各種物理量的測試計量

各種物理量的測試計量第一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五10.1光學(xué)計量

10.1.1光度計量

1．光度計量的主要內(nèi)容和計量單位 光源發(fā)光的強(qiáng)弱、照明的效果是用人眼的視覺來衡量的,在可見光范圍內(nèi),人的眼睛對不同波長的光的敏感程度是不相同的,這就造成人眼對能量相同、波長不同的光所感受到的明暗程度是不同的。第二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 為了測光的統(tǒng)一和準(zhǔn)確,根據(jù)對許多正常人眼的研究,求出了各種波長的平均相對光譜靈敏度。1942年,國家照明委員會（簡稱CIE）規(guī)定了國際統(tǒng)一的平均人眼光譜特性曲線,稱為平均人眼的“光譜光效率”或“視見函數(shù)”,以V(λ）表示。 光度計量一般是指對可見光各種參數(shù)的計量,主要有發(fā)光強(qiáng)度、光通量、光照度和光亮度等。

第三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

1）光通量 光通量是單位時間內(nèi)通過某一面積,并按國際約定的平均人眼視覺特性評價的光輻射通量,用Φ表示,單位是流［明］（lm）。 流明的定義是:光強(qiáng)度為1坎(cd)的均勻點(diǎn)光源,在1球面度(sr)立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。

2）光強(qiáng)度 光強(qiáng)度是點(diǎn)光源在給定的方向上在單位立體角發(fā)射的光通量,用I表示,單位是坎（cd）。第四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

坎德拉的定義是:一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度,該光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射,且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr。

3）光照度 光照度是入射在單位面積上的光通量,用E表示,單位是勒［克斯］（lx）。(10.1.2)(10.1.1)第五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 勒克斯的定義是:1lm的光通量均勻分布在1m2表面上所產(chǎn)生的光照度。

4）光亮度 光亮度是一個具有一定面積的光源（包括非自發(fā)光源表面）在指定方向上單位投影面積的發(fā)光強(qiáng)度,用L表示,單位是尼特（nt）。(10.1.3)第六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

2．光探測器 光探測器是進(jìn)行光學(xué)計量的重要器件。就其探測范圍而言,包括可見、紅外、紫外光區(qū)。就其測量類別而言有直觀和客觀兩類。 客觀的光探測器一般有三類:

（1）光電效應(yīng)探測器:有光電管、光電倍增管、光導(dǎo)管、光電池等。當(dāng)受到光照時,光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電流與被照表面吸收的光通量成正比,且與照射波的波長有關(guān)。第七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 （2）熱電效應(yīng)探測器:如熱電偶、熱敏電阻等。此類探測器只與接收的輻射通量有關(guān),與入射光的波長無關(guān),是無選擇性的探測器。 （3）光化學(xué)效應(yīng)探測器:如照相底片。

3．測光光度計 測光光度計有以下幾種： （1）陸末-布絡(luò)洪光度計。 陸末-布絡(luò)洪光度計也稱為目視光度頭。通過不斷改變光源到漫射板的距離,并用人眼觀測,很容易使得在一定距離上漫射板兩邊的照度一樣。這樣就可以求出兩光源的發(fā)光強(qiáng)度之比,通過已知燈的光強(qiáng)度值來標(biāo)定待測燈的光強(qiáng)度。第八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 （2）數(shù)字式光電光度計。 數(shù)字式光電光度計是用光電法進(jìn)行光度計量的儀器,即用各種光電接收器和電測儀表相配合進(jìn)行計量。常用的接收器有光電池、光電管和光電倍增管等。不同光源光度量的計量,需選擇不同物理性質(zhì)的光電接收器,采用不同方式來指示光度量。硒光電池就是較普遍用于光度計量的光接收器,其優(yōu)點(diǎn)是精度高、測量時間短。 （3）球形光度計。 球形光度計又稱積分光度計或積分球。它是內(nèi)部中空而外部完整的球殼,根據(jù)光源功率和外部尺寸的大小,有不同直徑的球可供選擇。球上有一窗口,球內(nèi)涂有反射率為ρ的白色漫射層并裝有待測燈,光通過漫反射經(jīng)窗口射到接收器上,這部分光通量正比于待測燈的總光通量。第九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 （4）分布光度計。 分布光度計是通過計量光源的光分布,即照度分布,計算出被測光源的光通量的大型儀器。一般應(yīng)用于大功率和光分布不均勻的光源的計量。

4．光度量的計量方法

1）光度計量原理 光度計量有主觀計量和客觀計量之分,主觀計量以人眼為接收器進(jìn)行計量,客觀計量以各種物理接收器與電測儀器來進(jìn)行計量。在計量中,正確掌握光度學(xué)的一些基本原理以及適用的條件是十分重要的。第十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

(1)朗伯定律。 朗伯定律是與發(fā)光強(qiáng)度和亮度有關(guān)系的。如果有一個面積為A的均勻發(fā)光面,它在某一方向上的亮度為Lθ,則在這個方向上的發(fā)光強(qiáng)度Iθ為Iθ=LθAcosθ(10.1.4) 式中,θ為發(fā)光面法線與指定方向的夾角,稱為方向角。 如果這個面光源的亮度在各個方向上均相等,即亮度不依賴于方向角θ,則下標(biāo)θ可以取消,亮度L為一個常數(shù),則式（10.1.4）可寫為 Iθ=LAcosθ(10.1.5)第十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 而垂直于發(fā)光面的發(fā)光強(qiáng)度I0=LA,代入式（10.1.5）可得 Iθ=I0cosθ(10.1.6) 上式表明,一個亮度在各個方向上均相等的發(fā)光面,在某一個方向上的發(fā)光強(qiáng)度等于這個面垂直方向上的發(fā)光強(qiáng)度I0乘以方向角的余弦。這就是著名的朗伯定律,式（10.1.6）就是朗伯定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。凡是亮度在各個方向上均相等的發(fā)光面,都被稱為朗伯發(fā)射面或朗伯體,有時也叫均勻漫射面或均勻漫射體。例如,黑體輻射器就是一個朗伯體。在光輻射計量中經(jīng)常用到的漫射器如乳白玻璃、白色反射板等也在很大程度上近似于朗伯體。第十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

(2)距離平方反比定律。 設(shè)有一個點(diǎn)光源,它在各個方向上的發(fā)光強(qiáng)度都等于I,在距離這個光源足夠遠(yuǎn)的l處,可以把傳播著的波陣面看做球面,即有一垂直面積為dA的受光面元。光源在某一很小的立體角dΩ范圍內(nèi)發(fā)出的光線是均勻的,根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度與光通量之間的關(guān)系,這個受光面所接收到的光通量為

dΦ=IdΩ(10.1.7)

其中

(10.1.8)

第十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五為點(diǎn)光源對受光面所張的立體角。因此有(10.1.9)將上式代入照度公式E=dΦ/dA,可得(10.1.10)式(10.1.10)表明,垂直于光線傳播方向的被照表面的光照度與從光源到該表面的距離的平方成反比,這稱為距離平方反比定律。第十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

(3)光照度的余弦法則。 設(shè)點(diǎn)光源在某一很小的立體角dΩ范圍內(nèi)均勻發(fā)出光線,與該立體角相截的任意橫截面dA上的光照度為E。如果dA不垂直于光線,即其法線與光線有一夾角α,則dA在垂直于光線方向的投影為dAcosα。所以 (10.1.11)

因此,被照表面dA上的光照度為(10.1.12)第十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五從式(10.1.12)可以看出,被照表面的光照度和該表面法線與光線方向之間夾角的余弦成正比,這稱為光照度的余弦法則。2）光強(qiáng)度的計量光強(qiáng)度的計量通常采用比較法,有等光照度法和等距離法兩種。(1)等光照度法。等光照度法是使標(biāo)準(zhǔn)燈、待測燈和比較燈在接收器表面產(chǎn)生的光照度都相等,然后用距離平方反比定律進(jìn)行計算。最后,待測燈的光強(qiáng)度可用下式計算得出：(10.1.13)第十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五(2)等距離法。等距離法是使標(biāo)準(zhǔn)燈、待測燈、參考燈到光電接收器表面的距離都相等,且位于同一側(cè)。參考燈用來監(jiān)視被測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性,根據(jù)光電流i的變化,通過計算可得待測燈的光強(qiáng)度為(10.1.14)3）光照度的計量 一般光照度的計量是使用照度計進(jìn)行直接計量。在照明工程中,除用照度計直接計量外,有時還可以通過光源的光強(qiáng)度或光亮度值來計算光照度。第十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 設(shè)有一朗伯發(fā)光表面dA,它在各個方向上的光亮度L是相同的,如圖10.1.1所示,則距離dA發(fā)光面l遠(yuǎn)的被照表面dS上的光照度是多少？

