光電測試技術(shù)-緒論

1、光電測試技術(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)時基本光學(xué)量的測試技術(shù) 12學(xué)時色度和光度測試技術(shù) 6 學(xué)時激光測試技術(shù) 6 學(xué)時激光干涉測試技術(shù) 8 學(xué)時其他典型光電測試技術(shù) 6 學(xué)時 實驗 （10）學(xué)時合計 40（10)學(xué)時8/16/20222考核方式平時表現(xiàn)*（作業(yè)、大作業(yè)）：20實驗：20期末考試：608/16/20223參考書目蘇大圖，光學(xué)測試技術(shù)，北京理工大學(xué)出版社，1996楊國光，近代光學(xué)測試技術(shù)，浙江大學(xué)出版社，1997張琢，范志剛，激光干涉測試技術(shù)及應(yīng)用，機械工業(yè)出版社，1998孫長庫，葉聲華，激光測量技術(shù)，天津大學(xué)出版社，2001殷純永，現(xiàn)代

2、干涉測量技術(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 光電測試技術(shù)概述光電測試技術(shù)的發(fā)展人類利用自然界存在的光線進行計量與測試最早用于天文和地理領(lǐng)域光學(xué)科學(xué)出現(xiàn)前；自從望遠鏡和顯微鏡出現(xiàn)以后，光學(xué)與精密機械結(jié)合，使許多傳統(tǒng)的光學(xué)計量和測試儀器廣泛應(yīng)用于各級計量部門和大地測量部門經(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)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展與結(jié)合，出現(xiàn)了光機電算一體化的光電測試技術(shù)現(xiàn)代光學(xué)。8/16/202250.1 光電測試技術(shù)概述光電測試技術(shù)是當(dāng)代先進技術(shù)之一由于光電測試方法具有非接觸、高靈敏、高精度的特

3、點，能夠?qū)崿F(xiàn)三維形貌、相關(guān)性和實時性測量，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，成為一種無法取代的測試技術(shù)，是當(dāng)代先進技術(shù)之一。光電測試技術(shù)是高新技術(shù)之一光電測試技術(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)、計算機技術(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，光電測試技術(shù)無論從測試方法、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 光電測試技術(shù)概述光電測試技術(shù)原理上的三個特點：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)定性都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)光源；從光機結(jié)合的模式向光機電算一體化的模式轉(zhuǎn)換。光電測試技術(shù)功能上的三個特點：從靜態(tài)測量向動態(tài)測量發(fā)展；從逐點測量向全場測量發(fā)展；從低速測量向高速測量發(fā)展，同時具有存儲、記錄功能。8/16/202270.1 光電測試技術(shù)概述光電測試技術(shù)的發(fā)展趨勢光學(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)見的未來，光電測試技術(shù)將在以下幾個方面獲得進一步發(fā)展：亞微米級、納米級的高精密光電測試方法；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、光開關(guān)、光濾波器、光電探測器

5、陣列等；快速高效的三維全場動態(tài)測試技術(shù)；與計算機和控制技術(shù)結(jié)合的閉環(huán)式光電測試技術(shù)；光學(xué)診斷和光學(xué)無損檢測技術(shù)等。8/16/202280.2 關(guān)于測量的基本知識1測量的定義測量就是將被測量和一個作為測量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，并確定被測量是測量單位的若干倍或幾分之幾的過程?？梢员硎緸長qE如果用L0表示真值，而用L表示測得值，那么LLL0 稱為測量誤差(絕對誤差)； 而L / L 稱為相對誤差。測量誤差越小，準(zhǔn)確度就愈高。8/16/202290.2 關(guān)于測量的基本知識2基本量和單位測量就是要進行比較，從而給出被測量的“量”的概念。為此，比較時必須滿足被測量與選作單位的量(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 七個基本量:量的名稱單位名稱單位符號長 度米m質(zhì) 量千克(公斤)kg時 間秒s電 流安培A熱力學(xué)溫度開爾文K物質(zhì)的量摩爾mol發(fā)光強度坎德拉cd8/16/2022100.2 關(guān)于測量的基本知識3測量中應(yīng)遵循的原則阿貝原則長度測量時，標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)安放在被測件測量中心線的延長線上。做到這一點可以避免產(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。測量時，滿足封閉性可以實現(xiàn)自檢，因而可以提高測量的精度。8/16/2022110.2 關(guān)于測量的

