* 反映了人类早期的认识和生活需求。现已发现公元前2500年使用天平的证据,而在普通贸易中使用天平的最早迹象是在公元前1350年。天平杆为木制,砝码则是用青铜做成的各类鸟兽形状。原始的计时器主要有影钟、水钟和水运天文台3种。公元前1450年,古埃及就有绿石板影钟。至公元14世纪,用以表示时间的唯一可靠的方法是日晷或影钟。 17～18世纪，欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计；利用光学透镜制成的望远镜，奠定了电学和光学仪器的基础。其它一些用于测量和观察的各种仪器也遂逐渐得到了发展。 19世纪，由于发明了测量电流的仪表，才使电学与磁学的研究迅速走上正轨，获得了一个又一个重大的发现，促进了电气时代的来临。 1.以蒸汽机的发明为标志，一种将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械，引起了18世纪的工业革命，人类进入了工业化时代。 1800年，英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机，这是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将机车不断改进，在1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，该机车拖带一节载有30位乘客的车厢，时速达46公里/时，引起了各国的重视，开创了铁路时代。 2.自从奥斯特1820发现了电流的磁效应,奥斯特做了六十多个实验，考察电流对磁针作用的强弱、电流对磁针的影响；并在1820年7月21日发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，向科学界宣布了电流的磁效应，揭开了电磁学的序幕，标志着电磁学时代的到来。 1831年8月26日，法拉第用伏打电池在给一组线圈通电（或断电）的瞬间，在另一组线圈获得的感生电流，称之为“伏打电感应”。同年10月17日，法拉第完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验，称之为“磁电感应”，并提出磁场的概念，实现了“磁生电”，创造电磁力学，设计了圆盘发电机，宣告了电气时代的到来，以电磁为核心的第一代电磁式仪器开始逐步走向成熟。 20世纪，由于威尔逊云室和众多核物理探测仪器的发明，人们才揭开了原子核反应神秘的面纱，逐渐展现出微观世界的真实图景，奠定了原子核物理学与日后原子能利用的基础。 21世纪，由于包括纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果，以及高精密超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新技术成果的竞相问世，使得仪器仪表领域发生了根本性的变革。促进了高科技化、智能化的新型仪器仪表时代的来临。 目前现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。 扫描隧道显微镜 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等； * [清华：国防定向、强军计划、宇航中心、医学院]；王雪－传感器、邓炎－虚拟仪器 * ? 为了获得更加功能化的微器件，微系统正在变得越来越复杂，制作难度也相应地增加。然而，由于工序过于复杂、工艺不兼容等原因，依赖传统的加工工艺获得复杂的整体三维器件非常困难。如果考虑把各零部件分别加工，再利用微装配技术进行组装，则可以在相对较低的成本下获得复杂的三维微结构，从而以较低的成本实现更加强大的功能。微装配的核心是微操纵技术。由于微器件的脆弱和微观物理学上的差异，以及缺乏高效灵巧的微操作器，微装配技术离实用化还有一定的距离。 ??? 除了用于微器件装配之外，微操作系统还可用于远程手术，生物细胞操作等。 研究内容 1. 微尺度下的力学行为，环境参数对微操纵的影响； 2. 粘附型的微操作器和机械夹持微操作器； 3. 远程自动微操纵系统； 4. 自动微操作系统中的摄像机定标技术，目标快速识别，移动路径规划 ? 为了获得更加功能化的微器件，微系统正在变得越来越复杂，制作难度也相应地增加。