連接兩表面,其連線與兩表面法線間夾角分別為φ和α,由光照度的余弦法則可知被照表面的光照度為(10.1.15)第十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五圖10.1.1計算光照度示意圖第十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 又根據(jù)朗伯定律,發(fā)光表面在兩表面連線方向的光強(qiáng)度為

dIφ=LdAcosφ(10.1.16)所以 上式為符合朗伯光源的光照度的一般計算公式,據(jù)此可計算出線狀光源、面光源、圓盤光源等的光照度。(10.1.17)第二十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

4）光通量的計量 同色溫光源光通量計量的比較方便的方法是用積分球并采取替代法進(jìn)行相對計量。在球內(nèi)輪流點(diǎn)燃標(biāo)準(zhǔn)燈和被測燈,由光電池接收器分別在讀數(shù)儀表上測出對應(yīng)的窗口光照度E標(biāo)和E待,這樣得出(10.1.18)即通過已知標(biāo)準(zhǔn)燈的光通量Φ標(biāo),可計算出被測燈的光通量值Φ待。第二十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

5）光亮度的計量 發(fā)光面亮度的計量一般使用亮度計,還可以通過計量光照度來求出光亮度。 對于光亮度較高的大面積光源,在內(nèi)壁涂有無光澤的黑色涂料的管子里,裝兩個可移動的帶孔光欄G,可以防止雜散光經(jīng)窗口射入光電池硒,如圖10.1.2所示。 窗口A對準(zhǔn)并垂直被測發(fā)光表面S,管子長為l,當(dāng)l比S的線度大得多時,可把窗口看做是點(diǎn)光源。設(shè)亮度為L,則窗口的光強(qiáng)度為LS,它在接收器上產(chǎn)生的光照度為(10.1.19)第二十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五圖10.1.2計算光亮度示意圖第二十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五即有當(dāng)光源與窗口之間介質(zhì)為空氣且距離不大時,窗口處的光亮度即可看做光源被測部分的光亮度,測出光照度E,就可算出光亮度值L。10.1.2輻射度計量輻射度計量類似于光度計量,但是不考慮人類視覺系統(tǒng)的特性。光輻射計量,已經(jīng)是把光看成是一種輻射能量,無論是紅外、紫外,還是可見光,都用“功率”和“能量”等絕對單位來計量。輻射度計量的主要參數(shù)有輻射通量、輻射強(qiáng)度、輻射亮度和輻射照度等。輻射度學(xué)的量的定義與光度學(xué)中的對應(yīng)量類似,它們常用的量和單位如表10.1.1所示。(10.1.20)第二十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五表10.1.1光度學(xué)、輻射度學(xué)常用的量和單位第二十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

1．黑體輻射定律 光輻射計量的一個基本理論是關(guān)于黑體輻射的理論。黑體是一個理想的概念,是能夠在任何溫度下把射到它上面的所有波長的輻射完全吸收的假想體。 從理論上講,任何物體只要它的溫度在絕對零度以上,都能發(fā)出電磁輻射能量,任何物體又都能夠或多或少地吸收射到它上面的輻射能量,從而引起內(nèi)能的變化,如果熱量不被帶走的話,物體的溫度將會升高?；鶢柣舴蛲ㄟ^試驗發(fā)現(xiàn),對所有物體,物體發(fā)出的輻射（即輻出度Me）與吸收輻射α的比值是相同的,是波長和溫度的函數(shù),而與物體的材料和形狀無關(guān),即第二十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

這就是基爾霍夫定律。對于黑體有α=1,且黑體是輻出度最高的物體。 普朗克定律則給出了黑體輻出度的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式 式中,Me,λ是波長為λ時的光譜輻出度;c1為第一輻射常數(shù),c1=2πhc2=3.7408×10-16W·m2,h為普朗克常數(shù),c為光速;c2為第二輻射常數(shù),c2=hc/k=1.4388×10-2m·K,k為玻爾茲曼常數(shù);λ為波長;T為絕對溫度。知道了黑體的溫度,就可以算出黑體光譜輻出度隨溫度的變化,也就可以用各種溫度下的黑體作為測量光譜能量分布的計量基準(zhǔn)。(10.1.21)(10.1.22)第二十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 將普朗克公式(10.1.22)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換后,可以得出維恩位移定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 式(10.1.23)表明輻射本領(lǐng)最大的波長λm與黑體的絕對溫度T的乘積是一個常數(shù)。 將普朗克公式(10.1.22)對所有波長進(jìn)行積分,就可得到黑體在某一溫度下的總輻出度

Me=σT4W·m-2(10.1.24)

這就是斯忒藩-玻爾茲曼定律,其中(10.1.23)第二十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

稱為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù),它是熱力學(xué)中一個重要的物理常數(shù)。式(10.1.24)表明黑體的總輻出度Me與絕對溫度的四次方成正比。

2．光譜能量分布計量 光源的光譜輻射亮度（強(qiáng)度、通量）與波長的關(guān)系,稱為光源的光譜能量分布。如果以波長為橫坐標(biāo),以輻射亮度（強(qiáng)度、通量）為縱坐標(biāo),可以畫出光譜能量分布曲線,從曲線中可以知道光源輻射的波長范圍,某一波長的輻通量,以及這一波段的能量占總能量的百分比等等。第二十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

要計量光源的光譜能量分布,就必須按光源波長（顏色）分別進(jìn)行測量,單色儀就是能將光源顏色分開的儀器。計量光源相對光譜能量分布采用的是將待測燈與標(biāo)準(zhǔn)燈相比較的測量方法,測量中用單色儀作分光器。第三十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 在某一波長下用光電探測器測出標(biāo)準(zhǔn)光源的輸出信號is(λ),保持測量條件不變,用待測光源替代標(biāo)準(zhǔn)光源,測出待測光源的輸出信號ix(λ),標(biāo)準(zhǔn)光源在波長為λ時的光譜輻射亮度Lλs(λ)是已知的,則待測光源在波長為λ時的光譜輻射亮度Lλx(λ)為 其中,M為與波長無關(guān)的常數(shù),在計量相對光譜能量分布時,不需要測出M的具體數(shù)值。改變λ就可以求出各波長下待測光源的相對光譜輻射亮度。 (10.1.25)第三十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 其中,M為與波長無關(guān)的常數(shù),在計量相對光譜能量分布時,不需要測出M的具體數(shù)值。改變λ就可以求出各波長下待測光源的相對光譜輻射亮度。 用干涉濾光片測出光源某一波長輻射亮度的絕對值,再根據(jù)光源的相對光譜能量分布曲線,可以推算出光源的絕對光譜能量分布曲線。

10.1.3激光計量 激光計量是光學(xué)計量的新領(lǐng)域,主要研究連續(xù)激光和脈沖激光的功率和能量。一般對連續(xù)激光計量功率,而對脈沖激光則計量能量。第三十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

1．激光功率和能量的計量方法 激光是一種受激輻射的電磁能,它可以根據(jù)電磁輻射與物質(zhì)相互作用的原理,把電磁輻射轉(zhuǎn)變成其他形式的能量加以計量。激光功率和能量的計量方法與光輻射的基本計量方法相同,常用的方法有光熱法、光電法、光壓法、光磁法等。

1）光熱法 光熱法是根據(jù)光的熱效應(yīng),通過測量光能轉(zhuǎn)換成熱能后引起的物體的溫度、壓力、體積和電阻的變化,達(dá)到測量激光功率的目的。常采用熱電堆、熱敏電阻或熱敏氣動器（高萊探測器）等熱敏探測器進(jìn)行探測。第三十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 光熱法的最大優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用的光譜范圍寬,而且光譜響應(yīng)平坦,靈敏度可以做到不隨激光輻射束的波長和入射角而變,性能長期穩(wěn)定、線性良好。

