光电测试技术第0章绪论.ppt

光电测试技术,哈尔滨工业大学,第0章 绪论,2023/9/22,2,参考书目,苏大图，光学测试技术，北京理工大学出版社，1996杨国光，近代光学测试技术，浙江大学出版社，1997张琢，范志刚，激光干涉测试技术及应用，机械工业出版社，1998孙长库，叶声华，激光测量技术，天津大学出版社，2001殷纯永，现代干涉测量技术，天津大学出版社，1999汤顺青，色度学，北京理工大学出版社，1991,2023/9/22,3,0.1 光电测试技术概述,光电测试技术的发展人类利用自然界存在的光线进行计量与测试最早用于天文和地理领域光学科学出现前；自从望远镜和显微镜出现以后，光学与精密机械结合，使许多传统的光学计量和测试仪器广泛应用于各级计量部门和大地测量部门经典光学；随着激光器的出现和傅里叶光学的形成，特别是激光技术、微电子技术和计算机技术的快速发展与结合，出现了光机电算一体化的光电测试技术现代光学。,2023/9/22,4,0.1 光电测试技术概述,光电测试技术是当代先进技术之一由于光电测试方法具有非接触、高灵敏、高精度的特点，能够实现三维形貌、相关性和实时性测量，在信息科学、生命科学、工农业生产和制造业、航空航天、国防军事以及科学研究和人们的日常生活等领域得到广泛应用，成为一种无法取代的测试技术，是当代先进技术之一。光电测试技术是高新技术之一光电测试技术的发展是随着其它相关技术的发展而发展的。由于激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微光学的出现和发展，光电测试技术无论从测试方法、原理、精度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上述相关技术发展的综合体现。,2023/9/22,5,0.1 光电测试技术概述,光电测试技术原理上的三个特点：从主观光学发展成为客观光学；采用激光光源，单色性、方向性、相干性和稳定性都远远优于传统光源；从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换。光电测试技术功能上的三个特点：从静态测量向动态测量发展；从逐点测量向全场测量发展；从低速测量向高速测量发展，同时具有存储、记录功能。,2023/9/22,6,0.1 光电测试技术概述,光电测试技术的发展趋势光学纳米技术、光学层析技术、光学超分辨技术、光学超像元技术等；在可以预见的未来，光电测试技术将在以下几个方面获得进一步发展：亚微米级、纳米级的高精密光电测试方法；微型化、集成化、低成本的非接触式光电传感器；新型光电器件的广泛应用，如半导体激光器及其阵列、光开关、光滤波器、光电探测器阵列等；快速高效的三维全场动态测试技术；与计算机和控制技术结合的闭环式光电测试技术；光学诊断和光学无损检测技术等。,2023/9/22,7,0.2 关于测量的基本知识,1测量的定义测量就是将被测量和一个作为测量单位的标准量进行比较，并确定被测量是测量单位的若干倍或几分之几的过程。可以表示为LqE如果用L0表示真值，而用L表示测得值，那么LLL0 称为测量误差(绝对误差)；而L/L 称为相对误差。测量误差越小，准确度就愈高。,2023/9/22,8,0.2 关于测量的基本知识,2基本量和单位测量就是要进行比较，从而给出被测量的“量”的概念。为此，比较时必须满足被测量与选作单位的量(比较标准)具有相同的量纲。预先约定选作单位的量的大小。ISO1000-1981规定的 七个基本量:,2023/9/22,9,0.2 关于测量的基本知识,3测量中应遵循的原则阿贝原则长度测量时，标准量应安放在被测件测量中心线的延长线上。做到这一点可以避免产生一阶误差。封闭原则圆周分度首尾相接的间距误差的总和为零，表示为fi=0 式中，fi 为分划间距(用角度表示)误差。