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出版者:

作者:謝宗安 編

出品人:

頁數:256

译者:

出版時間:1996-6

價格:21.00元

裝幀:

isbn號碼:9787562411093

叢書系列:

圖書標籤:

• 自動控製
• 控製係統
• 自動化
• 反饋控製
• 係統工程
• 控製理論
• 工程控製
• 過程控製
• 機器人控製
• 現代控製

《精密儀器設計與製造：原理、實踐與創新》 一、 引言：精工細作，鑄就非凡 在這個科技日新月異的時代，精密儀器扮演著不可或缺的角色，它們是科學研究的眼睛，是工業生産的脈搏，是醫療診斷的基石，更是我們認知世界、改造世界的重要工具。從納米尺度的光學顯微鏡到宏觀宇宙的射電望遠鏡，從微創手術的精細器械到大氣監測的高靈敏傳感器，精密儀器的每一次技術飛躍都推動著人類文明嚮前邁進。本書《精密儀器設計與製造：原理、實踐與創新》旨在為讀者提供一個全麵、深入且具有前瞻性的視角，探究精密儀器的核心設計理念、嚴謹的製造流程、關鍵的技術挑戰以及麵嚮未來的創新發展趨勢。我們不隻是講解理論，更注重將理論付諸實踐，通過豐富的案例分析和前沿技術探討，激發讀者在精密儀器領域的探索熱情與創新能力。 二、 第一篇：精密儀器設計基礎——構築卓越之基 本篇將從根本上剖析精密儀器設計的核心要素，為讀者建立起紮實的理論框架。 1. 精密儀器的定義、分類與發展曆程： 定義與特徵： 詳細闡述精密儀器的定義，強調其高精度、高靈敏度、高可靠性、良好的穩定性和響應速度等關鍵特徵。分析不同應用領域對儀器性能提齣的特殊要求，例如醫療器械的生物相容性與安全性，科學儀器的可重復性與溯源性，工業測量儀器的實時性與耐用性等。 分類體係： 梳理精密儀器多樣化的分類方法，包括按功能（測量、控製、分析、成像等）、按工作原理（光學、電學、機械、聲學、核磁共振等）、按應用領域（科研、工業、醫療、軍事、航空航天等）進行詳細介紹。通過具體的儀器實例，例如掃描電子顯微鏡、高精度數控機床、核磁共振成像儀（MRI）、激光乾涉儀等，來形象地說明不同分類的內涵。 發展曆程與關鍵裏程碑： 迴顧精密儀器從古代簡單測量工具到現代復雜係統的演變過程。重點介紹科學革命、工業革命、信息技術革命以及微納技術、量子技術等對精密儀器發展産生的顛覆性影響。分析曆史上具有裏程碑意義的儀器發明及其帶來的科學突破或産業變革。 2. 精密測量與傳感技術： 測量基本原理與誤差分析： 深入講解各種測量原理，包括直接測量、間接測量、比較測量、微分測量等。詳細闡述測量誤差的來源（係統誤差、隨機誤差、過失誤差），以及誤差的傳播、纍積與補償方法。介紹統計學在誤差分析與數據處理中的應用，例如最小二乘法、置信區間等。 關鍵傳感技術： 聚焦當下主流和前沿的傳感技術。 光學傳感器： 介紹光電傳感器、CCD/CMOS圖像傳感器、激光傳感器、光譜傳感器等的工作原理、性能指標（靈敏度、分辨率、響應時間）及應用。 電學傳感器： 講解電阻式、電容式、電感式、霍爾效應傳感器、壓電效應傳感器等。 力學與熱學傳感器： 討論應變片、力傳感器、加速度計、陀螺儀、熱電偶、紅外傳感器等。 化學與生物傳感器： 介紹電化學傳感器、光學化學傳感器、錶麵等離子體共振（SPR）傳感器、生物芯片等。 先進傳感技術： 探討MEMS（微機電係統）傳感器、納米傳感器、量子傳感器（如原子鍾、量子磁力計）等在提高精度、減小尺寸、降低功耗方麵的優勢。 傳感器的選擇與集成： 提供如何根據測量對象、精度要求、環境條件、成本預算等因素選擇閤適的傳感器，以及傳感器信號的采集、預處理和數字化方法。 3. 精密運動控製與驅動技術： 運動學與動力學基礎： 迴顧機器人學、機械動力學等相關理論，為理解精密運動控製打下基礎。 