2）光電法 光電法基于光電器件的光電效應(yīng)。當(dāng)光輻射能入射到光電器件上時,由于入射光子與材料的束縛態(tài)電子相互作用,產(chǎn)生了一定的光電效應(yīng),從而使探測器輸出光生電動勢。常用的探測器有光電二極管、光電池和光敏電阻等內(nèi)光電效應(yīng)器件,也有使用光電管和光電倍增等外光電效應(yīng)器件的探測器。第三十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 光電法具有靈敏度高和響應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)。由于光電探測器的響應(yīng)是由光子與束縛態(tài)電子直接相互作用決定的,因此光譜響應(yīng)隨波長變化較大,應(yīng)用波長范圍較窄,它是一種有選擇性的探測器。

3）光壓法 光壓法基于光壓效應(yīng)。目前主要使用的是光子牽引探測器,是近幾年發(fā)展起來的一種新型探測器,主要用于二氧化碳激光的測量。當(dāng)強(qiáng)光照射某些半導(dǎo)體材料時,由于入射光子與自由載流子之間產(chǎn)生動量傳遞作用,牽引半導(dǎo)體中的自由載流子（電子或空穴）沿著光照方向相對于晶體運(yùn)動,從而產(chǎn)生光電子牽引電壓,其電場方向與載流子方向相反,這種效應(yīng)稱為光子牽引效應(yīng)。第三十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 光子牽引探測器就是根據(jù)光子牽引效應(yīng)制成的。其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快,不需外接電源,缺點(diǎn)是靈敏度低,只能在強(qiáng)光照射下才有響應(yīng),不適用于作微弱光信號探測器。

4）光磁法 光磁法基于光磁電效應(yīng)。將半導(dǎo)體置于強(qiáng)場中,當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光輻射照射時,在表面便會產(chǎn)生光生電子-空穴對。表面的電子與空穴濃度增大,便要向外擴(kuò)散,在擴(kuò)散過程中受到強(qiáng)磁場的作用,空穴和電子便向相反的方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),使半導(dǎo)體的兩端分別積累正電荷和負(fù)電荷,從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電場,阻礙電子與空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。第三十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 此時如果把半導(dǎo)體兩端接上負(fù)載,則產(chǎn)生電流,兩端開路時則有開路電壓,這種現(xiàn)象稱為光磁電效應(yīng)。利用光磁電效應(yīng)制成的探測器叫做光磁電探測器。其優(yōu)點(diǎn)是光譜響應(yīng)較寬,響應(yīng)速度較快,不需要加偏壓,內(nèi)阻很低,有良好的穩(wěn)定性和可靠性;缺點(diǎn)是響應(yīng)度不夠高,而且需要附加磁場裝置,測量電路較為復(fù)雜,易于受到外界環(huán)境的干擾,因而大大影響了其使用。

2．激光功率計量 激光功率計量按其大小分為小功率、中功率和大功率計量。通常把功率范圍為0.1～100mW的激光功率稱為小功率,把1～30W范圍的激光功率稱為中功率,把30W以上的激光功率稱為大功率。第三十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

1）激光小功率計量

激光小功率計量工作標(biāo)準(zhǔn)是平面補(bǔ)償型絕對輻射計,由外殼和接收器兩部分組成。接收器部分主要由氧化絕緣的硬鋁底座、鍍金云母片、基片、黑吸收層、熱電堆組成。當(dāng)一束待計量的激光射到輻射計的接收面上時,被表面黑吸收層吸收,接收面就會變熱,并通過加熱絲和云母片傳到基片上,在基片上產(chǎn)生一個均勻的溫場,很快熱量就傳到粘附在基片背面的熱電堆,熱電堆的熱電勢變化能表示出輻射計受光照時所產(chǎn)生的溫升。第三十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 然后遮斷光照,在加熱器上通以電流,并使熱電堆給出同樣的熱電勢變化,則加熱所用的電功率就代表了待計量的激光功率。 平面補(bǔ)償型絕對輻射計在測量波長為0.3～1.5μm時,測量的功率范圍為0.1～500mW,測量不確定度為±2%。

2）激光大、中功率計量 絕對型激光大、中功率計量標(biāo)準(zhǔn)一般采用流水式功率計。這種功率計在結(jié)構(gòu)上采用錐體接收,導(dǎo)桿傳熱冷卻的形式,如圖10.1.3所示。第三十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五圖10.1.3流水式激光功率計第四十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 當(dāng)激光束入射到內(nèi)錐體壁上時,內(nèi)錐體吸收光束的能量,并把光能轉(zhuǎn)換成熱能。熱能沿導(dǎo)桿向散熱器方向傳遞,形成溫度梯度,并通過以恒定流速流過內(nèi)錐體外壁的水把內(nèi)錐體吸收的熱能帶走。由于從進(jìn)水口流入的水通過內(nèi)錐體外壁時吸收了一定的熱能,溫度升高,因此,出水口的水與進(jìn)水口的水相比有溫差,在導(dǎo)桿的進(jìn)水口和出水口處裝有測量溫差的熱電堆,由此產(chǎn)生一定的熱電勢。在水流速恒定的情況下,激光功率的大小與熱電堆輸出的熱電勢的大小成正比關(guān)系,這樣就把光能測量問題轉(zhuǎn)換為較容易實現(xiàn)的電能測量,根據(jù)熱電堆產(chǎn)生的熱電勢的大小就可以確定入射激光功率的大小。第四十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

3．激光能量計量 激光能量計量主要是采用電能校準(zhǔn)的光熱型能量計,其工作原理是經(jīng)典的量熱學(xué)方法。為了適應(yīng)激光能量不同量程、波長、峰值功率或能量密度的計量,有B型、Z型和D型三種類型的能量計可供選擇。這三種激光能量計分別適用于大、中、小激光能量的計量。 （1）B型能量計。

B型能量計是體吸收型的能量計,脈沖激光能量不是在一個面上被吸收,而是在一個體型吸收器內(nèi)被吸收,以免引起瞬時局部高溫而產(chǎn)生不良影響。B型能量計作為激光能量工作標(biāo)準(zhǔn),其準(zhǔn)確度為±2%,重復(fù)性優(yōu)于±0.4%。第四十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 （2）Z型能量計。

Z型能量計是一種激光小能量計量標(biāo)準(zhǔn),是以雙錐腔為接收器的能量計,錐形結(jié)構(gòu)使光束經(jīng)多次反射而被全部吸收,因此,該能量計屬于全吸收型能量計。其優(yōu)點(diǎn)是工作波段寬,但是損傷閾值很低。多用于寬脈沖或連續(xù)脈沖激光能量的計量。 （3）D型能量計。

D型能量計是一種激光大能量計。其接收器是一內(nèi)壁拋光成鏡面并鍍鎳的方形鋼管,稱為接收腔。激光射入接收腔,經(jīng)多次反射逐漸被接收腔吸收。接收腔左右外壁粘附著熱電偶,上下外壁按一定的密度貼著電加熱絲,模擬激光吸收的路徑,以此來計量出激光的能量。第四十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

10.1.4色度計量

1．色度系統(tǒng) 產(chǎn)生顏色視覺是光輻射作用于人眼的效應(yīng),而物體的顏色既取決于光作用于物體的特性,又和人眼的視覺特性有關(guān)。因此,國際照明委員會規(guī)定了適用于匹配等能光譜刺激的（X）（Y）（Z）三原色數(shù)量,即標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的光譜三刺激值,以代表人眼的平均顏色視覺特性,用于色度計量計算和顏色標(biāo)定。第四十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

1931年CIE在RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,建立了CIE1931色度圖,（R）（G）（B）分別代表紅、綠、藍(lán)三個原色。根據(jù)顏色混合原理,任何一種顏色都能夠用三個原色的適當(dāng)比例相混合獲得,因此,要確定某一顏色,就必須采用匹配某一顏色的三原色比例。對某一特定顏色刺激的色度坐標(biāo)與光譜三刺激值、、的關(guān)系為(10.1.26)第四十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 x色度坐標(biāo)相當(dāng)于紅原色的比例,y色度坐標(biāo)相當(dāng)于綠顏色的比例,z色度坐標(biāo)相當(dāng)于藍(lán)原色的比例,且x+y+z=1。

