圖書簡介
本書可作為測控技術與儀器、光學工程以及機電類專業大專院校教材，也可供從事儀器科學與技術及機電類研究、設計、製造、調修的工程技術人員學習和參考。
圖書前言
儀器儀表工業是信息工業，是信息的源頭，是認識世界的工具，是人們用來對物質(自然界)實體及其屬性進行觀察、監視、測定、驗證、記錄、傳輸、變換、顯示、分析處理與控制的各種器具與系統的總稱，其實質是研究信息的獲取、處理和利用。儀器儀表發展至今已成為一門獨立的學科，即儀器科學與技術，而現代精密儀器則是儀器科學與技術的一個重要組成部分。
當今科學儀器技術最引人注目的發展是在生物、醫學、材料、航天、環保、國防等直接關係到人類生存和發展的諸多領域中，研究的尺度深入到介觀(納米)和微觀；儀器的研製和生產趨向智慧型化、微型化、集成化、晶片化和系統工程化；利用現代微製造技術(光、機、電)、納米技術、計算機技術、仿生學原理、新材料等高新技術發展新式的科學儀器已經成為主流，為精密儀器設計提出了新的研究課題。
隨著科學技術的進步，特別是微電子技術、宇航工業、材料科學、生物工程等的發展，使精密儀器已進入亞微米、納米級的新時代，為精密儀器提供了廣泛的研究領域。為適應科技發展的需要，趕上世界科技進步的步伐，提高我國精密儀器的水平，本書從實際套用出發，參照全國精密儀器設計的教學大綱編寫而成。書中總結了編著者長期的教學經驗與科研工作成果，匯集了有關現代精密儀器設計理論和成果，著力反映了這一學科領域的當代發展水平，使讀者充分了解和掌握精密儀器的學術動態和最新成就。同時力圖做到概念清楚、深入淺出，對精密儀器設計有關的共同性理論和方法進行了系統、全面地闡述。每章有設計實例和習題，目的是便於學生自學並啟發學生的創造性。
“精密儀器設計”是以設計為主的專業課程，其目的是使學生綜合運用基礎理論知識，掌握光、機、電、算相結合的現代儀器儀表設計理論和方法，以培養學生獨立設計與研究現代精密儀器及微納米系統的能力。
根據高等學校儀器科學與技術教學指導委員會測控技術與儀器專業本科教學規範的要求，以及本教材的實際使用情況和建議，第2版對第1版中的部分內容進行了修訂：
(1) 按測控技術與儀器專業本科教學規範，縮減“微型機電系統”一章，其內容在其他教材另行詳細、充分闡述；
(2) 增加光電感測技術的有關內容，以更多地滿足測控學科和專業教育教學要求；
(3) 瞄準與對準系統講述測量基準，定位與測量系統分析測量方法，因此將二者整合為“精密測量技術”，以便對測量有更全面、整體的理解；
(4) 增加“精密儀器設計實例與實驗”一章，利用典型實例闡述現代儀器設計方法，加強儀器設計的實踐環節；
(5) 調整“自動調焦系統”一章，有關知識在第10章中以實例方式闡述說明。
具體內容如下：
第1章 現代精密儀器設計概論
闡述了儀器儀表學科的重要性和我國以及國際上這一學科當代的發展水平與發展趨勢；介紹了儀器儀表的組成、設計與原則。
第2版前言現代精密儀器設計（第2版）第2章 精密儀器設計方法
總體設計是“戰略”性的、方向性的、把握全局性的設計。由於總體設計是一個戰略性的工作，其優劣直接影響到精密儀器的性能和使用，所以總體設計是創造性的工作，特別是現代精密儀器，是光、機、電、算技術的綜合。在進行總體設計時，設計者要有創新的觀念，要充分運用科學原理和設計理論。本章介紹了幾種設計方法，對總體設計原則、方法及總體方案制定內容通過實例進行了討論。
第3章 儀器精度設計與分析
精度（不確定度）是精密儀器及精密機械設備的核心技術指標。隨著科學技術的發展，對於精密機械及精密儀器的精度提出了愈來愈高的要求。本章介紹了精度的概念、精度評價方法、誤差的來源及計算與分析方法、誤差的綜合及動態精度，為現代精密儀器的設計打下了基礎。
第4章 精密機械系統
精密機械系統是實現精密儀器高精度的基礎，特別是當代科技發展已進入納米時代，對儀器功能和精度提出了更高要求，因此對機械系統的設計與製造應給予高度重視。本章主要對精密機械系統中的關鍵部分設計（包括基座與支承件、導軌、軸系等）進行了闡述，著重討論了影響系統精度和性能的因素及提高精度的措施。
第5章 感測檢測技術
光電感測為精密儀器的檢測、分析提供數據來源，直接影響儀器功能及性能。本章主要介紹了精密儀器中常用的感測系統檢測方法、系統構成、感測器選擇以及抗干擾技術等。希望通過本章的學習讀者能夠對感測檢測相關技術有清晰的了解，並掌握感測器選擇方法以及抗干擾技術。
第6章 光學系統設計