这也就是分度误差的闭合条件。测量时，满足封闭性可以实现自检，因而可以提高测量的精度。,2023/9/22,10,0.2 关于测量的基本知识,4测量方法的组成测量方法是对特定的测量对象测量某一被测量时，参与此测量过程的各组成因素和测量条件的总和。它包括测量目的、被测对象和被测量；标准量系统；定位系统；瞄准系统；显示系统；测量条件。,2023/9/22,11,0.3 测量数据的处理,1误差来源和分类误差产生的来源可以归结为以下四类：设备误差、环境误差、人员误差、方法误差按照误差的性质可以分为三类:系统误差：在同一条件下多次测量同一量时，绝对值和符号保持不变；测量条件改变时，按照确定规律变化的误差称为系统误差。偶然误差：在实际相同的测量条件下，多次测量同一量时，绝对值和符号以不可预测的方式变化着的误差成为偶然误差。粗大误差：超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差。,2023/9/22,12,0.3 测量数据的处理,2测量误差的表述不确定度(Uncertainty)目前国内外多采用ISO1993(E)指南所规定的测量不确定度来表征测量结果质量。测量不确定度是定量的、可操作的质量指标，测量结果附有不确定度说明时才是完整和有意义的。测量不确定度是指对测量结果不能肯定的程度。它反映了对被测量的真值的认识的不足。经测量，合理地赋予被测量的值不是唯一的，而是有许多个可能的值。真值在何处并不知道，而只可能获知一个最佳估计值，而真值是在最佳估计值的一个不确定度范围内。不确定度小，误差肯定也小，但误差不可能准确知道；不确定度大，误差或大或小，限于认识水平，误差尚不清楚。,2023/9/22,13,0.3 测量数据的处理,2测量误差的表述不确定度(Uncertainty)下面是ISO1993(E)指南所规定的几个术语。标准不确定度(Standard Uncertainty)：用标准偏差表示的测量结果的不确定度，用符号 u 表示。合成（标准）不确定度(Combined Standard Uncertainty)：当测量结果由若干其它量（输入量，也包括影响量）得来时，测量结果的合成标准不确定度等于这些量的方差和协方差加权和的正平方根，用符号 uc 表示。扩展不确定度(Expanded Uncertainty)：规定了测量结果取值区间的半宽度，该区间包含了合理赋予被测量值的分布的大部分，用符号U表示。,2023/9/22,14,0.3 测量数据的处理,2测量误差的表述不确定度(Uncertainty)不确定度包含两类分量：A类分量是可以用统计方法评定的那些分量，用实验标准偏差表征；B类分量是用非统计方法评定的那些分量，用其它估计的标准偏差表征。需要指出的是，不可一概而论A类评定方法好还是B类方法好，在小样本的情形下，A类评定方法不一定比B类评定方法好。在实际工作中，还常用如下三个名词：重复性(Repeatability)复（再）现性(Reproducibility)稳定性(Stability),2023/9/22,15,0.3 测量数据的处理,3条件相同重复测量的数据处理步骤设消除已定系统误差以后的重复测量数据列为x1，x2，xn，其处理步骤如下:1）计算数据列的算术平均值、残余误差vi和单次测量的标准偏差估计值s:算术平均值 残余误差 标准偏差估计值s,2023/9/22,16,0.3 测量数据的处理,3条件相同重复测量的数据处理步骤2）判断粗大误差。若存在粗大误差，应将该数据剔除，然后重新计算、vi和s，再判断，直至不含粗大误差为止。粗大误差的判断有五种规则，其中格拉布斯准则的效果最好，其判断粗大误差的步骤如下：设测量数据列按照由小到大排列为x1，x2，xn。选定风险率。是指判定是坏值而实际上不是坏值而犯错误的概率，通常取 5.0或1.0。计算判定T值。