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课程编码：08265023

课程名称：精密仪器设计

英文名称：Design of Precise Instrument

开课学期：7

学时/学分：48/3（其中实验学时：10）

课程类型：专业课

开课专业：测控技术与仪器

选用教材：校内讲义

主要参考书：

[1]浦昭邦，王宝光.测控仪器设计.北京：机械工业出版社，2001

[2]薛实福，李庆祥.精密仪器设计.北京：清华大学出版社，1991

[3]陈林才，张鄂.精密仪器设计.北京：机械工业出版社，1991

[4]孙恒.机械原理.北京：人民教育出版社，1983

[5]吴国安.光谱仪器设计.北京：科学出版社，1978

执笔人：王智宏

一、课程性质、目的与任务

本课程是为测控技术与仪器专业的本科生而设置的专业必修课。

通过本课程的学习，使学生掌握光机电一体化的精密仪器的基本工作原理、主要技术、设计方法，培养学生综合运用所学知识与技术进行仪器设计的能力。

二、教学基本要求

第1章 系统掌握精密仪器的基本工作原理、结构和主要技术，

第2章 了解精密仪器中光学、机械结构的工作原理及应用，

第3章 掌握光机电一体化技术在精密仪器设计中的设计方法，

第4章 注重培养学生的设计和动手能力，采用理论与实践相结合，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力，使学生完成本门课程的学习任务之后，能够综合运用所学知识与技术进行仪器设计。

三、各章节内容及学时分配

第一章 概论（2学时）

了解精密仪器特点、内容、分类、设计要求及仪器的组成结构。

1-1 精密仪器概述

1-2 精密仪器的重要性和展望

1-3 精密仪器的设计要求和程序

1-4 精密仪器结构组成

考核要求

了解：精密仪器特点、内容、分类及本课程的要求。

理解：精密仪器设计要求。

掌握：精密仪器结构的分析。

第二章 仪器的精度理论（6学时）（说明：*为自学内容）

了解精度理论的基本概念、掌握精度分析和精度设计的步骤和方法。

2-1*精度理论的基本概念

1、误差

2、精度

2-2*误差的处理和评定

1、系统误差

2、随机误差

3、粗大误差

4、测量数据的处理

2-3仪器的精度分析

1、误差的来源

2、误差的传递分析计算方法

3*、仪器误差的综合

2-4仪器的精度设计

1、误差分配的依据和过程

2、仪器精度指标的确定方法

3、误差的分配方法

2-5精度设计举例

考核要求

了解：精度理论的基本概念。

理解：精度分析和精度设计的关系和作用。

掌握：精度分析和精度设计的步骤和方法。

第三章精密仪器总体设计（8学时）

了解精密仪器设计的基本原则，掌握精密仪器的设计原理和总体设计内容，熟悉精密仪器的总体设计过程。

3-1总体设计的相关知识

1、总体设计的前提条件

2、设计原则

3、设计原理

3-2总体设计内容

1、工作原理的选择和系统设计

2、仪器的其它主要结构方案的确定

3、主要参数和技术指标的确定

4、系统简图的绘制

5、总体布局的考虑

6、总体精度的分配

7、造型与设计

8、总体设计报告

3-3总体设计举例

考核要求

了解：精密仪器设计的基本原则。

理解：精密仪器的设计原理和总体设计内容。

掌握：精密仪器的总体设计方法和步骤。

第四章 精密机械系统（8学时）

了解精密仪器常用的机械机构：传动机构、导向机构、执行机构的作用、组成、特点及设计方法。掌握精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构的结构分析方法。

