21世纪的光学测量(第一章 测量科学)

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1、第一章 测量科学1-1 测量科学、作用及发展 1-2 测量三要素 1-3 基本物理量及基准 1-4 测量系统及其构成要素 1-5 信息、知识的获得1-1 测量科学(Measurement Science)、作用及发展测量对于被测对象基于计量的基准，反复 进行测试，获得信息测量行为是人们科学思考的基本测量科学的学术地位学问领域一般包括： 自然科学（natural science） 社会科学（social science） 人文科学（cultural science）测量科学的学问上的地位:测量科学是边 缘科学或交叉科学。其领域随着社会的变 迁扩大、缩小或重叠，基本上不断发展。日 历 、 预 测

2、的 起 源道 具 的 起 源度 量 衡 的 起 源文 明 的 萌 芽-800年测量 行为 的发展时代的 发展社会的 发展今后的 测量依靠科学的思考 客观地判断而行动的时代 主观性向客观的测量的要求与人类的关系：测量标准及普及生产与质量灾害与预防公害与监测医疗与福利能源与供给.原始社会狩猎时代农耕时代文明社会传感器、信号处理 预测技术 新技术的应用 （模糊、混沌、神秘之光.）测 量 发 展 与 社 会 进 步测量的社会作用 测量标准及单位体系的建立 科学研究中的测量 产业中的测量 商业交易中的测量 环境的测量 医疗中的测量 测量的发展 测量对象空间的扩大 测量灵敏度的提高 测量目的的延伸(量的测

3、量到认识的测量)生产技术趋势1-2 测量工作的内容 测量的流程 测量的三个工作和三个使命 计量的工作 信息把握和知识获得 知识的活用测量、测试、计量测量 = 测试 + 计量计量：测试基准的准备、遵守、普及测试：对于被测量依照基准进行的一次比对测量和计量 测量（measurement） 以确定量值为目的的一组操作 计量（metrology） 计量部门从事的测量“计量”作为一类操作，可这样来理解：为 实现量值传递或溯源而对测量仪器的测量。 在实际工作中他表现为检定、校准、比对及 （对测量仪器）测试等活动。 测量与物理法则物理法则基于实验事实，物理法则的成立需要测量 100年前，Kelvin曾说过，

4、没有测量就没有科学。 新物理法则的建立依赖测量结果，同时建立的法则 的正确性依赖测量来确认。测量与物理法则物理法则基于实验事实，物理法则的成立需要测量 100年前，Kelvin曾说过，没有测量就没有科学。 新物理法则的建立依赖测量结果，同时建立的法则 的正确性依赖测量来确认。物理法则向测量系统的应用 测量系统由电子技术而构成，需电信号、被测量如 是电量以外的其它量，需要实现被测量与电量的变 换，则需利用物理法则。 测量与物理法则的关系：间接测量，是由于有物理 法则的保证。1-3 基本物理量及基准单位和基准为了用数量表示物理量，需规定该 物理量的基准的大小，此基准的大 小称为该量的单位。如: L

5、 = 1.5 mL:物理量(长度的记号)m:长度的单位(米的记号)1m:被选为长度的基准实物基准和量子基准量子基准根据原子、电子的性质、特性制造 出的标准。 特征无个性，理论上任何地方，任何人 均可实现。米原器 历史：规定单位的大小无理论或物理的根据，各地 自行规定，换算上问题多。靠公约使用统一单位， 历史上大多单位的确定并不明确，或即便明确不易 再现。 米的定义：定义为地球子午线的4000万分之一，然 后将其体现为米原器，虽然后来精密检测得知一米 不等于子午线的4000万分之一，但无妨。问题：刻 线宽度数微米且非直线，故二刻线间有0.2m的不确 定性。 1960年，元素Kr85特定条件下放电

