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1、会计学1激光激光(jgung)测试技术绪论新测试技术绪论新第一页，共57页。n n范志刚等范志刚等 光电测试技术（第光电测试技术（第二版）二版）n n 电子工业出版社电子工业出版社 2010n n冯其波冯其波 光学测量光学测量(cling)技术与应用技术与应用 n n 清华大学出版社清华大学出版社 2008n n孙长库、叶声华孙长库、叶声华 激光测量激光测量(cling)技术技术n n 天津大学出版社天津大学出版社 2001n n殷纯永殷纯永 现代干涉测量现代干涉测量(cling)技术技术 n n 天津大学出版社天津大学出版社 19992023/2/72参参 考考 书书 目目第1页/共57页第
2、二页，共57页。1.1 光电测试技术光电测试技术(jsh)概述概述2023/2/73第2页/共57页第三页，共57页。1、光电测试、光电测试(csh)技术的诞生技术的诞生2023/2/74l人类利用自然界存在的光线进行计量与测试最早用于人类利用自然界存在的光线进行计量与测试最早用于天文和地理领域天文和地理领域光学科学出现前；光学科学出现前；l自从望远镜和显微镜出现以后，光学与精密机械结合，自从望远镜和显微镜出现以后，光学与精密机械结合，使许多传统的光学计量和测试仪器广泛应用于各级计量使许多传统的光学计量和测试仪器广泛应用于各级计量部门和大地测量部门部门和大地测量部门经典光学；经典光学；l随着激
3、光器的出现和傅里叶光学的形成，特别随着激光器的出现和傅里叶光学的形成，特别(tbi)是激光技术、微电子技术和计算机技术的快速发展与结是激光技术、微电子技术和计算机技术的快速发展与结合，出现了光机电算一体化的光电测试技术合，出现了光机电算一体化的光电测试技术现代光现代光学。学。第3页/共57页第四页，共57页。2、光电测试、光电测试(csh)技术的应用技术的应用uu光度量的测量光度量的测量以平均人眼视觉为基础的量；人眼以平均人眼视觉为基础的量；人眼观测观测(gunc)(gunc)。uu辐射度量的测量辐射度量的测量对不可见光辐射的测量；对不可见光辐射的测量；uu光强度计、光亮度计、辐射计、光测高温
4、计、辐射光强度计、光亮度计、辐射计、光测高温计、辐射测温仪等。测温仪等。uu非光物理量的测量非光物理量的测量转换为光信号。转换为光信号。uu转换为发光量，测量发光量。转换为发光量，测量发光量。uu光束通过被测对象，携带待测物理量的信息，测量光束通过被测对象，携带待测物理量的信息，测量带有待测信息的光信号。带有待测信息的光信号。uu机械量（重量、应力、压强、位移、速度、加速度、机械量（重量、应力、压强、位移、速度、加速度、转速、振动、流量、材料的硬度和强度）、电量、转速、振动、流量、材料的硬度和强度）、电量、磁量、温度、湿度、材料浓度及成分等。磁量、温度、湿度、材料浓度及成分等。2023/2/7
5、5第4页/共57页第五页，共57页。62023/2/72、光电测试、光电测试(csh)技术的应用技术的应用n n由于光电测试方法具有非接触、高灵敏、高精度的特点，能由于光电测试方法具有非接触、高灵敏、高精度的特点，能由于光电测试方法具有非接触、高灵敏、高精度的特点，能由于光电测试方法具有非接触、高灵敏、高精度的特点，能够实现三维形貌、相关性和实时性测量，在信息科学、生命够实现三维形貌、相关性和实时性测量，在信息科学、生命够实现三维形貌、相关性和实时性测量，在信息科学、生命够实现三维形貌、相关性和实时性测量，在信息科学、生命科学、工农业生产和制造业、航空航天、国防军事以及科学科学、工农业生产和制
6、造业、航空航天、国防军事以及科学科学、工农业生产和制造业、航空航天、国防军事以及科学科学、工农业生产和制造业、航空航天、国防军事以及科学研究和人们的日常生活等领域得到广泛应用，成为一种无法研究和人们的日常生活等领域得到广泛应用，成为一种无法研究和人们的日常生活等领域得到广泛应用，成为一种无法研究和人们的日常生活等领域得到广泛应用，成为一种无法取代的测试技术，是当代先进测试技术之一。取代的测试技术，是当代先进测试技术之一。取代的测试技术，是当代先进测试技术之一。取代的测试技术，是当代先进测试技术之一。n n由于激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算由于激光技术、光波导技术、光电子技术、
