仪器设计技术基础(清华大学测控技术与仪器系列教材)

本书共分为6章，主要内容包括：仪器设计技术概论、传感器与执行器技术、仪器电路设计与系统集成技术、仪器精度理论与精度设计、仪器可靠性设计、人机工程学设计基础。为了让读者了解和掌握仪器设计技术，并逐渐形成仪器设计能力和提高仪器创新设计本领，本书采用理论和实际相结合的方法，融合了仪器设计领域的最新原理和最新技术，系统地介绍了现代仪器设计技术人员应该具备和掌握的专业技术基本概念、设计技术基础知识以及相应的仪器设计理论和方法。 本书是以作者在清华大学精密仪器系讲授“精密仪器设计技术基础”的教学大纲与授课课件为基础整理编写而成，可作为高等院校仪器、测控、自动化、信息、机械、机电一体化等专业的本科生教材，也可供相关专业技术领域的研究生和有关工程技术人员参考。

1 仪器设计技术概论 1.1 仪器技术的社会作用与重要地位 1.1.1 仪器技术在认识世界方面的重要作用 1.1.2 仪器技术在改造世界方面的重要作用 1.1.3 仪器技术在国民经济方面的重要作用 1.1.4 仪器技术在社会保障方面的重要作用 1.1.5 仪器技术在国防安全方面的重要作用 1.2 现代仪器设计技术的研究现状与发展趋势 1.3 仪器的基本构成及其概念 1.4 仪器设计技术简介 思考题 2 传感器与执行器技术 2.1 传感器与执行器的技术特性指标 2.1.1 传感器的主要技术特性指标 2.1.2 执行器的主要技术特性指标 2.2 光电效应及光电传感器的设计 2.2.1 外光电效应及其传感器技术 2.2.2 内光电效应及其传感器技术 2.2.3 阵列式光电图像传感器 2.2.4 结构型光电传感器的设计 2.2.5 光纤传感器的设计 2.3 磁效应及其传感器技术 2.3.1 磁光效应及其传感器技术 2.3.2 磁电效应及其传感器技术 2.3.3 磁致伸缩效应及其应用 2.3.4 核磁共振效应及其传感器技术 2.3.5 超导量子效应及其传感器技术 2.4 机电效应及其传感器的设计 2.4.1 压电效应及其传感器技术 2.4.2 压阻效应及其传感器技术 2.4.3 结构型电路特征参数传感技术 2.4.4 机械谐振效应及其传感器技术 2.5 声波效应及其传感器技术 2.5.1 声敏传感器技术 2.5.2 超声波时延测量技术 2.5.3 声波多普勒效应及其传感器技术 2.5.4 超声回波扫描测量技术及其传感器设计 2.5.5 声学显微测量技术及其传感器设计 2.5.6 声表面波效应及其传感器设计 2.6 其他基础效应及其传感器技术 2.6.1 热电效应及其传感器设计 2.6.2 半导体效应及其传感器设计 2.6.3 隧道效应及其传感器设计 2.6.4 射线测量及其传感器技术 2.6.5 生物化学效应及其传感器技术 2.7 执行技术及执行器设计 2.7.1 电磁力效应及电磁执行器技术 2.7.2 逆压电效应及其执行器技术 2.7.3 磁致伸缩效应及其执行器技术 2.7.4 光学执行器技术 思考题 3 仪器电路设计与系统集成技术 3.1 模拟信号处理电路的设计 3.1.1 模拟信号的基本运算电路的设计 3.1.2 测量转换电路的设计 3.1.3 仪器放大电路的设计 3.1.4 滤波电路的设计 3.1.5 信号调制解调电路的设计 3.2 数字信号处理电路的设计 3.2.1 单片机电路的设计 3.2.2 FPGA和CPLD电路 3.3 仪器通信接口电路的设计 3.3.1 同步串行通信接口 3.3.2 异步串行通信接口 3.3.3 CAN总线技术 3.3.4 USB总线技术 3.3.5 仪器专用总线技术 3.4 仪器系统集成技术 3.4.1 独立式仪器集总集成方法 3.4.2 分布式仪器总线集成方法 思考题 4 仪器精度理论与精度设计 4.1 仪器精度的基本概念 4.1.1 测量误差表征方法 4.1.2 测量不确定度表征方法 4.1.3 测量不确定度与测量误差的关系 4.2 测量误差的基本性质 4.2.1 随机误差的特性 4.2.2 系统误差特性与仪器标定 4.2.3 粗大误差特性及其剔除方法 4.3 测量误差的传递与仪器精度设计 4.3.1 测量误差的合成原理 4.3.2 误差分配与仪器精度设计 4.4 最小二乘法与回归分析方法 4.4.1 最小二乘法最优估计原理 4.4.2 回归分析方法 思考题 5 仪器可靠性设计 5.1 可靠性特征参数与技术指标 5.1.1 可靠性概率技术指标 5.1.2 可靠性寿命技术指标 5.1.3 产品寿命的典型分布特征 5.2 系统可靠性模型与可靠性预测 5.2.1 可靠性系统模型 5.2.2 串联系统的可靠性预测方法 5.2.3 并联冗余系统的可靠性预测方法 5.2.4 r/n并联表决系统的可靠性预测方法 5.2.5 非工作储备系统的可靠性预测方法 5.2.6 复杂系统的可靠性预测方法 5.3 系统可靠性分配与设计 5.3.1 平均分配设计原则 5.3.2 按相对失效率比分配的设计原则 5.3.3 AGREE分配设计原则 5.3.4 花费最小的设计原则 5.4 提高系统可靠性的方法 5.4.1 元件和零部件的质量控制 5.4.2 降额设计方法 5.4.3 简化设计方法 5.4.4 冗余设计方法 5.4.5 耐环境设计 5.4.6 硬件抗干扰设计 5.4.7 软件可靠性设计 5.4.8 包装和运输设计 思考题 6 人机工程学设计基础 6.1 人的特性研究 6.1.1 人体静态特征参数 6.1.2 人体动态特征参数 6.1.3 人体肢体活动的力量范围 6.1.4 肢体动作的灵活性和准确性 6.1.5 人体的信息感知特性 6.2 人-机系统的设计 6.2.1 仪器显示面板的布局设计 6.2.2 仪器控制台的布局设计 6.3 人与环境的关系研究 6.3.1 热环境对人的影响 6.3.2 光环境对人的影响 6.3.3 声环境对人的影响 6.3.4 振动环境对人的影响 6.3.5 有毒环境对人的影响 6.4 人-机-环境的关系 思考题 附录A 标准正态分布密度函数表 附录B 标准正态分布积分表 附录C Γ函数表 参考文献