本书以仪器系统设计综合能力的形成为目标,介绍掌握运用理论基础知识解决仪器系统设计专业技术问题的具体方法。全书共分为6章:第1章为仪器设计技术概论;第2章为传感器设计技术;第3章为仪器功能电路设计;第4章为仪器系统集成方法;第5章为仪器精度设计;第6章为仪器可靠性设计。 本书可作为仪器、计量、测量、测控、信息、自动化、机电一体化等专业的高校本科生教材,也可供相关专业技术领域的研究生和工程技术人员参考。

第1章
仪器设计技术概论
为了对仪器设计技术建立初步的认识,本章首先介绍有关测量及其量化基准、测量误差与仪器精度等基本概念之间的关系,然后介绍仪器和仪表的关系及其测量过程,以及仪器系统设计基本过程,逐渐导出仪器测量方法、仪器设计任务分析、仪器测量性能评价等内容。作为进一步学习仪器系统设计技术的基础知识,本章还介绍传感器和执行器等仪器关键功能部件的主要技术指标及其性能评价方法。
1.1仪器及测量基本概念
人们对仪器的*早认知莫过于古代“度量衡”。在远古时期,“度”是指测量长度的工具,“量”是指测量体积或容积的工具,“衡”是指测量物体重量的工具,因此“度量衡”是古代*常用的三种仪器。自古至今,仪器始终都是指能够完成某种“测量”功能的工具或设备。
“测量”是指将未知“被测量”与已知“基准量”进行比较和量化的具体过程。而“被测量”就是希望能够**量化的待测物理量,“基准量”则是国际计量组织法定的国际计量基准及其法定传递基准,或某些通过量纲变换可以溯源到国际计量基准的实用测量基准。计量是一种服务于测量基准和维护社会公平公正的高精度法定测量,其测量过程和规范都必须得到相关法律的允许和认可。国际计量基准的法定传递及所有量化基准量自身的**测量都可称为计量。仪器是一种包括但不限于计量、能直接或间接完成指定测量任务的设备或工具。
早期仪器的使用者在测量过程中的主要作用是“读数”和“比较”。其中,“读数”的目的是了解仪器的*终测量结果,“比较”的目的是完成测量。例如,在读数过程中将指针与刻度进行比较,或者在测量过程中直接将被测对象与基准刻度进行比较。测量过程中,仪器使用者参与的环节越多,其测量结果的可信度就越低。在现代仪器的测量过程中,除了需要仪器使用者通过读数了解仪器的*终测量结果以外,其他过程都可依靠仪器自身功能自动完成。
仪器是人们认识世界和改造世界的基本工具或设备。无论是出于对未知世界的探索和认知,还是出于对已知世界的规范和改造,人们总是希望知道某些东西或目标对象是什么,或者该东西或目标对象的数量到底是多少,确定这一事实的过程就是测定或测量。所谓“测定”就是分析和探索未知物或对象是什么的过程,而“测量”则是确定已知物或对象的数量到底是多少的过程。能够帮助人们完成这一测量愿望的工具或设备都可统称为“仪器”。
探索和测定未知物是什么的仪器被称为科学分析仪器,可以**量化和确定被测对象大小的仪器被称为常规测量仪器。许多科学分析仪器都是基于常规测量仪器工作的。例如,某些化学分析仪器测定未知物的过程,就是先假设待测定的未知物中可能含有哪些化学元素,然后分别测量这些元素的实际含量,*后根据实际测得的化学元素组成和相对比例来确定该未知物到底是什么。因此,常规测量仪器是科学分析仪器的技术基础,而科学分析仪器是常规测量仪器的一种综合应用。本书所介绍的仪器设计技术内容主要是针对常用的计量、测量、测试和工控等常规测量仪器的设计。
第1章仪器设计技术概论
仪器设计技术基础(第2版)
测量仪器的本质功能是直接或间接地将未知“被测量”与已知“基准量”进行自动比较,并获得其精准的量化结果,即仪器的测量结果。用于量化比较的“基准量”、“被测量”及“比较器”则是所有测量仪器都具备的三个本质特征结构。
用于仪器量化比较的测量基准被称为量化基准,量化基准可以是各种国际计量基准及其法定传递基准,或者是某些可溯源到国际计量基准的实用测量基准。用于计量的量化基准必须是高精度等级的计量级基准,而用于测量的量化基准可以是各种实用的测量级基准。