驅動技術： 詳細介紹各種精密驅動器： 電動機： 直流電機、交流電機、步進電機、伺服電機（直流伺服、交流伺服）的工作原理、特點、選型依據及調速控製方法。 壓電陶瓷驅動器： 講解其微位移、高精度、快速響應的特點，以及在納米定位、精密振動控製中的應用。 液壓與氣動伺服： 分析其在大力矩、高速響應領域的優勢。 直綫電機： 介紹其無機械損耗、高精度、高速度的特性。 精密定位與軌跡規劃： 討論如何實現亞微米級乃至納米級的定位精度。介紹運動學逆解、前嚮解，以及直綫、圓弧、麯綫等復雜軌跡的規劃算法。 反饋控製係統： 講解PID（比例-積分-微分）控製器、模糊邏輯控製器、自適應控製器等在提高係統精度、穩定性和動態響應方麵的應用。重點闡述閉環控製係統的構成、原理及參數整定方法。 4. 光學係統設計與成像原理： 幾何光學基礎： 介紹光綫的傳播、反射、摺射、成像基本定律，以及透鏡、反射鏡等光學元件的光學特性。 物理光學概念： 闡述光的乾涉、衍射、偏振等現象及其在精密測量和成像中的應用。 成像係統設計： 講解顯微鏡、望遠鏡、相機、投影儀等成像係統的構成要素（物鏡、目鏡、成像介質），像差的種類（球差、色差、像散、場麯、畸變）及其校正方法。 光機設計： 討論光學元件的固定、對準、調焦等機械設計要點，以及如何保證光學係統的穩定性和抗振性。 先進成像技術： 介紹共聚焦顯微鏡、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子分子成像等前沿技術。 5. 精密機械結構設計與材料選擇： 結構設計原則： 強調剛度、穩定性、精度、減振、熱穩定性、可靠性、可維護性等關鍵設計原則。 典型精密機械結構： 分析傳動機構（齒輪、絲杠、連杆）、導嚮機構（直綫導軌、交叉滾子導軌）、連接與支撐結構的設計要點。 材料科學在精密儀器中的應用： 詳細介紹適用於精密儀器的材料，包括： 金屬材料： 不銹鋼、鋁閤金、銅閤金、鈦閤金、特種閤金（如因瓦閤金、超因瓦閤金）等，分析它們的機械性能、熱膨脹係數、耐腐蝕性、加工性等。 非金屬材料： 陶瓷（氧化鋁、氧化鋯、氮化矽）、聚閤物（工程塑料、高性能樹脂）、復閤材料等，探討它們的絕緣性、耐磨性、低密度、低介電常數等特性。 光學材料： 各種玻璃（冕牌、火石）、石英、晶體（氟化鈣、藍寶石）等，分析其摺射率、透光率、色散、熱穩定性等。 熱學設計與補償： 闡述溫度變化對儀器精度的影響，介紹熱膨脹、熱形變等現象，以及相應的熱補償設計技術（如主動式溫度控製、使用低膨脹係數材料、差動設計等）。 三、 第二篇：精密儀器製造工藝與質量控製——實現卓越之術 本篇將聚焦於將設計轉化為現實的製造過程，強調精湛的工藝和嚴格的品控。 1. 精密加工技術： 機械加工： 傳統加工： 精密車削、銑削、磨削（平麵磨、外圓磨、內圓磨、無心磨、成形磨）、鏜削、鑽削等，強調其加工精度、錶麵粗糙度要求及適用範圍。 超精密加工： 金剛石車削、拋光、超聲波加工、離子束刻蝕、電化學機械拋光（CMP）等，講解其實現納米級加工精度的原理與應用。 特種加工： 綫切割（EDM）、電火花加工（ECM）、激光加工、電子束加工等，分析其在加工硬脆材料、復雜形狀方麵的優勢。 錶麵處理技術： 磨削與拋光： 機械拋光、化學拋光、電解拋光、超聲波拋光、納米拋光等，追求極低的錶麵粗糙度。 鍍層技術： 硬質閤金鍍層、抗反射鍍層、耐磨鍍層、導電鍍層等，以及PVD（物理氣相沉積）、CVD（化學氣相沉積）、電鍍、陽極氧化等工藝。 塗層優化： 針對不同光學、力學、電學性能需求，設計和製備功能性塗層。 2. 精密裝配與調試： 裝配環境要求： 潔淨室、恒溫恒濕環境、防塵、防靜電措施。 裝配方法與工具： 精密量具（韆分尺、百分錶、測微器）、光學對準工具、微定位平颱、夾具設計。 關鍵裝配工序： 光學元件的清潔與裝配、精密軸承的安裝、傳感器與執行器的校準、傳動係統的對準與調整。 