光學系統在現代儀器尤其是光學儀器中起著越來越重要的作用。光學系統既是使儀器走向高精度測量不可或缺的部分,隨著視覺技術的發展，光學系統也必然成為很多常規儀器的核心內容。本章在光學系統構成基礎上,講述了光學系統各構成部分的設計思路,重點講述了光學照相、顯微、望遠及照明系統的設計方法。最後以傅立葉變換紅外光譜儀為例說明了光學系統的總體設計方法。
第7章 微位移技術
微位移技術是實現精密儀器亞微米、納米級精度的關鍵技術。本章闡述了微位移驅動方法及分類，介紹了各種微位移器件的原理、特點及其套用，分析了各種微位移系統的設計方法、優缺點、適用範圍及達到的精度，特別是對柔性鉸鏈微位移系統作了全面的論述，供設計者參考。
第8章 機械伺服系統設計
伺服系統是實現精密儀器智慧型化、自動化的基礎。為了實現精密儀器系統高效率、高精度、穩定運動的要求，伺服控制系統必須具有很好的快速回響性，能靈敏地跟蹤指令，以達到運動精度及穩定性的要求。本章介紹了伺服控制系統的分類、組成、設計要求及性能指標，闡述了精密機電傳動系統靜態參數設計與動態分析、開環與閉環伺服系統設計原理，並給出了套用實例。
第9章 精密測量技術
瞄準與對準系統是精密儀器及光學儀器中的重要組成部分。精密儀器的核心問題是精度問題，瞄準與對準是精密儀器的基準，因此瞄準與對準精度將直接影響儀器精度，特別是對高精度儀器影響更大。本章介紹了瞄準與對準系統的用途與性能，。另外，精密儀器精度高低，除精密機械部分運動精度外，很大程度上還取決於其定位系統，因此定位測量也是精密儀器中的一個重要組成部分，特別是對高精度儀器尤為重要。本章重點論述大量套用的高精度光柵及雷射干涉定位系統第10章 精密儀器設計實例與實驗
本章以線寬測量自動調焦系統、基於光學立體顯微鏡的微裝配系統為例，對精密儀器設計的過程、方法進行了說明；並利用精密儀器設計綜合實驗對儀器套用及技術進行了實踐分析。
本書是在普通高等教育“十五”國家級規劃教材、北京高等教育精品教材《現代精密儀器設計》（清華大學出版社，2004）的基礎上，依據科學進步與教學經驗進行改編的。其中，第1, 2, 7, 9, 10章由李玉和編寫，第4, 5, 8章由郭陽寬編寫，第6章由王東生編寫，第3章由王鵬編寫，全書由李玉和統稿，李慶祥教授主審。本書編寫過程中得到李慶祥教授、王東生教授、訾艷陽博士的大力支持和幫助，在此表示感謝！
本書可供高等工科院校測控技術與儀器、電子精密機械、機電一體化及光學儀器等專業師生使用，同時也可供從事精密儀器與機械及微納米機電系統的研究、設計、製造、使用和調修的工程技術人員學習和參考。
由於編者水平有限，書中難免有不妥甚至錯誤之處，殷切希望讀者提出寶貴意見。
編者2009年10月於清華園
目錄
目錄1 現代精密儀器設計概論1
1.1 現代精密儀器概述1
1.1.1 儀器儀表是信息的源頭1
1.1.2 我國現代精密儀器發展的狀況3
1.1.3 國外儀器發展趨勢5
1.1.4 “精密儀器設計”課程的目的與要求6
1.2 精密儀器的基本組成7
1.3 精密儀器設計的指導思想與程式9
1.3.1 指導思想9
1.3.2 設計程式11
習題122 精密儀器設計方法13
2.1 設計方法概述13
2.2 設計任務分析15
2.3 系統參數與指標設計17
2.3.1 主要參數與技術指標的內容17
2.3.2 確定主要參數和技術指標的方法18
2.4 總體方案的制定25
2.4.1 基本設計原則25
2.4.2 總體方案制定的內容40
2.5 典型設計方法47
2.5.1 最佳化設計47
2.5.2 可靠性設計49
2.5.3 虛擬儀器設計51
習題54目錄現代精密儀器設計（第2版）3 儀器精度設計與分析57
3.1 儀器精度概述57
3.1.1 誤差57
3.1.2 精度(不確定度)59
3.1.3 儀器精度(不確定度)指標60
3.2 儀器誤差的來源與分類65
3.2.1 原理誤差65
3.2.2 製造誤差66
3.2.3 運行誤差66
3.3 誤差計算分析方法70
3.3.1 誤差獨立作用原理70
3.3.2 微分法72
3.3.3 幾何法72
3.3.4 逐步投影法73
3.3.5 作用線與瞬時臂法73
3.4 誤差綜合與實例分析77
3.4.1 隨機誤差的合成77
3.4.2 系統誤差的合成78
3.4.3 不同性質誤差的合成79
3.4.4 誤差分析計算實例80
習題824 精密機械系統87
4.1 基座與支承件87
4.1.1 基座與支承件的結構特點87
4.1.2 對基座和支承件的主要技術要求88
4.1.3 基座與支承件的設計要點90
4.2 導軌副92
4.2.1 種類及特點92
4.2.2 基本要求94
4.2.3 導軌設計思路97
