1、 重庆大学 测控仪器设计 课程试卷 一、 选择题：本题选项中只有一项正确，请将正确的 (a)、 (b)、 (c)、 填在相应的横线上。 (12 分，每空 4 分 ) 1.1. 在光学度盘式圆分度测量装置中，当采用在度盘圆周上均布 3 个读数头的结构并取 3 个读数头读数值的平均值作为读数值时，则不可以消除 A 阶谐波误差对读数精度的影响。(3N 阶不可消除， N 为整数） (a) 3， 6， 9， 12， 15， ； (b) 1， 2， 3， 4， 5， ； (c) 1， 2， 4， 5， 7， 8， 10， 11， ； (d) 2， 4， 6， 8， 10， 。 1.2. 相对误差有两种表示
2、方法 , 关于相对误差的两种表示方法描述正确的是 A 。 (a) 引用误差不大于额定相对误差 ； (b) 引用误差一定小于额定相对误差； (c) 引用误差一定大于额定相对误差； (d) 引用误差不小于额定相对误差。 1.3单位冲击响应函数是在 A 对仪器特性的描述。 (a.单位冲击响应函数 b.频率响应函数 c.传递函数） (a) 时域 ； (b) 频域； (c) 复频域。 二、 多选题：本题为多项选择题，仔细阅读有关内容，将正确 的选项填在相应的横线上。多选或少选均视为解答不正确。 (4 分、 26 分 ) 2.1. 图 1 为激光干涉系统的误差自动补偿式光路布局（ LC 为参考光路的光程，
3、 Lm为测量光路的初始光程），下面描述正确的是 ABC (a) 当 LmLC 时测量镜向右移动 ; (c) 误差能相互补偿式光路布局对提高仪器精度有利 ; (d) 当 LmLC 时测量镜向左移动 ; (e) 当 LmLC 时测量镜向右移动 . cm LL cm LL 图 1. 2.2一米激光测长机的原理如图 2 所示，根据要求做出选择： (26 分 ) 2.2.1 针对一米激光测长机标准量系统描述正确的有 ABD ； (3 分 ) (a) 激光干涉系统 ； (b) 增量码标准量系统 ； (c) 绝对码标准量系统； (d) 数字式标准量系统 ； (e) 模拟式标准量系统。 2.2.2 用该仪器进
4、行测量时必须先对零，描述正确的有 BC ； (3 分 ) (a) 主要为了消除测量误差； (b) 主要为了确定相对零位基准； (c) 主要是因为使用了增量码标准量系统 ； (d) 主要是因为一种操作习惯； (e) 测量时可以省去先对零这一步骤。 2.2.3 尾座因底座变形在垂直平面内有倾角会引起仪器误差，总体设计时应采取措施抑制或消除它们的影响。关于采取的抑制或消除尾座因底座变形在垂直平面内有倾角的影响措施及采取措施前后引起的测量误差描述正确的有 ABE ； (5 分 ) (a) 固定角隅棱镜 9 与尾座 5 固结在一起 ； (b) 固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆 10 的轴线离底座导 轨面等高
5、的同一平面内 ； (c) 尽可能减小固定角隅棱镜 9 和尾杆 10 在水平面内的距离 d； (d) 可动角隅棱镜 12 的锥顶位于测量主轴 11 的轴心线上 (以便符合阿贝原则 )； (e) 只要采取合理的措施 , 可以消除该项误差的影响 ； (f) 该项误差属于阿贝误差 , 只可以尽可能减小 , 不可消除； (g) 只要采取合理措施 , 误差为二次微小误差 , 可以忽略。 2.2.4 尾座在水平面内产生摆角会引起仪器误差，总体设计时应采取措施抑制或消除它们的影响，关于采取的抑制或消除尾座在水平面内产生摆角的影响措施及采取措施前后引起 的测量误差描述正确的有 (c) , (f) ； (5 分
6、) 选项同 题 2.2.3。 2.2.5 测量头架因底座变形在垂直平面内有倾角会引起仪器误差，总体设计时应采取措施抑制或消除它们的影响。关于采取的抑制或消除测量头架因底座变形在垂直平面内有倾角的影响措施及采取措施前后引起的测量误差描述正确的有 (d) , (g) ； (5 分 ) 选项同 题 2.2.3。 2.2.6 测量头架在水平面内产生摆角会引起仪器误差，总体设计时应采取措施抑制或消除它们的影响，关于采取的抑制或消除测量 头架在水平面内产生摆角的影响措施及采取措施前后引起的测量误差描述正确的有 (d) , (g) ； (5 分 ) 选项同 题 2.2.3。 图 2. 一米激光测长机的原理
7、1 一底座 2 一干涉仪箱体 3 一测量头架 4 一工作台 5 一尾座 6 一电动机与变速箱 7 一闭合钢带 8 一电磁离合器 9 一固定角隅棱镜 10 一尾杆 11 一测量主轴 12 一可动角隅棱镜 13 一激光器 14 一分光镜 三、 简述题：图 3 为双频激光干涉仪的组成及原理。回答下列问题： (15 分 ) 3.1指出各组成单元的名称及功能 （ 5 分） 1 双频激光器 2 1/4 波片 3 扩束器 4 分光镜 5， 12 透光轴与纸面成 45 8 偏振分光镜9 固定反射镜 10 可动反射镜 3.2说明双频激光干涉仪的工作原理（ 5 分） 激光器放在轴向磁场内，发出的激光为方向相反的右
