第10章 各種物理量的測(cè)試計(jì)量(下)

第10章各種物理量的測(cè)試計(jì)量（下）10.1光學(xué)計(jì)量10.2聲學(xué)計(jì)量10.3化學(xué)計(jì)量10.4電離輻射計(jì)量2021/5/9110.1光學(xué)計(jì)量 10.1.1光度計(jì)量

1．光度計(jì)量的主要內(nèi)容和計(jì)量單位 光源發(fā)光的強(qiáng)弱、照明的效果是用人眼的視覺(jué)來(lái)衡量的,在可見(jiàn)光范圍內(nèi),人的眼睛對(duì)不同波長(zhǎng)的光的敏感程度是不相同的,這就造成人眼對(duì)能量相同、波長(zhǎng)不同的光所感受到的明暗程度是不同的。2021/5/92

為了測(cè)光的統(tǒng)一和準(zhǔn)確,根據(jù)對(duì)許多正常人眼的研究,求出了各種波長(zhǎng)的平均相對(duì)光譜靈敏度。1942年,國(guó)家照明委員會(huì)（簡(jiǎn)稱CIE）規(guī)定了國(guó)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(jiàn)函數(shù)”,以V(λ）表示。 光度計(jì)量一般是指對(duì)可見(jiàn)光各種參數(shù)的計(jì)量,主要有發(fā)光強(qiáng)度、光通量、光照度和光亮度等。

2021/5/93 1）光通量 光通量是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積,并按國(guó)際約定的平均人眼視覺(jué)特性評(píng)價(jià)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）。2021/5/94

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)2021/5/95

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(gè)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)2021/5/96 2．光探測(cè)器 光探測(cè)器是進(jìn)行光學(xué)計(jì)量的重要器件。就其探測(cè)范圍而言,包括可見(jiàn)、紅外、紫外光區(qū)。就其測(cè)量類別而言有直觀和客觀兩類。 客觀的光探測(cè)器一般有三類:

（1）光電效應(yīng)探測(cè)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(shí),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(zhǎng)有關(guān)。2021/5/97

（2）熱電效應(yīng)探測(cè)器:如熱電偶、熱敏電阻等。此類探測(cè)器只與接收的輻射通量有關(guān),與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān),是無(wú)選擇性的探測(cè)器。 （3）光化學(xué)效應(yīng)探測(cè)器:如照相底片。

3．測(cè)光光度計(jì) 測(cè)光光度計(jì)有以下幾種： （1）陸末-布絡(luò)洪光度計(jì)。 陸末-布絡(luò)洪光度計(jì)也稱為目視光度頭。通過(guò)不斷改變光源到漫射板的距離,并用人眼觀測(cè),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(guò)已知燈的光強(qiáng)度值來(lái)標(biāo)定待測(cè)燈的光強(qiáng)度。2021/5/98

（2）數(shù)字式光電光度計(jì)。 數(shù)字式光電光度計(jì)是用光電法進(jìn)行光度計(jì)量的儀器,即用各種光電接收器和電測(cè)儀表相配合進(jìn)行計(jì)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(jì)量,需選擇不同物理性質(zhì)的光電接收器,采用不同方式來(lái)指示光度量。硒光電池就是較普遍用于光度計(jì)量的光接收器,其優(yōu)點(diǎn)是精度高、測(cè)量時(shí)間短。 （3）球形光度計(jì)。 球形光度計(jì)又稱積分光度計(jì)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(cè)燈,光通過(guò)漫反射經(jīng)窗口射到接收器上,這部分光通量正比于待測(cè)燈的總光通量。2021/5/99

（4）分布光度計(jì)。 分布光度計(jì)是通過(guò)計(jì)量光源的光分布,即照度分布,計(jì)算出被測(cè)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(jì)量。

4．光度量的計(jì)量方法

1）光度計(jì)量原理 光度計(jì)量有主觀計(jì)量和客觀計(jì)量之分,主觀計(jì)量以人眼為接收器進(jìn)行計(jì)量,客觀計(jì)量以各種物理接收器與電測(cè)儀器來(lái)進(jìn)行計(jì)量。在計(jì)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。2021/5/910 (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(gè)面積為A的均勻發(fā)光面,它在某一方向上的亮度為L(zhǎng)θ,則在這個(gè)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(gè)面光源的亮度在各個(gè)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(gè)常數(shù),則式（10.1.4）可寫為 Iθ=LAcosθ(10.1.5)2021/5/911

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(gè)亮度在各個(gè)方向上均相等的發(fā)光面,在某一個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度等于這個(gè)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(gè)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(shí)也叫均勻漫射面或均勻漫射體。例如,黑體輻射器就是一個(gè)朗伯體。在光輻射計(jì)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。2021/5/912 (2)距離平方反比定律。 設(shè)有一個(gè)點(diǎn)光源,它在各個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度都等于I,在距離這個(gè)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(gè)受光面所接收到的光通量為

dΦ=IdΩ(10.1.7)

其中

(10.1.8)

2021/5/913為點(diǎn)光源對(duì)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。2021/5/914 (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)2021/5/915

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(jì)量光強(qiáng)度的計(jì)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(cè)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(jì)算。最后,待測(cè)燈的光強(qiáng)度可用下式計(jì)算得出：(10.1.13)2021/5/916(2)等距離法。等距離法是使標(biāo)準(zhǔn)燈、待測(cè)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(lái)監(jiān)視被測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性,根據(jù)光電流i的變化,通過(guò)計(jì)算可得待測(cè)燈的光強(qiáng)度為(10.1.14)3）光照度的計(jì)量 一般光照度的計(jì)量是使用照度計(jì)進(jìn)行直接計(jì)量。在照明工程中,除用照度計(jì)直接計(jì)量外,有時(shí)還可以通過(guò)光源的光強(qiáng)度或光亮度值來(lái)計(jì)算光照度。2021/5/917