7、基本知識4測量方法的組成測量方法是對特定的測量對象測量某一被測量時，參與此測量過程的各組成因素和測量條件的總和。它包括測量目的、被測對象和被測量；標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)；定位系統(tǒng)；瞄準(zhǔn)系統(tǒng)；顯示系統(tǒng)；測量條件。8/16/2022120.3 測量數(shù)據(jù)的處理1誤差來源和分類誤差產(chǎn)生的來源可以歸結(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量同一量時，絕對值和符號保持不變；測量條件改變時，按照確定規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。偶然誤差 在實際相同的測量條件下，多次測量同一量時，絕對值和符號以不可預(yù)測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 測量數(shù)據(jù)的處理2測量誤差的表述不確定度(Uncertainty)目前國內(nèi)外多采用ISO1993(E)指南所規(guī)定的測量不確定度來表征測量結(jié)果質(zhì)量。測量不確定度是定量的、可操作的質(zhì)量指標(biāo)，測量結(jié)果附有不確定度說明時才是完整和有意義的。測量不確定度是指對測量結(jié)果不能肯定的程度。它反映了對被測量的真值的認識的不足。經(jīng)測量，合理地賦予被測量的值不是唯一的，而是有許多個可能的值。真值在何處并不知道，而只可能獲知一個最佳估計值，而真值是在最佳估計值的一個不確定度范圍內(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，限于認識

9、水平，誤差尚不清楚。 8/16/2022140.3 測量數(shù)據(jù)的處理2測量誤差的表述不確定度(Uncertainty)下面是ISO1993(E)指南所規(guī)定的幾個術(shù)語。標(biāo)準(zhǔn)不確定度(Standard Uncertainty) 用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示的測量結(jié)果的不確定度，用符號 u 表示。合成（標(biāo)準(zhǔn)）不確定度(Combined Standard Uncertainty) 當(dāng)測量結(jié)果由若干其它量（輸入量，也包括影響量）得來時，測量結(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 uc 表示。擴展不確定度(Expanded Uncertainty) 規(guī)定了測量結(jié)果取值區(qū)間的半寬度，該區(qū)間包

10、含了合理賦予被測量值的分布的大部分，用符號U表示。8/16/2022150.3 測量數(shù)據(jù)的處理2測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)計方法評定的那些分量，用實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差表征；B類分量是用非統(tǒng)計方法評定的那些分量，用其它估計的標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。需要指出的是，不可一概而論A類評定方法好還是B類方法好，在小樣本的情形下，A類評定方法不一定比B類評定方法好。在實際工作中，還常用如下三個名詞：重復(fù)性(Repeatability) 復(fù)（再）現(xiàn)性(Reproducibility) 穩(wěn)定性(Stability)8/16/2022160.3 測量數(shù)據(jù)的處理3條件相

11、同重復(fù)測量的數(shù)據(jù)處理步驟設(shè)消除已定系統(tǒng)誤差以后的重復(fù)測量數(shù)據(jù)列為x1，x2，xn，其處理步驟如下:1）計算數(shù)據(jù)列的算術(shù)平均值、殘余誤差vi和單次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計值s : 算術(shù)平均值 殘余誤差 標(biāo)準(zhǔn)偏差估計值s8/16/2022170.3 測量數(shù)據(jù)的處理3條件相同重復(fù)測量的數(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)測量數(shù)據(jù)列按照由小到大排列為x1，x2，xn。選定風(fēng)險率。是指判定是壞值而實際上不是壞值而犯錯誤的概率，通常取 5.0或1.0

12、。計算判定T值。如果x1或xn是可以懷疑的，則 或 8/16/2022180.3 測量數(shù)據(jù)的處理3條件相同重復(fù)測量的數(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)險率舍去，而認為是有效的數(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 測量數(shù)據(jù)的處

13、理3條件相同重復(fù)測量的數(shù)據(jù)處理步驟3）求算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計值。按下式計算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因測量工作中的某些疏忽而引入的顯著系統(tǒng)誤差。8/16/2022200.3 測量數(shù)據(jù)的處理3條件相同重復(fù)測量的數(shù)據(jù)處理步驟5）求測量的擴展不確定度。根據(jù)測量的次數(shù)n和置信概率p，由下表查出tp(n)，按下式計算t分布臨界值 最后寫出測量結(jié)果： 式中，擴展不確定度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 測量數(shù)據(jù)的處理4條件不同的重復(fù)測量的數(shù)據(jù)處理步驟如果被測量是在不同時期或不同地點或不同實驗室或不同儀器獲得的，其測量條件不能保證相同，則應(yīng)采用加權(quán)的方法來評定。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) 確定各測量值的權(quán)重。根據(jù)測量條件（方法、儀器、環(huán)境、人員）的好壞確定權(quán)重。2) 計算數(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)偏差估計值8/16/2022220.3 測量數(shù)據(jù)的處理4條件不同的重復(fù)測量的數(shù)據(jù)處理步驟3

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

16、度。標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計值為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為8/16/2022250.3 測量數(shù)據(jù)的處理5間接測量的數(shù)據(jù)處理步驟4）求測量的擴展不確定度。按下式計算根據(jù)置信概率p，由表查出tp(neff)。在不少場合，因為不能詳細獲取與被測量有關(guān)的各個量及其合成分布的信息，故難以指明被測量值的估計區(qū)間的置信水平。則通常tp(n)取23，如美國NIST常取tp(n)=2。5）最后寫出測量結(jié)果：8/16/2022260.3 測量數(shù)據(jù)的處理6有效數(shù)字1）有效數(shù)字如果測量結(jié)果L的極限誤差是某一位上的半個單位，自該位到L的左起第一個非零數(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)寫為202.00.1mm