4.3 主軸系統100
4.3.1 設計的基本要求100
4.3.2 主軸的類型102
4.3.3 結構舉例105
4.3.4 幾種軸系的比較106
習題1065 感測檢測技術107
5.1 檢測系統107
5.1.1 測量方法簡介107
5.1.2 感測檢測系統的構成110
5.1.3 檢測系統設計要點111
5.2 感測器選擇113
5.2.1 模型與指標參數114
5.2.2 感測器的分類116
5.2.3 感測器選擇原則120
5.2.4 典型儀器感測器121
5.2.5 多感測器信息融合技術125
5.3 感測檢測抗干擾技術127
5.3.1 噪聲源及噪聲耦合方式127
5.3.2 共模與差模干擾132
5.3.3 禁止技術135
5.3.4 接地技術138
習題1406 光學系統設計141
6.1 光學系統的組成與特點141
6.1.1 光學系統的組成141
6.1.2 光學系統的特點142
6.2 人眼和光電探測器142
6.2.1 人眼的特徵143
6.2.2 光電探測器概述144
6.3 光源147
6.4 光學系統設計原則及典型光學系統的基本參數149
6.4.1 光學系統總體設計原則149
6.4.2 顯微系統及其參數確定150
6.4.3 投影系統及其參數確定156
6.4.4 望遠系統及其參數確定160
6.4.5 照明系統及其參數確定165
6.5 光電系統參數170
6.5.1 入瞳直徑的計算170
6.5.2 探測器位於像面上的結構171
6.5.3 光源像大於探測器的結構173
6.5.4 探測器位於出瞳上的結構174
6.6 總體設計舉例175
6.6.1 FTIR光譜儀器的原理、特點及用途175
6.6.2 技術指標176
6.6.3 設計方案177
6.6.4 FTIR主要結構參數的確定178
習題1817 微位移技術183
7.1 概述184
7.2 柔性鉸鏈187
7.2.1 柔性鉸鏈的類型187
7.2.2 柔性鉸鏈設計188
7.2.3 典型柔性鉸鏈及套用189
7.3 精密緻動技術193
7.3.1 機電耦合致動193
7.3.2 電磁致動197
7.4 典型微位移系統201
7.4.1 柔性支承+壓電致動201
7.4.2 滾動導軌+壓電致動203
7.4.3 彈簧導軌+機械致動204
7.4.4 彈簧導軌+電磁致動205
7.4.5 氣浮導軌206
7.4.6 滑動導軌+壓電致動207
7.4.7 其他微位移系統208
7.5 精密微動系統設計實例213
7.5.1 微動工作檯設計要求213
7.5.2 系統設計中的關鍵問題分析214
7.5.3 精密微動工作檯的設計218
7.5.4 微動工作檯的特性分析221
習題2248 機械伺服系統設計226
8.1 概述226
8.1.1 伺服系統的分類及閉環控制系統的構成和設計步驟226
8.1.2 設計要求及性能指標228
8.1.3 伺服系統的設計步驟230
8.2 開環伺服系統設計231
8.2.1 步進電機控制系統231
8.2.2 開環系統的誤差分析與校正232
8.3 閉環伺服系統設計236
8.3.1 閉環伺服系統的基本類型及原理236
8.3.2 設計舉例: 脈寬調速系統的設計和校正241
習題2519 精密測量技術254
9.1 精密測量技術概述254
9.2 瞄準與對準技術255
9.2.1 接觸式瞄準方法256
9.2.2 非接觸式瞄準方法267
9.2.3 典型光電對準系統273
9.3 光柵測量技術284
9.3.1 測量原理285
9.3.2 光柵系統設計289
9.3.3 典型光柵測量系統293
9.4 雷射干涉測量技術296
9.4.1 測量原理296
9.4.2 雷射干涉測量系統設計297
9.4.3 雙頻雷射干涉測量系統305
習題30810 精密儀器設計實例與實驗310
10.1 線寬測量儀自動調焦系統310
10.1.1 儀器設計任務310
10.1.2 系統方案選擇311
10.1.3 清晰度判據函式選擇312
10.1.4 最佳物面搜尋315
10.1.5 自動調焦實驗317
10.2 基於光學立體顯微鏡的微裝配系統318
10.2.1 儀器設計任務318
10.2.2 系統方案選擇319
10.2.3 微動工作檯設計322
10.2.4 系統測量實驗323
10.3 精密儀器設計綜合實驗327
10.3.1 實驗目的327
10.3.2 實驗原理327
10.3.3 實驗儀器328
10.3.4 綜合實驗328
習題334參考文獻335