2．光源的色溫和相關(guān)色溫 不同的光源,由于發(fā)光物質(zhì)的成分不同,光譜功率分布有很大差異,一定的光譜功率分布表現(xiàn)為一定的光色。光源的光色不僅和它發(fā)光時的溫度有關(guān),而且在和黑體輻射源的光色相匹配的情況下,還和此時黑體輻射源的溫度有關(guān)。因此,可以把光源的光和黑體輻射的光相比較來描述光源的光色。第四十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 光源色溫是指發(fā)出和某光源具有相同光色的黑體輻射源的絕對溫度。也就是用黑體輻射源加熱到不同溫度時所發(fā)出的不同顏色來描述光源的顏色。 當(dāng)光源的光色與黑體輻射源的光色不相同時,色溫的概念被拓廣,提出了相關(guān)色溫的概念。 在某一確定的均勻色度圖中,如果某光源與某一溫度下的黑體輻射源具有最接近的相同的光色,則此時黑體的這個絕對溫度叫做該光源的相關(guān)色溫。也就是說,光源的光色在色度圖上不一定準(zhǔn)確地落在黑體軌跡上,而常在軌跡附近。由于光源的色度坐標(biāo)并不恰好是黑體軌跡上的色度坐標(biāo),因此用光源與黑體軌跡最接近的顏色來確定該光源的色溫。第四十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

3．色度計量方法 一個物體的顏色是由其色度坐標(biāo)來表示的,為了計量光源或物體的色度坐標(biāo),應(yīng)先對光源的光譜功率分布或物體的光譜透過率或反射率進(jìn)行測定,然后計算出顏色的三刺激值,最后由三刺激值轉(zhuǎn)換成色度坐標(biāo)。 對于投射物體和反射物體,CIE規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)照明體的相對光譜功率分布,只需測量得到物體色刺激的光譜透過率或光譜反射率,就可以通過計算得出物體的色度坐標(biāo)。

第四十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 光譜光度測色法就是應(yīng)用上述原理,通過定量比較“標(biāo)準(zhǔn)”和樣品在同一波長的單色輻射功率,進(jìn)一步測得其光譜反射率因數(shù)或光譜透過率,從而得出物體的三刺激值和色度坐標(biāo)。采用光譜光度測色法制成的色度計量儀器是光譜光度測量儀。

4．色度計量儀器 色度計量儀器主要可分成兩類:分光測色儀器和色度計。分光測色儀器是色度計量中最基本的儀器,這類儀器不直接測量顏色的三刺激值,而是測量物體的光譜反射或光譜投射特性,再用CIE推薦的標(biāo)準(zhǔn)照明體和標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的光譜三刺激值,通過計算求得被測物體的三刺激值。第四十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 光譜光度測量儀就是一種分光測色儀器。而色度計不同,它的響應(yīng)很像人眼的視覺系統(tǒng),可通過直接測得與顏色的三刺激值成比例的儀器響應(yīng)數(shù)值,直接換算出顏色的三刺激值。色度計獲得三刺激值的方法是由儀器內(nèi)部的光學(xué)模擬積分來實現(xiàn)的,也就是用濾光鏡來校正儀器光源和探測器的光譜特性,使輸出的電信號的大小正比于顏色的三刺激值。色度計包括目視色度計和光電色度計兩類。第五十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五10.2聲學(xué)計量

10.2.1聲學(xué)計量的基本參量 當(dāng)一個物體振動時,在它的周圍就會產(chǎn)生聲波,這個由于振動而引起發(fā)聲的物體就稱為聲源。聲波通常指彈性媒質(zhì)中傳播的壓強(qiáng)、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)位移、質(zhì)點(diǎn)速度等的變化。一般來說,凡是彈性媒質(zhì),例如空氣、液體和固體等都能夠傳播聲波。聲波是以縱波的形式在彈性媒質(zhì)中傳播的。第五十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 聲波的頻率很廣,從10-4～1012Hz。按照頻率范圍,聲波可以分為次聲、可聽聲、超聲和特超聲。次聲是頻率低于人耳聽覺下限的聲,其頻率范圍為10-4～20Hz。聽聲也稱為可聽聲,是正常人耳可以聽到的聲音,其頻率范圍大致為20～20

000Hz。日常生活中所說的聲音,一般都是指聽聲。超聲是頻率高于人耳聽覺上限的聲音,即頻率高于20000Hz、低于5×108

Hz的聲。特超聲是頻率為5×108～1012Hz的聲。 第五十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

1．聲壓、聲強(qiáng)和聲功率 聲學(xué)計量的基本參量有三個,即聲壓、聲強(qiáng)和聲功率,其中最主要的是聲壓。因為聲強(qiáng)和聲功率的計量相當(dāng)困難,而聲壓的計量往往比較容易,所以常常通過計量聲壓來間接地計量其他量。 聲壓的定義是:在聲波存在時介質(zhì)中的壓力與靜壓的差值。聲壓一般用P來表示,其單位是帕［斯卡］,符號為Pa。1Pa=1N/m2,即1Pa是1N的力均勻而垂直地作用在1m2的面積上所產(chǎn)生的壓力。聲壓變化的平均值為零,通常所說的聲壓皆指有效（均方根）聲壓。第五十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 空氣聲聲壓計量和聽力計量就是研究空氣中聲壓單位的傳遞問題；水聲計量則是研究水中聲壓單位的傳遞問題;超聲計量雖然是研究超聲功率的傳遞問題,但由于聲功率與聲壓之間存在對應(yīng)關(guān)系,它也可以歸結(jié)為聲壓單位的傳遞。 聲強(qiáng)是單位時間通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲能量,用Ｉ表示,單位為瓦/米2。 聲功率是指單位時間內(nèi)通過指定面積的聲能。聲源的聲功率通常是指在單位時間內(nèi)聲源向空間輻射的總能量。聲功率一般用W表示,單位為瓦。第五十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

2．頻率 頻率也是聲學(xué)計量中的一個基本量。聲學(xué)計量的很多內(nèi)容都與頻率有關(guān)。一般說來,空氣聲聲壓計量和聽力計量都是研究人耳可以聽到的音頻聲,超聲計量研究超聲頻段的聲波,而水聲計量研究的頻率范圍最寬,從次聲到超聲。

3．級與分貝 正常人耳剛剛能聽到的聲音的聲壓為2×10-5Pa,稱為聽閥聲壓;使正常人耳開始感到刺痛難忍的聲音的聲壓為20Pa,稱為聲痛聲壓。兩者相差一百萬倍?？梢?用帕［斯卡］來表示聲壓,在數(shù)值上很不方便。另一方面,人耳對聲壓大小的主觀感覺不是線性的,而是近似于對數(shù)關(guān)系?；谶@兩方面的原因,人們選擇了一個對數(shù)單位——分貝(dB)作為級差的單位。聲壓的大小一般用“聲壓級”來表示,定義為第五十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

LP=20(10.2.1)

其中,P０為基準(zhǔn)聲壓,通常取為2×10-5Pa。這樣,聽閥的聲壓級即為0dB,而痛閥則為120dB。人們?nèi)粘Ｖv話的聲音約為40dB。 聲強(qiáng)用分貝表示稱為聲強(qiáng)級,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中,I0是基準(zhǔn)聲強(qiáng),通常取為10-12W/m2。 聲功率用分貝表示則為聲功率級,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(10.2.2)第五十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 (10.2.3)