7、光纤技术、计算由于激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算由于激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微机技术的发展，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微机技术的发展，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微机技术的发展，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微光学的出现和发展，光电测试技术无论从测试方法、原理、光学的出现和发展，光电测试技术无论从测试方法、原理、光学的出现和发展，光电测试技术无论从测试方法、原理、光学的出现和发展，光电测试技术无论从测试方法、原理、精度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上精度、效率，还
8、是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上精度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上精度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上述相关技术发展的综合体现，是现代科学和现代工农业生产述相关技术发展的综合体现，是现代科学和现代工农业生产述相关技术发展的综合体现，是现代科学和现代工农业生产述相关技术发展的综合体现，是现代科学和现代工农业生产快速发展的重要快速发展的重要快速发展的重要快速发展的重要(zhngyo)(zhngyo)技术支撑和高新技术之一。技术支撑和高新技术之一。技术支撑和高新技术之一。技术支撑和高新技术之一。第5页/共57页第六页，共57页。2、光电测试、光电测试(csh)
9、技术的应用技术的应用2023/2/77主要特点应用领域非接触性液面测量、柔性或弹性表面测量；高温表面测量；远距离监测；微深孔等特殊测量。高灵敏度0.1nm-10 m；实时监测微变形、微振动、微位移。三维性3D测量。快速与实时性 故障诊断，在线检测质量监控，生产自动化。第6页/共57页第七页，共57页。2 2、光电测试技术、光电测试技术(jsh)(jsh)的应用举例的应用举例工业生产工业生产在线(zi xin)检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位等现代工程装备中，检测环节的成本约占50-70%。2023/2/78第7页/共57页第八页，共57页。2、光电测试技术(jsh)的应用举例汽车行业2023
10、/2/79汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件、汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件、核心技术内容。（几十核心技术内容。（几十二百余只）二百余只）发动机发动机:向发动机的电子控制单元向发动机的电子控制单元(ECU)(ECU)提供发动机工提供发动机工作状况信息作状况信息,进行精确控制。进行精确控制。(温度、压力、位置、转温度、压力、位置、转速、流量、气体速、流量、气体(qt)(qt)浓度、爆震传感器等浓度、爆震传感器等)底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等。（车速、踏板、加速度、节气门、制动防抱死系统等。
11、（车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温）发动机转速、水温、油温）车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。（温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。（温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等）等）第8页/共57页第九页，共57页。2 2、光电测试技术的应用、光电测试技术的应用(yngyng)(yngyng)举例举例日常生活日常生活家用电器数码相机、数码摄像机：自动对焦红外测距传感器。空调、冰箱、电饭煲：温度检测热敏电阻、热电偶。可视对讲、可视电话：图像获取面阵CCD。办公商务(shngw)扫描仪线阵CCD。红外传输数据：