8、旋圆偏振光和左旋圆偏振光，其振幅相同，但频率不同，分别表示为 f1 和 f2。经分光镜 M1，一部分反射光经检偏器射入光电元件D1 作为基准频率 f基 (f基 f1 f2)。另一部分通过分光镜 M1 的折射光到达分光镜 M2 的 a处。频率为 f的光束完全反射，经滤光器变为线偏振光 f，投射到固 定棱镜 M并反射到分光镜 M2 的 b 处。频率为 f1 的光束折射经滤光器变为线偏振光 f1，投射到可动棱镜 M4 后也反射到分光镜 M2 的 b 处，两者产生相干光束。若 M4 移动，则反射光的频率发生变化而产生 “多卜勒效应，其频差为多卜勒频差 f。 频率为 f f1f的反射光与频率为 f的反射
9、光在 b 处汇合后，经检偏器射入光电元件 D，得到频率为测量频率 f测 f (f1f)的光电流，这路光电流与经光电元件 D后得到频率为 f基的光电流同时经放大器进入计算机，经减法器和计数器，即可算出差值 f，并按下式计算出可动棱镜 M4 的移 动速度 v和移动距离 l。 即可算出差值 f，并按下式计算出可动棱镜 M4 的移动速度 v和移动距离 L。 3.3比较与迈克尔逊激光干涉仪的区别（ 5 分） 图 3. 双频激光干涉仪 双频激光干涉仪特点： (1) 接受信号为交流信号，前置放大器为高倍数的交流放大器，不用直流放大，故没有零点漂移等问题。 (2) 利用多普勒效应，计数器计频率差的变化，不受激
10、光强度和磁场变化的影响。在光强度衰减 90%时仍可得到满意的信号，这对于远距离测量是十分重要的，同时在近距离测量时又能简化调整工作。 (3) 测量精度不受空气湍流的影响，无 需预热时间。 迈克尔逊激光干涉仪特点： 1.它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉 2.主要用于长度和折射率的测量 3通过调整该干涉仪，可以产生 等厚干涉条纹 ，也可以产生等倾干涉条纹 四、 如图 4 所示示意了在直线导轨上传感器的两种安装方式： A. 外侧安装方式 (Outboard sensor location)； B 内侧安装方式 (Inboard sensor location)。回答下列问题： (14 分 ) 4
11、.1. 如果该导轨构成了某长度测量仪器，而且被测工件安装在导轨滑板的最右边。当导轨的滑板在运动过程中产生与导向方向成 的倾角（如图 4(b)）时，分别分析传感器的两种安装方式引起的测量误差； (8 分 ) 答案： 1.内侧安装方式 =（ ） /2 2.外侧安装方式 右边 =0 左边 = 4.2. 结合 4.1 的结论说明传感器的两种安装方式的优缺点。 (6 分 ) 答案： 内侧安装 外侧安装 1 阿贝误差小 阿贝误差大 2 传感器受到保护 传感器易受损 3 安 装困难 安装容易 4 接近热源 远离热源 五、 分析与设计：如图 5所示示意了激光扫描测径仪的工作原理。根据图 5 回答下列问题：（
12、29 分） 4.1. 详细说明激光扫描测径仪的工作原理（ 6 分） 氦氖激光器 1 射出的激光经过反射镜 3，透镜 4（用来减小光束的发散），反射镜 2 和同步电动机带动的多面棱镜 5，在经过透镜 6 对被侧工件 7 进行扫描，然后经过透镜 8 由光敏二极管 9 接收。在激光光束被工件遮挡的时间内，计数器所记的脉冲数就代表了被测工件的直径。nfwfv 42 tnftvD 44.2分析激光扫描测径仪的原理误差 (7 分 ) 设计中近似的认为在与光轴垂直 方 向上激光光束的扫描线速度是均匀的，即 nff 42 实际上激光扫描线速度 V0 随着光束离光轴的距离 y的不同而变化 )(14 20 fyn
13、fv 离光轴垂直距离越大，扫描速度越高。这使得该仪器的测得值总是小于被测直径的真值，从而引起原理误差4.3. 如何基于激光扫描的原理实现大直径的测量，给出原理示意图及相应文字 描述（ 4 分 ) 4.4基于图 5 所示的激光扫描测径仪的原理设计其测控系统电路，要求给出详细电路原理示意图及相应文字描述 (12 分 ) (a) 直线导轨上传 感器的两种安装方式 (b) 示意图 图 4. 传感器的安装及其优缺点 图 5. 激光扫描测径仪的工作原理 四、 分析与设计：如图 4 所示示意了高精度激光两座标测量仪校正导轨转角的工作原理。根据图 4 回答下列问题。 4.1 详细说明高精度激光两座标测量仪校正
14、导轨转角的工作原理。 4.2 详细说明高精度激光两座标测量仪采用校正导轨转角措施的原因及意义 4.3 图 4 采用分离元件实现了校正系统的测量及控制系统，仿照上述功能设计以计算机为核心的校正系统的测量及控制系统，要求绘出详细的电路原理图，并辅助文字说明，两者缺一不可。 答案： 4.1 采用激光干涉小角度测量系统测量导轨在运动过程中的转角，将转角测量信号进行处理向送到直流升压器，驱动压电陶瓷执行器，使导轨产生相反方向的转角，以校正导轨运动过程中的倾角。 4.2 对于高精度测量系统，单靠提高导轨的加工精度来保证系统的总精度是有限的，相反利用反馈控制的方法可以在一定程度上达到更高的精度，利用校正导轨触动的方法使上述系统遵循广义阿贝原则，在一定程度上提高系统精度。 4.3 原理如下图所示，光电接收器接收条纹信息并经过信号前处理获得角度信息送往可逆计数器， cpcl 通过总线获取角 度信息，通过一定算法运算后输出，压电陶瓷执行器的控制信号经 D/A 转换器转换成模拟电压，再经直流升压器驱动压电陶瓷执行器实现转角补偿。