機械與電氣聯調： 確保各部件協同工作，達到設計精度。 調試技術： 逐步優化參數，消除乾涉，提高性能。 3. 質量控製與檢測方法： 尺寸與形位公差檢測： 接觸式測量（三坐標測量機CMM、粗糙度儀、輪廓儀）、非接觸式測量（激光掃描、光學測量顯微鏡、乾涉儀）。 性能參數檢測： 靈敏度、分辨率、綫性度、遲滯、重復性、穩定性、響應時間等。 光學性能檢測： 焦距、像差、分辨率、透過率、反射率、畸變等。 可靠性與壽命試驗： 高低溫試驗、濕熱試驗、振動試驗、衝擊試驗、加速壽命試驗。 無損檢測技術： 超聲波探傷、X射綫探傷、渦流探傷等，用於檢查材料內部缺陷。 質量管理體係： ISO9001等質量管理體係在精密儀器製造中的應用。 4. 製造中的挑戰與對策： 微納製造的挑戰： 尺寸效應、錶麵效應、量子效應，以及超高精度加工和檢驗的難度。 復雜結構製造： 異形零件、薄壁件、柔性結構的加工與裝配。 材料的特殊性： 高強度、高硬度、低膨脹係數材料的加工睏難。 成本控製與效率提升： 在保證精度的前提下，尋求經濟高效的解決方案。 四、 第三篇：精密儀器領域的創新與前瞻——驅動未來之翼 本篇將展望精密儀器設計的未來發展方嚮，探討新興技術與應用。 1. 智能化與集成化： 嵌入式智能： 將微處理器、FPGA等集成到儀器內部，實現數據采集、初步處理、自校準、故障診斷等功能。 人工智能（AI）與機器學習： 應用AI算法優化儀器參數、提升測量精度、預測設備故障、實現智能反饋控製、自動化數據分析。 多傳感器融閤： 將不同類型的傳感器數據進行融閤處理，提高測量信息的全麵性、準確性和魯棒性。 模塊化與標準化： 發展模塊化、可插拔的儀器組件，便於升級、維護與定製化生産。 2. 微型化與便攜化（MEMS/NEMS）： 微機電係統（MEMS）技術： 介紹MEMS在傳感器、執行器、微流控芯片等方麵的應用，實現儀器的小型化、低功耗和大規模集成。 納米機電係統（NEMS）技術： 探討NEMS在原子級精度控製、新材料探測等領域的潛力。 便攜式儀器： 研發能夠在現場、野外甚至人體內使用的精密儀器，如便攜式光譜儀、微型診斷設備等。 3. 先進製造與增材製造（3D打印）： 增材製造（3D打印）： 探討3D打印技術在精密儀器原型製作、復雜結構製造、定製化零件生産方麵的應用，例如金屬3D打印、陶瓷3D打印、光固化3D打印等。 精密3D打印的挑戰與機遇： 如何在3D打印中實現高精度、高錶麵質量、多材料集成。 4. 新興技術在精密儀器中的應用： 量子技術： 量子傳感器（原子鍾、量子磁力計、量子陀螺儀）、量子計量等，帶來前所未有的測量精度和穩定性。 生物技術與醫療儀器： 基因測序儀、生物芯片、分子診斷設備、微創手術機器人等，推動生命科學和健康領域的進步。 環境監測與能源領域： 高精度氣體傳感器、水質監測儀、新能源檢測設備等。 航空航天與國防： 高精度導航係統、遙感設備、慣性測量單元等。 5. 開放創新與協同發展： 跨學科閤作： 強調物理學、工程學、材料學、計算機科學、生物學等學科的交叉融閤。 設計思維與用戶體驗： 將用戶需求與易用性置於設計過程的核心。 開源硬件與軟件： 促進精密儀器技術的普及與快速迭代。 五、 結語：精益求精，探索無限 《精密儀器設計與製造：原理、實踐與創新》不僅僅是一本書，更是一扇通往精密世界的大門。它匯集瞭該領域的經典理論、前沿技術和實踐經驗，旨在賦能每一位渴望在精密儀器領域有所建樹的工程師、研究者和愛好者。從宏觀的係統設計到微觀的材料選擇，從嚴謹的製造工藝到前瞻的創新趨勢，本書都力求做到詳實、深入、生動。我們相信，通過對本書的學習和實踐，讀者能夠深刻理解精密儀器設計的精髓，掌握先進的製造技術，並能站在巨人的肩膀上，持續不斷地探索與創新，為人類的科技進步和社會發展貢獻力量。精密，源於極緻的追求；創新，永不止步的動力。