12、红外检测光敏二极管、三极管。医疗卫生数字体温计：接触式热敏电阻，非接触式红外传感器。电子血压计：血压检测压力传感器。血糖测试仪、胆固醇检测仪离子传感器。2023/2/710第9页/共57页第十页，共57页。2 2、光电测试、光电测试(csh)(csh)技术的应用举例技术的应用举例军事领域军事领域美军研制未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术。激光测距仪：可精确的定位目标。美国(mi u)国家导弹防御计划NMD2023/2/711第10页/共57页第十一页，共57页。2 2、光电测试技术的应用举例、光电测试技术的应用举例(j l)(j l)航天领域航天领域2023/2/712“阿波
13、罗10号”火箭部分2077个传感器；飞船(fi chun)部分1218个传感器神舟飞船(fi chun)185台（套）仪器装置加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学。第11页/共57页第十二页，共57页。3、光电测试技术、光电测试技术(jsh)的特点的特点n n原理特点原理特点:n n从主观光学发展成为客观光学；从主观光学发展成为客观光学；n n采用激光光源，单色性、方向采用激光光源，单色性、方向性、相干性和稳定性都远远优性、相干性和稳定性都远远优于传统光源；于传统光源；n n从光机结合的模式向光机电算从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换。一体化的模式转换。n n功能特点：功能特点：
14、n n从静态测量向动态测量发展；从静态测量向动态测量发展；n n从逐点测量向全场测量发展；从逐点测量向全场测量发展；n n从低速测量向高速测量发展，从低速测量向高速测量发展，同时具有存储同时具有存储(cn ch)(cn ch)、记录、记录功能。功能。2023/2/713第12页/共57页第十三页，共57页。、光电测试技术、光电测试技术(jsh)的基本方法的基本方法方法分类测量技术主要内容相位检测干涉法激光干涉技术激光干涉、激光外差干涉、条纹扫描干涉、实时剪切干涉光全息技术全息干涉，全息等高线技术，多频全息技术，计算机全息，实时全息技术光散斑技术客观散斑法，散斑干涉法，散斑剪切法，白光散斑法，电
15、子散斑法莫尔技术莫尔条纹法，莫尔等高线法，拓扑技术时间探测光扫描技术激光扫描，外差法扫描，扫描定位，扫描频谱法，无定向扫描，三维扫描。谱探测激光光谱技术激光拉曼光谱，激光荧光光谱，激光原子吸收光谱，微区光谱，光声光谱。衍射法光衍射技术间隙法，反射衍射法，互补法，全场衍射测量。图像测量CCD成像技术TV法，CCD法，PSD法，数字图像法，光信息处理法，各种物理效应激光多普勒技术多普勒测速，差动多普勒技术，激光多普勒技术光学诊断与无损检测光伏效应，剪切术导法，光热偏转法，激光超声光学纳米技术扫描激光显微术，光学隧道显微术，激光力显微术，原子力显微术2023/2/714第13页/共57页第十四页，共
16、57页。、光电测试技术、光电测试技术(jsh)的基本方法的基本方法经济性好环境要求低经济性中等环境要求一般经济性偏高有环境要求衍射计量扫描计量散斑计量光纤计量莫尔与拓扑法图像计测法共路干涉计量全息计量光谱计量纳米计量2023/2/715u光学测量方法的选择依据光学测量方法的选择依据u被测对象与被测量（大小、形状、材料；被测对象与被测量（大小、形状、材料；长度、角度、速度长度、角度、速度(sd)(sd)、位移等）、位移等）u测量范围测量范围u测量灵敏度或精度测量灵敏度或精度(精度一般是测量分精度一般是测量分辨率的辨率的1-31-3倍倍)u经济性和环境要求经济性和环境要求第14页/共57页第十五页
17、，共57页。5、光电测试、光电测试(csh)技术的发展趋势技术的发展趋势光学纳米技术光学纳米技术(n m j sh)(n m j sh)、光学层析、光学层析技术、光学超分辨技术、光学超像元技术技术、光学超分辨技术、光学超像元技术等。等。亚微米级、纳米级的高精密光电测试方法；亚微米级、纳米级的高精密光电测试方法；微型化、集成化、低成本的非接触式光电微型化、集成化、低成本的非接触式光电传感器；传感器；新型光电器件的广泛应用，如半导体激光新型光电器件的广泛应用，如半导体激光器及其阵列、光开关、光滤波器、光电探器及其阵列、光开关、光滤波器、光电探测器阵列等；测器阵列等；快速高效的三维全场动态测试技术；