設(shè)有一朗伯發(fā)光表面dA,它在各個(gè)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)2021/5/918圖10.1.1計(jì)算光照度示意圖2021/5/919 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(jì)算公式,據(jù)此可計(jì)算出線狀光源、面光源、圓盤光源等的光照度。(10.1.17)2021/5/920 4）光通量的計(jì)量 同色溫光源光通量計(jì)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(duì)計(jì)量。在球內(nèi)輪流點(diǎn)燃標(biāo)準(zhǔn)燈和被測(cè)燈,由光電池接收器分別在讀數(shù)儀表上測(cè)出對(duì)應(yīng)的窗口光照度E標(biāo)和E待,這樣得出(10.1.18)

即通過(guò)已知標(biāo)準(zhǔn)燈的光通量Φ標(biāo),可計(jì)算出被測(cè)燈的光通量值Φ待。2021/5/921 5）光亮度的計(jì)量 發(fā)光面亮度的計(jì)量一般使用亮度計(jì),還可以通過(guò)計(jì)量光照度來(lái)求出光亮度。 對(duì)于光亮度較高的大面積光源,在內(nèi)壁涂有無(wú)光澤的黑色涂料的管子里,裝兩個(gè)可移動(dòng)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(duì)準(zhǔn)并垂直被測(cè)發(fā)光表面S,管子長(zhǎng)為l,當(dāng)l比S的線度大得多時(shí),可把窗口看做是點(diǎn)光源。設(shè)亮度為L(zhǎng),則窗口的光強(qiáng)度為L(zhǎng)S,它在接收器上產(chǎn)生的光照度為(10.1.19)2021/5/922圖10.1.2計(jì)算光亮度示意圖2021/5/923即有

當(dāng)光源與窗口之間介質(zhì)為空氣且距離不大時(shí),窗口處的光亮度即可看做光源被測(cè)部分的光亮度,測(cè)出光照度E,就可算出光亮度值L。10.1.2輻射度計(jì)量輻射度計(jì)量類似于光度計(jì)量,但是不考慮人類視覺(jué)系統(tǒng)的特性。光輻射計(jì)量,已經(jīng)是把光看成是一種輻射能量,無(wú)論是紅外、紫外,還是可見(jiàn)光,都用“功率”和“能量”等絕對(duì)單位來(lái)計(jì)量。輻射度計(jì)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(duì)應(yīng)量類似,它們常用的量和單位如表10.1.1所示。(10.1.20)2021/5/924表10.1.1光度學(xué)、輻射度學(xué)常用的量和單位2021/5/925 1．黑體輻射定律 光輻射計(jì)量的一個(gè)基本理論是關(guān)于黑體輻射的理論。黑體是一個(gè)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(zhǎng)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(duì)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(huì)升高?；鶢柣舴蛲ㄟ^(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)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(zhǎng)和溫度的函數(shù),而與物體的材料和形狀無(wú)關(guān),即2021/5/926

這就是基爾霍夫定律。對(duì)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(zhǎng)為λ時(shí)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(zhǎng);T為絕對(duì)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(cè)量光譜能量分布的計(jì)量基準(zhǔn)。(10.1.21)(10.1.22)2021/5/927

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(zhǎng)λm與黑體的絕對(duì)溫度T的乘積是一個(gè)常數(shù)。 將普朗克公式(10.1.22)對(duì)所有波長(zhǎng)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)2021/5/928

稱為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù),它是熱力學(xué)中一個(gè)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(duì)溫度的四次方成正比。

2．光譜能量分布計(jì)量 光源的光譜輻射亮度（強(qiáng)度、通量）與波長(zhǎng)的關(guān)系,稱為光源的光譜能量分布。如果以波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍,某一波長(zhǎng)的輻通量,以及這一波段的能量占總能量的百分比等等。2021/5/929

要計(jì)量光源的光譜能量分布,就必須按光源波長(zhǎng)（顏色）分別進(jìn)行測(cè)量,單色儀就是能將光源顏色分開(kāi)的儀器。計(jì)量光源相對(duì)光譜能量分布采用的是將待測(cè)燈與標(biāo)準(zhǔn)燈相比較的測(cè)量方法,測(cè)量中用單色儀作分光器。2021/5/930

在某一波長(zhǎng)下用光電探測(cè)器測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)光源的輸出信號(hào)is(λ),保持測(cè)量條件不變,用待測(cè)光源替代標(biāo)準(zhǔn)光源,測(cè)出待測(cè)光源的輸出信號(hào)ix(λ),標(biāo)準(zhǔn)光源在波長(zhǎng)為λ時(shí)的光譜輻射亮度Lλs(λ)是已知的,則待測(cè)光源在波長(zhǎng)為λ時(shí)的光譜輻射亮度Lλx(λ)為 其中,M為與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù),在計(jì)量相對(duì)光譜能量分布時(shí),不需要測(cè)出M的具體數(shù)值。改變?chǔ)司涂梢郧蟪龈鞑ㄩL(zhǎng)下待測(cè)光源的相對(duì)光譜輻射亮度。 (10.1.25)2021/5/931

其中,M為與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù),在計(jì)量相對(duì)光譜能量分布時(shí),不需要測(cè)出M的具體數(shù)值。改變?chǔ)司涂梢郧蟪龈鞑ㄩL(zhǎng)下待測(cè)光源的相對(duì)光譜輻射亮度。 用干涉濾光片測(cè)出光源某一波長(zhǎng)輻射亮度的絕對(duì)值,再根據(jù)光源的相對(duì)光譜能量分布曲線,可以推算出光源的絕對(duì)光譜能量分布曲線。

10.1.3激光計(jì)量 激光計(jì)量是光學(xué)計(jì)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(duì)連續(xù)激光計(jì)量功率,而對(duì)脈沖激光則計(jì)量能量。2021/5/932 1．激光功率和能量的計(jì)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(jì)量。激光功率和能量的計(jì)量方法與光輻射的基本計(jì)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(guò)測(cè)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(cè)量激光功率的目的。常采用熱電堆、熱敏電阻或熱敏氣動(dòng)器（高萊探測(cè)器）等熱敏探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。2021/5/933

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(zhǎng)和入射角而變,性能長(zhǎng)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(shí),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(cè)器輸出光生電動(dòng)勢(shì)。常用的探測(cè)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(cè)器。2021/5/934

