世纪的光学测量测量科学市公开课金奖市赛课一等奖课件

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测量系统及其组成要素1-5信息、知识取得第1页1-1测量科学(MeasurementScience)、

作用及发展

测量

对于被测对象基于[计量]基准，重复进行测试，取得信息

测量行为是人们科学思索基本第2页测量科学学术地位学问领域普通包含：自然科学（naturalscience）社会科学（socialscience）人文科学（culturalscience）测量科学学问上地位:测量科学是边缘科学或交叉科学。其领域伴随社会变迁扩大、缩小或重合，基本上不停发展。第3页日历、预测起源道具起源度量衡起源文明萌芽-8测量行为发展时代发展社会发展今后测量依靠科学思索客观地判断而行动时代主观性向客观测量要求与人类关系：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·新技术应用（含糊、混沌、神秘之光...）测量发展与社会进步第4页测量社会作用测量标准及单位体系建立科学研究中测量产业中测量商业交易中测量环境测量医疗中测量…第5页测量发展测量对象空间扩大测量灵敏度提升测量目标延伸(量测量到认识测量)

第6页生产技术趋势第7页第8页1-2测量工作内容第9页测量流程

第10页测量三个工作和三个使命

计量工作信息把握和知识取得知识活用第11页测量、测试、计量测量

=测试+计量计量：测试基准准备、恪守、普及测试：对于被测量依照基准进行一次比对第12页测量和计量测量（measurement）

以确定量值为目标一组操作计量（metrology）

计量部门从事测量“计量”作为一类操作，可这么来了解：为实现量值传递或溯源而对测量仪器测量。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。第13页测量与物理法则物理法则基于试验事实，物理法则成立需要测量1前，Kelvin曾说过，没有测量就没有科学。新物理法则建立依赖测量结果，同时建立法则正确性依赖测量来确认。第14页测量与物理法则物理法则基于试验事实，物理法则成立需要测量1前，Kelvin曾说过，没有测量就没有科学。新物理法则建立依赖测量结果，同时建立法则正确性依赖测量来确认。物理法则向测量系统应用测量系统由电子技术而组成，需电信号、被测量如是电量以外其它量，需要实现被测量与电量变换，则需利用物理法则。测量与物理法则关系：间接测量，是因为有物理法则确保。第15页1-3基本物理量及基准第16页单位和基准为了用数量表示物理量，需要求该物理量基准大小，此基准大小称为该量单位。

如:L=1.5m

L:物理量(长度记号)m:长度单位(米记号)1m:被选为长度基准第17页实物基准和量子基准量子基准依据原子、电子性质、特征制造出标准。特征无个性，理论上任何地方，任何人均可实现。第18页米原器第19页历史：要求单位大小无理论或物理依据，各地自行要求，换算上问题多。靠条约使用统一单位，历史上大多单位确实定并不明确，或即便明确不易再现。米定义：定义为地球子午线4000万分之一，然后将其表达为米原器，即使以后精密检测得知一米不等于子午线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0.2μm不确定性。1960年，元素Kr85特定条件下放电时发光波长。1983年，变更，真空中光在二亿九九七九万二四五八分之一秒时间中传输距离。光速：299792458（m/s）。基准、单位及其历史第20页基本单位及其定义量名称单位名称单位符号定义长度米m是光在真空中于(1/299729458)秒时间间隔内所经路径长度。质量千克(千克)kg为1立方分米纯水，当其密度最大时，所含有质量。时间秒s是Cs－133原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应辐射9192637770个周期连续时间。电流安培A当处于真空中相距1米(s)远两根无限长且截面无限小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2×10-7牛顿(N)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1/273.16。物质量摩尔mol摩尔是一系统物质量，该系统中所包含基本单元数与0.012kgC-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发光强度，该光源发出频率为540×1012Hz(约555nm波长)单色辐射，且在此方向上辐射强度为1/683W/sr。第21页基本单位及其定义

长度(米m):是光在真空中于(1/299729458)秒时间间隔内所经路径长度。质量(千克(千克)kg):为1立方分米纯水，当其密度最大时，所含有质量。时间(秒s):是Cs－133原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应辐射9192637770个周期连续时间。第22页基本单位及其定义电流(安培A):当处于真空中相距1米远两根无限长且截面无限小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2×10-7牛顿力，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1/273.16。物质量(摩尔mol):摩尔是一系统物质量，该系统中所包含基本单元数与0.012kgC-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发光强度，该光源发出频率为540×1012Hz(约555nm波长)单色辐射，且在此方向上辐射强度为1/683W/sr。第23页1-4测量系统及其组成要素第24页传感器与信号处理传感器:与被测对象最近器件,

起感知和信号变换作用信号处理:取得真值或知识第25页传感器组成及其在测量系统中作用第26页传感器定义传感器/变换器:

能将欲测量量变换成电信号装置。传感器(Sensor):

与测量对象直接或经过电磁波接触，取出与测量量相对应信号最前端部分。变换器(Transducer):