18、快速高效的三维全场动态测试技术；与计算机和控制技术结合的闭环式光电测与计算机和控制技术结合的闭环式光电测试技术；试技术；光学诊断和光学无损检测技术等。光学诊断和光学无损检测技术等。2023/2/716第15页/共57页第十六页，共57页。1.2 测量测量(cling)的基本知识的基本知识2023/2/717第16页/共57页第十七页，共57页。1、基本概念基本概念n n计量学（计量学（metrology）：研究测）：研究测量、保证测量统一量、保证测量统一(tngy)和和准确的科学。准确的科学。2023/2/7181.计量单位及其基准；计量单位及其基准；2.标准的建立、保存标准的建立、保存(bo
19、cn)与使用；与使用；3.测量方法和计量器具；测量方法和计量器具；4.测量不确定度；测量不确定度；5.观察者进行测量的能力；观察者进行测量的能力；6.计量法制与管理；计量法制与管理；7.研究物理常数、物质标准、材料特性的准确测定。研究物理常数、物质标准、材料特性的准确测定。n测量（测量（measurement）：将被测值和一个作为）：将被测值和一个作为(zuwi)测量单位的标准量进行比较，得到比值的过程。测量单位的标准量进行比较，得到比值的过程。计量的主要表现方式是测量。计量的主要表现方式是测量。测量的目的是得到具体测量数值，还应包括测量不确定度。测量的目的是得到具体测量数值，还应包括测量不确
20、定度。测量四要素：测量对象和被测量；测量单位和标准量；测量四要素：测量对象和被测量；测量单位和标准量；测量方法；测量的不确定度测量方法；测量的不确定度第17页/共57页第十八页，共57页。192023/2/71、基本概念基本概念n n检验（检验（inspection）：判断测量是）：判断测量是否合格的过程，通常不一定否合格的过程，通常不一定(ydng)要求具体数值。要求具体数值。n n测试（测试（measuring and testing）：）：具有试验性质的测量，一般是测具有试验性质的测量，一般是测量、试验与检验的总称，需要借量、试验与检验的总称，需要借助专门的设备，通过合适的实验助专门的设
21、备，通过合适的实验和必要的数据处理，求得所研究和必要的数据处理，求得所研究对象的有关信息量值。对象的有关信息量值。n n测试是人们认识客观事物的方法。测试是人们认识客观事物的方法。n n测试过程是从客观事物中摄取有测试过程是从客观事物中摄取有关信息的认识过程。关信息的认识过程。第18页/共57页第十九页，共57页。2、测量、测量(cling)的定义的定义n n测量是将被测量和一个作为测量单位的标准量进行比较，并确定(qudng)被测量是测量单位的若干倍或几分之几的过程。可以表示为n nLqEn n如果用L0表示真值，而用L表示测得值，那么n nLLL0n n 称为测量误差（绝对误差）；n n
22、而L/L 称为相对误差。n n测量误差越小，准确度就愈高。2023/2/720第19页/共57页第二十页，共57页。212023/2/73、基本、基本(jbn)量和单位量和单位uu测量测量测量测量(cling)(cling)(cling)(cling)就是要进行比较，从而给出被测量就是要进行比较，从而给出被测量就是要进行比较，从而给出被测量就是要进行比较，从而给出被测量(cling)(cling)(cling)(cling)的的的的“量量量量”的概念。为此，比较时必须满足的概念。为此，比较时必须满足的概念。为此，比较时必须满足的概念。为此，比较时必须满足uu被测量被测量被测量被测量(cling
23、)(cling)(cling)(cling)与选作单位的量与选作单位的量与选作单位的量与选作单位的量(比较标准比较标准比较标准比较标准)具有相同的具有相同的具有相同的具有相同的量纲。量纲。量纲。量纲。uu预先约定选作单位的量的大小。预先约定选作单位的量的大小。预先约定选作单位的量的大小。预先约定选作单位的量的大小。uuISO1000-1981ISO1000-1981ISO1000-1981ISO1000-1981uu 规定的七个基本量规定的七个基本量规定的七个基本量规定的七个基本量量的名称量的名称单位名称单位名称单位符号单位符号长长 度度米米m质质 量量千克千克(公斤公斤)kg时时 间间秒秒s
24、电电 流流安安培培A热力学温热力学温度度开开尔文尔文K物质的量物质的量摩摩尔尔mol发光强度发光强度坎坎德拉德拉cd第20页/共57页第二十一页，共57页。4、测量中遵循、测量中遵循(zn xn)的原则的原则n n阿贝原则（Abbs principle）：长度测量时，标准量应安放在被测件测量中心线的延长线上。做到这一点可以避免(bmin)产生一阶误差。n n仪器设计中非常重要原则；1890年提出；又称为共线原则；n n避免(bmin)因导轨误差引起的一次测量误差。n n千分尺符合；游标卡尺不符合。2023/2/722长度测量方法四个原则：长度测量方法四个原则：阿贝原则；阿贝原则；封闭封闭(fn