然而，由于工序过于复杂、工艺不兼容等原因，依赖传统的加工工艺获得复杂的整体三维器件非常困难。如果考虑把各零部件分别加工，再利用微装配技术进行组装，则可以在相对较低的成本下获得复杂的三维微结构，从而以较低的成本实现更加强大的功能。微装配的核心是微操纵技术。由于微器件的脆弱和微观物理学上的差异，以及缺乏高效灵巧的微操作器，微装配技术离实用化还有一定的距离。 ??? 除了用于微器件装配之外，微操作系统还可用于远程手术，生物细胞操作等。 研究内容 1. 微尺度下的力学行为，环境参数对微操纵的影响； 2. 粘附型的微操作器和机械夹持微操作器； 3. 远程自动微操纵系统； 4. 自动微操作系统中的摄像机定标技术，目标快速识别，移动路径规划 * 光在线s的时间间隔内行程的长度 * * 由于仪器结构上不够完善或仪器未经很好校准等原因会产生误差。例如，各种刻度尺的热胀冷缩，温度计、表盘的刻度不准确等都会造成误差。 由于实验本身所依据的理论、公式的近似性，或者对实验条件、测量方法的考虑不周也会造成误差。例如，热学实验中常常没有考虑散热的影响，用伏安法测电阻时没有考虑电表内阻的影响等。 由于测量者的生理特点，例如反应速度，分辨能力，甚至固有习惯等也会在测量中造成误差。 产生偶然误差的原因很多，例如读数时，视线的位置不正确，测量点的位置不准确，实验仪器由于环境温度、湿度、电源电压不稳定、振动等因素的影响而产生微小变化，等等，这些因素的影响一般是微小的，而且难以确定某个因素产生的具体影响的大小，因此偶然误差难以找出原因加以排除。 3、精密仪器发展状况 经过几十年的发展，我国仪器仪表行业基本构成了学科和产业体系，形成了一定规模。但产业规模仍然很小。 技术水平总体上看落后国外10多年。 中低档产品，国产仪器仪表大部分可以替代进口产品，但高档产品的精度一般相差1个数量级，可靠性相差1-2个数量级。 国外发展趋势 (1)科学仪器发展己成为国家战略措施 ——发达国家仪器发展,已从自发状态转到有意识、目标政府行为。 (2)最引人注目发展——生物、医学、材料、航天、环保、国防等直接关系人类生存和发展等领域[国防定向、强军计划、宇航中心、医学院] (3)仪器研制与生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化 ——利用现代微制造技术、纳米、计算机、仿生、新材料等高新技术研制新式仪器已成主流，如微型全化学分析系统、微型实验室、生物芯片、芯片实验室等。 (4)测试仪器网络化 ——多仪器联网、虚拟仪器等新技术开始实用化 。 3、精密仪器发展状况 仪器分类相当复杂，目前尚无统一的分类方法! ！ 4、精密仪器分类 计量仪器 被测量 真实数值 计量标准 比较 大尺寸、微尺寸、角度、热、光等 导出量，如速度、加速度等 物理量 工具显微镜、电感(电容)测微仪、表面形貌仪、 光电光波比较仪、压力计、原子钟、色度计、 电子隧道加速度计等。 举例 计量院 4、精密仪器分类 自准直仪 ：常用于测量导轨的直线度、平板的平面度(这时称为平面度测量仪)等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。光电自准直仪多应用于航空航天、船舶、军工等要求精密度极高的行业，例如机械加工工业的质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度测试标准 、棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等 4、精密仪器分类 非计量仪器——观察、显示、记录以及控制与分析等。 如：显微镜、望远镜、夜视仪、 监视器、显示器、电子电位差计、 流量指示计、 X-Y坐标记录仪、 打印设备、分析仪以及 自动化生产 调节器。 4、精密仪器分类 扫描隧道显微镜 纳米算盘 原子操作 硅表面 STM 利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。其分辨率可达原子水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，可观察大分子和生物膜的分子结构。 4、精密仪器分类 AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。 