如图111(a)所示,在中学物理中学过的天平质量测量仪非常直观地给出了几乎所有仪器都必须具备的量化比较过程。放在天平左边托盘中的被测物体的质量就是该仪器未知的“被测量”,而放在天平右边托盘中的砝码的质量就是该仪器已知的“基准量”。天平本身其实就是一种将未知“被测量”与已知“基准量”进行比较和量化的工具或设备,因此又被称为质量测量仪。
图111质量测量仪的工作原理及其测量结果的具体量化过程示意图
天平中间的长指针用于指示天平的平衡状态,小刻度盘用于指示小于*小砝码质量的质量测量结果。天平测量的初始状态是,小刻度盘上的滑块处于其小刻度盘的“0”位置,并通过调节平衡杠杆两端的调零螺母使得天平杠杆达到平衡状态。
用天平进行测量时,先在左边托盘放入质量未知的被测物,通过往右边托盘放入质量已知的不同砝码,并调节滑块在其刻度盘上的位置,使得天平再次达到平衡,以完成未知“被测量”与已知“基准量”的比较和量化过程。此时,天平右边托盘中所有砝码的质量之和(图中为20 g+5 g=25 g),再加上滑块在其刻度盘上的读数(图中为2 g),即为被测物的实际质量。如图111(a)所示,天平质量测量仪的*终测量结果为25 g+2 g=27 g。
由于天平是一种精密测量仪器,在其测量的量化比较过程中,使用了用砝码表示的质量量化基准和用刻度间距表示的长度量化基准,两种量化基准的功能互补,以*终获得“被测量”的**量化结果。
在图111(b)所示的电子秤中,尽管其结构与图111(a)所示的天平完全不同,但其同样存在将未知“被测量”与已知“基准量”进行比较量化的过程。首先通过一个被称为传感器的特殊功能部件将被测物体的质量转换为电压信号,然后通过一个被称为A/D转换器的电压信号比较器与仪器内置的基准电压进行量化比较,*终完成其测量过程。
其实,仪器测量的本质过程都是通过其“比较器”将“被测量”与“基准量”进行量化比较的过程,而其量化比较的结果就是仪器的测量结果。由于各种因素的影响,仪器量化比较的结果往往很难十分精准,常用测量精度来表征仪器量化比较的精准程度。
测量精度是一种表征仪器设备自身量化比较能力及其测量行为精准程度的综合性技术指标,可通过仪器实际测量行为的某些误差统计特性来表征。
与测量行为和测量过程无关的被测物理量自身大小,属于被测物理量的固有属性,称为真值x0。仪器实际测量结果x与被测物理量真值x0之间的偏差被称为测量误差δ,在数学上可以描述为
δ=x-x0(111)
测量误差是仪器单次测量行为的属性,即指某次测量的实际测得值与被测物理量真值之差。当x≥x0时,δ≥0; 当x

第1章仪器设计技术概论
1.1仪器及测量基本概念
思考题
1.2仪器仪表技术
思考题
1.3仪器设计过程
思考题
1.4传感器与执行器的性能评价
1.4.1传感器的静态特性指标及评价方法
1.4.2传感器的动态特性指标及评价方法
1.4.3执行器的主要技术特性指标及评价方法
1.4.4关于仪器与传感器的同名测量性能指标
思考题
第2章传感器设计技术
2.1热效应及温度传感器设计
2.1.1热电阻效应温度传感器设计
2.1.2热电偶效应温度传感器设计
2.1.3热辐射效应温度传感器设计
思考题
2.2光电效应及光电传感器设计
2.2.1外光电效应敏感器技术
2.2.2内光电效应敏感器技术
2.2.3结构型光电传感器设计
2.2.4光纤传感器设计
思考题
2.3磁效应及磁电传感器设计
2.3.1磁光效应传感器设计
2.3.2磁导效应传感器设计
2.3.3霍尔效应传感器设计
2.3.4磁电感应效应传感器设计
2.3.5电磁互感效应传感器设计
2.3.6涡流效应传感器设计
2.3.7压磁效应传感器设计
思考题
2.4机电效应及机电传感器设计
2.4.1压电效应及电荷传感器设计
2.4.2电阻传感器设计
2.4.3电容传感器设计
2.4.4电感传感器设计
思考题
2.5表征测量传感器设计