光電法具有靈敏度高和響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。由于光電探測(cè)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(zhǎng)變化較大,應(yīng)用波長(zhǎng)范圍較窄,它是一種有選擇性的探測(cè)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(cè)器,是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型探測(cè)器,主要用于二氧化碳激光的測(cè)量。當(dāng)強(qiáng)光照射某些半導(dǎo)體材料時(shí),由于入射光子與自由載流子之間產(chǎn)生動(dòng)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(duì)于晶體運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生光電子牽引電壓,其電場(chǎng)方向與載流子方向相反,這種效應(yīng)稱為光子牽引效應(yīng)。2021/5/935

光子牽引探測(cè)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(hào)探測(cè)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(chǎng)中,當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光輻射照射時(shí),在表面便會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。表面的電子與空穴濃度增大,便要向外擴(kuò)散,在擴(kuò)散過(guò)程中受到強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng),阻礙電子與空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。2021/5/936

此時(shí)如果把半導(dǎo)體兩端接上負(fù)載,則產(chǎn)生電流,兩端開(kāi)路時(shí)則有開(kāi)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(cè)器叫做光磁電探測(cè)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(chǎng)裝置,測(cè)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(jì)量 激光功率計(jì)量按其大小分為小功率、中功率和大功率計(jì)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。2021/5/937 1）激光小功率計(jì)量

激光小功率計(jì)量工作標(biāo)準(zhǔn)是平面補(bǔ)償型絕對(duì)輻射計(jì),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(jì)量的激光射到輻射計(jì)的接收面上時(shí),被表面黑吸收層吸收,接收面就會(huì)變熱,并通過(guò)加熱絲和云母片傳到基片上,在基片上產(chǎn)生一個(gè)均勻的溫場(chǎng),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(shì)變化能表示出輻射計(jì)受光照時(shí)所產(chǎn)生的溫升。2021/5/938

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(shì)變化,則加熱所用的電功率就代表了待計(jì)量的激光功率。 平面補(bǔ)償型絕對(duì)輻射計(jì)在測(cè)量波長(zhǎng)為0.3～1.5μm時(shí),測(cè)量的功率范圍為0.1～500mW,測(cè)量不確定度為±2%。

2）激光大、中功率計(jì)量 絕對(duì)型激光大、中功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)一般采用流水式功率計(jì)。這種功率計(jì)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。2021/5/939圖10.1.3流水式激光功率計(jì)2021/5/940

當(dāng)激光束入射到內(nèi)錐體壁上時(shí),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(guò)以恒定流速流過(guò)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(guò)內(nèi)錐體外壁時(shí)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(cè)量溫差的熱電堆,由此產(chǎn)生一定的熱電勢(shì)。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(shì)的大小成正比關(guān)系,這樣就把光能測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)換為較容易實(shí)現(xiàn)的電能測(cè)量,根據(jù)熱電堆產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小就可以確定入射激光功率的大小。2021/5/941 3．激光能量計(jì)量 激光能量計(jì)量主要是采用電能校準(zhǔn)的光熱型能量計(jì),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(zhǎng)、峰值功率或能量密度的計(jì)量,有B型、Z型和D型三種類型的能量計(jì)可供選擇。這三種激光能量計(jì)分別適用于大、中、小激光能量的計(jì)量。 （1）B型能量計(jì)。

B型能量計(jì)是體吸收型的能量計(jì),脈沖激光能量不是在一個(gè)面上被吸收,而是在一個(gè)體型吸收器內(nèi)被吸收,以免引起瞬時(shí)局部高溫而產(chǎn)生不良影響。B型能量計(jì)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%。2021/5/942

（2）Z型能量計(jì)。

Z型能量計(jì)是一種激光小能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),是以雙錐腔為接收器的能量計(jì),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(jì)屬于全吸收型能量計(jì)。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(jì)量。 （3）D型能量計(jì)。

D型能量計(jì)是一種激光大能量計(jì)。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(lái)計(jì)量出激光的能量。2021/5/943 10.1.4色度計(jì)量

1．色度系統(tǒng) 產(chǎn)生顏色視覺(jué)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(jué)特性有關(guān)。因此,國(guó)際照明委員會(huì)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(jué)特性,用于色度計(jì)量計(jì)算和顏色標(biāo)定。2021/5/944 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(gè)原色。根據(jù)顏色混合原理,任何一種顏色都能夠用三個(gè)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(duì)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)2021/5/945 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(shí)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(shí)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(lái)描述光源的光色。2021/5/946

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(duì)溫度。也就是用黑體輻射源加熱到不同溫度時(shí)所發(fā)出的不同顏色來(lái)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(shí),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(shí)黑體的這個(gè)絕對(duì)溫度叫做該光源的相關(guān)色溫。也就是說(shuō),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(lái)確定該光源的色溫。2021/5/947 3．色度計(jì)量方法 一個(gè)物體的顏色是由其色度坐標(biāo)來(lái)表示的,為了計(jì)量光源或物體的色度坐標(biāo),應(yīng)先對(duì)光源的光譜功率分布或物體的光譜透過(guò)率或反射率進(jìn)行測(cè)定,然后計(jì)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(duì)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(duì)光譜功率分布,只需測(cè)量得到物體色刺激的光譜透過(guò)率或光譜反射率,就可以通過(guò)計(jì)算得出物體的色度坐標(biāo)。

2021/5/948

光譜光度測(cè)色法就是應(yīng)用上述原理,通過(guò)定量比較“標(biāo)準(zhǔn)”和樣品在同一波長(zhǎng)的單色輻射功率,進(jìn)一步測(cè)得其光譜反射率因數(shù)或光譜透過(guò)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(cè)色法制成的色度計(jì)量?jī)x器是光譜光度測(cè)量?jī)x。

4．色度計(jì)量?jī)x器 色度計(jì)量?jī)x器主要可分成兩類:分光測(cè)色儀器和色度計(jì)。分光測(cè)色儀器是色度計(jì)量中最基本的儀器,這類儀器不直接測(cè)量顏色的三刺激值,而是測(cè)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(guò)計(jì)算求得被測(cè)物體的三刺激值。2021/5/949

