光電測(cè)試技術(shù)-緒論

1、光電測(cè)試技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)第0章 緒論8/16/20221本課體系緒論 2 學(xué)時(shí)基本光學(xué)量的測(cè)試技術(shù) 12學(xué)時(shí)色度和光度測(cè)試技術(shù) 6 學(xué)時(shí)激光測(cè)試技術(shù) 6 學(xué)時(shí)激光干涉測(cè)試技術(shù) 8 學(xué)時(shí)其他典型光電測(cè)試技術(shù) 6 學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn) （10）學(xué)時(shí)合計(jì) 40（10)學(xué)時(shí)8/16/20222考核方式平時(shí)表現(xiàn)*（作業(yè)、大作業(yè)）：20實(shí)驗(yàn)：20期末考試：608/16/20223參考書(shū)目蘇大圖，光學(xué)測(cè)試技術(shù)，北京理工大學(xué)出版社，1996楊國(guó)光，近代光學(xué)測(cè)試技術(shù)，浙江大學(xué)出版社，1997張琢，范志剛，激光干涉測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，1998孫長(zhǎng)庫(kù)，葉聲華，激光測(cè)量技術(shù)，天津大學(xué)出版社，2001殷純永，現(xiàn)代

2、干涉測(cè)量技術(shù)，天津大學(xué)出版社，1999湯順青，色度學(xué)，北京理工大學(xué)出版社，19918/16/202240.1 光電測(cè)試技術(shù)概述光電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展人類利用自然界存在的光線進(jìn)行計(jì)量與測(cè)試最早用于天文和地理領(lǐng)域光學(xué)科學(xué)出現(xiàn)前；自從望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡出現(xiàn)以后，光學(xué)與精密機(jī)械結(jié)合，使許多傳統(tǒng)的光學(xué)計(jì)量和測(cè)試儀器廣泛應(yīng)用于各級(jí)計(jì)量部門(mén)和大地測(cè)量部門(mén)經(jīng)典光學(xué)；隨著激光器的出現(xiàn)和傅里葉光學(xué)的形成，特別是激光技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與結(jié)合，出現(xiàn)了光機(jī)電算一體化的光電測(cè)試技術(shù)現(xiàn)代光學(xué)。8/16/202250.1 光電測(cè)試技術(shù)概述光電測(cè)試技術(shù)是當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)之一由于光電測(cè)試方法具有非接觸、高靈敏、高精度的特

3、點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維形貌、相關(guān)性和實(shí)時(shí)性測(cè)量，在信息科學(xué)、生命科學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和制造業(yè)、航空航天、國(guó)防軍事以及科學(xué)研究和人們的日常生活等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為一種無(wú)法取代的測(cè)試技術(shù)，是當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)之一。光電測(cè)試技術(shù)是高新技術(shù)之一光電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展是隨著其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。由于激光技術(shù)、光波導(dǎo)技術(shù)、光電子技術(shù)、光纖技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及傅里葉光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)、二元光學(xué)和微光學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展，光電測(cè)試技術(shù)無(wú)論從測(cè)試方法、原理、精度、效率，還是適用的領(lǐng)域范圍都獲得了巨大發(fā)展，是上述相關(guān)技術(shù)發(fā)展的綜合體現(xiàn)。8/16/202260.1 光電測(cè)試技術(shù)概述光電測(cè)試技術(shù)原理上的三個(gè)特點(diǎn)：從主觀光學(xué)發(fā)展成

4、為客觀光學(xué)；采用激光光源，單色性、方向性、相干性和穩(wěn)定性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)光源；從光機(jī)結(jié)合的模式向光機(jī)電算一體化的模式轉(zhuǎn)換。光電測(cè)試技術(shù)功能上的三個(gè)特點(diǎn)：從靜態(tài)測(cè)量向動(dòng)態(tài)測(cè)量發(fā)展；從逐點(diǎn)測(cè)量向全場(chǎng)測(cè)量發(fā)展；從低速測(cè)量向高速測(cè)量發(fā)展，同時(shí)具有存儲(chǔ)、記錄功能。8/16/202270.1 光電測(cè)試技術(shù)概述光電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)光學(xué)納米技術(shù)、光學(xué)層析技術(shù)、光學(xué)超分辨技術(shù)、光學(xué)超像元技術(shù)等；在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，光電測(cè)試技術(shù)將在以下幾個(gè)方面獲得進(jìn)一步發(fā)展：亞微米級(jí)、納米級(jí)的高精密光電測(cè)試方法；微型化、集成化、低成本的非接觸式光電傳感器；新型光電器件的廣泛應(yīng)用，如半導(dǎo)體激光器及其陣列、光開(kāi)關(guān)、光濾波器、光電探測(cè)器

