世紀(jì)的光學(xué)測量測量科學(xué)市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

第一章測量科學(xué)1-1測量科學(xué)、作用及發(fā)展1-2測量三要素1-3基本物理量及基準(zhǔn)1-4測量系統(tǒng)及其組成要素1-5信息、知識取得第1頁1-1測量科學(xué)(MeasurementScience)、

作用及發(fā)展

測量

對于被測對象基于[計量]基準(zhǔn)，重復(fù)進(jìn)行測試，取得信息

測量行為是人們科學(xué)思索基本第2頁測量科學(xué)學(xué)術(shù)地位學(xué)問領(lǐng)域普通包含：自然科學(xué)（naturalscience）社會科學(xué)（socialscience）人文科學(xué)（culturalscience）測量科學(xué)學(xué)問上地位:測量科學(xué)是邊緣科學(xué)或交叉科學(xué)。其領(lǐng)域伴隨社會變遷擴(kuò)大、縮小或重合，基本上不停發(fā)展。第3頁日歷、預(yù)測起源道具起源度量衡起源文明萌芽-8測量行為發(fā)展時代發(fā)展社會發(fā)展今后測量依靠科學(xué)思索客觀地判斷而行動時代主觀性向客觀測量要求與人類關(guān)系：測量標(biāo)準(zhǔn)及普及生產(chǎn)與質(zhì)量災(zāi)害與預(yù)防公害與監(jiān)測醫(yī)療與福利能源與供給...原始社會狩獵時代農(nóng)耕時代文明社會·傳感器、信號處理·預(yù)測技術(shù)·新技術(shù)應(yīng)用（含糊、混沌、神秘之光...）測量發(fā)展與社會進(jìn)步第4頁測量社會作用測量標(biāo)準(zhǔn)及單位體系建立科學(xué)研究中測量產(chǎn)業(yè)中測量商業(yè)交易中測量環(huán)境測量醫(yī)療中測量…第5頁測量發(fā)展測量對象空間擴(kuò)大測量靈敏度提升測量目標(biāo)延伸(量測量到認(rèn)識測量)

第6頁生產(chǎn)技術(shù)趨勢第7頁第8頁1-2測量工作內(nèi)容第9頁測量流程

第10頁測量三個工作和三個使命

計量工作信息把握和知識取得知識活用第11頁測量、測試、計量測量

=測試+計量計量：測試基準(zhǔn)準(zhǔn)備、恪守、普及測試：對于被測量依照基準(zhǔn)進(jìn)行一次比對第12頁測量和計量測量（measurement）

以確定量值為目標(biāo)一組操作計量（metrology）

計量部門從事測量“計量”作為一類操作，可這么來了解：為實現(xiàn)量值傳遞或溯源而對測量儀器測量。在實際工作中他表現(xiàn)為檢定、校準(zhǔn)、比對及（對測量儀器）測試等活動。第13頁測量與物理法則物理法則基于試驗事實，物理法則成立需要測量1前，Kelvin曾說過，沒有測量就沒有科學(xué)。新物理法則建立依賴測量結(jié)果，同時建立法則正確性依賴測量來確認(rèn)。第14頁測量與物理法則物理法則基于試驗事實，物理法則成立需要測量1前，Kelvin曾說過，沒有測量就沒有科學(xué)。新物理法則建立依賴測量結(jié)果，同時建立法則正確性依賴測量來確認(rèn)。物理法則向測量系統(tǒng)應(yīng)用測量系統(tǒng)由電子技術(shù)而組成，需電信號、被測量如是電量以外其它量，需要實現(xiàn)被測量與電量變換，則需利用物理法則。測量與物理法則關(guān)系：間接測量，是因為有物理法則確保。第15頁1-3基本物理量及基準(zhǔn)第16頁單位和基準(zhǔn)為了用數(shù)量表示物理量，需要求該物理量基準(zhǔn)大小，此基準(zhǔn)大小稱為該量單位。