光譜光度測(cè)量?jī)x就是一種分光測(cè)色儀器。而色度計(jì)不同,它的響應(yīng)很像人眼的視覺(jué)系統(tǒng),可通過(guò)直接測(cè)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(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)的,也就是用濾光鏡來(lái)校正儀器光源和探測(cè)器的光譜特性,使輸出的電信號(hào)的大小正比于顏色的三刺激值。色度計(jì)包括目視色度計(jì)和光電色度計(jì)兩類。2021/5/95010.2聲學(xué)計(jì)量 10.2.1聲學(xué)計(jì)量的基本參量 當(dāng)一個(gè)物體振動(dòng)時(shí),在它的周圍就會(huì)產(chǎn)生聲波,這個(gè)由于振動(dòng)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(lái)說(shuō),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。2021/5/951

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(tīng)聲、超聲和特超聲。次聲是頻率低于人耳聽(tīng)覺(jué)下限的聲,其頻率范圍為10-4～20Hz。聽(tīng)聲也稱為可聽(tīng)聲,是正常人耳可以聽(tīng)到的聲音,其頻率范圍大致為20～20

000Hz。日常生活中所說(shuō)的聲音,一般都是指聽(tīng)聲。超聲是頻率高于人耳聽(tīng)覺(jué)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。 2021/5/952 1．聲壓、聲強(qiáng)和聲功率 聲學(xué)計(jì)量的基本參量有三個(gè),即聲壓、聲強(qiáng)和聲功率,其中最主要的是聲壓。因?yàn)槁晱?qiáng)和聲功率的計(jì)量相當(dāng)困難,而聲壓的計(jì)量往往比較容易,所以常常通過(guò)計(jì)量聲壓來(lái)間接地計(jì)量其他量。 聲壓的定義是:在聲波存在時(shí)介質(zhì)中的壓力與靜壓的差值。聲壓一般用P來(lái)表示,其單位是帕［斯卡］,符號(hào)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(shuō)的聲壓皆指有效（均方根）聲壓。2021/5/953

空氣聲聲壓計(jì)量和聽(tīng)力計(jì)量就是研究空氣中聲壓?jiǎn)挝坏膫鬟f問(wèn)題；水聲計(jì)量則是研究水中聲壓?jiǎn)挝坏膫鬟f問(wèn)題;超聲計(jì)量雖然是研究超聲功率的傳遞問(wèn)題,但由于聲功率與聲壓之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,它也可以歸結(jié)為聲壓?jiǎn)挝坏膫鬟f。 聲強(qiáng)是單位時(shí)間通過(guò)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(shí)間內(nèi)通過(guò)指定面積的聲能。聲源的聲功率通常是指在單位時(shí)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。2021/5/954 2．頻率 頻率也是聲學(xué)計(jì)量中的一個(gè)基本量。聲學(xué)計(jì)量的很多內(nèi)容都與頻率有關(guān)。一般說(shuō)來(lái),空氣聲聲壓計(jì)量和聽(tīng)力計(jì)量都是研究人耳可以聽(tīng)到的音頻聲,超聲計(jì)量研究超聲頻段的聲波,而水聲計(jì)量研究的頻率范圍最寬,從次聲到超聲。

3．級(jí)與分貝 正常人耳剛剛能聽(tīng)到的聲音的聲壓為2×10-5Pa,稱為聽(tīng)閥聲壓;使正常人耳開(kāi)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(wàn)倍?？梢?jiàn),用帕［斯卡］來(lái)表示聲壓,在數(shù)值上很不方便。另一方面,人耳對(duì)聲壓大小的主觀感覺(jué)不是線性的,而是近似于對(duì)數(shù)關(guān)系?；谶@兩方面的原因,人們選擇了一個(gè)對(duì)數(shù)單位——分貝(dB)作為級(jí)差的單位。聲壓的大小一般用“聲壓級(jí)”來(lái)表示,定義為2021/5/955

LP=20(10.2.1)

其中,P０為基準(zhǔn)聲壓,通常取為2×10-5Pa。這樣,聽(tīng)閥的聲壓級(jí)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(jí),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(jí),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(10.2.2)2021/5/956 (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(jì)量 聲學(xué)計(jì)量與其他計(jì)量領(lǐng)域的最大不同點(diǎn)就是,聲學(xué)量值傳遞是通過(guò)校準(zhǔn)換能器（如標(biāo)準(zhǔn)傳聲器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器）的靈敏度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槁晧翰幌耖L(zhǎng)度、質(zhì)量那樣可以建立一個(gè)永久性的基準(zhǔn)器件,進(jìn)行直接計(jì)量,所以,從某種意義上講,聲學(xué)計(jì)量的實(shí)質(zhì)是進(jìn)行換能器校準(zhǔn)。2021/5/957

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(hào),然后用電子儀表放大到一定的電壓再進(jìn)行測(cè)量與分析。目前,聲壓大多是采用傳聲器來(lái)計(jì)量的,所以要準(zhǔn)確計(jì)量,必須用靈敏度經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)的傳聲器。因此,聲壓計(jì)量問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是傳聲器靈敏度的校準(zhǔn)問(wèn)題。 瑞利盤是測(cè)量平面聲波聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)速度的基本儀器,早期曾用做傳聲器的絕對(duì)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(cè)量懸浮在聲波中煙點(diǎn)振動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度。熱線法也曾經(jīng)用做聲壓的絕對(duì)計(jì)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(chǎng)互易法、活塞發(fā)生器法和靜電激勵(lì)器法。2021/5/958 1．耦合腔互易法 互易技術(shù)可以用來(lái)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(gè)傳聲器,其中一個(gè)必須是可逆的,或者用一個(gè)輔助聲源和兩個(gè)傳聲器,其中一個(gè)傳聲器也必須是可逆的。 采用三個(gè)傳聲器時(shí),用兩個(gè)傳聲器耦合到耦合腔,其中一個(gè)傳聲器作發(fā)射器,另一個(gè)作接收器。由接收器的開(kāi)路輸出電壓和發(fā)射器的輸入電流的比值可以導(dǎo)出計(jì)算兩個(gè)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(cè)量,并比較測(cè)量結(jié)果,就可以求出每一個(gè)傳聲器的聲壓靈敏度。2021/5/959