4、精密仪器分类 原子力显微镜 AFM AFM的原理： 当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息 4、精密仪器分类 工业自动化仪表与控制系统——指工业，特别是流程产业生产过程中应用的各类检测仪表、执行机构与自动控制系统装置； 科学仪器——指应用于科学研究、教学实验、计量测试、环境监测、质量和安全检查等各方面仪器仪表； 电子与电工测量仪表——指低频、高频、超高频、微波等各频段测试计量专用和仪器仪表； 医疗仪器——指用于生命科学研究和临床诊断治疗的仪器； 各类专用仪器——指农业、气象、水文、地质、海洋、核工业、航空、航天等各领域应用的专用仪器； 传感器与仪器仪表元器件及材料 现代仪器仪表虽然作大致分类，实际存在许多交叉，比如农业所用大量仪器都是科学仪器。 ！ 4、精密仪器分类 微器件装配系统 5、精密仪器组成 5、精密仪器组成 微器件装配系统 CCD 立体显微镜 微器件 吸附台 微动台 精密工作台 底座 微器件 夹持系统 驱 动 系 统 图 像 采 集 卡 微机 监视器 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 5、精密仪器组成 工作流程 微装配器件由立体显微镜成像到CCD摄像机靶面上，并传送到微机中。 微机经过数字信号处理，得到装配器件的当前位姿信息 从位姿信息中提取驱动系统所需的定位参量数据 控制工作台和微夹持器，完成最终装配任务。 CCD 立体显微镜 微器件 吸附台 微动台 精密工作台 底座 微器件 夹持系统 驱 动 系 统 图 像 采 集 卡 微机 监视器 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 5、精密仪器组成 1、基准部件:测量的过程是一个被测量与标准量的比较过程，标准量与其相应的装置一起称为基准部件。 光栅 5、精密仪器组成 2、感受转换部件：作用是感受被测量 接触式 非接触式 CCD 5、精密仪器组成 3、转换放大部件：将感受转换来的微小信号通过各种原理进行转换和放大，成为观察者直接接收的信息。 4、瞄准部件：用来确定被测物的位置（零位） 5、处理与计算部件 5、精密仪器组成 6、显示部件：作用是显示测量结果 7、驱动控制部件：用来驱动测控系统中的运动部件 8、机械结构部件：用于对被测件、传感器和标准器进行定位 6、精密仪器设计的指导思想与程序 一、设计的指导思想 精度 一般仪器的测量误差取被测件公差的1/3，有时取被测件公差的1/5或1/10。 经济性 一般说来，设计仪器时，以经济性为主要设计依据，同时兼顾被测件批量的大小、要求的效率等因素。 效率 一般情况下，测量或检验效率应与生产制造效率相适应。 可靠性 一种产品在一定时间内和一定条件下，不出故障地发挥其规定功能的概率。 寿命 造型 6、精密仪器设计的指导思想与程序 设计程序 确定仪器任务 调查研究国内外同类产品、性能和特点技术指标 对设计任务进行分析，制定设计任务书 6、精密仪器设计的指导思想与程序 总体方案设计 分析实现功能 确定信号转换原理与流程 确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型 确定主要参数 评价技术经济 总体方案设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策。投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架飞机大约80%的全寿命周期成本。 6、精密仪器设计的指导思想与程序 技术设计 总体结构设计 部件设计 零件设计 精度计算 技术经济评价 编写包括分析和计算的设计说明书 6、精密仪器设计的指导思想与程序 制造样机、样机鉴定 制造样机，进行产品试验，发现问题及时修改设计。 批量投产 飞机在试飞车间 6、精密仪器设计的指导思想与程序 这个原子钟据说是世界上最小的仪表之一，一般用在人造卫星上做时间定位系统。Block II 和Block IIA 卫星一般都准备两个以铯和铷为元素的原子钟。 。NIST-F1，美国的标准原子钟称为NIST-F1，三千万年才会误差一秒种。但是NIST-F1原子钟体积较大，要占地3.7立方米，耗电功率达500 * 图1是用于敏感旋转载体横滚（或俯仰）角速率的硅微机械陀螺结构图，1为单晶硅质量，2为单晶硅弹性扭转支撑梁，3为玻璃电极极板，4为玻璃电极极板上蒸镀的金属电极。