式中,W0是基準(zhǔn)聲功率,通常取為10-12W。

10.2.2空氣聲聲壓計量 聲學(xué)計量與其他計量領(lǐng)域的最大不同點(diǎn)就是,聲學(xué)量值傳遞是通過校準(zhǔn)換能器（如標(biāo)準(zhǔn)傳聲器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器）的靈敏度來實現(xiàn)的。因為聲壓不像長度、質(zhì)量那樣可以建立一個永久性的基準(zhǔn)器件,進(jìn)行直接計量,所以,從某種意義上講,聲學(xué)計量的實質(zhì)是進(jìn)行換能器校準(zhǔn)。第五十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 傳聲器是一種將聲能轉(zhuǎn)換成電能的換能器。傳聲器先把聲波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號,然后用電子儀表放大到一定的電壓再進(jìn)行測量與分析。目前,聲壓大多是采用傳聲器來計量的,所以要準(zhǔn)確計量,必須用靈敏度經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)的傳聲器。因此,聲壓計量問題實質(zhì)上就是傳聲器靈敏度的校準(zhǔn)問題。 瑞利盤是測量平面聲波聲場中質(zhì)點(diǎn)速度的基本儀器,早期曾用做傳聲器的絕對校準(zhǔn)。要直接求得聲波中的質(zhì)點(diǎn)振幅,可以采用煙點(diǎn)法,即測量懸浮在聲波中煙點(diǎn)振動軌跡的長度。熱線法也曾經(jīng)用做聲壓的絕對計量。 目前,校準(zhǔn)傳聲器靈敏度的常用方法有耦合腔互易法、自由場互易法、活塞發(fā)生器法和靜電激勵器法。第五十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

1．耦合腔互易法 互易技術(shù)可以用來校準(zhǔn)封閉在小空腔中的傳聲器,它給出的是聲壓靈敏度。耦合腔互易法要使用三個傳聲器,其中一個必須是可逆的,或者用一個輔助聲源和兩個傳聲器,其中一個傳聲器也必須是可逆的。 采用三個傳聲器時,用兩個傳聲器耦合到耦合腔,其中一個傳聲器作發(fā)射器,另一個作接收器。由接收器的開路輸出電壓和發(fā)射器的輸入電流的比值可以導(dǎo)出計算兩個傳聲器的聲壓靈敏度乘積的公式。如果互換傳聲器,進(jìn)行三組測量,并比較測量結(jié)果,就可以求出每一個傳聲器的聲壓靈敏度。第五十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 采用兩個傳聲器時,用輔助聲源在耦合腔內(nèi)建立一個恒穩(wěn)的聲壓,這時兩個傳聲器輸出電壓的比值等于在聲壓相同情況下,兩個傳聲器聲壓靈敏度的比值。 耦合腔互易法的校準(zhǔn)頻率范圍為50～2000Hz,精度為±0.05dB。若將耦合腔中充以氫氣,則校準(zhǔn)頻率可以擴(kuò)展到10000Hz,精度約為±0.1dB。耦合腔互易法是當(dāng)前精度最高的一種絕對校準(zhǔn)法,幾乎所有國家的聲壓計量基準(zhǔn)都是采用該方法建立的。第六十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

2．自由場互易法 自由場互易法與耦合腔互易法類似,但它給出的是聲場靈敏度,并且校準(zhǔn)要在消聲室內(nèi)進(jìn)行。待校準(zhǔn)的傳聲器不必是可逆的,但需要使用一個輔助的可逆?zhèn)髀暺?。先將輔助傳聲器用作聲源,測量放在距離d處作接收用的校準(zhǔn)傳聲器的開路電壓,然后用一個恒定輸出的輔助聲源作發(fā)射器,將前面兩個傳聲器放在該聲源產(chǎn)生的聲場中相同的位置,測出兩個傳聲器的開路電壓,按照IEC-468的校準(zhǔn)公式的推導(dǎo)和計算可以求出待校傳聲器的自由場靈敏度。第六十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

3．活塞發(fā)生器法 活塞發(fā)生器包括一個剛性壁的空腔,一端用待校準(zhǔn)的傳聲器作底,另一端連接一個小圓柱體。在圓柱體中,活塞用凸輪或彎軸推動作正弦運(yùn)動,只要測定活塞運(yùn)動的振幅,就可以求出腔內(nèi)聲壓的有效值。活塞發(fā)生器適用于低頻率時校準(zhǔn)傳聲器,頻率上限為機(jī)械振動的允許速度所控制?；钊l(fā)生器可以用來校準(zhǔn)精密聲級計。 用活塞發(fā)生器校準(zhǔn)傳聲器靈敏度的方法很簡單,先使待測傳聲器與活塞發(fā)生器耦合,接通活塞發(fā)生器的電源,使它在傳聲器的膜片前產(chǎn)生一個恒定的聲壓,這時,傳聲器的輸出經(jīng)放大器放大后,用電壓表測出給定聲壓級時的輸出電壓。第六十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 然后移開活塞發(fā)生器,將和活塞發(fā)生器產(chǎn)生的聲壓頻率相同的電壓串接入傳聲器輸出端,調(diào)節(jié)電壓大小來獲得相同的輸出。傳聲器在該頻率的靈敏度就是串接的電壓和所加聲壓的比值。

4．靜電激勵器法 靜電激勵器包括一個開槽板,安裝在傳聲器膜片前,在開槽板和膜片之間加上極化電壓并串接入信號電壓,當(dāng)輸入電壓為800V、交流信號電壓為30V時,傳聲器膜片上的有效聲壓約為1Pa（94dB）。 靜電激勵器產(chǎn)生的力和頻率無關(guān),所以它可以用來計量電容傳聲器的頻率響應(yīng),其準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.5dB。如果需要絕對計量,可以和一已知標(biāo)準(zhǔn)比較,或者用互易法進(jìn)行絕對校準(zhǔn)。第六十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

5．其他聲級校準(zhǔn)器校準(zhǔn)

1）聲級校準(zhǔn)器 聲級校準(zhǔn)器用以對聲級和其他聲學(xué)計量系統(tǒng)進(jìn)行聲壓的校準(zhǔn)。它包括一個性能穩(wěn)定的1000Hz振蕩器和壓電元件,產(chǎn)生的恒定聲壓為1Pa（94dB）。在現(xiàn)場用它來校準(zhǔn)傳聲器,準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.25dB。如果不用膜片,而直接用壓電晶體,頻率可以提高到超高頻,可以得到高聲壓。

2）高聲強(qiáng)校準(zhǔn)器

第六十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 高聲強(qiáng)校準(zhǔn)器用電動激勵器推動活塞。它的空腔較小,在164dB的條件下可校準(zhǔn)12mm、6mm和3mm的電容傳聲器。如果用脈沖信號源,校準(zhǔn)聲壓級可以提高到172dB。使用不同容積的耦合腔時,其校準(zhǔn)頻率范圍為0.01～1000Hz,校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度約為±1.5dB,且不受空腔體積和大氣靜壓力的影響。

10.2.3水聲計量 水聽器就是水下傳聲器,是將水中聲壓轉(zhuǎn)換成電壓的一種聲學(xué)換能器。標(biāo)準(zhǔn)水聽器一般具有接收靈敏度高、一致性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因此,可以用來建立水聲聲壓基準(zhǔn)。第六十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 水聲聲壓計量的基本原理與空氣聲壓計量的原理相同,只不過需要在性能良好的消聲水池或相應(yīng)的液體中進(jìn)行。實現(xiàn)水聲聲壓單位的主要方法有耦合腔互易法、自由場互易法和壓電補(bǔ)償法。耦合腔互易法和壓電補(bǔ)償法可用來建立低頻水聲聲壓基準(zhǔn),前者一般可以在20Hz～3.15kHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行水聽器校準(zhǔn),精度約為±0.5dB,后者的工作頻率范圍為1～2kHz,精度為±0.5dB。水聲自由場互易法用于建立高頻水聲聲壓基準(zhǔn),頻率范圍約為3～200kHz,精度約為±1dB。第六十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

10.2.4超聲計量 超聲功率計量是超聲計量最基本的內(nèi)容。計量超聲功率的方法很多,有力學(xué)法（輻射壓力法）、電學(xué)法（聲壓法）、熱學(xué)法（量熱法）和光學(xué)法（聲光衍射法）等,其中除量熱法是直接計量外,其他方法都是間接計量,即通過計量其他物理量計算出超聲功