25、gb)原则；原则；最短测量链原则；最短测量链原则；最小变形原则。最小变形原则。第21页/共57页第二十二页，共57页。2023/2/723第22页/共57页第二十三页，共57页。4、测量、测量(cling)中遵循的原则中遵循的原则l l封闭原则：圆周分度首尾相接的间距误差的总和封闭原则：圆周分度首尾相接的间距误差的总和封闭原则：圆周分度首尾相接的间距误差的总和封闭原则：圆周分度首尾相接的间距误差的总和为零，表示为零，表示为零，表示为零，表示(bi(bi osh)osh)为为为为l lfi fi 为分划间距为分划间距为分划间距为分划间距(用角度表示用角度表示用角度表示用角度表示(bi(bi os
26、h)osh)误差。误差。误差。误差。l l这也就是分度误差的闭合条件。这也就是分度误差的闭合条件。这也就是分度误差的闭合条件。这也就是分度误差的闭合条件。2023/2/724测量时，采用封闭原则不仅可以使总的累积误差为零，测量时，采用封闭原则不仅可以使总的累积误差为零，而且创造而且创造(chungzo)(chungzo)了自检条件，提高测量的准确了自检条件，提高测量的准确度。度。自检：不需要任何的标准测量装置，可以实现本身的自检：不需要任何的标准测量装置，可以实现本身的检定。检定。第23页/共57页第二十四页，共57页。5、测量方法的组成、测量方法的组成(z chn)n n测量方法是对特定的测
27、量对象测量某一被测量时，参与此测量过程的各组成(z chn)因素和测量条件的总和。2023/2/7251.1.测量目的：最终求得的量。测量目的：最终求得的量。2.2.被测量：直接与标准被测量：直接与标准(biozhn)(biozhn)量进行比较的量，也量进行比较的量，也可以是测量目的。可以是测量目的。3.3.被测对象：被测量的载体。被测对象：被测量的载体。4.4.以上都是确定测量方法的而依据。以上都是确定测量方法的而依据。2.2.标准量系统：标准量系统：用以体现测量单位的物质标准，用来与被用以体现测量单位的物质标准，用来与被测量进行比较，以便求得被测量。测量进行比较，以便求得被测量。3.3.定
28、位系统：定位系统：用以确定被测量的合理位置。用以确定被测量的合理位置。4.4.瞄准系统：瞄准系统：用以确定被测量相对于标准量的位置。用以确定被测量相对于标准量的位置。5.5.显示系统：显示系统：将测得量进行运算后通过显示系统显示测量结果或作将测得量进行运算后通过显示系统显示测量结果或作为控制信号输出。为控制信号输出。6.6.测量条件：测量条件：如时间、温度、压力、湿度等。如时间、温度、压力、湿度等。第24页/共57页第二十五页，共57页。6、测量、测量(cling)步骤步骤n n定位：按测量原则调整标准量定位：按测量原则调整标准量和被测量至合适的相对位置。和被测量至合适的相对位置。n n瞄准：
29、定位后，使被测量的一瞄准：定位后，使被测量的一个端点或该端点的像与标准量个端点或该端点的像与标准量的某一位置重合。的某一位置重合。n n读数：将瞄准位置用数字形式读数：将瞄准位置用数字形式确定确定(qudng)(qudng)下来。下来。n n数据处理：得到测量的原始数数据处理：得到测量的原始数据后，求得被测量的大小，按据后，求得被测量的大小，按测量原理方程式求得测量结果。测量原理方程式求得测量结果。同时进行必要的修正，最后依同时进行必要的修正，最后依据测量误差理论给出测量结果。据测量误差理论给出测量结果。2023/2/726第25页/共57页第二十六页，共57页。1.3 测量测量(cling)
30、数据数据的处理的处理2023/2/727本节概述测量误差的基本概念和数据处理的主要(zhyo)步骤。第26页/共57页第二十七页，共57页。1、误差(wch)来源和分类2023/2/728u按误差来源分为按误差来源分为4 4类：类：u设备误差：读数或示值装置误差、基准器（或标准件）设备误差：读数或示值装置误差、基准器（或标准件）误差、附件（光源、调整件）误差、光电探测电路误差。误差、附件（光源、调整件）误差、光电探测电路误差。u表现形式：机构误差、调整误差和量值误差。表现形式：机构误差、调整误差和量值误差。u环境误差：温度、湿度、振动、照明等与要求的标准状环境误差：温度、湿度、振动、照明等与要