6、时的发光波长。 1983年，变更，真空中光在二亿九九七九万二四五 八分之一秒的时间中传播的距离。光速：299792458 （m/s）。基准、单位及其历史基本单位及其定义量的名称单位 名称单位 符号定义长度米m是光在真空中于(1/299 729 458)秒时间间隔内所经 路径的长度。 质量千克(公斤)kg为1立方分米的纯水，当其密度最大时，所具有的 质量。 时间秒s是Cs133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所 对应的辐射的9 192 637 770个周期的持续时间。 电流安培A当处于真空中相距1米(s)远的两根无限长且截面无 限小的平行直导线内流过一恒定电流时，它能使 两导线之间每米产生210

7、-7牛顿(N)的力，则定义 此恒定电流为1A。 热力学温度开尔文K为水三相点热力学温度的1/273.16。物质的量摩尔mol摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基 本单元数与0.012kg C-12原子数目相等。 发光强度坎德拉cd一个光源在给定方向上的发光强度，该光源发出 频率为5401012 Hz(约555nm波长)的单色辐射，且 在此方向上的辐射强度为1/683 W/sr。基本单位及其定义 长度(米m):是光在真空中于(1/299 729 458)秒 时间间隔内所经路径的长度。 质量(千克(公斤)kg):为1立方分米的纯水，当 其密度最大时，所具有的质量。 时间(秒s):是Cs133

8、原子基态的两个超精细能 级之间跃迁所对应的辐射的9 192 637 770个 周期的持续时间。基本单位及其定义电流(安培A):当处于真空中相距1米远的两根无限长且 截面无限小的平行直导线内流过一恒定电流时，它 能使两导线之间每米产生210-7牛顿的力，则定义 此恒定电流为1A。 热力学温度(开尔文K):为水三相点热力学温度的 1/273.16。 物质的量(摩尔mol):摩尔是一系统的物质的量，该系 统中所包含的基本单元数与0.012kg C-12原子数目 相等。 发光强度(坎德拉cd):一个光源在给定方向上的发光强 度，该光源发出频率为5401012Hz(约555nm波长) 的单色辐射，且在此

9、方向上的辐射强度为1/683 W/sr。1-4 测量系统及其构成要素传感器与信号处理 传感器:与被测对象最近的器件,起感知和信号变换的作用信号处理:获得真值或知识传感器的构成及其在测量系统中的作用传感器的定义 传感器/变换器:能将欲测量的量变换成电信号的装置。 传感器(Sensor) :与测量对象直接或通过电磁波接触，取出与测量量相对应的 信号的最前端部分。 变换器(Transducer):将测量的量变换成容易处理的、不同形式的信号。 可认为: 传感器(Sensor) = 传感元件(Sensing element) + 变换器(Transducer)传感器构成示意图传感器的分类 物理传感器以物

10、理法则为基础获得信号,应用于物理 信息的获得的.如:光,磁,温度,力,声音. 化学传感器以化学原理为基础获得信号,应用于化学 信息的获得的.如:湿度,气味儿,味道,物质 的浓度.按测量对象分类例 1) 光/辐射(radiant) 2) 机械量(mechanical) 3) 热(thermal) 4) 电(electrical) 5) 磁(magnetic) 6) 化学(chemical)传感器的分类传感信号的分类物理传感器要点传感器所使用的主要物理法则物理传感器构成的模式物理传感构成的模式(说明)第一模式：直接利用物理法则，构成传感器。第二模式：利用给予刺激后反回来的反射或反 应而构成的传感器

11、。第三模式：与作为基准的量进行比较，利用其 一致性差别等构成的传感器，当难以用第一或第二模式难以构成传感器时采用。传感器构成的物理基础统计法则：连接描述分 子、原子、电子等的行 为的微观世界和可用我 们的五官直接体验的宏 观世界的法则，如：热 力学第二定律。守恒法则：物理量的总 量不随空间和时间的移 动而变化（能量、动量 、质量的守恒）。场的法则：象运动法则 和电磁场的法则那样,描 述在重力场、物质场、 电场、磁场中的时间或 空间的作用的法则。构造形传感器物质法则：表示物质的 各种物质的性质的法则 。包含物质固有的特性 常数，如：胡克法则、 欧姆法则。物质形传感器物理 法则传感器构成的物理基础