玻璃极板和质量之间的间隙为20μm，玻璃板的四个电极和质量之间形成四个电容器。坐标系OXYZ固定于陀螺的质量上， ?为质量沿OY轴的摆动角速度，φ为载体的旋转角速度， Ω为载体的横滚（或俯仰）角速度（即被测角速度）。陀螺固定于旋转载体上，当旋转载体以φ 角速度旋转的同时又有横滚（或俯仰）角速度Ω 输入时，单晶硅质量就受到周期性变化的哥氏力（哥氏力变化频率为载体旋转频率）作用，使质量产生沿OY轴摆动，从而引起由单晶硅质量和玻璃电极构成的四个电容器C1 、C2、C3、C4 的变化，把电容变化信号转换成电压变化信号之后经放大，便得到和被测角速率Ω 成比例的电压信号。 当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。如右图。 在三维直角坐标系统内测量长度的仪器.将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。 “航天清华”卫星在离地球600～800千米高的太阳同步轨道上运行。它可以进行存储转发式的通信，或进行定点实时通信，特别适用于无地面网络的地区使用，在数据采集、远程教育等方面有着独特优势。它不仅可以进行光学成像观测，还可以用于环境、资源、水文、地理勘察和气象观测、科学实验等多种用途。除具备以上用途外，它也具有发射入轨后再上载软件的能力，可随时通过上载新的软件改变卫星的任务，并能修正高能粒子对电脑芯片辐射而导致的程序突变问题，提出并开展了“软件卫星”的概念研究。 * * 研究生课程：《科技写作与实践》 * 材料系－狭缝仪器问题咨询；说明仪器设计的重要性 * * * 钱伟长“飞机要飞上天，离开了航空仪表就飞不起来”；炼钢－不能再单纯靠眼睛观测 精 密 测试（仪器） 一、课程概论 精密仪器基本概念 精密仪器研究意义 精密仪器发展状况 精密仪器分类 精密仪器组成 精密仪器设计的指导思想与程序 精密仪器举例 微型飞行器 机载微型计算机 陀螺仪 磁强计 GPS 空速计 高度计 加速度计 推进 动力 升 降 舵 方 向 舵 摄 像 机 降 落 伞 通 信 精密仪器举例 原子钟 精密仪器举例 微机械陀螺仪 精密仪器举例 三坐标测量机 精密仪器举例 航天卫星 表面形貌（轮廓）测量仪 精密仪器举例 表面形貌（轮廓）测量仪 测量电容的容值有哪些方法？ 二、教学安排 教学目的与要求 课程内容 教学环节 学习方法 考核方式 《精密测试》是以设计为主的专业课。 (1)综合运用已学基础理论知识，掌握 光-机-电-算 相结合的现代仪器仪表设计理论与方法； (2)初步具有正确估算和分析仪器精度的能力； (3)科技文献检索与分析概述能力（调研、讨论）； (4)培养独立的设计能力（方法、创新）； (5)了解国内外精密仪器学术动态和最新成就。 1、教学目的与要求 2、教学安排 参考书—— 《现代精密仪器设计》李玉和、郭阳宽编著， 清华大学出版社，2014.07 ——内容新、全，清华大学教材 《测控仪器设计》浦昭邦、刘庆纲主编，机械工业出版社，2014.12 ——内容新、全，哈尔滨工业大学教材 《现代仪器仪表技术与设计》王大珩主编 ，科学出版社， 2001.01 ——内容较新、非常全 讲授、自学 课程设计、作业 讨论、答疑 STM： 结构 工作原理 具体应用 陀螺仪：结构 工作原理 具体应用 3、教学环节 (1) 本课程以设计为主，综合应用学过各种基础理论知识（光-机-电-算）； (2) 知识新、面宽，即信息量比较大； ——注意国内外学术动态，多参考期刊、杂志文章（课程设计）。 (3) 做好习题与讨论 ? 基础知识的复习和巩固； ? 设计类型课题——比较灵活、条件由自己定，这样增大了难度，很多同学感到无从下手，因此要掌握设计要求和特点。 ? 通过讨论和报告可深化理解； 4、学习方法 成绩评定—— 平时成绩（30%）、课程设计（70%） ！ 5、考核方式 仪器仪表——是用来对物质(自然界)实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与装置的总称，是一种 获取信息 的手段。 工程科学组 仪器科学与技术学科 精密仪器与机械 从学科角度——自然科学、工程技术领域 仪器≠机器≠机械 ！ 精密仪器——仪器仪表的重要组成部分。 精密仪器——测量各种物理量所用的高精度、高分辨率的仪器仪表。 