本书系统阐述了测控仪器设计的基本概念、设计要求和设计程序、总体设计阶段的任务分析方法、设计原则和设计原理。书中论述了创新思维与测控仪器设计发展的辩证关系；详细分析了测控仪器的精度设计方法、智能化设计方法、网络化设计及常用的光机电控等机构设计的方法。此外，本书还涵盖了仪器的工业化设计要点和测控仪器设计的伦理问题。本书注重多学科知识的交叉融合，通过大量新型和经典的测控仪器设计案例，将机械、光学、电子、误差分析等理论知识有机融入仪器设计实践，促进理论与工程应用的紧密结合。本书创新性地将仪器设计方法、创新思维与设计发展等内容，与测控仪器不同设计阶段的创新设计案例相结合，帮助读者在创新思维引领的框架下，深入理解并形成系统的测控仪器设计理念。 　　本书既可作为普通高校仪器、机械、电子、光电等相关专业的教材，也可供从事仪器仪表、计量、光学工程、机械工程、电子电气、自动化等方面工作的工程技术人员参考。 　　本书配有教学课件、教学大纲和习题答案，选用本书作教材的教师可登录www.cmpedu.com注册后下载，或发邮件至jinacmp@163.com索取。 　　

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目 录
第1章　测控仪器设计概论 1
1.1　测控仪器及其基本组成 1
1.1.1　测控仪器的基本概念 1
1.1.2　测控仪器的基本组成 3
1.2　测控仪器的基本特性和质量指标 6
1.2.1　静态特性 6
1.2.2　动态特性 7
1.2.3　测控仪器/系统的常用质量
指标 7
1.3　测控仪器的设计要求与设计程序 8
1.3.1　设计要求 8
1.3.2　设计程序 10
1.4　设计方法的发展状况与发展趋势 12
1.4.1　测控仪器的发展状况和发展趋势 13
1.4.2　测控仪器设计的发展概况 14
1.5　仪器设计与创新思维 15
1.5.1　创新与思维方式 15
1.5.2　仪器设计中常用的思维方法 16
1.6　计算机辅助设计方法概述 17
1.6.1　仪器计算机辅助设计开发环境 18
1.6.2　测控仪器的工程设计软件 19
1.6.3　测控仪器的数据库管理 20
思考题 20
第2章　测控仪器的总体设计 21
2.1　设计任务分析 21
2.1.1　设计任务 21
2.1.2　设计任务的分析内容 21
2.2　创新性设计 23
2.2.1　创新设计思维能力的培养 24
2.2.2　创新设计方法 24
2.3　测控仪器的设计原则 26
2.3.1　阿贝（Abbe）原则及其扩展 26
2.3.2　变形最小原则 32
2.3.3　测量链最短原则 39
2.3.4　坐标系基准统一原则 40
2.3.5　精度匹配原则 43
2.3.6　经济原则 43
2.4　测控仪器常用设计原理 44
2.4.1　平均读数原理 44
2.4.2　比较测量原理 48
2.4.3　补偿原理 52
2.4.4　共光路原理 54
2.5　测控仪器工作原理的选择和系统设计 56
2.5.1　传感器的选择与设计 56
2.5.2　标准量及其细分方法的选用 61
2.5.3　数据处理与显示装置的选取 63
2.5.4　运动方式与控制方式的确定 64
2.5.5　智能化设计与总线方式的选择 65
2.5.6　造型设计 71
2.6　仪器主要结构参数与技术指标的
确定 72
2.6.1　从精度要求出发确定仪器参数 72
2.6.2　从测量范围出发确定仪器参数 73
2.6.3　从误差补偿要求出发确定仪器
参数 75
2.6.4　从精度和分辨力出发确定仪器
参数 77
思考题 78
第3章　创新思维与测控仪器设计 80
3.1　创新思维及其在测控仪器发展中的
重要性 80
3.1.1　创新思维的定义与内涵 80
3.1.2　创新设计在测控仪器发展中的
重要性 81
3.2　测控仪器设计的创新思维活动 82
3.2.1　思维新模式与创新要求 83
3.2.2　传感器设计中体现的创新思维
活动 84
3.2.3　测控仪器原理设计中体现的创新
思维活动 88
3.2.4　仪器总体设计中体现的创新思维
