制制造误差的措施和方法
（1） 合理地分配误差和确定制造公差。
（2） 正确应用仪器设计原理和设计原则。
（3） 合理地确定仪器的结构参数。
（4） 合理的结构工艺性。
（5） 设置适当的调整和补偿环节。
23． 运行误差
仪器在使用过程中所产生的误差称为运行误差。
24． 运行误差产生的原因
产生原因，如变形误差、磨损和间隙造成的误差，温度变形引起的误差，材料的内摩擦所引起的弹性滞后。
25． 仪器误差的分析
在确保经济性的条件下获得满足要求的仪器总精度。
26． 误差分析过程
（1） 寻找仪器误差源，找出影响仪器精度的各项误差。
（2） 计算分析各个源误差对仪器精度的影响。
（3） 精度综合。
27．
28． 仪器误差分析方法 仪器误差的综合
（1） 已定系统误差的合成：设仪器中有r个已定系统性源误差，因为已定系统误差其数值大
小和方向已知，其合成方法用代数和法。
（2） 未定系统误差的合成：绝对和法
方和根法
pi为误差的影响系数（如果是原理误差，则pi＝1）
29． 30． 仪器误差综合的方法 精度设计的定义
合理的精度设计离不开对仪器各组成部分源误差对仪器总精度影响程度的正确估计。 31．
32． 精度指标的确定 误差分析方法 （1） 系统误差分配方法
（2） 随机误差分配
（3） 误差调整
第三章 测控仪器总体设计 33． 设计任务分析
（1） 了解被测控参数的特点
（2） 了解测控参数载体的特点 （3） 了解仪器的功能要求 （4） 了解仪器的使用条件
（5） 了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点
（6） 了解国内有关方面的加工工艺水平及关键元器件销售情况
（7） 了解设计任务所需的资金要求，完成设计所需的设计条件以及设计时间要求 34．
35． 设计任务分析的内容 测控仪器设计原则
（1） 阿贝原则及其扩展
（2） 变形最小原则及减小变形影响的措施
（3） 测量链最短原则
（4） 坐标系基准统一原则
（5） 精度匹配原则
（6） 经济原则
第四章 精密机械系统的设计
36．
37． 滑动摩擦导轨的截面形状 滚动摩擦轴系的种类
（1） 标准滚动轴承轴系
（2） 单列滚动轴承轴系
（3） 密珠轴承轴系
第五章 电路与软件系统设计
38．
39．
40．
41． 测控仪器电路与软件系统的组成 测控电路的精度及其影响因素 测控电路的组成及各部分功能 稳压电源稳定性指标
（1） 稳压系数
（2） 电压调整率
（3） 负载调整率
（4） 纹波抑制比
42． 电路系统可靠性及其提高方法
43．
软件系统可靠性及其提高方法
第六章 光电系统设计
44．
45．
光电系统的设计原则 光电系统设计的匹配原则
思考题参考
46．
47．
48．
49．
50．
51．
52．
53．
测控仪器由哪几部分组成？各部分功能是什么？ 对测控仪器的设计要求有哪些？ 测控电路一般由哪几部分组成？各有什么作用？ 影响测控电路精度的因素有那些？ 提高电路系统可靠性的措施有哪些？ 提高软件系统可靠性的措施有哪些？ 什么是光电系统的光谱匹配、功率匹配与阻抗匹配？ 光电系统设计要考虑哪些重要原则？
分析计算参考
54．
55．
56．
57．
例2-2 例2-3 例2-4 例2-6
设计参考
58．
59． DAC0832与单片机8031的接口及原理和工作过程说明 ADC0809与单片机8031的接口及原理和工作过程说明
第一章 测控仪器设计概论
1． 测控仪器的概念、分类
分类：（1）计量测试仪器
（2）工业自动化仪器及仪表
（3）科学仪器
（4）医疗仪器
（5）自动化与网络化测试系统
（6）各种传感器
2． 计量测试仪器的测量对象
计量测试仪器的主要测量对象是各种物理量
3． 测控仪器的组成部分
按功能将仪器分成以下几个组成部分：
（1） 基准部件，仪器中与被测量相比较的标准量
（2） 传感器与感受转换部件，感受被测量，拾取原始信号并将它转换为易于放大或处理的信
号。
（3） 放大部件，提供进一步加工处理和显示的信号。
（4） 瞄准部件，用来确定被测量的位置或零件。
（5） 信息处理与运算装置，用于数据加工、处理、运算和校正等，
（6） 显示部件，将测量结果显示出来的部件。
（7） 驱动控制部件，用来驱动测控系统中的运动部件。
（8） 机械结构部件，用于对被测件、标准器、传感器的定位、支承和运动。
4． 测控仪器发展趋势
（1） 高精度、高可靠性
（2） 高效率
（3） 高智能化
（4） 多维化、多功能化
（5） 研究新原理的新型仪器
（6） 研究多学科融合的新的测控技术
（7） 拓宽探测的新领域
（8） 基于量子物理的计量基准研究
5． 测控仪器现代设计方法的特点
（1） 程式性
（2） 创造性
（3） 系统性
（4） 优化性
（5） 计算机辅助设计
（一）计算机辅助设计3个方面
（二）优化设计步骤
（三）测控仪器的可靠性设计目的、理论基础和特点
6． 可靠性定义
可靠性设计是以实现产品的可靠性为目的的设计技术。可靠性设计理论的基础是概率论和数理统计，所以可靠性又概率设计。