『长度、热工、电磁、光学、时间、频率等 』 1、精密仪器基本概念 现代仪器仪表——信息系统体现，包括信息获取、处理、转换、传递、控制和应用的全过程。 信息获取 信息处理 信息转换 信息利用 自然界 实质 具有多种功能的高科技系统设备 1、精密仪器基本概念 精密仪器——当代科技重要组成部分，自动化、智能化高科技的灵魂。 社会信息化发展，需要各种仪器获取信息，处理信息，因此仪器仪表是不可缺少重要部门。 航空航天（宇宙飞船的发射与控制、人造卫星中的仪器）； 汽车工业（设计、加工制造）； 重型工业（检测与控制）； 电力工业（大型电站的监控）； 生物工程（人体各种疾病诊断与分析，B超、CT、核磁共振等）； 农业（各种病虫害检测与分析、蔬菜农药检测）； 日常生活（照相、录像、计算机普遍化）； …… “卡脖子”产业 2、精密仪器研究意义 (1)促进当代生产主流环节, 国家综合国力的重要标志 ——现代化宝钢技术装备投资经费中, 1/3用于购置仪器和自控系统 ——制酒工业，今天也需仪器仪表严格控制温度、流程才能创出名牌 ——美国国家标准技术研究院 (NIST) 统计, 为质量认证和控制, 每天要完成 2.5 亿个检测, 占国民生产总值(GNP) 3.5% ——美国商业部国家标准局 (NBS)90年代报告: 仪器仪表工业总产值只占工业总产值 4%, 但它对国民经济(GNP)影响达66% － “倍增器” “物化法官”——产品质量，环境污染，服违禁药物，指纹，假钞，刑事案件等，无一不依靠仪器仪表 “判定”。此外，教学实验，气象预报，大地测绘，交通指挥，探测灾情，尤其诊治疾病等社会领域都有广泛应用， “吃穿用、农轻重、海陆空”无所不在。 2、精密仪器研究意义 (2)先进科学仪器——知识创新和技术创新的前提和主体内容－“先行官“ ——电子显微镜SEM、CT断层扫描仪、 X射线物质结构分析仪、光学相衬显微镜、 扫描隧道显微镜(STM) ； --近80年来获诺贝尔奖同科学仪器有关的达到38人。 --诺贝尔奖获得者R.R.Ernse：“现代科学进步越来越依靠尖端仪器的发展。” --基因测量仪器问世，使世界基因研究计划提前6年完成。 2、精密仪器研究意义 (3)国防装备－“战斗力“ ——1991年海湾战争美国精密制导炸弹和导弹占8%，12年后伊拉克战提高90%以上, 靠一系列先进仪器仪表系统装备实现。 ——1994年美国国防部成立了“自动测试系统执行局”，统一海路空测试技术，保证立体作战有效实施。现代武器装备无一不配备先进的测量控制仪器仪表。 2、精密仪器研究意义 仪器不是单纯精密机械，也不是单纯精密机械 + 光学，而是 机、电、光、计算机、材料、物理、化学、生物等先进技术高度综合的高技术。 ！ (4)信息行业——源头技术 ——世界正从工业化时代进入信息化时代,向知识经济时代迈进；仪器作用主要是获取信息,作为智能行动的依据 ； ——“信息技术由测试技术、计算机技术、通讯技术三部分组成，而测试技术则是关键和基础” （钱学森） ——美国商务部1999年报告在关于新兴数字经济提出，信息产业包括计算机软硬件行业、通信设备制造及服务行业、仪器仪表行业。 2、精密仪器研究意义 人类最早的度量器具是称重器和计时器. 3、精密仪器发展状况 古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。 3、精密仪器发展状况 15世纪后期,随着自然科学的发展,早期的科学仪器也以不同的背景和形式逐渐形成,主要有光学仪器、温度计、摆钟等。 1590年左右,荷兰人扎哈里那斯·詹森制造了第一个非常精确的显微镜。 伽利略在他早期的实验中,用玻璃管制成了空气温度计。 3、精密仪器发展状况 到了18世纪初，由于科学研究和科学课堂的需求，制造者们开始设计和生产标准的仪器和配件；仪表工匠与其它专业制造者联合起来，制造了光学、气动、磁力和电力等方面的仪器，从此将仪器与仪表正式结合起来，使仪器仪表融为一体，成为一个专门的学科。 3、精密仪器发展状况 3、精密仪器发展状况 50年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世。20世纪50年代后期，人们开始将其运用到对工业生产的量化以及对生产设计精度的提高。 60年代中期，测量技术又一次取得了进展，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化。在20世纪60年代初，精密仪器的词语开始出现在人们的眼中。 