5、陣列等；快速高效的三維全場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)；與計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)結(jié)合的閉環(huán)式光電測(cè)試技術(shù)；光學(xué)診斷和光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等。8/16/202280.2 關(guān)于測(cè)量的基本知識(shí)1測(cè)量的定義測(cè)量就是將被測(cè)量和一個(gè)作為測(cè)量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并確定被測(cè)量是測(cè)量單位的若干倍或幾分之幾的過(guò)程。可以表示為L(zhǎng)qE如果用L0表示真值，而用L表示測(cè)得值，那么LLL0 稱為測(cè)量誤差(絕對(duì)誤差)； 而L / L 稱為相對(duì)誤差。測(cè)量誤差越小，準(zhǔn)確度就愈高。8/16/202290.2 關(guān)于測(cè)量的基本知識(shí)2基本量和單位測(cè)量就是要進(jìn)行比較，從而給出被測(cè)量的“量”的概念。為此，比較時(shí)必須滿足被測(cè)量與選作單位的量(比較標(biāo)準(zhǔn))具有相同的量綱

6、。預(yù)先約定選作單位的量的大小。ISO1000-1981規(guī)定的 七個(gè)基本量:量的名稱單位名稱單位符號(hào)長(zhǎng) 度米m質(zhì) 量千克(公斤)kg時(shí) 間秒s電 流安培A熱力學(xué)溫度開(kāi)爾文K物質(zhì)的量摩爾mol發(fā)光強(qiáng)度坎德拉cd8/16/2022100.2 關(guān)于測(cè)量的基本知識(shí)3測(cè)量中應(yīng)遵循的原則阿貝原則長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)安放在被測(cè)件測(cè)量中心線的延長(zhǎng)線上。做到這一點(diǎn)可以避免產(chǎn)生一階誤差。封閉原則圓周分度首尾相接的間距誤差的總和為零，表示為fi = 0 式中，fi 為分劃間距(用角度表示)誤差。這也就是分度誤差的閉合條件。測(cè)量時(shí)，滿足封閉性可以實(shí)現(xiàn)自檢，因而可以提高測(cè)量的精度。8/16/2022110.2 關(guān)于測(cè)量的

7、基本知識(shí)4測(cè)量方法的組成測(cè)量方法是對(duì)特定的測(cè)量對(duì)象測(cè)量某一被測(cè)量時(shí)，參與此測(cè)量過(guò)程的各組成因素和測(cè)量條件的總和。它包括測(cè)量目的、被測(cè)對(duì)象和被測(cè)量；標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)；定位系統(tǒng)；瞄準(zhǔn)系統(tǒng)；顯示系統(tǒng)；測(cè)量條件。8/16/2022120.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理1誤差來(lái)源和分類誤差產(chǎn)生的來(lái)源可以歸結(jié)為以下四類：設(shè)備誤差、環(huán)境誤差、人員誤差、方法誤差按照誤差的性質(zhì)可以分為三類:系統(tǒng)誤差 在同一條件下多次測(cè)量同一量時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)保持不變；測(cè)量條件改變時(shí)，按照確定規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。偶然誤差 在實(shí)際相同的測(cè)量條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)測(cè)的方式變化著的誤差成為偶然誤差。粗大誤差 超出在規(guī)定條