31、求的标准状态不一致；电磁干扰；某些高能粒子态不一致；电磁干扰；某些高能粒子(lz)(lz)对光电探测器对光电探测器干扰。干扰。u人为误差：人眼分辨能力有限、操作者水平不高和固有人为误差：人眼分辨能力有限、操作者水平不高和固有习惯、感觉器官的生理变化。习惯、感觉器官的生理变化。u方法误差：数学模型不完善、近似测量方法、该项测量方法误差：数学模型不完善、近似测量方法、该项测量研究不充分。研究不充分。第27页/共57页第二十八页，共57页。1、误差来源(liyun)和分类2023/2/729u按误差性质分为按误差性质分为3 3类：类：u系统误差：同一条件下多次测量同一量时，绝对值和符系统误差：同一条
32、件下多次测量同一量时，绝对值和符号保持不变，测量条件改变时，按照确定号保持不变，测量条件改变时，按照确定(qudng)(qudng)规律规律变化的误差。变化的误差。u (仪器制造、校准或调整、标准件的量值仪器制造、校准或调整、标准件的量值)u偶然误差：相同测量条件下，多次测量同一量时，绝对偶然误差：相同测量条件下，多次测量同一量时，绝对值和符号以不可预测的方式变化的误差。值和符号以不可预测的方式变化的误差。u（局部空气紊流，温度小量变化、电源小量起伏、对准、（局部空气紊流，温度小量变化、电源小量起伏、对准、估读）估读）u粗大误差：超出在规定条件下预期的误差。粗大误差：超出在规定条件下预期的误差
33、。u（读错、计算错误、仪器调整错误、实验条件突变）（读错、计算错误、仪器调整错误、实验条件突变）u 含有粗大误差的测量值应剔除！含有粗大误差的测量值应剔除！第28页/共57页第二十九页，共57页。2测量误差的表述(bio sh)不确定度n n测量误差测量值相对于真值的偏差。n n真值有时不可知，习惯上的精度（正确度、精密度、准确度）的含义混淆不清。n n目前国内外采用ISO1993(E)指南规定的不确定度表征测量结果的质量n n测量不确定度是定量的、可操作的质量指标，测量结果附有不确定度说明时才是完整(wnzhng)和有意义的。2023/2/730第29页/共57页第三十页，共57页。2测量误
34、差的表述(bio sh)不确定度2023/2/731测量不确定(qudng)度是指对测量结果不能肯定的程度。它反映了对被测量的真值的认识的不足。经测量，合理地赋予被测量的值不是唯一的，而是有许多个可能的值。真值是在最佳估计值的一个不确定(qudng)度范围内。不确定(qudng)度小，误差肯定也小，但误差不可能准确知道；不确定(qudng)度大，误差或大或小，限于认识水平，误差尚不清楚。第30页/共57页第三十一页，共57页。2测量误差的表述(bio sh)不确定度2023/2/732标准不确定度(Standard Uncertainty)用标准偏差表示的测量结果的不确定度，用符号u表示。合成
35、（标准）不确定度(Combined Standard Uncertainty)当测量结果由若干其它量（输入量，也包括影响(yngxing)量）得来时，测量结果的合成标准不确定度等于这些量的方差和协方差加权和的正平方根，用符号uc表示。扩展不确定度(Expanded Uncertainty)规定了测量结果取值区间的半宽度，该区间包含了合理赋予被测量值的分布的大部分，用符号U表示。第31页/共57页第三十二页，共57页。2测量误差的表述(bio sh)不确定度2023/2/733u不确定度包含两个分量不确定度包含两个分量(fn ling)：u A类分量类分量(fn ling)：用统计方法评定的分量
36、：用统计方法评定的分量(fn ling)，u 用实验标准偏差表示。用实验标准偏差表示。u B类分量类分量(fn ling)：用非统计方法评定的分：用非统计方法评定的分量量(fn ling)，u 用其他估计的标准偏差表示。用其他估计的标准偏差表示。u在小样本的情形下，在小样本的情形下，A类评定方法不一定比类评定方法不一定比B类评类评定方法好！定方法好！第32页/共57页第三十三页，共57页。2测量误差的表述(bio sh)不确定度2023/2/734u定量评价测量装置或测量结果的质量定量评价测量装置或测量结果的质量u重复性（重复性（Repeatability）：在相同测量条件下（方）：在相同测量
37、条件下（方法、人员、器具、地点、使用条件），短时期内对同法、人员、器具、地点、使用条件），短时期内对同一量连续进行一量连续进行(jnxng)多次测量所得结果之间的一致多次测量所得结果之间的一致程度。程度。u可以用测量结果的分散性参数定量表示。可以用测量结果的分散性参数定量表示。u复（再）现性（复（再）现性（Reproducibility）：在变化测量条）：在变化测量条件下，对同一个量进行件下，对同一个量进行(jnxng)多次测量所得结果的多次测量所得结果的一致程度。一致程度。u可以用测量结果的分散性参数定量表示，应注明变可以用测量结果的分散性参数定量表示，应注明变化的条件。化的条件。u稳定性（