12、 (说明) 物理法则：守恒法则，场的法则，统计法则，物质法则。 物理法则与传感器传感器实施信号变换受物理法则支配,物理法则是表示物理现象的模型.信号变换的物理法则及传感器构造 构造型传感器(应用场的法则)如电容量的变化的位移传感器.这类传感器的特性 主要被其构造及尺寸直接支配.在场的法则中出现 的物理常数有限,基本不受传感器材料物性的影响. 故容易实现高性能、稳定的传感器。 物质型传感器(应用物质的物理性质的法则)关于材料的固有的物理特性的法则.如光电传感器 等,可使用的波长范围、光电变换的灵敏度等受材 料的物性所决定,构造及尺寸的影响是次要的.由于 物性大多受温度等影响，使用时要注意环境条件

13、。 注重性能时采用构造型传感器、注重经济性和尺寸 时采用物质型传感器。化学传感器要点及举例 化学传感器 应用酶反应的自动测量方法 生物传感器(酶传感器,免疫传感器,DNA传感器) 葡萄糖传感方法化学传感器(气体,离子,生物为代表) 不仅可实现化学物质的认知,包括物质的分离, 输送,反应,催化,信息交换等一体化的功能. 在环境监测,发酵/化学工业机电设备的控制,人 体健康管理等领域,属于基础设备的技术之一 发挥着关键的作用. 选择性改善,灵敏度提高,试样的微量化(nl),用 于脑化学等人体内植入的要求日益高涨.化学传感器构成示意图 化学传感器由能识别各种物质(分子)的部分,及 可将其刺激变换成信

14、号的部分构成.应用酶反应的自动测量方法 酶(酵素):球状蛋白质,具有触媒 点的安定的三维空间构造,可通 过多点进行物质的识别,所以对 于特定的物质选择性高.酶反应的机理应 用 酶 反 应 的 自 动 测 量 法酶 的 固 定 化 方 法生物传感器 活体中存在着能和酶以及抗体这样的物质产生特异 性相互作用的机能性蛋白质.将它作为材料并形成的 叫生物传感器. 由可以选择性识别物质的受体膜,将其变化转换成电 信号的变换器构成.生物传感器的原理和种类 变换器部分:电极(半导体)-电极型传感器热敏电阻-生物热敏电阻光子计数(光电二极管)-光生物传感器晶振体-晶振生物传感器 生物机能性物质:酶-酶传感器抗

15、体-免疫传感器微生物-微生物传感器应用酶反应的测量方法酶传感器 构成:氧可透过的聚四氟乙烯膜,酶固化膜, 乙酰纤维素膜. 机理:血清等样品中的蛋白质不能透过乙酰 纤维素膜,只有低分子量物质可以透过.透过 的葡萄糖在酶膜中进行如下反应,消耗氧形 成葡萄糖胺.氧通过聚四氟乙烯膜,在电极处 被还原.因酶反应减少的氧的电流值与葡萄 糖浓度成比例,达到葡萄糖的选择性的定量.传感器在物质测量或分析中 物理传感器依靠物质与电磁波的相互作用进行物质 的分析或者测量,属物理测量方法. 化学传感器基于物质与物质间的选择性(特异性)的 相互作用进行物质分析或者测量,属化学 测量方法.传感器的构成及其在测量中的作用

16、要点 机理明确:基于物理,化学原理 发展空间:小型,高灵敏,高特异性,新材料,功能材料的期待 学科交叉特点:理科,技术,材料,测量方法测量仪器的性能的表示 灵敏度（sensitivity）：表示测量仪器对被测量变 化的感觉程度的量值。一般表示为相对于测量仪器 的输入量获得的对应的输出量。 分辨率（resolution）：输入值超过某一阀值后， 输出开始变化。 测量范围（measuring range, span, dynamic range） 直线性（linearity） 精度（accuracy）：正确度（correctness）,精密 度（precision） 反应时间（response time）狭义和广义的测量系统 狭义测量系统：定量的信息的抽出本身。 广义测量系