[科普中国]-精密仪器

精密仪器是指用以产生、测量精密量的设备和装置，包括对精密量的观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制。精密仪器是仪器仪表的一个重要分支。

分类按照测量对象的不同，精密仪器可以划分为以下几类：

①几何量精密仪器

主要包括检测各种几何量的精密仪器，如立式测角仪、激光干涉比长仪、经纬仪、三坐标测量机、圆度仪、轮廓仪和扫描隧道显微镜等测量仪器。

②热工量精密仪器

主要包括温度、湿度、压力、流量检测精密仪器，如各种气压计、真空计、多波长测温仪表、流量计和高度表等。

③机械量精密仪器

主要包括各种测力仪器、应变仪、加速度与速度测量仪、转矩测量仪、振动测量仪、万能材料实验机和布氏硬度计等。

④时间频率精密仪器

主要包括各种计时仪器与仪表、原子钟、时间频率测量仪等。

⑤电磁精密仪器

主要用于测量各种电量和磁量，如电流表、电压表、功率表、电阻测量仪、电容测量仪、静电仪和磁参数测量仪等。

⑥无线电精密仪器

主要包括示波器、信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪和动态信号分析仪等。

⑦光学与声学精密仪器主要包括光谱仪、光度计、色度计、激光参数测量仪、光学传递函数测量仪、噪声测量仪和声呐测量仪等。

⑧电离辐射精密仪器

主要包括各种放射性、核素计量、X和λ等射线计量仪器等。1

技术内容1．机械技术

仪器各部分的安装固定，仪器测量精度、定位精度和运动精度的保证，由精密机械系统来实现和完成。精密仪器的测量控制对象也通常为机械结构的运动量。

2．电子技术

实现信号的转换、传输、放大。研究对象包括：

①测量电路：实现信号的转换。

②计算机控制：包括信号处理分析，以及在此基础上的自动控制（发出控制指令）。

③伺服驱动：电子与机械部分的接口，按控制指令的要求控制被控对象实现预定的动作。

3．光学技术

利用各种光学原理，实现对被测量的转换、放大、投影、显示、传输等。传统的光学系统是与机械技术相结合实现其功能的，现代的光学系统又结合了电子技术，实现光学信息的处理和控制。

光、机、电技术相结合进一步扩大了现代精密仪器的应用领域。1

组成精密仪器种类繁多、结构各异。对于用于测量的精密仪器而言，可将其结构分为基准、感受转换、转换放大传输、瞄准/读数、数据处理、显示记录、驱动控制、机械结构等八大功能部件。但并不是说一台精密仪器中必须包含上述八大功能部件，而是应根据仪器功能的要求有所选择。

1．基准部件

基准部件为测量提供标准量，测量结果均须与之比较方能得到准确的测量值。因此，它是决定精密仪器精度的主要环节。

基准器件的种类很多，如用于几何量（长度和角度）测量的标准器件：量块、精密测量丝杠、线纹尺、度盘、多面棱体、多齿分度盘、光栅尺（盘）、磁栅尺（盘）、感应同步器、光波等。对于复杂参数，有渐开线样板、表面粗糙度样板等标准件，还有提供标准运动的标准圆运动、渐开线运动和齿轮运动装置。此外还有标准硬度块、频率计，以及时间、照度、流量、色度、激光参数、温度、测力、称重等标准。可根据需要选取。

2．感受转换部件

感受转换部件感受被测量，拾取原始信号以便进一步转换、处理和分析。其精度直接影响整个仪器的精度。

有的仪器的感受转换部件仅起感受原始信号的作用，有的同时还进行一次信号的转换。感受转换部件有两大类：一类为接触式的，如各种机械式探头；一类为非接触式的，如气动非接触测头、光学探头、红外线、涡流测头、拾音器等。

3．转换放大传输部件

转换放大传输部件将感受转换来的微小信号，通过各种原理（光、机、电、气）进一步转换和放大，成为观察者或其下一部件可直接接收的信号，如显示或进一步加工处理。

4．瞄准/读数部件

瞄准/读数部件感受被测量/标准量，用以对零/读数。

瞄准部件用以感受被测量，要求指零准确，一般不做读数用，故不要求其灵敏度。读数部件用以感受标准量，由它产生测量结果。在实际测量中，二者又是可互换，而不是绝对的。但有的仪器二者不能互换。

5．数据处理部件

数据处理部件对测量数据进行加工、校正、计算等处理。通常由微处理器、微机来完成。

6．显示记录部件

显示记录部件用来显示和存储测量结果，包括的种类很多，如指针表盘、记录器、数字显示器、打印机、荧光图像显示器以及各种ROM和RAM存储器、磁盘、CF和SD等各种存储卡。