8、件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差。8/16/2022130.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理2測(cè)量誤差的表述不確定度(Uncertainty)目前國(guó)內(nèi)外多采用ISO1993(E)指南所規(guī)定的測(cè)量不確定度來(lái)表征測(cè)量結(jié)果質(zhì)量。測(cè)量不確定度是定量的、可操作的質(zhì)量指標(biāo)，測(cè)量結(jié)果附有不確定度說(shuō)明時(shí)才是完整和有意義的。測(cè)量不確定度是指對(duì)測(cè)量結(jié)果不能肯定的程度。它反映了對(duì)被測(cè)量的真值的認(rèn)識(shí)的不足。經(jīng)測(cè)量，合理地賦予被測(cè)量的值不是唯一的，而是有許多個(gè)可能的值。真值在何處并不知道，而只可能獲知一個(gè)最佳估計(jì)值，而真值是在最佳估計(jì)值的一個(gè)不確定度范圍內(nèi)。不確定度小，誤差肯定也小，但誤差不可能準(zhǔn)確知道；不確定度大，誤差或大或小，限于認(rèn)識(shí)

9、水平，誤差尚不清楚。 8/16/2022140.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理2測(cè)量誤差的表述不確定度(Uncertainty)下面是ISO1993(E)指南所規(guī)定的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)。標(biāo)準(zhǔn)不確定度(Standard Uncertainty) 用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示的測(cè)量結(jié)果的不確定度，用符號(hào) u 表示。合成（標(biāo)準(zhǔn)）不確定度(Combined Standard Uncertainty) 當(dāng)測(cè)量結(jié)果由若干其它量（輸入量，也包括影響量）得來(lái)時(shí)，測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度等于這些量的方差和協(xié)方差加權(quán)和的正平方根，用符號(hào) uc 表示。擴(kuò)展不確定度(Expanded Uncertainty) 規(guī)定了測(cè)量結(jié)果取值區(qū)間的半寬度，該區(qū)間包

10、含了合理賦予被測(cè)量值的分布的大部分，用符號(hào)U表示。8/16/2022150.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理2測(cè)量誤差的表述不確定度(Uncertainty)不確定度包含兩類分量：A類分量是可以用統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定的那些分量，用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征；B類分量是用非統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定的那些分量，用其它估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。需要指出的是，不可一概而論A類評(píng)定方法好還是B類方法好，在小樣本的情形下，A類評(píng)定方法不一定比B類評(píng)定方法好。在實(shí)際工作中，還常用如下三個(gè)名詞：重復(fù)性(Repeatability) 復(fù)（再）現(xiàn)性(Reproducibility) 穩(wěn)定性(Stability)8/16/2022160.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理3條件相

11、同重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟設(shè)消除已定系統(tǒng)誤差以后的重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)列為x1，x2，xn，其處理步驟如下:1）計(jì)算數(shù)據(jù)列的算術(shù)平均值、殘余誤差vi和單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值s : 算術(shù)平均值 殘余誤差 標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值s8/16/2022170.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理3條件相同重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟2）判斷粗大誤差。若存在粗大誤差，應(yīng)將該數(shù)據(jù)剔除，然后重新計(jì)算 、vi和s，再判斷，直至不含粗大誤差為止。粗大誤差的判斷有五種規(guī)則，其中格拉布斯準(zhǔn)則的效果最好，其判斷粗大誤差的步驟如下：設(shè)測(cè)量數(shù)據(jù)列按照由小到大排列為x1，x2，xn。選定風(fēng)險(xiǎn)率。是指判定是壞值而實(shí)際上不是壞值而犯錯(cuò)誤的概率，通常取 5.0或1.0

12、。計(jì)算判定T值。如果x1或xn是可以懷疑的，則 或 8/16/2022180.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理3條件相同重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟2）判斷粗大誤差。 由下表查出T(n,)。T(n,)值 若T T(n, )，則所懷疑值是壞值，應(yīng)予舍棄； 若T T(n, )，則此值不能以風(fēng)險(xiǎn)率舍去，而認(rèn)為是有效的數(shù)據(jù)。34567891011121314155.01.151.461.671.821.942.032.112.182.232.292.332.372.411.01.151.491.751.942.102.222.322.412.482.552.612.662.70n8/16/2022190.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處