1．輻射壓力法 聲波引起的一種力學(xué)現(xiàn)象稱為輻射壓力,在超聲技術(shù)中,由于聲強(qiáng)較大,聲的輻射壓力就成為一個較為容易計量的量,因而被用來計量超聲聲強(qiáng)和聲功率。計量輻射壓力,實際上就是計量聲波作用在一障礙物上的力,如圖10.2.1所示。如果障礙物的側(cè)面積比聲波波長大得多,則所受輻射壓力為第六十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 式中:αr為聲能反射系數(shù);θ為入射聲波與平板法線間的夾角;S為平板受聲波作用的有效面積;I為聲強(qiáng);ca為聲速。 由式(10.2.4)可以得到聲強(qiáng)和聲功率分別為(10.2.4)(10.2.5)(10.2.6)第六十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五圖10.2.1輻射壓力示意圖第六十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 測量輻射壓力的方法很多,有天平法、扭稱法和浮子法等。一般來說,天平法多用于超聲功率標(biāo)準(zhǔn)的建立。對準(zhǔn)確度要求不是很高時,可以采用較為簡單的扭稱法和浮子法。 輻射法的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單、測量準(zhǔn)確、容易實現(xiàn)、量程范圍大,但不適用于聚焦超聲場的測量。

2．聲壓法 聲壓法計量超聲功率的基本原理就是通過標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電能來進(jìn)行測量。一般是通過測量自由聲場的聲壓或混響聲場的聲壓來計算聲功率,因此這種測量通常是在消聲水池或混響水池中進(jìn)行的。第七十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 對于平面自由聲場,聲功率與聲壓的關(guān)系為(10.2.7)

式中:P為聲壓;S為測量包絡(luò)面的面積;ρca為介質(zhì)的特性阻抗。 應(yīng)用這種方法,只要測出各點(diǎn)的聲壓,就可以求得總的聲功率。這種方法測量點(diǎn)數(shù)多,計算相當(dāng)復(fù)雜,難以在日常的檢定工作中推廣,而且精度也不高。但由于聲壓法可以準(zhǔn)確測量出聲場的分布情況,因此特別適用于聚焦超聲場和脈沖超聲場的測量。第七十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

3．量熱法 量熱法計量超聲功率的原理是:利用工作介質(zhì)吸收超聲能后轉(zhuǎn)換成熱能而引起某些物理量（如溫度、體積）發(fā)生變化,并根據(jù)這些變化計算出介質(zhì)吸收的超聲功率。利用量熱法計量超聲功率時,一般希望工作介質(zhì)將傳遞給它的聲能全部吸收,因此需要選擇高吸收的工作介質(zhì)。另外,由于介質(zhì)對聲波的吸收和頻率的平方成正比,所以量熱法對高頻更有效。 量熱法的優(yōu)點(diǎn)是可以測量聚焦換能器的功率,量程大,但只適用于高頻和吸收系數(shù)大的介質(zhì),且裝置比較復(fù)雜,測量比較費(fèi)時。第七十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

4．聲光衍射法 聲光衍射法計量超聲功率的原理是Raman-Nath衍射,即超聲波通過液體時,會使液體的密度產(chǎn)生疏密變化,因而液體的折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化,產(chǎn)生相位光柵,調(diào)制與其垂直的單色光束后,引起的m級衍射光的光強(qiáng)與Raman-Nath參數(shù)的m階貝塞爾函數(shù)的平方成正比。通過測量m級衍射光強(qiáng)的相對值,就可以計算出超聲功率。 聲光衍射法測量精度高,對聲場無干擾,能測出換能器輻射表面很近處的聲功率,但局限于透明介質(zhì)中的測量。第七十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

10.2.5聽力計量 由于聽力計量與人耳有關(guān),這就決定了聽力計量的基準(zhǔn)器除了要能夠復(fù)現(xiàn)物理量的量值以外,還應(yīng)體現(xiàn)人的實際聽覺特性。聽力計量的標(biāo)準(zhǔn)器主要有標(biāo)準(zhǔn)仿真耳和標(biāo)準(zhǔn)仿真乳突,工作計量器具主要有聽力計。 聽力計是用來測量人的聽覺能力的一種工作計量器具,一般由振蕩器、衰減器、放大器和耳機(jī)（氣導(dǎo)耳機(jī)和骨導(dǎo)耳機(jī)）組成,是聽力計量中使用最多的計量器具。測量時,一般是用聽力計發(fā)出頻率、大小可控制的電壓加在耳機(jī)上,求得在人耳可聽到的最小電壓,耳機(jī)的輸出由標(biāo)準(zhǔn)器來校準(zhǔn)。第七十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 聽力計的種類很多,按信號類型可分為純音聽力計和語言聽力計,按工作方式可分為手動聽力計和自動聽力計,按用途可分為診斷聽力計和篩選聽力計。 標(biāo)準(zhǔn)仿真耳是一種模擬人耳物理特性（聲阻抗）的標(biāo)準(zhǔn)化儀器,可用來檢定聽力計或計量助聽器和耳機(jī)。仿真耳主要是一個耦合腔,腔內(nèi)有傳聲器可測量聽力計產(chǎn)生的聲壓級。 標(biāo)準(zhǔn)仿真乳突是一種模擬人體頭部乳突和前額位置機(jī)械阻抗的電聲儀器,內(nèi)部裝有動態(tài)力和加速度的傳感器,計量頻率范圍是50Hz～10kHz,是檢定聽力計的骨導(dǎo)耳機(jī)和助聽器的骨振器的標(biāo)準(zhǔn)儀器。第七十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

10.2.6噪聲計量 從生理學(xué)觀點(diǎn)來看,凡是使人感到煩躁的、討厭的、不需要的聲音都是噪聲。而從物理學(xué)觀點(diǎn)看,噪聲是由各種不同頻率和強(qiáng)度的聲音無規(guī)律地雜亂組合而形成的。隨著工業(yè)的發(fā)展,噪聲污染也日趨嚴(yán)重,因此噪聲計量越來越受到重視。 相對于聲壓級來說,用聲功率級來評價噪聲的大小有許多優(yōu)點(diǎn)。因為聲壓級的大小隨測試環(huán)境和距離的變化而不同,而聲功率級是從能量的觀點(diǎn)來評價噪聲大小的,對于某一特定的聲源,其聲功率級是一個常數(shù),不受外界條件和測試距離的影響。因此,噪聲聲功率級的計量是噪聲計量中一項十分重要的內(nèi)容。第七十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 聲功率級的計量方法很多,按測量精度可分為精密法、工程法和簡易法;按測試環(huán)境可分為消聲室法、半消聲室法、混響法和現(xiàn)場法。

1．消聲室和半消聲室計量噪聲功率級的精密方法 消聲室是指室內(nèi)六個面都鋪有吸聲材料,聲吸收系數(shù)達(dá)到99％以上的實驗室。半消聲室是指房間有五個面鋪有吸聲系數(shù)達(dá)99％以上的吸聲材料,而地面是全反射面的實驗室。 這種計量方法適用于寬帶穩(wěn)態(tài)噪聲、窄帶穩(wěn)態(tài)噪聲和非穩(wěn)態(tài)噪聲等噪聲源類型。第七十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 測試頻率范圍為100～10000Hz,精度為0.5～1dB（消聲室）和1.0～1.5dB（半消聲室）,在所有噪聲功率級計量方法中是精度最高的。但由于該方法對測試環(huán)境的要求很高,在一般情況下很難滿足,因此主要用于計量部門檢定標(biāo)準(zhǔn)噪聲源。噪聲功率級的計算公式為 式中:為包絡(luò)面上的平均聲壓級,S為包絡(luò)面的表面積;S0為基準(zhǔn)面積,等于1m2;C為溫度和氣壓修正值。(10.2.8)第七十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

2．混響室計量聲功率級的精密方法 混響室是指房間六個面均由硬質(zhì)面光滑材料構(gòu)成,形成全反射條件,平均吸聲系數(shù)不大于0.06,并且室內(nèi)裝有不同形狀的擴(kuò)散體,以取得聲場均勻分布的測試室。在混響室中計量噪聲聲功率級不需要規(guī)定計量表面（包絡(luò)面）,只要把噪聲源置于混響室內(nèi),計量室內(nèi)的平均聲壓級就可以了,其計算公式為(10.2.9)第七十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 式中:為混響室內(nèi)的平均聲壓級;V為混響室的體積;T為混響時間;S為混響室內(nèi)表面積;λ為測試頻帶中心頻率的波長。