将测量量变换成轻易处理、不一样形式信号。可认为:

传感器(Sensor)=传感元件(Sensingelement)

+变换器(Transducer)第27页传感器组成示意图第28页传感器分类物理传感器

以物理法则为基础取得信号,应用于物理信息取得.如:光,磁,温度,力,声音.化学传感器

以化学原理为基础取得信号,应用于化学信息取得.如:湿度,气味儿,味道,物质浓度.第29页按测量对象分类例1)光/辐射(radiant)2)机械量(mechanical)3)热(thermal)4)电(electrical)5)磁(magnetic)6)化学(chemical)第30页传感器分类第31页传感信号分类第32页物理传感器关键点第33页传感器所使用主要物理法则第34页物理传感器组成模式第35页物理传感组成模式(说明)第一模式：直接利用物理法则，组成传感器。第二模式：利用给予刺激后反回来反射或反应而组成传感器。第三模式：与作为基准量进行比较，利用其一致性差异等组成传感器，当难以用第一或第二模式难以组成传感器时采取。第36页传感器组成物理基础统计法则：连接描述分子、原子、电子等行为微观世界和可用我们五官直接体验宏观世界法则，如：热力学第二定律。守恒法则：物理量总量不随空间和时间移动而改变（能量、动量、质量守恒）。场法则：象运动法则和电磁场法则那样,描述在重力场、物质场、电场、磁场中时间或空间作用法则。结构形传感器物质法则：表示物质各种物质性质法则。包含物质固有特征常数，如：胡克法则、欧姆法则。物质形传感器物理法则第37页传感器组成物理基础(说明)物理法则：

守恒法则，场法则，

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模型.第38页信号变换物理法则及传感器结构结构型传感器(应用场法则)

如电容量改变位移传感器.这类传感器特征主要被其结构及尺寸直接支配.在场法则中出现物理常数有限,基本不受传感器材料物性影响.故轻易实现高性能、稳定传感器。物质型传感器(应用物质物理性质法则)关于材料固有物理特征法则.如光电传感器等,可使用波长范围、光电变换灵敏度等受材料物性所决定,结构及尺寸影响是次要.因为物性大多受温度等影响，使用时要注意环境条件。重视性能时采取结构型传感器、重视经济性和尺寸时采取物质型传感器。第39页化学传感器关键点及举例化学传感器应用酶反应自动测量方法生物传感器

(酶传感器,免疫传感器,DNA传感器)葡萄糖传感方法第40页化学传感器(气体,离子,生物为代表)不但可实现化学物质认知,包含物质分离,输送,反应,催化,信息交换等一体化功效.在环境监测,发酵/化学工业机电设备控制,人体健康管理等领域,属于基础设备技术之一发挥着关键作用.选择性改进,灵敏度提升,试样微量化(nl),用于脑化学等人体内植入要求日益高涨.第41页化学传感器组成示意图化学传感器由能识别各种物质(分子)部分,及可将其刺激变换成信号部分组成.第42页应用酶反应自动测量方法酶(酵素):球状蛋白质,含有触媒点安定三维空间结构,可经过多点进行物质识别,所以对于特定物质选择性高.酶反应机理第43页应

用

酶

反

应

自

动

测

量

法第44页酶

固

定

化方法第45页生物传感器活体中存在着能和酶以及抗体这么物质产生特异性相互作用机能性蛋白质.将它作为材料并形成叫生物传感器.由能够选择性识别物质受体膜,将其改变转换成电信号变换器组成.第46页生物传感器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---酶传感器抗体---免疫传感器微生物---微生物传感器第47页应用酶反应测量方法第48页酶传感器组成:氧可透过聚四氟乙烯膜,酶固化膜,乙酰纤维素膜.

机理:血清等样品中蛋白质不能透过乙酰纤维素膜,只有低分子量物质能够透过.透过葡萄糖在酶膜中进行以下反应,消耗氧形成葡萄糖胺.氧经过聚四氟乙烯膜,在电极处被还原.因酶反应降低氧电流值与葡萄糖浓度成百分比,到达葡萄糖选择性定量.第49页传感器在物质测量或分析中物理传感器

依靠物质与电磁波相互作用进行物质分析或者测量,属物理测量方法.化学传感器

基于物质与物质间选择性(特异性)相互作用进行物质分析或者测量,属化学测量方法.第50页传感器组成及其在测量中作用关键点机理明确:基于物理,化学原理发展空间:小型,高灵敏,高特异性,新材料,功效材料期待学科交叉特点:理科,技术,材料,测量方法第51页测量仪器性能表示灵敏度（sensitivity）：表示测量仪器对被测量改变感觉程度量值。普通表示为相对于测量仪器输入量取得对应输出量。分辨率（resolution）：输入值超出某一阀值后，输出开始改变。测量范围（measuringrange,span,dynamicrange）直线性（linearity）精度（accuracy）：正确度（correctness）,精密度（precision）反应时间（responsetime）