精密儀器

精密儀器是指用以產生、測量精密量的設備和裝置，包括對精密量的觀察、監視、測定、驗證、記錄、傳輸、變換、顯示、分析處理與控制。精密儀器是儀器儀表的一個重要分支。

基本介紹

• 中文名：精密儀器
• 外文名：precision instrument
• 定義：產生和測量精密量的設備和裝置
• 類型：幾何量精密儀器等
• 組成：基準、感受轉換等
• 學科：儀器儀表

分類

按照測量對象的不同，精密儀器可以劃分為以下幾類：

①幾何量精密儀器

主要包括檢測各種幾何量的精密儀器，如立式測角儀、雷射干涉比長儀、經緯儀、三坐標測量機、圓度儀、輪廓儀和掃描隧道顯微鏡等測量儀器。

②熱工量精密儀器

主要包括溫度、濕度、壓力、流量檢測精密儀器，如各種氣壓計、真空計、多波長測溫儀表、流量計和高度表等。

③機械量精密儀器

主要包括各種測力儀器、應變儀、加速度與速度測量儀、轉矩測量儀、振動測量儀、萬能材料實驗機和布氏硬度計等。

④時間頻率精密儀器

主要包括各種計時儀器與儀表、原子鐘、時間頻率測量儀等。

⑤電磁精密儀器

主要用於測量各種電量和磁量，如電流表、電壓表、功率表、電阻測量儀、電容測量儀、靜電儀和磁參數測量儀等。

⑥無線電精密儀器

主要包括示波器、信號發生器、相位測量儀、頻譜分析儀和動態信號分析儀等。

⑦光學與聲學精密儀器主要包括光譜儀、光度計、色度計、雷射參數測量儀、光學傳遞函式測量儀、噪聲測量儀和聲吶測量儀等。

⑧電離輻射精密儀器

主要包括各种放射性、核素計量、X和λ等射線計量儀器等。

技術內容

1．機械技術

儀器各部分的安裝固定，儀器測量精度、定位精度和運動精度的保證，由精密機械系統來實現和完成。精密儀器的測量控制對象也通常為機械結構的運動量。

2．電子技術

實現信號的轉換、傳輸、放大。研究對象包括：

①測量電路：實現信號的轉換。

②計算機控制：包括信號處理分析，以及在此基礎上的自動控制（發出控制指令）。

③伺服驅動：電子與機械部分的接口，按控制指令的要求控制被控對象實現預定的動作。

3．光學技術

利用各種光學原理，實現對被測量的轉換、放大、投影、顯示、傳輸等。傳統的光學系統是與機械技術相結合實現其功能的，現代的光學系統又結合了電子技術，實現光學信息的處理和控制。

光、機、電技術相結合進一步擴大了現代精密儀器的套用領域。

組成

精密儀器種類繁多、結構各異。對於用於測量的精密儀器而言，可將其結構分為基準、感受轉換、轉換放大傳輸、瞄準/讀數、數據處理、顯示記錄、驅動控制、機械結構等八大功能部件。但並不是說一台精密儀器中必須包含上述八大功能部件，而是應根據儀器功能的要求有所選擇。

1．基準部件

基準部件為測量提供標準量，測量結果均須與之比較方能得到準確的測量值。因此，它是決定精密儀器精度的主要環節。

基準器件的種類很多，如用於幾何量（長度和角度）測量的標準器件：量塊、精密測量絲槓、線紋尺、度盤、多面稜體、多齒分度盤、光柵尺（盤）、磁柵尺（盤）、感應同步器、光波等。對於複雜參數，有漸開線樣板、表面粗糙度樣板等標準件，還有提供標準運動的標準圓運動、漸開線運動和齒輪運動裝置。此外還有標準硬度塊、頻率計，以及時間、照度、流量、色度、雷射參數、溫度、測力、稱重等標準。可根據需要選取。

2．感受轉換部件

感受轉換部件感受被測量，拾取原始信號以便進一步轉換、處理和分析。其精度直接影響整個儀器的精度。

有的儀器的感受轉換部件僅起感受原始信號的作用，有的同時還進行一次信號的轉換。感受轉換部件有兩大類：一類為接觸式的，如各種機械式探頭；一類為非接觸式的，如氣動非接觸測頭、光學探頭、紅外線、渦流測頭、拾音器等。

3．轉換放大傳輸部件

轉換放大傳輸部件將感受轉換來的微小信號，通過各種原理（光、機、電、氣）進一步轉換和放大，成為觀察者或其下一部件可直接接收的信號，如顯示或進一步加工處理。

4．瞄準/讀數部件

瞄準/讀數部件感受被測量/標準量，用以對零/讀數。

瞄準部件用以感受被測量，要求指零準確，一般不做讀數用，故不要求其靈敏度。讀數部件用以感受標準量，由它產生測量結果。在實際測量中，二者又是可互換，而不是絕對的。但有的儀器二者不能互換。

5．數據處理部件

數據處理部件對測量數據進行加工、校正、計算等處理。通常由微處理器、微機來完成。

6．顯示記錄部件

顯示記錄部件用來顯示和存儲測量結果，包括的種類很多，如指針錶盤、記錄器、數字顯示器、印表機、螢光圖像顯示器以及各種ROM和RAM存儲器、磁碟、CF和SD等各種存儲卡。