3．工程法 前面介紹的計量噪聲聲功率級的兩種方法都必須在特殊的聲學(xué)實驗室中進(jìn)行,雖然準(zhǔn)確度較高,但對測試環(huán)境和儀器設(shè)備的要求都比較高。在實際工作中,被測噪聲源常常處在一種既不是理想的自由聲場,又不是理想的擴(kuò)散聲場的環(huán)境中。根據(jù)室內(nèi)聲學(xué)理論,對于一般房間,距離聲源中心點(diǎn)r處的平均聲能密度是直達(dá)聲能密度與混響聲能密度之和,聲功率級的表達(dá)式為

第八十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

(10.2.10)式中:是半徑為r的半球面上的平均聲壓級;R為房間常數(shù)。在式(10.2.10)中,只要確定了房間常數(shù)R就可以求得聲功率級。確定R的方法有雙表面法、混響時間測量法和標(biāo)準(zhǔn)噪聲源比較法。

1）雙表面法 取兩個測量表面S1=2πr21和S2=2πr22,分別測出S1和S2上的平均聲壓級為和,則有第八十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

式(10.2.11)和式(10.2.12)相減得

令B=100.1ΔLp,則有

(10.2.11)(10.2.12)(10.2.13)(10.2.14)第八十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 由此可得 式(10.2.15)是進(jìn)行現(xiàn)場聲功率級計算的一般公式 雙表面法比較簡單,只需取兩個表面進(jìn)行測量,但測量精度不是很高。

2）混響時間測量法 將式(10.2.10)改寫為(10.2.15)(10.2.16)第八十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

式中:S為測量表面積;K為測試室的環(huán)境修正值,

。

K的值可以通過對混響時間的測量得到?；祉憰r間T與R的關(guān)系為

(10.2.17)

式中:V為測試室的體積;T為測試室的混響時間。

3）標(biāo)準(zhǔn)噪聲源比較法 標(biāo)準(zhǔn)噪聲源是指聲功率級在消聲室或混響室里用精密方法檢定過的聲源。標(biāo)準(zhǔn)噪聲源的種類很多,有空氣動力式、電磁式、機(jī)械式等。

第八十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 在相同條件下,用已知聲功率級的標(biāo)準(zhǔn)噪聲源與被計量的噪聲源相比較的方法,可以求得噪聲源的噪聲聲功率級,其計算公式為 式中:LWS為已知的標(biāo)準(zhǔn)噪聲源的聲功率級;為被測聲源工作時在測量表面上測得的平均聲壓級;為標(biāo)準(zhǔn)噪聲源工作時在測量表面上測得的平均聲壓級。 用標(biāo)準(zhǔn)噪聲源法計量噪聲功率級比較簡單,計算也很方便,精度也比較高,因此該方法在噪聲聲功率計量中應(yīng)用比較廣泛。(10.2.18)第八十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五10.3化學(xué)計量

10.3.1化學(xué)計量的基本單位——摩爾 物質(zhì)的量的單位是摩爾,符號為mol。摩爾是國際單位制中的一個基本單位,也是化學(xué)計量的基本單位。摩爾的建立,把物質(zhì)的微觀現(xiàn)象和宏觀現(xiàn)象聯(lián)系了起來,為科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)提供了很大的方便。第八十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 從化學(xué)反應(yīng)的角度來看,理論上物質(zhì)之間的反應(yīng)是按照一定數(shù)量的分子、原子或離子來進(jìn)行的,而實際上是以可稱量的物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)的,所以需要把微粒與可稱量的物質(zhì)聯(lián)系起來,即要建立一種物質(zhì)的量的基本單位,這個單位就是摩爾。摩爾是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量,該系統(tǒng)中所包含的基本單元數(shù)與0.012千克碳-12的原子數(shù)目相等。在使用摩爾時,應(yīng)指明基本單元,可以是原子、分子、離子、電子及其他粒子,或是這些粒子的特定組合。 根據(jù)摩爾的上述定義,1mol就是0.012kg碳-12所包含的基本單元數(shù),這個數(shù)的準(zhǔn)確值就是阿伏加德羅常數(shù),即每摩爾物質(zhì)含有阿伏加德羅常數(shù)個微粒。因此,可以通過精確地測定阿伏加德羅常數(shù)實現(xiàn)物質(zhì)的量的單位摩爾。摩爾的建立把物質(zhì)的微粒與可稱量的物質(zhì)之間聯(lián)系了起來,因而摩爾作為物質(zhì)的量的單位在應(yīng)用上十分方便。第八十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

10.3.2標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在國民經(jīng)濟(jì)各個部門中的應(yīng)用很廣,主要用來校準(zhǔn)計量儀器或測量系統(tǒng),檢驗控制產(chǎn)品質(zhì)量,進(jìn)行臨床化驗分析和環(huán)境分析檢測。

1．標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定義 在規(guī)定條件下,具有一種或多種已經(jīng)確定了的高穩(wěn)定的物理、化學(xué)或計量學(xué)特性,并經(jīng)正式批準(zhǔn)可作為標(biāo)準(zhǔn)使用,以便用來準(zhǔn)確測量器具、評價測量方法或給材料賦值的物質(zhì)或材料稱為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)也稱為標(biāo)準(zhǔn)樣品,其主要作用是保證測量系統(tǒng)中測試方法和量值的準(zhǔn)確一致。通常所說的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是指有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是經(jīng)一種或多種有效技術(shù)方法鑒定其特性值,并附有或可溯源到由鑒定機(jī)構(gòu)所發(fā)給的證書或其他文件的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。第八十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

2．標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的級別 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的級別劃分一般以其特性量量值的準(zhǔn)確度作為依據(jù),如物理特性量、化學(xué)特性量和計量學(xué)特性量。此外,均勻性、穩(wěn)定性和用途按級別劃分也有不同的要求。從量值傳遞的要求來看,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的級別分為一級和二級。一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由國家計量機(jī)構(gòu)或經(jīng)國家計量主管部門確認(rèn)的機(jī)構(gòu)制備,二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由工業(yè)主管部門確認(rèn)的機(jī)構(gòu)制備。

3．標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的分類 從標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的特性量來看,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可以分為三個類別:化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、物理化學(xué)特性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和工程技術(shù)特性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。第八十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 （1）化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)： 這類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)包括金屬、地質(zhì)、環(huán)境等類別,其化學(xué)成分經(jīng)過準(zhǔn)確的測量,具有確定的化學(xué)成分,主要用于成分分析儀器的校準(zhǔn)和分析方法的評價。 （2）物理化學(xué)特性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)： 這類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)包括酸度、燃燒熱、聚合物分子量等類別,具有良好的物理化學(xué)特性,用于物理化學(xué)特性計量器具的刻度、校準(zhǔn)或計量方法的評價。 （3）工程技術(shù)特性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)： 這類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)主要有粒度、橡膠等類別,具有良好的技術(shù)特性,用于工程技術(shù)參數(shù)和特性計量器具的校準(zhǔn)、測量方法的評價及材料或產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)的比較。第九十頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

10.3.3化學(xué)計量的主要項目

1．物質(zhì)成分與含量計量 物質(zhì)成分與含量計量是化學(xué)計量中非常重要的一項內(nèi)容,其主要方法可分為化學(xué)分析法和儀器分析法。

1）化學(xué)分析法 化學(xué)分析法是以物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的分析方法,主要有重量分析法和滴定分析法等。

(1)重量分析法是根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物（一般是沉淀）的重量來確定被測組分在試樣中的含量的。該方法適用于含量在1％以上的常量組分的測定,可獲得很精確的分析結(jié)果,一般可達(dá)0.1%～0.2％的準(zhǔn)確度,但操作麻煩,耗費(fèi)時間較長。第九十一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

(2)滴定分析法是將一種已知準(zhǔn)確濃度的試劑溶液,用滴定管加到被測物質(zhì)的溶液中,直到化學(xué)反應(yīng)完成為止。該方法依據(jù)試劑與被測物間的化學(xué)計量關(guān)系,通過測量所消耗的已知濃度的試劑溶液的體積,求得被測組分的含量,因此也稱為容量分析法。

2）儀器分析法 儀器分析法是以物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)制成化學(xué)分析儀器,用以測量物質(zhì)的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)及某些物理性能。分析方法主要有電化學(xué)分析法、光學(xué)分析法、X射線分析法和色譜分析法等。在實際工作中,應(yīng)用較多的化學(xué)分析儀器有電位分析儀器、光學(xué)分析儀器、X射線分析儀器、色譜儀和濕度計等。第九十二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