所谓可靠性，是指产品在规定的条件下河规定的时间内完成规定功能的能力。测控仪器产品的可靠性是衡量测控仪器产品质量的一个重要指标。
7． 通用术语定义
（1） 测量仪器：测量仪器又称计量器具，指单独地或同辅助设备一起用以进行测量的器具。
测量仪器是将被测量转换成指示值或等效信息的一种计量器具。
（2） 测量传感器：提供与输入量有确定关系的输出量的器件。
（3） 测量系统：组装起来以进行特定测量的全套测量仪器和其他设备。
（4） 模拟式测量仪器：指仪器的输出或显示是输入信号的连续函数的测量仪器。
数字式测量仪器：提供数字化输出或显示的仪器。
（5） 敏感元件或敏感器：测量仪器或测量链中直接感受被测量作用的元件。
（6） 检测器：用于指示某个现象的存在而不必提供有关量值的器件或物质。
（7） 指示器：显示装置的固定的或可动的部件，根据它相对标尺标记的位置即可确定示值。
（8） 测量仪器的标尺：由一组有序的带有数码的标记构成的测量仪器显示装置的部件。
（9） 标尺间隔和分度值：标尺间隔是指对应标尺两相邻标记的两个值之差，标尺间隔用标尺
上的单位表示。
分度值是指一个标尺间隔所代表的被测量值。
（10） 示值范围：极限示值界限内的一组数。对模拟量显示而言它就是标尺范围；在有些领域
中它是仪器所能显示的最大值与最小值之差。有时又把示值范围称为量程。
（11） 测量范围：测量仪器误差允许范围内的被测量值。测量范围包含示值范围还包含仪器的
调节范围。
（12） 灵敏度：测量仪器响应的变化与对应的激励的变化之比。特性曲线的斜率即为灵敏度。
灵敏度是仪器对被测量变化的反应能力。
（13） 鉴别力（阈）：使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应是缓
慢而单调地进行，它表示仪器感受微小量的敏感程度。仪器的鉴别力可能与仪器的内部或外部噪声有关，也可能与摩擦有关或与激励值有关。
（14） 分辨力：显示装置能有效辨别的最小值。对于数字式仪器，分辨力式指
（15） 测量仪器的准确度：测量仪器的准确度是一个定性的概念，它是指测量仪器输出接近于
真值的响应的能力。符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等级或级别称为测量仪器的准确度等级。
（16） 测量仪器的示值误差：测量仪器的示值与对应输入量的真值之差。
（17） 测量仪器的重复性：在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，仪器提供相近示值的
能力。示值重复性可用示值的分散性定量地表示。当用实验的方法确定重复性时可用实验标准差乘以响应的扩展因子来定量表示。
（18） 稳定性和漂移：稳定性是指测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。漂移是指仪器
计量特性的慢变化。
（19） 测量仪器的引用误差：测量仪器的误差除以仪器特定值。该特定值一般称引用值。
（20） 测量仪器的校准：在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，或实物量
具或参考物质所代表的量值与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作。校准结果即可给出被测量的示值，又可确定示值的修正值，也可确定其他计量特性。
（21） 测量仪器的偏移误差：测量仪器示值的系统误差。通常用适当次数重复测量的示值误差
的平均值来估计。
（22） 回程误差：在相同条件下，被测量值不变，计量器具行程方向不同其示值之差的绝对值。
（23） 视差：当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察方向进行读数和瞄准
所引起的误差。
（24） 估读误差：观测者估读指示器位于两相邻标尺标记间的相对位置而引起的误差，有时也
称为内插误差。
（25） 读数误差：由于观测者对计量器具示值读数不准确所引起的误差，它包括视差和孤独误
差。
8． 对测控仪器的设计要求
（1） 精度要求
（2） 检测效率要求
（3） 可靠性要求
（4） 经济性要求
（5） 使用条件要求
（6） 时间要求
（7） 造型要求
9． 对测控仪器的设计程序
（1） 确定设计任务
（2） 设计任务分析
（3） 调查研究
（4） 总体方案设计
（5） 技术设计
（6） 制造样机
（7） 样机鉴定或验收
（8） 样机设计定型后进行小批量生产
第二章 仪器精度理论
10． 测量误差定义，基本概念
定义：对某物理量进行测量，所测得的数值xi与其真值xn之间的差称为测量误差。 概念：理论真值，它是设计时给定的或是用数学、物理公式计算出的给定值。
约定真值，对于给定目的具有适当不确定度并赋予特定量的值，有时该值是约定值。 相对真值，若标准仪器的误差比一般仪器的误差小一个数量级，则标准的测得值可视为真值，称作相对真值，有时也作为约定真值来使用。
11． 误差的三种分类法