7．驅動控制部件

驅動控制部件驅動測量部分的測頭移動或驅動工作檯實現測量動作；在自動檢測儀器中，其對數據處理部件的輸出——測得的誤差量進行放大轉換，驅動執行元件實現系統的動作。

8．機械結構部件

機械結構部件是用以保障其他部件功能實現的連線、支承、保護、限位、移動導向的機械結構。主要有基座、支架、導軌、工作檯、軸系以及其他部件，如微調、鎖緊、限位、保護等機構。它是儀器中不可缺少的部件，其精度有時對儀器精度的影響起決定作用。

技術指標

技術指標是用於反映精密儀器性能和功用的一些具體數據，它既是設計精密儀器的基本依據，又是檢驗成品質量的重要根據。技術指標與儀器的用途、功能、特點等有關，不同類型的儀器設備具有不同的技術指標。技術指標可以歸納為以下幾個方面。

(1)反映設計工作的性能

具體是指儀器設備的各種功能，例如加工範圍、運動範圍、速度範圍、測量範圍、顯示功能、列印數據功能等。

(2)反映儀器設備的精度

例如加工精度、表面粗糙度、製造精度、刻劃精度、測量精度、示值誤差、分辨力、靈敏度等。

(3)反映儀器設備的自動化程度

例如數控、微機控制、全自動、半自動、計算機自動處理等。

(4)反映儀器設備的效率

例如生產率、檢驗率等。

(5)反映儀器設備的可靠性

可靠性是指定產品在給定的時間內和規定的條件下完成規定功能的一種能力，可以理解為產品的技術性能在時間上的延續性、穩定性或重複性。

(6)反映儀器設備的維修性

維修性指維修產品的難易程度，是衡量產品發生故障後能夠迅速修復並恢復功能的一種指標。

(7)反映儀器設備的安全性

安全性是說明產品質量特性的一項重要指標，從設計開始就應當認真對待。

(8)反映儀器設備的質量、尺寸等

該指標對生物醫學以及航空航天儀器設備尤其重要。

設計內容

在精密儀器的設計中需要考慮的主要問題包括功能、性能、精度、經濟實用和外觀等方面。

1．功能方面

在精密儀器的具體設計過程中，需要考慮的因素或者要求有時可能很多，但首先要滿足的是功能要求，例如儀器的檢測、信號分析、數據傳輸、數據處理、誤差修正、故障診斷、控制、顯示、存儲、記錄、列印功能等。

2．性能方面

要使精密儀器在一定的使用條件下和一定的時間內有效地實現其預期的性能，必須要求儀器工作安全可靠，操作維修方便。因此精密儀器所使用的零部件應當具有相應的強度、剛度、振動穩定性和時間穩定性等。

3．精度方面

精度是精密儀器最重要的技術指標之一，設計時必須保證精密儀器在正常工作條件下能夠達到所要求的精度指標。例如有感測器的精度、工作檯的運動精度、導軌的導向精度、控制系統的精度、轉換電路的精度、運算精度等。

4．經濟實用方面

精密儀器產品的經濟性要求既是增加產品市場競爭力、贏得用戶的需要，也是節約社會資源、提高社會效益的需要。提高產品的經濟性是以壽命周期成本最低為目標的，要求組成精密儀器的機械、電子、光學零部件，能夠最經濟地被製造出來，使得零件的結構簡單、工藝性好、價格低廉、實用性強。

5．外觀方面

隨著科技水平的提高，人們對產品外觀的審美意識越來越強，尤其是新研發的各類儀器儀表。儀器外觀品質的好壞，直接反映了一個企業的實力和對細節的注重，間接地反映了企業的生產狀況及服務質量，還有可能影響到測量的效果。因此在設計精密儀器時應使其造型美觀大方、色澤柔和，尤其要處理好一些細節的問題。

發展趨勢

精密儀器的發展趨勢可以概括為以下幾個方面：

(1)精密儀器的結構向光機電整合方向發展

光機電整合本質上是一個高度跨領域整合的工程技術，包括機電整合、光電技術、光機整合乃至微機電或微光機電系統等幾大領域，光電、機電或光機組件（或系統）皆是現代精密儀器的基本構成要素。

(2)精密儀器的尺寸向微型化方向發展

納米級的精密機械研究成果、基因層次的生物學研究成果、新型微型感測器研究成果，以及特種功能材料研究成果不斷湧現，為精密儀器向微型化方向發展提供了技術支持。

(3)精密儀器的通信向網路化方向發展

以Internet為代表的網路技術的出現以及與其他高新科技的互相融合，不僅已開始將智慧型網際網路產品帶入現代生活，而且也為精密儀器技術帶來了前所未有的發展空間和機遇，具備網路功能的新型精密儀器應運而生。

(4)精密儀器的功能向虛擬化方向發展

美國的National Instrument公司最先提出了“軟體就是儀器”的設計思想，虛擬精密儀器技術突破了傳統精密儀器的概念框架，得到了很快的發展。相比而言，虛擬精密儀器對被測量的處理和計算可以更複雜，速度更快，測試結果的表達方式更加豐富多樣，能更方便地存儲和交換測試數據，價格低並且技術更新越來越快。

精密儀器的智慧型化和高科技化，必將成為未來精密儀器科技與產業發展的主流。