(1)電位分析儀器。 電化學(xué)分析法是根據(jù)被分析溶液的各種電化學(xué)性質(zhì)來確定其組成及其含量的分析方法。主要包括電位分析法、電解分析法、極譜分析法、電導(dǎo)分析法等。在這里主要介紹電位分析儀器。 電位分析儀器就是利用電極與溶液接觸時產(chǎn)生電位差,通過測量電位差和其他物理量,從而測量溶液中離子的濃（活）度。 根據(jù)這一原理,使用玻璃電極測量溶液中氫離子活度的酸度計就是一個典型的例子。玻璃電極能響應(yīng)溶液中的氫離子,玻璃電極作指示電極,甘汞電極作參比電極,玻璃電極與電位保持恒定的參比電極組成測量電池,接上測量儀表就可測定電池的電動勢,電動勢的變化即反映出指示電極電位的變化。第九十三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 隨著電位測量技術(shù)的發(fā)展,電位分析儀器在玻璃電極的基礎(chǔ)上發(fā)展成為可測量其他離子的離子選擇電極,如對Na+、K+、Li+、NH4+等敏感的離子選擇電極。從而擴(kuò)大了電位測量技術(shù)的范圍,使電位分析技術(shù)在化學(xué)計量中發(fā)揮了很大的作用。

(2)光學(xué)分析儀器。 光吸收原理是分析化學(xué)技術(shù)中使用最多的一個原理,主要利用被測物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定量分析。因此,光學(xué)分析儀器是利用光的特性和光與物質(zhì)相互作用后產(chǎn)生的輻射信號及其變化特征構(gòu)成的,也就是利用物質(zhì)對光的吸收或物質(zhì)的分子、原子、離子受到熱能、電能或化學(xué)能的激發(fā)而產(chǎn)生的光的發(fā)射而構(gòu)成的。第九十四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 因此光學(xué)分析儀器可分為吸收光譜分析儀器和發(fā)射光譜分析儀器兩大類。吸收光譜分析儀器包括光電比色計、可見和紫外吸光光度計、紅外吸光光度計、原子吸收分光光度計等。發(fā)射光譜分析法包括原子發(fā)射光譜儀、火焰分光光度計等。光學(xué)分析儀器的特點(diǎn)是靈敏度高、選擇性好、分析速度快,且能同時分析多種元素。

(3)X射線分析儀器。

X射線分析儀器是利用外來能量使物質(zhì)原子內(nèi)層的電子能量發(fā)生變化,產(chǎn)生能級躍遷(通過不同能級產(chǎn)生不同的躍遷),因而產(chǎn)生特征波長的X射線,以此作為定性分析的依據(jù),而特征譜線的強(qiáng)度則作為定量分析的依據(jù)。X射線分析儀器主要有X射線熒光分析儀和X射線衍射儀。第九十五頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

(4)色譜儀。 色譜儀是一種多組分分離和分析儀器,分為氣相色譜儀和液相色譜儀兩種,在定性和定量分析化學(xué)中占有極其重要的位置。其分析過程是:將待分析物質(zhì)用分離裝置進(jìn)行分離以后,將已分離的各個單一組分依次通過檢測器進(jìn)行檢測,實現(xiàn)定性和定量分析。因此分離系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)是色譜儀的核心部分,分離系統(tǒng)是一色譜柱,由柱管、流動相和固定相構(gòu)成,柱管內(nèi)充以固定相,也就是通常所說的吸附劑,如分子篩、活性碳等。第九十六頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 氣相色譜儀的流動相是氣體,最常用的是氮?dú)?、氫氣及氬氣等。液相色譜儀是指呈液態(tài)的樣品直接進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分離,然后進(jìn)行檢測,這類色譜儀主要用來分析有機(jī)高分子化合物。色譜儀的檢測器按氣、液相色譜儀的分類有各自不同的檢測器。氣相色譜儀常用的檢測器是導(dǎo)熱式檢測器和氫火焰電離檢測器,液相色譜儀最常用的檢測器是紫外吸收式檢測器和氫火焰電離檢測器。帶熱導(dǎo)池的氣相色譜儀流程圖如圖10.3.1所示,其中的箭頭代表氣流方向。第九十七頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五圖10.3.1帶熱導(dǎo)池的氣相色譜儀流程圖第九十八頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

2．酸度計量 為了解溶液酸度的概念,看一下水分子的離解作用: H2OH++OH-(10.3.1)

在25℃下水的離子積等于10-14摩爾離子/升,是一個常數(shù)。 由于純水在離解時產(chǎn)生等量的H+和OH-,因此［H+］=［OH-］=10-7摩爾離子/升。這時溶液呈中性。當(dāng)向純水中加入酸時,則［H+］增大,［OH-］減小,即當(dāng)［H+］>10-7摩爾離子/升時,溶液呈酸性;當(dāng)［H+］<10-7摩爾離子/升時,溶液呈堿性。所以,早年是用氫離子濃度的負(fù)對數(shù)來表示水溶液的酸度的,即

pH=-lg［H+］(10.3.2)第九十九頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 后來,隨著電化學(xué)的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)影響化學(xué)反應(yīng)的因素是離子活度,而不能簡單地認(rèn)為是離子濃度。于是又重新將酸度定義為

pH=-lgaH+(10.3.3)

即酸度為氫離子活度［a

H+］的負(fù)對數(shù)。 酸度計量是根據(jù)前面所述的電位法原理,即利用對溶液中氫離子活度具有能斯特響應(yīng)關(guān)系的電極進(jìn)行測量。對氫離子活度具有能斯特響應(yīng)的電極有氫電極、醌-氫醌電極和玻璃電極（如圖10.3.2所示）等,其中以玻璃電極的應(yīng)用最為方便,也最廣泛,酸度計就是采用玻璃電極作指示電極的。指示電極電位的基本方程是(10.3.4)第一百頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五圖10.3.2pH玻璃電極第一百零一頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 其中:E0為參比電極電位;R為摩爾氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;F為法拉第常數(shù)。則待測溶液的酸度為

于是,通過對電極電位的計量便可以獲得相應(yīng)的pH值。根據(jù)水的離子積,pH的標(biāo)度范圍定為0～14。

(10.3.5)第一百零二頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五

3．粘度計量 粘度是流體的一種特性,是流體內(nèi)部相互作用,即流體內(nèi)摩擦力的一種反映,因此,粘度也稱為粘滯系數(shù)或液體內(nèi)摩擦的量度。常用的粘度有動力粘度η和運(yùn)動粘度γ兩種。內(nèi)摩擦力隨流體物理性質(zhì)而改變的比例系數(shù),稱為動力粘度,運(yùn)動粘度是流體的動力粘度與同溫度下的密度之比。動力粘度和運(yùn)動粘度的關(guān)系是 η=γρ(10.3.6)第一百零三頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 在國際單位制中,動力粘度的單位是牛頓·秒/米2或千克/（米·秒）,運(yùn)動粘度的單位為米2/秒。 計量粘度的方法有絕對計量法和相對計量法兩種。絕對計量法是直接測定儀器尺寸及有關(guān)物理量而求得粘度的方法。相對計量法是借助粘度計把被測液體與粘度已知的標(biāo)準(zhǔn)液體進(jìn)行比較而求得粘度的方法。 粘度計有毛細(xì)管粘度計、落球粘度計、旋轉(zhuǎn)粘度計、振動粘度計及超聲波粘度計等。其中玻璃毛細(xì)管粘度計用得最普遍,精度也比較高。第一百零四頁，共一百三十八頁，編輯于2023年，星期五 各國的粘度計量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)基本上都是采用玻璃毛細(xì)管粘度計。這種粘度計是基于一定體積的被測液體流經(jīng)毛細(xì)管所需的時間來評定粘度的。為了滿足各種粘度的計量需要,粘度基、標(biāo)準(zhǔn)需由內(nèi)徑不同的數(shù)支毛細(xì)管粘度計組成。粘度的計量范圍大致是1×10-6～1×10-1m2/s,精度約為±(0.1～0.4)%。

4．濕