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閱讀體驗上，這本書的排版和圖錶的質量非常高，這對於一本技術書籍來說至關重要。字體大小適中，關鍵的數學符號和公式都用清晰的黑體或斜體區分，不容易看花眼。我注意到作者在引用一些經典文獻或提齣新的控製思想時，都會在頁腳或注釋中明確標注齣處，這體現瞭作者嚴謹的學術態度。在講解到例如“李雅普諾夫穩定性分析”這樣抽象的概念時，作者沒有采用枯燥的純文字堆砌，而是巧妙地穿插瞭一些幾何意義的解釋，用“能量函數”的概念來形象化係統的收斂過程，使得原本深奧的穩定性判據變得易於理解和記憶。我個人尤其喜歡它在每章末尾設置的“思考題與習題”，這些習題的難度設置非常閤理，從基礎鞏固到開放性設計都有涵蓋。我發現，如果能認真地完成其中一半以上的習題，那麼對本章知識點的掌握程度會得到質的飛躍。這套書仿佛一個耐心的導師，不僅告訴你知識點是什麼，還引導你如何去運用和思考，培養的是解決問題的能力，而不是簡單的知識記憶。

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這本書的語言風格，說實話，是一種混閤體，非常符閤一本高級技術參考書的定位。它在描述物理現象和工程背景時，用詞是生動、形象、富有感染力的，比如形容係統震蕩時，會使用“如同脫繮的野馬”這樣的比喻。但是，一旦進入到數學推導的核心部分，語言會立刻變得極其精準、簡潔和符號化，每一個動詞和連詞的選擇都經過瞭深思熟慮，絕無半點冗餘。這種張弛有度的敘事節奏，讓我感覺像是在跟隨一位既懂得如何講故事，又無比精通嚴謹邏輯的專傢在學習。尤其是在解釋如何進行“控製器綜閤”時，作者頻繁使用對比和類比的手法，將復雜的控製設計問題分解成一係列可管理的小步驟，比如，他會把“開環分析”比作是給係統做一次體檢，而“閉環設計”則是根據體檢結果開齣的個性化藥方。這種富有畫麵感的解釋，幫助我這種偏嚮直覺理解的讀者，迅速抓住瞭不同設計階段的核心目標和內在聯係。這本書讀起來並非輕鬆的消遣，但它給予讀者的迴報是紮實的、可以被內化的知識結構，絕對值得花時間去細細品味和反復研讀。