采用兩個(gè)傳聲器時(shí),用輔助聲源在耦合腔內(nèi)建立一個(gè)恒穩(wěn)的聲壓,這時(shí)兩個(gè)傳聲器輸出電壓的比值等于在聲壓相同情況下,兩個(gè)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(duì)校準(zhǔn)法,幾乎所有國(guó)家的聲壓計(jì)量基準(zhǔn)都是采用該方法建立的。2021/5/960 2．自由場(chǎng)互易法 自由場(chǎng)互易法與耦合腔互易法類似,但它給出的是聲場(chǎng)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(gè)輔助的可逆?zhèn)髀暺?。先將輔助傳聲器用作聲源,測(cè)量放在距離d處作接收用的校準(zhǔn)傳聲器的開(kāi)路電壓,然后用一個(gè)恒定輸出的輔助聲源作發(fā)射器,將前面兩個(gè)傳聲器放在該聲源產(chǎn)生的聲場(chǎng)中相同的位置,測(cè)出兩個(gè)傳聲器的開(kāi)路電壓,按照IEC-468的校準(zhǔn)公式的推導(dǎo)和計(jì)算可以求出待校傳聲器的自由場(chǎng)靈敏度。2021/5/961 3．活塞發(fā)生器法 活塞發(fā)生器包括一個(gè)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(gè)小圓柱體。在圓柱體中,活塞用凸輪或彎軸推動(dòng)作正弦運(yùn)動(dòng),只要測(cè)定活塞運(yùn)動(dòng)的振幅,就可以求出腔內(nèi)聲壓的有效值?；钊l(fā)生器適用于低頻率時(shí)校準(zhǔn)傳聲器,頻率上限為機(jī)械振動(dòng)的允許速度所控制。活塞發(fā)生器可以用來(lái)校準(zhǔn)精密聲級(jí)計(jì)。 用活塞發(fā)生器校準(zhǔn)傳聲器靈敏度的方法很簡(jiǎn)單,先使待測(cè)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(gè)恒定的聲壓,這時(shí),傳聲器的輸出經(jīng)放大器放大后,用電壓表測(cè)出給定聲壓級(jí)時(shí)的輸出電壓。2021/5/962

然后移開(kāi)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(lái)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(lì)器法 靜電激勵(lì)器包括一個(gè)開(kāi)槽板,安裝在傳聲器膜片前,在開(kāi)槽板和膜片之間加上極化電壓并串接入信號(hào)電壓,當(dāng)輸入電壓為800V、交流信號(hào)電壓為30V時(shí),傳聲器膜片上的有效聲壓約為1Pa（94dB）。 靜電激勵(lì)器產(chǎn)生的力和頻率無(wú)關(guān),所以它可以用來(lái)計(jì)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(duì)計(jì)量,可以和一已知標(biāo)準(zhǔn)比較,或者用互易法進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)。2021/5/963 5．其他聲級(jí)校準(zhǔn)器校準(zhǔn)

1）聲級(jí)校準(zhǔn)器 聲級(jí)校準(zhǔn)器用以對(duì)聲級(jí)和其他聲學(xué)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行聲壓的校準(zhǔn)。它包括一個(gè)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(chǎng)用它來(lái)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

2021/5/964

高聲強(qiáng)校準(zhǔn)器用電動(dòng)激勵(lì)器推動(dòng)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(hào)源,校準(zhǔn)聲壓級(jí)可以提高到172dB。使用不同容積的耦合腔時(shí),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(jì)量 水聽(tīng)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(tīng)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(lái)建立水聲聲壓基準(zhǔn)。2021/5/965

水聲聲壓計(jì)量的基本原理與空氣聲壓計(jì)量的原理相同,只不過(guò)需要在性能良好的消聲水池或相應(yīng)的液體中進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)水聲聲壓?jiǎn)挝坏闹饕椒ㄓ旭詈锨换ヒ追?、自由?chǎng)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(lái)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(tīng)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(chǎng)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。2021/5/966 10.2.4超聲計(jì)量 超聲功率計(jì)量是超聲計(jì)量最基本的內(nèi)容。計(jì)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(jì)量外,其他方法都是間接計(jì)量,即通過(guò)計(jì)量其他物理量計(jì)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(gè)較為容易計(jì)量的量,因而被用來(lái)計(jì)量超聲聲強(qiáng)和聲功率。計(jì)量輻射壓力,實(shí)際上就是計(jì)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(zhǎng)大得多,則所受輻射壓力為2021/5/967

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)2021/5/968圖10.2.1輻射壓力示意圖2021/5/969

測(cè)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(lái)說(shuō),天平法多用于超聲功率標(biāo)準(zhǔn)的建立。對(duì)準(zhǔn)確度要求不是很高時(shí),可以采用較為簡(jiǎn)單的扭稱法和浮子法。 輻射法的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、容易實(shí)現(xiàn)、量程范圍大,但不適用于聚焦超聲場(chǎng)的測(cè)量。

2．聲壓法 聲壓法計(jì)量超聲功率的基本原理就是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電能來(lái)進(jìn)行測(cè)量。一般是通過(guò)測(cè)量自由聲場(chǎng)的聲壓或混響聲場(chǎng)的聲壓來(lái)計(jì)算聲功率,因此這種測(cè)量通常是在消聲水池或混響水池中進(jìn)行的。2021/5/970

對(duì)于平面自由聲場(chǎng),聲功率與聲壓的關(guān)系為(10.2.7)

式中:P為聲壓;S為測(cè)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(cè)出各點(diǎn)的聲壓,就可以求得總的聲功率。這種方法測(cè)量點(diǎn)數(shù)多,計(jì)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(cè)量出聲場(chǎng)的分布情況,因此特別適用于聚焦超聲場(chǎng)和脈沖超聲場(chǎng)的測(cè)量。2021/5/971 3．量熱法 量熱法計(jì)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(jì)算出介質(zhì)吸收的超聲功率。利用量熱法計(jì)量超聲功率時(shí),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(duì)聲波的吸收和頻率的平方成正比,所以量熱法對(duì)高頻更有效。 量熱法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)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(cè)量比較費(fèi)時(shí)。2021/5/972 4．聲光衍射法 聲光衍射法計(jì)量超聲功率的原理是Raman-Nath衍射,即超聲波通過(guò)液體時(shí),會(huì)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(jí)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(guò)測(cè)量m級(jí)衍射光強(qiáng)的相對(duì)值,就可以計(jì)算出超聲功率。 聲光衍射法測(cè)量精度高,對(duì)聲場(chǎng)無(wú)干擾,能測(cè)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(cè)量。2021/5/973 10.2.5聽(tīng)力計(jì)量 由于聽(tīng)力計(jì)量與人耳有關(guān),這就決定了聽(tīng)力計(jì)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(shí)際聽(tīng)覺(jué)特性。聽(tīng)力計(jì)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(jì)量器具主要有聽(tīng)力計(jì)。 聽(tīng)力計(jì)是用來(lái)測(cè)量人的聽(tīng)覺(jué)能力的一種工作計(jì)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(tīng)力計(jì)量中使用最多的計(jì)量器具。測(cè)量時(shí),一般是用聽(tīng)力計(jì)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(tīng)到的最小電壓,耳機(jī)的輸出由標(biāo)準(zhǔn)器來(lái)校準(zhǔn)。2021/5/974