活动 91
3.3　创新思维指导下的仪器创新设计案例
分析 96
3.3.1　面向薄壁件的坐标测量机测头方案
设计 96
3.3.2　机器视觉测量的创新方案设计 98
思考题 100
第4章　测控仪器的精度设计 101
4.1　仪器误差的来源与性质 101
4.1.1　原理误差 101
4.1.2　制造误差 105
4.1.3　运行误差 106
4.2　误差分析与综合计算方法 109
4.2.1　小误差独立作用原理 110
4.2.2　微分法 111
4.2.3　几何法 112
4.2.4　作用线与瞬时臂法 113
4.2.5　数学逼近法 120
4.2.6　其他方法 122
4.2.7　综合计算方法及示例 122
4.3　仪器精度指标的确定与误差分配
方法 128
4.3.1　仪器精度指标的确定 128
4.3.2　误差分配方法 131
4.4　误差控制对创新设计的要求 135
思考题 136
第5章　测控仪器的智能化设计 137
5.1　现代智能仪器概述 137
5.1.1　仪器智能化的发展历程 137
5.1.2　现代智能仪器的设计与实现 138
5.2　信号采集与智能传感器 139
5.2.1　信号采集系统的设计 139
5.2.2　智能传感器 140
5.2.3　基于智能传感器的仪器设计 142
5.3　智能化的数据处理与分析 145
5.3.1　数据预处理 145
5.3.2　数据预测与分析 150
5.3.3　模式识别与分类 153
5.4　仪器的智能故障诊断 155
5.4.1　故障诊断 155
5.4.2　常见故障诊断方法 155
5.5　自适应技术的应用 158
5.5.1　自适应技术概述 158
5.5.2　应用自适应技术的仪器设计 160
5.6　人工智能（AI）技术的应用 161
5.6.1　AI技术在仪器中的应用 162
5.6.2　应用AI的仪器设计 162
5.7　仪器智能化综合设计案例—智能环境
监测仪 163
5.7.1　仪器的功能与应用场景 163
5.7.2　仪器的结构与模块组成 163
5.7.3　仪器的智能化设计说明 164
思考题 170
第6章　测控仪器的网络化测控方法
设计 171
6.1　网络化测控系统的测量与设计方法 171
6.1.1　网络化测控系统 171
6.1.2　网络化测控系统的特点 172
6.1.3　网络化测控系统的实例 172
6.1.4　网络化测控系统的设计 173
6.1.5　典型的网络化测控系统 176
6.2　物联网技术及应用 181
6.2.1　物联网关键技术 181
6.2.2　物联网控制模式 182
6.2.3　物联网测控系统的实例 184
思考题 186
第7章　测控仪器常用机构的
设计方法 187
7.1　伺服系统设计 187
7.1.1　伺服系统的分类 187
7.1.2　伺服系统的指标与设计要求 187
7.1.3　伺服系统的设计步骤 188
7.1.4　伺服驱动装置的设计 189
7.1.5　伺服系统误差校正方案设计 196
7.1.6　伺服驱动控制器及应用设计 198
7.2　光电系统设计 202
7.2.1　光学设计、光机设计和
光电设计的含义 202
7.2.2　光电系统的主要特性参数 203
7.2.3　光电系统的设计原则 205
7.2.4　光源的选择与照明系统 209
7.2.5　光路系统设计 213
7.3　仪器设计中的抗干扰措施 225
7.3.1　电磁兼容 225
7.3.2　抑制干扰的措施 226
思考题 236
第8章　测控仪器的其他设计问题 237
8.1　仪器工业化设计的基础 237
8.1.1　仪器工业化设计的概念 237
8.1.2　仪器工业化设计的基本原则 244
8.2　仪器设计伦理 246
8.2.1　工程与技术 246
8.2.2　工程活动的特性 247
8.2.3　测控系统与仪器设计中的
伦理问题 248
8.2.4　现实场景下测控系统与仪器设计的
核心伦理问题 249
8.2.5　测控仪器设计伦理与创新设计的
关系 253
思考题 256
参考文献 257