38、稳定性（Stability）：测量器具保持其计量特性持）：测量器具保持其计量特性持续恒定的能力。续恒定的能力。u量化方式多种，如：计量特性在规定时间内发生的量化方式多种，如：计量特性在规定时间内发生的变化。变化。第33页/共57页第三十四页，共57页。3 3条件相同重复测量条件相同重复测量(cling)(cling)的数据处理步骤的数据处理步骤2023/2/735u重复重复(chngf)(chngf)测量数据列为测量数据列为x1x1，x2x2，xnxn，假设消除已定系统，假设消除已定系统误差。误差。u1.1.计算数据列的算术平均值、残余误差和单次测量的标准偏差估计算数据列的算术平均值、残余误差
39、和单次测量的标准偏差估计值计值:第34页/共57页第三十五页，共57页。3条件相同(xin tn)重复测量的数据处理步骤2023/2/7362.判断粗大误差：若存在粗大误差，应剔除，重复第一步计算，再判断，直至不含有(hn yu)粗大误差为止。粗大误差的判断有五种规则，其中格拉布斯准则的效果最好。粗大误差的判断有五种规则，其中格拉布斯准则的效果最好。设测量数据列按照由小到大排列为设测量数据列按照由小到大排列为x1，x2，xn。（1）选定风险率）选定风险率。是指判定是坏值而实际上不是坏值而犯错误的概率，。是指判定是坏值而实际上不是坏值而犯错误的概率，通常取通常取 5.0或或1.0。（2）计算判定
40、）计算判定T值。假设值。假设(jish)x1或或xn是可以怀疑的，则：是可以怀疑的，则：(3)(3)由表查出由表查出T(n,)T(n,)n34567891011121314155.01.151.461.671.821.942.032.112.182.232.292.332.372.411.01.151.491.751.942.102.222.322.412.482.552.612.662.70(4)(4)如果如果TT(n,)TT(n,)，则所怀疑值是坏值，应予舍弃；，则所怀疑值是坏值，应予舍弃；如果如果TT(n,)TT(n,)，则此值不能以风险率，则此值不能以风险率 舍去，而认为舍去，而认为
41、是有是有效数据。效数据。3.求算术平均值的标准偏差的估计值。4.判断系统误差。根据发现系统误差的各种方法判断，并设法减小和消除。主要为了检查有无因测量工作中的某些疏忽而引入的显著系统误差。第35页/共57页第三十六页，共57页。3条件相同(xin tn)重复测量的数据处理步骤n345678910t0.6821.321.201.141.111.091.081.071.06t0.954.303.182.782.572.452.372.312.26t0.999.935.844.604.033.713.503.363.252023/2/7375.求测量的扩展不确定度。根据测量次数(csh)n和置信概率
42、p查出tp(n)。6.写出测量(cling)结果。扩展不确定度扩展不确定度U U最多取两位数字。最多取两位数字。第36页/共57页第三十七页，共57页。4 4条件不同的重复条件不同的重复(chngf)(chngf)测量的数据处理步骤测量的数据处理步骤2023/2/738n如果被测量是在不同如果被测量是在不同(b tn)(b tn)时期或不同时期或不同(b tn)(b tn)地地点或不同点或不同(b tn)(b tn)实验室或不同实验室或不同(b tn)(b tn)仪器获得的，仪器获得的，其测量条件不能保证相同，则应采用加权的方法来评其测量条件不能保证相同，则应采用加权的方法来评定。定。n设在不
43、同设在不同(b tn)(b tn)条件下获得的数据列条件下获得的数据列l1 l1，l2 l2，ln ln中不存在系统误差和粗大误差。中不存在系统误差和粗大误差。1.确定各测量值的权重。根据(gnj)测量条件（方法、仪器、环境、人员）的好坏确定权重。第37页/共57页第三十八页，共57页。4 4条件不同的重复条件不同的重复(chngf)(chngf)测量的数据处理步骤测量的数据处理步骤2023/2/739 2.计算数据计算数据(shj)列的加权算术平均值、残余误差及加权算术平均值的标准偏差估计值。列的加权算术平均值、残余误差及加权算术平均值的标准偏差估计值。3.求测量的扩展不确定(qudng)度