聽(tīng)力計(jì)的種類很多,按信號(hào)類型可分為純音聽(tīng)力計(jì)和語(yǔ)言聽(tīng)力計(jì),按工作方式可分為手動(dòng)聽(tīng)力計(jì)和自動(dòng)聽(tīng)力計(jì),按用途可分為診斷聽(tīng)力計(jì)和篩選聽(tīng)力計(jì)。 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(lái)檢定聽(tīng)力計(jì)或計(jì)量助聽(tīng)器和耳機(jī)。仿真耳主要是一個(gè)耦合腔,腔內(nèi)有傳聲器可測(cè)量聽(tīng)力計(jì)產(chǎn)生的聲壓級(jí)。 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(dòng)態(tài)力和加速度的傳感器,計(jì)量頻率范圍是50Hz～10kHz,是檢定聽(tīng)力計(jì)的骨導(dǎo)耳機(jī)和助聽(tīng)器的骨振器的標(biāo)準(zhǔn)儀器。2021/5/975 10.2.6噪聲計(jì)量 從生理學(xué)觀點(diǎn)來(lái)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(wú)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(jì)量越來(lái)越受到重視。 相對(duì)于聲壓級(jí)來(lái)說(shuō),用聲功率級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)噪聲的大小有許多優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槁晧杭?jí)的大小隨測(cè)試環(huán)境和距離的變化而不同,而聲功率級(jí)是從能量的觀點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)噪聲大小的,對(duì)于某一特定的聲源,其聲功率級(jí)是一個(gè)常數(shù),不受外界條件和測(cè)試距離的影響。因此,噪聲聲功率級(jí)的計(jì)量是噪聲計(jì)量中一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。2021/5/976

聲功率級(jí)的計(jì)量方法很多,按測(cè)量精度可分為精密法、工程法和簡(jiǎn)易法;按測(cè)試環(huán)境可分為消聲室法、半消聲室法、混響法和現(xiàn)場(chǎng)法。

1．消聲室和半消聲室計(jì)量噪聲功率級(jí)的精密方法 消聲室是指室內(nèi)六個(gè)面都鋪有吸聲材料,聲吸收系數(shù)達(dá)到99％以上的實(shí)驗(yàn)室。半消聲室是指房間有五個(gè)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(shí)驗(yàn)室。 這種計(jì)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。2021/5/977

測(cè)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(jí)計(jì)量方法中是精度最高的。但由于該方法對(duì)測(cè)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(jì)量部門檢定標(biāo)準(zhǔn)噪聲源。噪聲功率級(jí)的計(jì)算公式為 式中:為包絡(luò)面上的平均聲壓級(jí),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)2021/5/978 2．混響室計(jì)量聲功率級(jí)的精密方法 混響室是指房間六個(gè)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(chǎng)均勻分布的測(cè)試室。在混響室中計(jì)量噪聲聲功率級(jí)不需要規(guī)定計(jì)量表面（包絡(luò)面）,只要把噪聲源置于混響室內(nèi),計(jì)量室內(nèi)的平均聲壓級(jí)就可以了,其計(jì)算公式為(10.2.9)2021/5/979

式中:為混響室內(nèi)的平均聲壓級(jí);V為混響室的體積;T為混響時(shí)間;S為混響室內(nèi)表面積;λ為測(cè)試頻帶中心頻率的波長(zhǎng)。

3．工程法 前面介紹的計(jì)量噪聲聲功率級(jí)的兩種方法都必須在特殊的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,雖然準(zhǔn)確度較高,但對(duì)測(cè)試環(huán)境和儀器設(shè)備的要求都比較高。在實(shí)際工作中,被測(cè)噪聲源常常處在一種既不是理想的自由聲場(chǎng),又不是理想的擴(kuò)散聲場(chǎng)的環(huán)境中。根據(jù)室內(nèi)聲學(xué)理論,對(duì)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(jí)的表達(dá)式為

2021/5/980 (10.2.10)式中:是半徑為r的半球面上的平均聲壓級(jí);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(jí)。確定R的方法有雙表面法、混響時(shí)間測(cè)量法和標(biāo)準(zhǔn)噪聲源比較法。

1）雙表面法 取兩個(gè)測(cè)量表面S1=2πr21和S2=2πr22,分別測(cè)出S1和S2上的平均聲壓級(jí)為和,則有2021/5/981

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)2021/5/982

由此可得 式(10.2.15)是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲功率級(jí)計(jì)算的一般公式 雙表面法比較簡(jiǎn)單,只需取兩個(gè)表面進(jìn)行測(cè)量,但測(cè)量精度不是很高。

2）混響時(shí)間測(cè)量法 將式(10.2.10)改寫為(10.2.15)(10.2.16)2021/5/983

式中:S為測(cè)量表面積;K為測(cè)試室的環(huán)境修正值,

。

K的值可以通過(guò)對(duì)混響時(shí)間的測(cè)量得到?；祉憰r(shí)間T與R的關(guān)系為

(10.2.17)

式中:V為測(cè)試室的體積;T為測(cè)試室的混響時(shí)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(jí)在消聲室或混響室里用精密方法檢定過(guò)的聲源。標(biāo)準(zhǔn)噪聲源的種類很多,有空氣動(dòng)力式、電磁式、機(jī)械式等。