13、理3條件相同重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟3）求算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)值。按下式計(jì)算4）判斷系統(tǒng)誤差。根據(jù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的各種方法判斷，并設(shè)法減小和消除之。這一步主要是為了檢查有無(wú)因測(cè)量工作中的某些疏忽而引入的顯著系統(tǒng)誤差。8/16/2022200.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理3條件相同重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟5）求測(cè)量的擴(kuò)展不確定度。根據(jù)測(cè)量的次數(shù)n和置信概率p，由下表查出tp(n)，按下式計(jì)算t分布臨界值 最后寫(xiě)出測(cè)量結(jié)果： 式中，擴(kuò)展不確定度U應(yīng)取最多兩位有效數(shù)字。n345678910t0.6821.321.201.141.111.091.081.071.06t0.954.303.182.782.572.

14、452.372.312.26t0.999.935.844.604.033.713.503.363.258/16/2022210.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理4條件不同的重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟如果被測(cè)量是在不同時(shí)期或不同地點(diǎn)或不同實(shí)驗(yàn)室或不同儀器獲得的，其測(cè)量條件不能保證相同，則應(yīng)采用加權(quán)的方法來(lái)評(píng)定。設(shè)在不同條件下獲得的數(shù)據(jù)列l(wèi)1，l2，ln中不存在系統(tǒng)誤差和粗大誤差。1) 確定各測(cè)量值的權(quán)重。根據(jù)測(cè)量條件（方法、儀器、環(huán)境、人員）的好壞確定權(quán)重。2) 計(jì)算數(shù)據(jù)列的加權(quán)算術(shù)平均值、殘余誤差、以及加權(quán)算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值8/16/2022220.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理4條件不同的重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟3

15、) 求測(cè)量的擴(kuò)展不確定度。根據(jù)測(cè)量的次數(shù)n和置信概率p，由表查出tp(n)，則4）最后寫(xiě)出測(cè)量結(jié)果： 其中，擴(kuò)展不確定度U應(yīng)取最多兩位有效數(shù)字。8/16/2022230.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理5間接測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟間接測(cè)量值為直接測(cè)量值的函數(shù)當(dāng)各個(gè)測(cè)量值及其誤差為已知時(shí)，按下列步驟處理數(shù)據(jù)。1) 計(jì)算間接測(cè)量值 。將各直接測(cè)量值的算術(shù)平均值代入函數(shù)式求 。2) 根據(jù)各誤差傳遞系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值的大小可以判知哪個(gè)（幾個(gè)）直接測(cè)量值對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，則盡量減小或消除該項(xiàng)（幾項(xiàng)）量值的系統(tǒng)誤差。8/16/2022240.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理5間接測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟3）計(jì)算間接測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定

16、度。標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)值為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為8/16/2022250.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理5間接測(cè)量的數(shù)據(jù)處理步驟4）求測(cè)量的擴(kuò)展不確定度。按下式計(jì)算根據(jù)置信概率p，由表查出tp(neff)。在不少場(chǎng)合，因?yàn)椴荒茉敿?xì)獲取與被測(cè)量有關(guān)的各個(gè)量及其合成分布的信息，故難以指明被測(cè)量值的估計(jì)區(qū)間的置信水平。則通常tp(n)取23，如美國(guó)NIST常取tp(n)=2。5）最后寫(xiě)出測(cè)量結(jié)果：8/16/2022260.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理6有效數(shù)字1）有效數(shù)字如果測(cè)量結(jié)果L的極限誤差是某一位上的半個(gè)單位，自該位到L的左起第一個(gè)非零數(shù)字一共有n位，那么L就有n位有效數(shù)字。例如，0.618（三位有效數(shù)字），350.60（五位），1.20103（三位），1.2103（二位）。下面幾條規(guī)則是經(jīng)常用到的，應(yīng)予注意：一切表示誤差或精度的數(shù)字，一般保留一位，最多保留二位有效數(shù)字。測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的位數(shù)，應(yīng)與結(jié)果的誤差的位數(shù)相適應(yīng)。如算出值為202.0250.114mm，結(jié)果應(yīng)寫(xiě)為202.00.1mm