3、精密仪器发展状况 3、精密仪器发展状况 21世纪，仪器仪表与测量科学进一步取得重大的突破性进展。这个进展的主要标志是仪器仪表高科技化、智能化程度的提高。 3、精密仪器发展状况 我国的精密仪器发展现状 在20世纪60年代后期，因为在以前国家一直提倡“重主机、轻工具”的战略思想，这使得国内量具量仪的发展环境一度十分困难，一些主要的测量仪器厂甚至撤消了其精密量具量仪车间。 20世纪90年代以来的跨越式发展。 这个原子钟据说是世界上最小的仪表之一，一般用在人造卫星上做时间定位系统。Block II 和Block IIA 卫星一般都准备两个以铯和铷为元素的原子钟。 。NIST-F1，美国的标准原子钟称为NIST-F1，三千万年才会误差一秒种。但是NIST-F1原子钟体积较大，要占地3.7立方米，耗电功率达500 * 图1是用于敏感旋转载体横滚（或俯仰）角速率的硅微机械陀螺结构图，1为单晶硅质量，2为单晶硅弹性扭转支撑梁，3为玻璃电极极板，4为玻璃电极极板上蒸镀的金属电极。玻璃极板和质量之间的间隙为20μm，玻璃板的四个电极和质量之间形成四个电容器。坐标系OXYZ固定于陀螺的质量上， ?为质量沿OY轴的摆动角速度，φ为载体的旋转角速度， Ω为载体的横滚（或俯仰）角速度（即被测角速度）。陀螺固定于旋转载体上，当旋转载体以φ 角速度旋转的同时又有横滚（或俯仰）角速度Ω 输入时，单晶硅质量就受到周期性变化的哥氏力（哥氏力变化频率为载体旋转频率）作用，使质量产生沿OY轴摆动，从而引起由单晶硅质量和玻璃电极构成的四个电容器C1 、C2、C3、C4 的变化，把电容变化信号转换成电压变化信号之后经放大，便得到和被测角速率Ω 成比例的电压信号。 当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。如右图。 在三维直角坐标系统内测量长度的仪器.将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。 “航天清华”卫星在离地球600～800千米高的太阳同步轨道上运行。它可以进行存储转发式的通信，或进行定点实时通信，特别适用于无地面网络的地区使用，在数据采集、远程教育等方面有着独特优势。它不仅可以进行光学成像观测，还可以用于环境、资源、水文、地理勘察和气象观测、科学实验等多种用途。除具备以上用途外，它也具有发射入轨后再上载软件的能力，可随时通过上载新的软件改变卫星的任务，并能修正高能粒子对电脑芯片辐射而导致的程序突变问题，提出并开展了“软件卫星”的概念研究。 * * 研究生课程：《科技写作与实践》 * 材料系－狭缝仪器问题咨询；说明仪器设计的重要性 * * * 钱伟长“飞机要飞上天，离开了航空仪表就飞不起来”；炼钢－不能再单纯靠眼睛观测 * 反映了人类早期的认识和生活需求。现已发现公元前2500年使用天平的证据,而在普通贸易中使用天平的最早迹象是在公元前1350年。天平杆为木制,砝码则是用青铜做成的各类鸟兽形状。原始的计时器主要有影钟、水钟和水运天文台3种。公元前1450年,古埃及就有绿石板影钟。至公元14世纪,用以表示时间的唯一可靠的方法是日晷或影钟。 17～18世纪，欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计；利用光学透镜制成的望远镜，奠定了电学和光学仪器的基础。其它一些用于测量和观察的各种仪器也遂逐渐得到了发展。 19世纪，由于发明了测量电流的仪表，才使电学与磁学的研究迅速走上正轨，获得了一个又一个重大的发现，促进了电气时代的来临。 1.以蒸汽机的发明为标志，一种将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械，引起了18世纪的工业革命，人类进入了工业化时代。 1800年，英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机，这是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将机车不断改进，在1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，该机车拖带一节载有30位乘客的车厢，时速达46公里/时，引起了各国的重视，开创了铁路时代。 2.