第0章绪论.docx

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第0章绪论

光学测量

THEOPTICALMEASUREMENT

付

跃

刚

绪论

一、测量的概念及方法

（一）、测量的概念

将被测的物理量与一定的计量单位相比较求其比值的过程，或为确定被测对象的量值而进行的实验过程。

1、物理量

1）基本物理量

国际七种

物理量

单位

工具

精度

国际

我国

时间

秒

铯原子钟

1×10-13

1×10-12

长度

米

氪86同位素波长

1×10-9

1×10-8

质量

千克

砝码

1×10-8

1×10-8

温度

开（尔文）

液态氢

1×10-3

1×10-3

电流

安（培）

标准电池

1×10-7

1×10-6

光强

坎（德拉）

标准光源

3×10-3

3.3×10-3

物质的量

摩尔

时间：

三十万年差一秒

长度：

氪86同位素波长λ=605.78nm，Δλ=4.7×10-4nm，相干长度L=λ2/Δλ=0.78m;氦氖激光器λ=632.8nm，Δλ=6×10-9nm,L=60km

坎德拉的定义一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，若在给定方向上的辐射强度为1/683W/sr，则光源在该方向上的发光强度为~

2）导出物理量

国际200多种，我国120种

辅助物理量：

平面角rad，球面角sr

与光学测量有关的光学量导出单位：

光通量流明lm1lm=1cd.sr辐射能中能引起人眼光刺激的那部分辐通量

光照度勒（克斯）lx1lx=1lm/m2单位面积上所接收的光通量大小辐透（ph）1ph=1lm/cm2

2、计量单位：

有明确定义和名称并命其数值为1的固定的量

3、量值：

数值和计量单位的乘积

（二）计量：

准确一致的测量国际标准——国家计量局——地区计量站——工厂计量室——车间检验组

（三）测试：

具有实验性质的测量

检测:

对产品以及成型仪器的测量

例1买布被测物理量长度计量单位米测量工具尺

例2检查体温被测物理量温度计量单位度测量工具体温计

（四）光学测量

1、定义：

对光学材料、零件及系统的参数和性能的测量

2、特点：

理论和实践相结合，精度是主要矛盾

A.应用理论：

应用光学、物理光学、精度原理、精密机械、电子学等

B.实践性强

C.设计、工艺（加工）、测量是生产的三大过程，测量是加工的极限

3、学习方法

A.复习好精度原理、应用光学、物理光学等课程

B.理论联系实际，重视实验

C.精度是光量的主要矛盾不但要学会测量原理和方法，更重要的是会精度分析，找出提高精度的途径。

4、意义

科研应用、生产应用

**参考文献:

关于长度计量

长度计量基准是指以现代科学技术所能达到的最高准确度，保存和复现“米”的整套装备。

长度计量基准是各国之间和一个国家内部统一长度单位的基准，也是保证量值准确和实现互换性的基础。

“米”是长度计量的基本单位。

   18世纪以前，世界各国各自规定长度单位，很不统一。

18世纪末，法国科学院受法国国民议会委托，提出“米制”概念。

它将通过巴黎天文台的地球子午线长度的四千万分之一定义为“米”。

   1792～1798年，在西班牙的巴塞罗那和法国的敦刻尔克间进行三角测量，得出通过巴黎天文台的地球子午线从赤道到地极点的距离，并以它的千万分之一（相当于地球子午线的四千万分之一）作为一米的长度，于1799年用铂金制成横截面积为25.3×4.05毫米的矩形端面基准米尺，米尺两端面间的距离即为一米。

它保存在法兰西共和国档案局，所以称为“档案米尺”，又称，“阿希夫米尺”。

   由于阿希夫米尺的本身和复现精确度都不高，1875年有20个国家参加的国际米制会议上决定，成立国际计量局并制造基准米尺。

1888年，国际计量局从30根用铂铱合金制成的尺子中选出与阿希夫米尺长度最接近的第六号米尺作为国际基准，此即“国际基准米尺”。

其复现精确度可以达到千万分之一。

   1889年，第一届国际计量大会正式承认并重新把“米”定义为：

“在零摄氏度时，保存在国际计量局中的铂铱米尺的两中间刻线间的距离。

”从此，“米”的定义由端面距离转为刻线间距离。

   但用刻线间距离来定义米也有缺点，如刻线质量和材质稳定性等都会影响其尺寸稳定性和复现精确度的提高，而且一旦毁坏，就再也无法复现。

   1893年，美国物理学家迈克耳逊等用镉红线光波波长与铂铱基准米尺对比，从而提供了用光波波长作为长度基准的可能性。

1895年，第二届国际计量大会确认镉红线光波波长为“米”定义的旁证。

在1927年第七届国际计量大会上，决定将镉红线在温度为15℃，大气压力为101325帕和二氧化碳含量为O.03%的干燥空气中的波长O.64384696微米，作为米的旁证基准，即1米＝1553164.13个旁证基准，而以国际基准米尺复现“米”的定义仍继续保持不变。