如果x1或xn是可以怀疑的，则 或,2023/9/22,17,0.3 测量数据的处理,3条件相同重复测量的数据处理步骤2）判断粗大误差。由下表查出T(n,)。T(n,)值 若T T(n,)，则所怀疑值是坏值，应予舍弃；若T T(n,)，则此值不能以风险率舍去，而认为是有效的数据。,n,2023/9/22,18,0.3 测量数据的处理,3条件相同重复测量的数据处理步骤3）求算术平均值的标准偏差的估计值。按下式计算4）判断系统误差。根据发现系统误差的各种方法判断，并设法减小和消除之。这一步主要是为了检查有无因测量工作中的某些疏忽而引入的显著系统误差。,2023/9/22,19,0.3 测量数据的处理,3条件相同重复测量的数据处理步骤5）求测量的扩展不确定度。根据测量的次数n和置信概率p，由下表查出tp(n)，按下式计算t分布临界值 最后写出测量结果：式中，扩展不确定度U应取最多两位有效数字。,2023/9/22,20,0.3 测量数据的处理,4条件不同的重复测量的数据处理步骤如果被测量是在不同时期或不同地点或不同实验室或不同仪器获得的，其测量条件不能保证相同，则应采用加权的方法来评定。设在不同条件下获得的数据列x1，x2，xn中不存在系统误差和粗大误差。1)确定各测量值的权重。根据测量条件（方法、仪器、环境、人员）的好坏确定权重。2)计算数据列的加权算术平均值、残余误差、以及加权算术平均值的标准偏差估计值,2023/9/22,21,0.3 测量数据的处理,4条件不同的重复测量的数据处理步骤3)求测量的扩展不确定度。根据测量的次数n和置信概率p，由表查出tp(n)，则4）最后写出测量结果：其中，扩展不确定度U应取最多两位有效数字。,2023/9/22,22,0.3 测量数据的处理,5间接测量的数据处理步骤间接测量值为直接测量值的函数当各个测量值及其误差为已知时，按下列步骤处理数据。1)计算间接测量值。将各直接测量值的算术平均值代入函数式求。2)根据各误差传递系数和标准偏差估计值的大小可以判知哪个（几个）直接测量值对测量结果影响较大，则尽量减小或消除该项（几项）量值的系统误差。,2023/9/22,23,0.3 测量数据的处理,5间接测量的数据处理步骤3）计算间接测量结果的合成标准不确定度。标准偏差的估计值为合成标准不确定度为,2023/9/22,24,0.3 测量数据的处理,5间接测量的数据处理步骤4）求测量的扩展不确定度。按下式计算根据置信概率p，由表查出tp(neff)。在不少场合，因为不能详细获取与被测量有关的各个量及其合成分布的信息，故难以指明被测量值的估计区间的置信水平。则通常tp(n)取23，如美国NIST常取tp(n)=2。5）最后写出测量结果：,2023/9/22,25,0.3 测量数据的处理,6有效数字1）有效数字如果测量结果L的极限误差是某一位上的半个单位，自该位到L的左起第一个非零数字一共有n位，那么L就有n位有效数字。例如，0.618（三位有效数字），350.60（五位），1.20103（三位），1.2103（二位）。下面几条规则是经常用到的，应予注意：一切表示误差或精度的数字，一般保留一位，最多保留二位有效数字。测量结果数据的位数，应与结果的误差的位数相适应。如算出值为202.0250.114mm，结果应写为202.00.1mm。、1/3、sin5等这类数的有效位数可认为无限，测量结果中不应出现这类数。,2023/9/22,26,0.3 测量数据的处理,6有效数字2）数字的舍入规则有效数字的位数确定后，多余的位数要舍弃。舍入规则是：四舍六入，五看奇偶。若舍弃数字为5，则前一位数字为奇数时加1，为偶数则不加。例如，2.35取两位有效数字时为2.4，2.45取两位，也是2.4。3）有效数字运算规则由于目前计算器和微机已经普及，在作运算时，可多取几位运算。算得数据后，再根据误差的要求确定有效位数。舍去多余位数时按舍入规则进行。,