2021/5/984

在相同條件下,用已知聲功率級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)噪聲源與被計(jì)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(jí),其計(jì)算公式為 式中:LWS為已知的標(biāo)準(zhǔn)噪聲源的聲功率級(jí);為被測(cè)聲源工作時(shí)在測(cè)量表面上測(cè)得的平均聲壓級(jí);為標(biāo)準(zhǔn)噪聲源工作時(shí)在測(cè)量表面上測(cè)得的平均聲壓級(jí)。 用標(biāo)準(zhǔn)噪聲源法計(jì)量噪聲功率級(jí)比較簡(jiǎn)單,計(jì)算也很方便,精度也比較高,因此該方法在噪聲聲功率計(jì)量中應(yīng)用比較廣泛。(10.2.18)2021/5/98510.3化學(xué)計(jì)量 10.3.1化學(xué)計(jì)量的基本單位——摩爾 物質(zhì)的量的單位是摩爾,符號(hào)為mol。摩爾是國(guó)際單位制中的一個(gè)基本單位,也是化學(xué)計(jì)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(lái),為科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)提供了很大的方便。2021/5/986

從化學(xué)反應(yīng)的角度來(lái)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(lái)進(jìn)行的,而實(shí)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(lái),即要建立一種物質(zhì)的量的基本單位,這個(gè)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(shí),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(gè)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(gè)微粒。因此,可以通過(guò)精確地測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)實(shí)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(lái),因而摩爾作為物質(zhì)的量的單位在應(yīng)用上十分方便。2021/5/987 10.3.2標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中的應(yīng)用很廣,主要用來(lái)校準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng),檢驗(yàn)控制產(chǎn)品質(zhì)量,進(jìn)行臨床化驗(yàn)分析和環(huán)境分析檢測(cè)。

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(jì)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(lái)準(zhǔn)確測(cè)量器具、評(píng)價(jià)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)中測(cè)試方法和量值的準(zhǔn)確一致。通常所說(shuō)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)。2021/5/988 2．標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的級(jí)別 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的級(jí)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(jì)量學(xué)特性量。此外,均勻性、穩(wěn)定性和用途按級(jí)別劃分也有不同的要求。從量值傳遞的要求來(lái)看,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的級(jí)別分為一級(jí)和二級(jí)。一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)或經(jīng)國(guó)家計(jì)量主管部門確認(rèn)的機(jī)構(gòu)制備,二級(jí)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(lái)看,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可以分為三個(gè)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)。2021/5/989

（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(guò)準(zhǔn)確的測(cè)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(píng)價(jià)。 （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(jì)量器具的刻度、校準(zhǔn)或計(jì)量方法的評(píng)價(jià)。 （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(jì)量器具的校準(zhǔn)、測(cè)量方法的評(píng)價(jià)及材料或產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)的比較。2021/5/990 10.3.3化學(xué)計(jì)量的主要項(xiàng)目

1．物質(zhì)成分與含量計(jì)量 物質(zhì)成分與含量計(jì)量是化學(xué)計(jì)量中非常重要的一項(xiàng)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(lái)確定被測(cè)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(cè)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(shí)間較長(zhǎng)。2021/5/991 (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(cè)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(cè)物間的化學(xué)計(jì)量關(guān)系,通過(guò)測(cè)量所消耗的已知濃度的試劑溶液的體積,求得被測(cè)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(cè)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(shí)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(jì)等。2021/5/992 (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(lái)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(shí)產(chǎn)生電位差,通過(guò)測(cè)量電位差和其他物理量,從而測(cè)量溶液中離子的濃（活）度。 根據(jù)這一原理,使用玻璃電極測(cè)量溶液中氫離子活度的酸度計(jì)就是一個(gè)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(cè)量電池,接上測(cè)量?jī)x表就可測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì),電動(dòng)勢(shì)的變化即反映出指示電極電位的變化。2021/5/993

隨著電位測(cè)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(cè)量其他離子的離子選擇電極,如對(duì)Na+、K+、Li+、NH4+等敏感的離子選擇電極。從而擴(kuò)大了電位測(cè)量技術(shù)的范圍,使電位分析技術(shù)在化學(xué)計(jì)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(gè)原理,主要利用被測(cè)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(hào)及其變化特征構(gòu)成的,也就是利用物質(zhì)對(duì)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。2021/5/994

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(jì)、可見(jiàn)和紫外吸光光度計(jì)、紅外吸光光度計(jì)、原子吸收分光光度計(jì)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(jì)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(shí)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(lái)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(jí)躍遷(通過(guò)不同能級(jí)產(chǎn)生不同的躍遷),因而產(chǎn)生特征波長(zhǎng)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。2021/5/995 (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(guò)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(gè)單一組分依次通過(guò)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)定性和定量分析。因此分離系統(tǒng)和檢測(cè)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(dòng)相和固定相構(gòu)成,柱管內(nèi)充以固定相,也就是通常所說(shuō)的吸附劑,如分子篩、活性碳等。2021/5/996

氣相色譜儀的流動(dòng)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(cè),這類色譜儀主要用來(lái)分析有機(jī)高分子化合物。色譜儀的檢測(cè)器按氣、液相色譜儀的分類有各自不同的檢測(cè)器。氣相色譜儀常用的檢測(cè)器是導(dǎo)熱式檢測(cè)器和氫火焰電離檢測(cè)器,液相色譜儀最常用的檢測(cè)器是紫外吸收式檢測(cè)器和氫火焰電離檢測(cè)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。2021/5/997圖10.3.1帶熱導(dǎo)池的氣相色譜儀流程圖2021/5/998 2．酸度計(jì)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(gè)常數(shù)。 由于純水在離解時(shí)產(chǎn)生等量的H+和OH-,因此［H+］=［OH-］=10-7摩爾離子/升。這時(shí)溶液呈中性。當(dāng)向純水中加入酸時(shí),則［H+］增大,［OH-］減小,即當(dāng)［H+］>10-7摩爾離子/升時(shí),溶液呈酸性;當(dāng)［H+］<10-7摩爾離子/升時(shí),溶液呈堿性。所以,早年是用氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)來(lái)表示水溶液的酸度的,即

pH=-lg［H+］(10.3.2)2021/5/999

后來(lái),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(jiǎn)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(duì)數(shù)。 酸度計(jì)量是根據(jù)前面所述的電位法原理,即利用對(duì)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(cè)量。對(duì)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(jì)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)2021/5/9100圖10.3.2pH玻璃電極2021/5/9101