自从奥斯特1820发现了电流的磁效应,奥斯特做了六十多个实验，考察电流对磁针作用的强弱、电流对磁针的影响；并在1820年7月21日发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，向科学界宣布了电流的磁效应，揭开了电磁学的序幕，标志着电磁学时代的到来。 1831年8月26日，法拉第用伏打电池在给一组线圈通电（或断电）的瞬间，在另一组线圈获得的感生电流，称之为“伏打电感应”。同年10月17日，法拉第完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验，称之为“磁电感应”，并提出磁场的概念，实现了“磁生电”，创造电磁力学，设计了圆盘发电机，宣告了电气时代的到来，以电磁为核心的第一代电磁式仪器开始逐步走向成熟。 20世纪，由于威尔逊云室和众多核物理探测仪器的发明，人们才揭开了原子核反应神秘的面纱，逐渐展现出微观世界的真实图景，奠定了原子核物理学与日后原子能利用的基础。 21世纪，由于包括纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果，以及高精密超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新技术成果的竞相问世，使得仪器仪表领域发生了根本性的变革。促进了高科技化、智能化的新型仪器仪表时代的来临。 目前现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。 扫描隧道显微镜 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等； * [清华：国防定向、强军计划、宇航中心、医学院]；王雪－传感器、邓炎－虚拟仪器 * ? 为了获得更加功能化的微器件，微系统正在变得越来越复杂，制作难度也相应地增加。然而，由于工序过于复杂、工艺不兼容等原因，依赖传统的加工工艺获得复杂的整体三维器件非常困难。如果考虑把各零部件分别加工，再利用微装配技术进行组装，则可以在相对较低的成本下获得复杂的三维微结构，从而以较低的成本实现更加强大的功能。微装配的核心是微操纵技术。由于微器件的脆弱和微观物理学上的差异，以及缺乏高效灵巧的微操作器，微装配技术离实用化还有一定的距离。 ??? 除了用于微器件装配之外，微操作系统还可用于远程手术，生物细胞操作等。 研究内容 1. 微尺度下的力学行为，环境参数对微操纵的影响； 2. 粘附型的微操作器和机械夹持微操作器； 3. 远程自动微操纵系统； 4. 自动微操作系统中的摄像机定标技术，目标快速识别，移动路径规划 ? 为了获得更加功能化的微器件，微系统正在变得越来越复杂，制作难度也相应地增加。然而，由于工序过于复杂、工艺不兼容等原因，依赖传统的加工工艺获得复杂的整体三维器件非常困难。如果考虑把各零部件分别加工，再利用微装配技术进行组装，则可以在相对较低的成本下获得复杂的三维微结构，从而以较低的成本实现更加强大的功能。微装配的核心是微操纵技术。由于微器件的脆弱和微观物理学上的差异，以及缺乏高效灵巧的微操作器，微装配技术离实用化还有一定的距离。 ??? 除了用于微器件装配之外，微操作系统还可用于远程手术，生物细胞操作等。 研究内容 1. 微尺度下的力学行为，环境参数对微操纵的影响； 2. 粘附型的微操作器和机械夹持微操作器； 3. 远程自动微操纵系统； 4. 自动微操作系统中的摄像机定标技术，目标快速识别，移动路径规划 * 光在线s的时间间隔内行程的长度 * * 由于仪器结构上不够完善或仪器未经很好校准等原因会产生误差。例如，各种刻度尺的热胀冷缩，温度计、表盘的刻度不准确等都会造成误差。 由于实验本身所依据的理论、公式的近似性，或者对实验条件、测量方法的考虑不周也会造成误差。例如，热学实验中常常没有考虑散热的影响，用伏安法测电阻时没有考虑电表内阻的影响等。 由于测量者的生理特点，例如反应速度，分辨能力，甚至固有习惯等也会在测量中造成误差。 产生偶然误差的原因很多，例如读数时，视线的位置不正确，测量点的位置不准确，实验仪器由于环境温度、湿度、电源电压不稳定、振动等因素的影响而产生微小变化，等等，这些因素的影响一般是微小的，而且难以确定某个因素产生的具体影响的大小，因此偶然误差难以找出原因加以排除。

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