4-1机械传动机构

1、基本概念

2、齿轮传动机构（副）

3、螺旋传动机构

4、连杆机构

5、凸轮机构

6、传动机构应用举例

4-2导向机构

1、精密仪器导轨的作用和构成

2、精密仪器导轨的类型

3、表征精密仪器导轨的主要质量指标

4、导轨的设计方法及步骤

4-3执行机构

1、精密仪器执行机构的组成及常用部件

2、微动机构（微位移机构）分类

3、执行机构结构分析

4、精密微动机构设计要点

考核要求

了解：精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构设计方法。

理解：精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构的作用、组成、特点。

掌握：精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构的结构分析。

第五章 控制系统（8学时）

了解精密仪器的控制系统的基本概念、组成、分类、基本要求。掌握开环伺服系统及闭环伺服系统的组成、主要部件、设计步骤。

5-1概述

1、基本概念

2、伺服系统分类

3、伺服系统的基本结构

4、伺服系统的基本要求

5、伺服系统设计方法及步骤

5-2开环伺服系统

1、步进电动机原理

2、步进电机的驱动控制系统组成及实现

3、开环控制的伺服系统设计

5-3闭环伺服系统（自学或选讲：4学时）

1、直流伺服电动机原理

2、直流伺服电动机控制系统

3、闭环伺服系统设计

考核要求

了解：精密仪器的控制系统的基本概念、组成、分类、基本要求。

理解：开环伺服系统及闭环伺服系统的组成、主要部件的工作原理。

掌握：开环伺服系统及闭环伺服系统的设计步骤和方法。

第六章 计算机系统（4学时）

了解精密仪器的计算机系统的特点、功能、组成、分类、基本要求。

6-1精密仪器的计算机系统概述

6-2精密仪器的计算机系统举例

考核要求

了解：精密仪器的计算机系统的基本要求、分类及发展。

理解：精密仪器的计算机系统的特点、功能、组成。

掌握：虚拟仪器技术在精密仪器设计中的应用。

第七章、精密仪器设计实例（6学时）

通过对便携式近红外光谱仪器*、激光干涉仪*设计分析，掌握精密仪器的特点、要求、结构及设计方法。

7-1近红外光谱仪器*设计

1、设计分析

2、主要模块设计

7-2激光干涉仪*设计

第5章 任务分析

第6章 总体设计

第7章 详细设计

说明：*内容可根据情况有所变动，介绍其它的精密仪器。

考核要求

了解：光谱仪器*、激光干涉仪*的工作原理、结构、类型。

理解：精密仪器的特点及要求。

掌握：精密仪器的设计方法和过程。

四、实验：

b) 实验目的与任务

使学生更深刻地理解和掌握精密仪器的基本工作原理、结构和主要技术和设计方法，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力，要求学生完成设计性的实验题目。

c) 实验教学基本要求

（1）了解精密仪器中机械系统的工作原理及主要结构，掌握Auto CAD设计精密机械系统的方法。

（2）掌握精密仪器控制系统的设计方法，采用单片机系统实现步进电动机的运动控制。

（3）掌握光机电一体化的精密仪器的设计方法，完成精密仪器的总体设计。

（4）掌握精密仪器计算机控制系统的设计方法，采用Labview设计精密仪器的计算机控制系统，实现系统人机界面交换。

d) 实验教材或指导书

自编实验指导书

e) 实验项目一览表

序号	实验项目	内容提要	实验 类型	学时 分配	主要仪器 设 备	实验 地点	备注
1	精密机械系统设计	采用Auto CAD设计一套精密机械系统，画出总装图	设计	4	计算机、CAD	校内实验室	利用课外时间2-4学时完成设计，课上完成CAD制图
2	步进电动机控制系统设计	实现步进电动机转角、速度、方向、定位的控制	设计	4	单片机开发系统、步进电动机	校内实验室	利用课外时间2-4学时完成设计，课上焊接电路、调试系统
3	便携式近红外光谱仪器总体设计	根据要求完成便携式近红外光谱仪器总体设计	设计	2	计算机	校内实验室	利用课外时间4-6学时完成设计，课上查资料、整理设计报告
4	步进电动机控制计算机系统设计	采用单片机、L297、MAX232串行通讯、Labview设计步进电动机控制计算机系统	设计	6*	单片机开发系统、步进电动机、计算机	校内实验室	选作
5	便携式近红外光谱仪器计算机控制系统设计	采用Labview设计便携式近红外光谱仪器的计算机控制系统，实现系统人机界面交换	设计	4*	计算机、Labview	校内实验室	选作

五、考核方式：笔试（开或闭卷）