2.5.1机械谐振效应传感器设计
2.5.2声波测量传感器设计
2.5.3射线测量传感器设计
2.5.4隧道效应传感器设计
2.5.5原子力效应传感器设计
思考题
第3章仪器功能电路设计
3.1信号放大电路设计
3.1.1理想运放与实际运放电路设计
3.1.2单片仪器放大电路设计
3.1.3隔离放大电路设计
3.1.4可控增益信号放大电路设计
思考题
3.2信号滤波电路设计
3.2.1滤波电路分类及其特性
3.2.2普通滤波电路设计
3.2.3开关电容滤波电路设计
思考题
3.3调制解调电路设计
3.3.1幅度调制测量信号的解调电路设计
3.3.2相位调制测量信号的解调电路设计
3.3.3频率调制测量信号的解调电路设计
思考题
3.4模数转换电路设计
3.4.1模数转换方法及相关概念
3.4.2D/A转换原理
3.4.3逐次逼近式A/D转换器
3.4.4双积分式A/D转换器
3.4.5ΔΣ型A/D转换器
思考题
3.5单片机及其功能扩展电路设计
3.5.1单片机相关概念
3.5.2单片机并行功能扩展电路设计
3.5.3单片机同步串行功能扩展电路设计
3.5.4单片机异步串行功能扩展电路设计
3.5.5单片机I/O端口功能电路设计
3.5.6信号隔离传输接口电路设计
3.5.7大功率高压交流负载高速控制接口电路设计
3.5.8直流电机驱动接口电路设计
思考题
3.6仪器控制面板电路设计
3.6.1仪器键盘输入电路设计
3.6.2仪器信息显示电路设计
3.6.3FPGA和CPLD可编程逻辑电路简介
思考题
第4章仪器系统集成方法
4.1集总式仪器系统集成方法
思考题
4.2仪器系统数据交互方法
4.2.1CRC校验码技术
4.2.2USB总线接口电路设计
4.2.3CAN总线接口电路设计
4.2.4以太网接口电路设计
4.2.5无线连接接口电路设计
思考题
4.3分布式测控系统设计方法
4.3.1分布式测控仪器系统集成方法的演变过程
4.3.2分布式测控网络模型
4.3.3信号分布式测控系统
思考题
4.4信息分布式测控仪器系统
4.4.1信息管道技术
4.4.2信息管道器件
4.4.3IPT测控节点电路设计
4.4.4信息管道构建方法及DMCS信息集成
思考题
第5章仪器精度设计
5.1测量误差的基本性质
5.1.1仪器测量结果及有效数字
5.1.2随机误差特性
5.1.3系统误差特性
5.1.4粗大误差特性及剔除方法
5.1.5测量结果的本质含义
思考题
5.2精度表征及其标定方法
5.2.1测量误差的传递与合成方法
5.2.2仪器精度的测量误差表征方法
5.2.3仪器精度的测量不确定度表征方法
5.2.4精度标定和校准方法
思考题
5.3测量数据*优估计及其曲线拟合
5.3.1*小二乘法*优估计原理
5.3.2线性回归分析及*优直线拟合方法
5.3.3非线性回归分析与*优曲线拟合方法
思考题
5.4测量误差分配与系统精度设计
5.4.1等作用设计原则
5.4.2等精度设计原则
5.4.3*经济设计原则
5.4.4成熟前端优先设计原则
思考题
第6章仪器可靠性设计
6.1可靠性特征参数及技术指标
6.1.1可靠性概率特征指标
6.1.2可靠性寿命特征指标
6.1.3产品寿命的典型分布规律
思考题
6.2系统可靠性模型及其可靠度预测
6.2.1可靠性系统模型
6.2.2串联系统及其可靠度预测方法
6.2.3并联系统及其可靠度预测方法
6.2.4r/n表决系统及其可靠度预测方法
6.2.5非工作储备系统及其可靠度预测方法
6.2.6复杂系统及其可靠度预测方法
思考题
6.3系统可靠度分配及其可靠性设计
6.3.1平均分配设计原则
6.3.2失效率相对比分配设计原则
6.3.3AGREE分配设计原则
6.3.4*小花费设计原则
思考题
6.4仪器系统可靠性保障方法
6.4.1硬件电路可靠性保障方法
6.4.2软件可靠性保障方法
6.4.3抗电磁干扰可靠性保障方法
思考题