按误差的数学特征分：随机误差；系统误差；粗大误差
按被测参数的时间特性分：静态参数误差；动态参数误差
按误差间的关系分：独立误差；非独立误差
12． 误差两种表示方法（填空、理解）
绝对误差：被测量量测得值x与其真值x0之差称为绝对误差
相对误差：绝对误差与被测量真值的比值称为相对误差。（相对误差无量纲）
13． 误差与精度的关系
误差大则精度低，误差小则精度高。
14． 精度的区分
（1） 正确度
（2） 精密度
（3） 准确度
15．
16．
17．
18． 静态特性精度指标 动态特性精度指标 仪器误差的定义 仪器误差产生的原因
仪器误差产生的原因是多方面的，在仪器设计、制造和使用的各个阶段都可能产生误差，在此，分别把它们称为原理误差、制造误差和运行误差。原理误差多为系统误差，制造误差和运行误差多为随机误差。
19．
20． 原理误差 减小或消除原理误差的方法
（1） 采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算。
（2） 研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。
（3） 采用零位比较和差动比较测量原理，采用零位比较测量法或利用具有同样原理误差的测
量系统与标准系统相比来消除原理误差。
（4） 采用误差补偿措施。
21． 制造误差
由于制造工艺的不完善，仪器各个环节在制造过程中总会产生各种各样的误差，由此影响仪器的精度。制造误差是指由仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。
22． 控制制造误差的措施和方法
（1） 合理地分配误差和确定制造公差。
（2） 正确应用仪器设计原理和设计原则。
（3） 合理地确定仪器的结构参数。
（4） 合理的结构工艺性。
（5） 设置适当的调整和补偿环节。
23． 运行误差
仪器在使用过程中所产生的误差称为运行误差。
24． 运行误差产生的原因
产生原因，如变形误差、磨损和间隙造成的误差，温度变形引起的误差，材料的内摩擦所引起的弹性滞后。
25． 仪器误差的分析
在确保经济性的条件下获得满足要求的仪器总精度。
26． 误差分析过程
（1） 寻找仪器误差源，找出影响仪器精度的各项误差。
（2） 计算分析各个源误差对仪器精度的影响。
（3） 精度综合。
27．
28． 仪器误差分析方法 仪器误差的综合
（1） 已定系统误差的合成：设仪器中有r个已定系统性源误差，因为已定系统误差其数值大
小和方向已知，其合成方法用代数和法。
（2） 未定系统误差的合成：绝对和法
方和根法
pi为误差的影响系数（如果是原理误差，则pi＝1）
29． 30． 仪器误差综合的方法 精度设计的定义
合理的精度设计离不开对仪器各组成部分源误差对仪器总精度影响程度的正确估计。 31．
32． 精度指标的确定 误差分析方法 （1） 系统误差分配方法
（2） 随机误差分配
（3） 误差调整
第三章 测控仪器总体设计 33． 设计任务分析
（1） 了解被测控参数的特点
（2） 了解测控参数载体的特点 （3） 了解仪器的功能要求 （4） 了解仪器的使用条件
（5） 了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点
（6） 了解国内有关方面的加工工艺水平及关键元器件销售情况
（7） 了解设计任务所需的资金要求，完成设计所需的设计条件以及设计时间要求 34．
35． 设计任务分析的内容 测控仪器设计原则
（1） 阿贝原则及其扩展
（2） 变形最小原则及减小变形影响的措施
（3） 测量链最短原则
（4） 坐标系基准统一原则
（5） 精度匹配原则
（6） 经济原则
第四章 精密机械系统的设计
36．
37． 滑动摩擦导轨的截面形状 滚动摩擦轴系的种类
（1） 标准滚动轴承轴系
（2） 单列滚动轴承轴系
（3） 密珠轴承轴系
第五章 电路与软件系统设计
38．
39．
40．
41． 测控仪器电路与软件系统的组成 测控电路的精度及其影响因素 测控电路的组成及各部分功能 稳压电源稳定性指标
（1） 稳压系数
（2） 电压调整率
（3） 负载调整率
（4） 纹波抑制比
42． 电路系统可靠性及其提高方法
43．
软件系统可靠性及其提高方法
第六章 光电系统设计
44．
45．
光电系统的设计原则 光电系统设计的匹配原则
思考题参考
46．
47．
48．
49．
50．
51．
52．
53．
测控仪器由哪几部分组成？各部分功能是什么？ 对测控仪器的设计要求有哪些？ 测控电路一般由哪几部分组成？各有什么作用？ 影响测控电路精度的因素有那些？ 提高电路系统可靠性的措施有哪些？ 提高软件系统可靠性的措施有哪些？ 什么是光电系统的光谱匹配、功率匹配与阻抗匹配？ 光电系统设计要考虑哪些重要原则？
分析计算参考
54．
55．
56．
57．
例2-2 例2-3 例2-4 例2-6
设计参考
58．
59． DAC0832与单片机8031的接口及原理和工作过程说明 ADC0809与单片机8031的接口及原理和工作过程说明