7．驱动控制部件

驱动控制部件驱动测量部分的测头移动或驱动工作台实现测量动作；在自动检测仪器中，其对数据处理部件的输出——测得的误差量进行放大转换，驱动执行元件实现系统的动作。

8．机械结构部件

机械结构部件是用以保障其他部件功能实现的连接、支承、保护、限位、移动导向的机械结构。主要有基座、支架、导轨、工作台、轴系以及其他部件，如微调、锁紧、限位、保护等机构。它是仪器中不可缺少的部件，其精度有时对仪器精度的影响起决定作用。1

技术指标技术指标是用于反映精密仪器性能和功用的一些具体数据，它既是设计精密仪器的基本依据，又是检验成品质量的重要根据。技术指标与仪器的用途、功能、特点等有关，不同类型的仪器设备具有不同的技术指标。技术指标可以归纳为以下几个方面。

(1)反映设计工作的性能

具体是指仪器设备的各种功能，例如加工范围、运动范围、速度范围、测量范围、显示功能、打印数据功能等。

(2)反映仪器设备的精度

例如加工精度、表面粗糙度、制造精度、刻划精度、测量精度、示值误差、分辨力、灵敏度等。

(3)反映仪器设备的自动化程度

例如数控、微机控制、全自动、半自动、计算机自动处理等。

(4)反映仪器设备的效率

例如生产率、检验率等。

(5)反映仪器设备的可靠性

可靠性是指定产品在给定的时间内和规定的条件下完成规定功能的一种能力，可以理解为产品的技术性能在时间上的延续性、稳定性或重复性。

(6)反映仪器设备的维修性

维修性指维修产品的难易程度，是衡量产品发生故障后能够迅速修复并恢复功能的一种指标。

(7)反映仪器设备的安全性

安全性是说明产品质量特性的一项重要指标，从设计开始就应当认真对待。

(8)反映仪器设备的质量、尺寸等

该指标对生物医学以及航空航天仪器设备尤其重要。2

设计内容在精密仪器的设计中需要考虑的主要问题包括功能、性能、精度、经济实用和外观等方面。

1．功能方面

在精密仪器的具体设计过程中，需要考虑的因素或者要求有时可能很多，但首先要满足的是功能要求，例如仪器的检测、信号分析、数据传输、数据处理、误差修正、故障诊断、控制、显示、存储、记录、打印功能等。

2．性能方面

要使精密仪器在一定的使用条件下和一定的时间内有效地实现其预期的性能，必须要求仪器工作安全可靠，操作维修方便。因此精密仪器所使用的零部件应当具有相应的强度、刚度、振动稳定性和时间稳定性等。

3．精度方面

精度是精密仪器最重要的技术指标之一，设计时必须保证精密仪器在正常工作条件下能够达到所要求的精度指标。例如有传感器的精度、工作台的运动精度、导轨的导向精度、控制系统的精度、转换电路的精度、运算精度等。

4．经济实用方面

精密仪器产品的经济性要求既是增加产品市场竞争力、赢得用户的需要，也是节约社会资源、提高社会效益的需要。提高产品的经济性是以寿命周期成本最低为目标的，要求组成精密仪器的机械、电子、光学零部件，能够最经济地被制造出来，使得零件的结构简单、工艺性好、价格低廉、实用性强。

5．外观方面

随着科技水平的提高，人们对产品外观的审美意识越来越强，尤其是新研发的各类仪器仪表。仪器外观品质的好坏，直接反映了一个企业的实力和对细节的注重，间接地反映了企业的生产状况及服务质量，还有可能影响到测量的效果。因此在设计精密仪器时应使其造型美观大方、色泽柔和，尤其要处理好一些细节的问题。2

发展趋势精密仪器的发展趋势可以概括为以下几个方面：

(1)精密仪器的结构向光机电整合方向发展

光机电整合本质上是一个高度跨领域整合的工程技术，包括机电整合、光电技术、光机整合乃至微机电或微光机电系统等几大领域，光电、机电或光机组件（或系统）皆是现代精密仪器的基本构成要素。

(2)精密仪器的尺寸向微型化方向发展

纳米级的精密机械研究成果、基因层次的生物学研究成果、新型微型传感器研究成果，以及特种功能材料研究成果不断涌现，为精密仪器向微型化方向发展提供了技术支持。

(3)精密仪器的通信向网络化方向发展

以Internet为代表的网络技术的出现以及与其他高新科技的互相融合，不仅已开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为精密仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，具备网络功能的新型精密仪器应运而生。

(4)精密仪器的功能向虚拟化方向发展

美国的National Instrument公司最先提出了“软件就是仪器”的设计思想，虚拟精密仪器技术突破了传统精密仪器的概念框架，得到了很快的发展。相比而言，虚拟精密仪器对被测量的处理和计算可以更复杂，速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，能更方便地存储和交换测试数据，价格低并且技术更新越来越快。

精密仪器的智能化和高科技化，必将成为未来精密仪器科技与产业发展的主流。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学