44、。4.写出测量结果。第38页/共57页第三十九页，共57页。5间接测量的数据处理步骤(bzhu)2023/2/7401.将各直接(zhji)测量值的算术平均值代入函数计算间接测量值。u间接测量值为直接测量值的函数间接测量值为直接测量值的函数(hnsh)，假设各个，假设各个测量值及其误差为已知。测量值及其误差为已知。2.根据各误差传递系数和标准偏差估计值的大小可以判知哪个（几个）直接测量值对测量结果影响较大，则尽量减小或消除该项（几项）量值的系统误差。第39页/共57页第四十页，共57页。5间接测量的数据处理步骤(bzhu)2023/2/741u标准偏差的估计值标准偏差的估计值3.计算间接测量结
45、果的合成(hchng)标准不确定度。u合成合成(hchng)标准不确定度标准不确定度第40页/共57页第四十一页，共57页。5间接测量的数据处理步骤(bzhu)2023/2/7424.求测量的扩展(kuzhn)不确定度。根据置信概率，查出根据置信概率，查出tp(neff)tp(neff)。在不少场合，因为不能详细。在不少场合，因为不能详细获取与被测量有关的各个量及其合成分布的信息获取与被测量有关的各个量及其合成分布的信息(xnx)(xnx)，故，故难以指明被测量值的估计区间的置信水平。则通常难以指明被测量值的估计区间的置信水平。则通常tp(n)tp(n)取取2 23 3。5.最后写出测量结果。
46、第41页/共57页第四十二页，共57页。6有效数字(yu xio sh z)2023/2/743u如果测量结果如果测量结果L L的极限误差的极限误差(wch)(wch)是某一位上的半个单位，是某一位上的半个单位，自该位到自该位到L L的左起第一个非零数字一共有的左起第一个非零数字一共有n n位，那么位，那么L L就有就有n n位位有效数字。例如，有效数字。例如，0.6180.618（三位有效数字），（三位有效数字），350.60350.60（五位），（五位），1.201031.20103（三位），（三位），1.21031.2103（两位）。（两位）。一切表示误差或精度的数字，一般保留一位，最多
47、保留二位一切表示误差或精度的数字，一般保留一位，最多保留二位(r wi)(r wi)有效数字。有效数字。测量结果数据的位数，应与结果的误差的位数相适应。如算测量结果数据的位数，应与结果的误差的位数相适应。如算出值为出值为202.0250.114mm202.0250.114mm，结果应写为，结果应写为202.00.1mm202.00.1mm。、1/31/3、sin5sin5等这类数的有效位数可认为无限，测量结果等这类数的有效位数可认为无限，测量结果中不应出现这类数。中不应出现这类数。第42页/共57页第四十三页，共57页。6有效数字(yu xio sh z)u数字的舍入规则数字的舍入规则u有效数
48、字的位数确定后，多余的位数要舍弃。舍入规则是：有效数字的位数确定后，多余的位数要舍弃。舍入规则是：四舍六入，五看奇偶。若舍弃数字为四舍六入，五看奇偶。若舍弃数字为5 5，则前一位数字为奇数，则前一位数字为奇数时加时加1 1，为偶数则不加，为偶数则不加(b ji)(b ji)。例如，。例如，2.352.35取两位有效数字取两位有效数字时为时为2.42.4，2.452.45取两位，也是取两位，也是2.42.4。u有效数字运算规则有效数字运算规则u由于目前计算器和微机已经普及由于目前计算器和微机已经普及(pj)，运算时，运算时，可多取几位运算。算得数据后，再根据误差的要求可多取几位运算。算得数据后，
49、再根据误差的要求确定有效位数。舍去多余位数时按舍入规则进行。确定有效位数。舍去多余位数时按舍入规则进行。第43页/共57页第四十四页，共57页。2023/2/7451.4 光学测量中常用的仪器光学测量中常用的仪器(yq)和技和技术术第44页/共57页第四十五页，共57页。2023/2/7461 1、光学、光学(gungxu)(gungxu)测量中的常用光测量中的常用光源源光源选择的基本光源选择的基本(jbn)(jbn)要求要求1.1.对光源发光光谱特性的要求对光源发光光谱特性的要求2.2.必须满足测量必须满足测量(cling)(cling)系统的需要，根据测量系统的需要，根据测量(cling)
50、(cling)任务，要求的任务，要求的光谱范围不同，如可见光区、紫外光区或红外光区等。光谱范围不同，如可见光区、紫外光区或红外光区等。3.3.为增大测量为增大测量(cling)(cling)系统的信噪比，引入光源和光电探测器之间光谱系统的信噪比，引入光源和光电探测器之间光谱匹配系数的概念，以描述两光谱特性间的重合程度或一致性。光谱匹配系数的概念，以描述两光谱特性间的重合程度或一致性。光谱匹配系数为：匹配系数为：第45页/共57页第四十六页，共57页。2023/2/7472.2.对光源对光源(gungyun)(gungyun)发光强度的要求发光强度的要求光源光源(gungyun)(gungyun