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(cè)溶液的酸度為

于是,通過(guò)對(duì)電極電位的計(jì)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)2021/5/9102 3．粘度計(jì)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(dòng)力粘度η和運(yùn)動(dòng)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(dòng)力粘度,運(yùn)動(dòng)粘度是流體的動(dòng)力粘度與同溫度下的密度之比。動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度的關(guān)系是 η=γρ(10.3.6)2021/5/9103

在國(guó)際單位制中,動(dòng)力粘度的單位是牛頓·秒/米2或千克/（米·秒）,運(yùn)動(dòng)粘度的單位為米2/秒。 計(jì)量粘度的方法有絕對(duì)計(jì)量法和相對(duì)計(jì)量法兩種。絕對(duì)計(jì)量法是直接測(cè)定儀器尺寸及有關(guān)物理量而求得粘度的方法。相對(duì)計(jì)量法是借助粘度計(jì)把被測(cè)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(jì)有毛細(xì)管粘度計(jì)、落球粘度計(jì)、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、振動(dòng)粘度計(jì)及超聲波粘度計(jì)等。其中玻璃毛細(xì)管粘度計(jì)用得最普遍,精度也比較高。2021/5/9104

各國(guó)的粘度計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)基本上都是采用玻璃毛細(xì)管粘度計(jì)。這種粘度計(jì)是基于一定體積的被測(cè)液體流經(jīng)毛細(xì)管所需的時(shí)間來(lái)評(píng)定粘度的。為了滿足各種粘度的計(jì)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(jì)組成。粘度的計(jì)量范圍大致是1×10-6～1×10-1m2/s,精度約為±(0.1～0.4)%。

4．濕度計(jì)量 濕度是表示空氣中水蒸氣含量的一個(gè)物理性能參數(shù),一般指的是絕對(duì)濕度,即在1m3的空氣中所含有的水蒸氣的質(zhì)量,可以表示為

(10.3.7)

2021/5/9105

式中:dv為絕對(duì)濕度;V為空氣的體積;mv為體積V中水蒸氣的質(zhì)量。因此通常所說(shuō)的濕度計(jì)是指測(cè)量空氣中水蒸氣含量的儀器。 如同其他化學(xué)計(jì)量項(xiàng)目一樣,濕度計(jì)量所需的“標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”是相對(duì)濕度已知的含濕空氣,有了相對(duì)濕度已知的含濕空氣,就可以對(duì)濕度計(jì)進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)工作了,因此,產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)含濕空氣是濕度計(jì)量必不可少的條件。 濕度發(fā)生器既是一個(gè)供給標(biāo)準(zhǔn)含濕空氣的氣源裝置,又是一個(gè)用作檢定測(cè)濕儀器的濕度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),它通過(guò)一種基于稱量原理的重量法濕度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定,確定其準(zhǔn)確度等級(jí),因此重量法濕度計(jì)是一種濕度基準(zhǔn)器。2021/5/9106

測(cè)試時(shí),重量法濕度計(jì)同濕度發(fā)生器一起使用,通過(guò)濕度發(fā)生器給重量法濕度計(jì)提供含濕空氣,由重量法濕度計(jì)測(cè)定含濕空氣的濕度值,以此來(lái)標(biāo)定濕度發(fā)生器產(chǎn)生含濕空氣的濕度值。 在檢定一般工作用測(cè)濕儀器時(shí),只需單獨(dú)用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的濕度發(fā)生器對(duì)其進(jìn)行檢定即可。若被檢測(cè)濕儀器的準(zhǔn)確度較高,就必須用濕度發(fā)生器對(duì)重量法濕度計(jì)和被檢測(cè)濕儀器同時(shí)供給含濕空氣,然后由稱量法濕度計(jì)完成對(duì)測(cè)濕儀器的檢定。2021/5/9107 5．水溶液電導(dǎo)的計(jì)量 電導(dǎo)計(jì)量是發(fā)展電化學(xué),特別是電解質(zhì)溶液理論的一項(xiàng)基本技術(shù)。電導(dǎo)率是溶液攜帶電流能力的量度。電解質(zhì)溶液依靠離子在電場(chǎng)影響下的遷移而傳導(dǎo)電流。它們和金屬導(dǎo)體一樣,服從歐姆定律,如果對(duì)溶液施加電動(dòng)勢(shì),其值超過(guò)電解質(zhì)的分解電壓并且保持恒定不變,則流過(guò)浸于電解液中的電極之間的電流與電解溶液的電阻成反比。根據(jù)歐姆定律,導(dǎo)體的電阻（R）與導(dǎo)體的長(zhǎng)度（l）成正比,與其橫截面積（S）成反比,即(10.3.8)2021/5/9108

式中,ρ是比例常數(shù),稱為電阻率。 導(dǎo)體的電導(dǎo)（G）與其電阻互為倒數(shù),即 式中,常數(shù)σ稱為電阻的電導(dǎo)率。所以,對(duì)于一給定溶液電解電導(dǎo)的測(cè)量,通常就是按歐姆定律測(cè)定兩平行電極間溶液部分的電阻。(10.3.9)2021/5/910910.4電離輻射計(jì)量 10.4.1電離輻射的基本概念

1．同位素、放射性核素和衰變 在原子核內(nèi),有確定數(shù)目的中子和質(zhì)子,并具有同一能態(tài)的一類原子,稱為核素。原子核中的質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同,但是由于有相同的核外電子排列,在元素周期表中占據(jù)同一個(gè)位置的元素,稱為同位素。自然界中的大多數(shù)元素都是由若干種同位素混合而成的。每種同位素在該元素中所占的份額叫豐度。2021/5/9110

若核素的原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子數(shù)相等或近于相等,則是穩(wěn)定的,稱為穩(wěn)定核素。若核素的原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子數(shù)不等,則相差越懸殊越不穩(wěn)定,以致會(huì)自發(fā)地放射出某一種或幾種粒子（如α、β、γ等射線）,這種核素稱為放射性核素