   1950年以后，由于同位素光谱光源的发展，出现了一些复现精确度高、单色性好的光源。

这导致1960年的第十一届国际计量大会通过以“氪-86的辐射光波长定义“米”的决定。

这个“米”的定义是：

“长度米等于氪-86原子在2P10和5D5能级之间跃迁时，其辐射光在真空中的波长的1650763.73倍。

”同时宣布废除1889年确定的米定义和国际基准米尺。

这样“米”在规定的物理条件下在任何地点都可以复现，所以也有称之为自然基准的，其复现精确度可达二亿五千万分之一。

   1960年出现了激光，由于它具有良好的单色性和复现精确度，导致1983年通过新的米定义，和宣布废除以氪-86辐射光波长定义“米”的决定。

   在1983年10月召开的第十七届国际计量大会上，通过了现行“米”的定义：

米是“光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所行进路程的长度”。

   现行“米”定义的特点是，定义本身与复现方法分开，长度基准不再是某一种规定的长度或辐射波长，但它可以通过一些辐射波长或频率来复现。

因此“米”的复现精确度不再受米定义的限制,它将随着科学技术的发展而相应地提高。

   在机械制造中，应用得较多的基准辐射是碘、甲烷分子饱和吸收稳频的氦氖激光。

它们的复现精确度，可高达一百亿分之一，但这类辐射光源的频稳系统很复杂，在实际应用中是把它们的波长通过光波波长干涉仪等，传递给以兰姆下陷法稳频的氦氖激光，再利用以此为基础构成的激光量块干涉仪和激光干涉比长仪，分别检定一等量块和基准线纹尺。

   在中国，由上述基准辐射光源、光波波长干涉仪、激光量块干涉仪和一等量块等，组成的长度计量基准称为端面长度国家基准；由基准辐射光源、激光干涉比长仪和基准线纹尺等组成的长度计量基准称为线纹长度国家基准。

国家基准复现的“米”的准确长度，按照国家规定的检定系统通过检定逐级或直接传递给工作中使用的、不同精度等级的长度测量工具。

第一章光学测量基础

第一节测量误差与数据处理

一、测量方法

（一）直接测量：

无需对被测的量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算，而直接得到被测量值的测量

（二）间接测量：

直接测量的量与被测的量之间有已知函数关系，从而得到被测量的测量

二、测量的误差与数据处理

1、真值和残差

真值：

被测量的真实值残差：

测得值和算术平均值之间的差

2、测量误差的原因和分类

原因：

装置、环境、人员、方法分类：

系统误差、随机误差、粗大误差

3、精度

反映测量结果与真值接近程度的量。

精度高，则误差小

1）正确度：

由系统误差引起的测得值和真值的偏离程度。

2）精密度：

由偶然误差引起的测得值和真值的偏离程度。

3）准确度：

由系统误差和偶然误差综合引起测得值和真值的偏离程度。

正确度不好精密度不好准确度好

枪准星歪准星好射手水平低准星好射手水平更高

4、偶然误差

误差的符号和大小没有一定的规律性，但就整体而言符合统计规律。

对称性、单峰性、有界性、补偿性

1）、偶然误差的评价

标准偏差、平均误差、或然误差、极限误差常用标准偏差、极限误差

标准偏差

测得值与被测真值之差

极限误差

K为系数由误差分布决定如正态分布，K=3，等概率分布

平均误差

测得值与被测真值之差

或然误差某一随机误差比它大和比它小的误差出现的几率同样多

2）正态分布：

当由测量过程中多个互不相关的因素引起测量值微量变化而形成偶然误差时,量值的误差分布服从正态分布。

A高斯曲线

范围内68%

范围内99.7%

对称性、单峰性、有界性、补偿性（具体内容见书）

3）等概率分布

显微镜或望远镜对物体进行调焦时调焦误差在物体景深范围内

4）三角形分布

测角仪和经纬仪轴系晃动产生的角值误差

5）

用算术平均值计算的标准偏差

算术平均值的标准偏差

＊＊＊：

对偶然误差而言

偶然误差无法消除，若想提高灵敏度则增加测量次数。

系统误差与n无关，当偶然误差比系统误差小得多时增加n无意义，相反由于测量次数的增多会出现疏失误差。

6）误差的表示方法

A．绝对误差Δσ

B．相对误差Δ/x,σ/x

应如相对误差概念的物理意义：

例子：

金首饰与大白菜

7）间接测量误差的传递

8）不等精度测量

A．权各测量值的相对可信度

B．权的确定由测量次数确定pi/p1=ni/n1，（同一台仪器、同一个人不同次数）由标准偏差确定

（不同仪器、不同人）

C．加权算术平均值

D．加权算术平均值的标准偏差

9）不确定度

（正态分布0

10）粗大误差判断格拉布斯准则

A．将测得值从大到小排列

B．选定风险率α5%或1%

C．计算判定值T

D．根据n和α查表得T（n,α） 如

>T（n,α）舍去

来伊达准则

肖维勒准则

查表得Z，

值，

，

时不可靠。

11）有效数字由标准偏差确定有效数字

A．有效数字；准确数字＋可疑数字（极限误差为最后单位的半个单位）

B．计算法则；

只保留一位可疑数字、结果位数于误差位数相适应；

有效数字确定后只保留一位可疑数字四舍六入，五看前面的数字奇入偶舍；

加减运算；以小数点后位数最少为准，

乘除运算以小数点后位数最少为准。

对数运算尾数位数应与真数位数相等。

常数π\e等可视为无限需几位取几位。

12）等精度直接测量和间接测量数据处理步骤

A．等精度直接测量数据处理步骤1——7

B.间接测量数据处理步骤计算间接测量值，计算其标准偏差，根据标准偏差确定测量结果的有效数字

例1：

见书

例2：

已知

，y=33.250,

求

w如何表示？

次序

W

1

2

3

解：

1）求平均值

2）求残差

3）计算标准偏差

5）判断粗大误差

6）求算术平均值标准偏差

7）

8）求测量不确定度

9）写出测量结果

10）计算间接测量值

11）计算间接测量的标准偏差估计

11）确定有效数字

作业：

1、利用公式

来测量望远镜的视放大率已知

求

2、某角两次测量

4次测量，9次测量

每次均方差

求加权算术平均值