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這本書，我得說，光是拿到手裏，那厚重感就讓人心頭一凜。封麵設計是那種非常經典的理工科風格，沒有過多花哨的色彩，黑白灰的搭配，透著一股嚴肅和專業的氣息。我本來以為這會是一本晦澀難懂的理論大部頭，畢竟“自動控製”這個領域聽起來就夠讓人頭疼的瞭。然而，翻開第一章，那種感覺就慢慢變瞭味。作者在引言部分花瞭大篇幅去描繪控製係統在現代工業中的地位，從早期的蒸汽機調速器，一直講到如今高度智能化的機器人手臂和無人機飛控，敘事流暢得像是聽一位經驗豐富的老工程師在娓娓道來。他沒有一開始就拋齣復雜的拉普拉斯變換或者狀態空間模型，而是先用大量的實際工程案例來建立讀者的直觀認識，比如電梯的平穩升降、工廠流水綫的精確對位。這種由宏觀到微觀的引導方式，極大地降低瞭初學者的畏難情緒。特彆是關於係統建模的那一部分，講解得細緻入微，每一個假設、每一步推導都給齣瞭清晰的物理意義解釋，讓人能真正理解“為什麼這麼做”，而不是僅僅記住一個公式。讀完前幾章，我感覺自己對“反饋”這個核心概念的理解，比過去幾年自己摸索積纍的都要深刻和係統。這本書的價值，在於它成功地搭建瞭一座從理論到實踐的堅實橋梁，沒有那種高高在上的學術腔調，而是充滿瞭實乾傢的智慧。

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我是在一個非常特定的需求下接觸到這本書的——我的一個項目涉及到高精度伺服電機的位置控製，傳統的PID算法在處理非綫性負載時錶現得非常吃力。市麵上很多參考書要麼專注於純粹的理論證明，要麼就是隻講PID參數整定那點事，根本無法深入到更高級的控製策略。這本書的第四部分，關於“魯棒控製與最優控製”的章節，簡直就是為我打開瞭一扇新的大門。作者對H無窮範控製和LQR（綫性二次調節器）的闡述，不僅僅是數學上的推導，更側重於工程實現的考量。他清晰地指齣瞭不同控製方法的適用場景和局限性，比如在係統模型不精確或存在外部擾動時，哪種方法能提供更好的性能保證。我特彆欣賞他對“權函數”選擇的討論，這是實踐中成敗的關鍵點，書裏用瞭好幾個詳細的例子說明如何根據性能指標（如超調量、穩態誤差、抗乾擾能力）來調整權重矩陣，那種務實精神讓人受益匪淺。更重要的是，書中的許多例子都配有仿真結果圖，那些麯綫的對比直觀地展示瞭不同控製器之間的性能差異，省去瞭我大量自己編程驗證的時間。這本書絕不是那種隻適閤理論研究的“紙上談兵”，它是一本實實在在能指導工程師解決復雜控製難題的“工具箱”。

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坦白說，這本書的深度和廣度都超齣瞭我最初的預期。我原本以為它會集中在經典控製理論的範疇內，畢竟這是本科階段的基礎。但讓我驚喜的是，它竟然花瞭相當大的篇幅去介紹瞭現代控製理論的最新發展趨勢。我記得有一章專門討論瞭“自適應控製”和“神經網絡控製”在係統辨識和參數估計中的應用。這部分內容更新穎，很多教材還停留在傳統的PID和狀態反饋階段。作者沒有迴避這些前沿且充滿挑戰性的領域，而是用一種非常謹慎和平衡的視角去介紹，既肯定瞭其潛力，也指齣瞭當前麵臨的工程實現障礙和理論尚未完善的地方。這種批判性的介紹，對於想要從事前沿研究的讀者來說，價值極高，它為你指明瞭研究的方嚮，同時也打下瞭堅實的理論基礎，避免瞭在追逐熱點時基礎不牢。這本書的知識體係非常完整，從基礎的綫性係統分析，到非綫性和最優控製，再到智能化控製的初步探索，構建瞭一個邏輯自洽且層層遞進的知識鏈條，讀完後，我對整個控製工程領域的版圖有瞭清晰的認識。

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