如:L=1.5m

L:物理量(長度記號)m:長度單位(米記號)1m:被選為長度基準(zhǔn)第17頁實物基準(zhǔn)和量子基準(zhǔn)量子基準(zhǔn)依據(jù)原子、電子性質(zhì)、特征制造出標(biāo)準(zhǔn)。特征無個性，理論上任何地方，任何人均可實現(xiàn)。第18頁米原器第19頁歷史：要求單位大小無理論或物理依據(jù)，各地自行要求，換算上問題多。靠條約使用統(tǒng)一單位，歷史上大多單位確實定并不明確，或即便明確不易再現(xiàn)。米定義：定義為地球子午線4000萬分之一，然后將其表達(dá)為米原器，即使以后精密檢測得知一米不等于子午線4000萬分之一，但無妨。問題：刻線寬度數(shù)微米且非直線，故二刻線間有0.2μm不確定性。1960年，元素Kr85特定條件下放電時發(fā)光波長。1983年，變更，真空中光在二億九九七九萬二四五八分之一秒時間中傳輸距離。光速：299792458（m/s）?；鶞?zhǔn)、單位及其歷史第20頁基本單位及其定義量名稱單位名稱單位符號定義長度米m是光在真空中于(1/299729458)秒時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑長度。質(zhì)量千克(千克)kg為1立方分米純水，當(dāng)其密度最大時，所含有質(zhì)量。時間秒s是Cs－133原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)輻射9192637770個周期連續(xù)時間。電流安培A當(dāng)處于真空中相距1米(s)遠(yuǎn)兩根無限長且截面無限小平行直導(dǎo)線內(nèi)流過一恒定電流時，它能使兩導(dǎo)線之間每米產(chǎn)生2×10-7牛頓(N)力，則定義此恒定電流為1A。熱力學(xué)溫度開爾文K為水三相點熱力學(xué)溫度1/273.16。物質(zhì)量摩爾mol摩爾是一系統(tǒng)物質(zhì)量，該系統(tǒng)中所包含基本單元數(shù)與0.012kgC-12原子數(shù)目相等。發(fā)光強度坎德拉cd一個光源在給定方向上發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為540×1012Hz(約555nm波長)單色輻射，且在此方向上輻射強度為1/683W/sr。第21頁基本單位及其定義

長度(米m):是光在真空中于(1/299729458)秒時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑長度。質(zhì)量(千克(千克)kg):為1立方分米純水，當(dāng)其密度最大時，所含有質(zhì)量。時間(秒s):是Cs－133原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)輻射9192637770個周期連續(xù)時間。第22頁基本單位及其定義電流(安培A):當(dāng)處于真空中相距1米遠(yuǎn)兩根無限長且截面無限小平行直導(dǎo)線內(nèi)流過一恒定電流時，它能使兩導(dǎo)線之間每米產(chǎn)生2×10-7牛頓力，則定義此恒定電流為1A。熱力學(xué)溫度(開爾文K):為水三相點熱力學(xué)溫度1/273.16。物質(zhì)量(摩爾mol):摩爾是一系統(tǒng)物質(zhì)量，該系統(tǒng)中所包含基本單元數(shù)與0.012kgC-12原子數(shù)目相等。發(fā)光強度(坎德拉cd):一個光源在給定方向上發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為540×1012Hz(約555nm波長)單色輻射，且在此方向上輻射強度為1/683W/sr。第23頁1-4測量系統(tǒng)及其組成要素第24頁傳感器與信號處理傳感器:與被測對象最近器件,

起感知和信號變換作用信號處理:取得真值或知識第25頁傳感器組成及其在測量系統(tǒng)中作用第26頁傳感器定義傳感器/變換器:

能將欲測量量變換成電信號裝置。傳感器(Sensor):

與測量對象直接或經(jīng)過電磁波接觸，取出與測量量相對應(yīng)信號最前端部分。變換器(Transducer):

將測量量變換成輕易處理、不一樣形式信號。可認(rèn)為:

傳感器(Sensor)=傳感元件(Sensingelement)

+變換器(Transducer)第27頁傳感器組成示意圖第28頁傳感器分類物理傳感器

以物理法則為基礎(chǔ)取得信號,應(yīng)用于物理信息取得.如:光,磁,溫度,力,聲音.化學(xué)傳感器

以化學(xué)原理為基礎(chǔ)取得信號,應(yīng)用于化學(xué)信息取得.如:濕度,氣味兒,味道,物質(zhì)濃度.第29頁按測量對象分類例1)光/輻射(radiant)2)機(jī)械量(mechanical)3)熱(thermal)4)電(electrical)5)磁(magnetic)6)化學(xué)(chemical)第30頁傳感器分類第31頁傳感信號分類第32頁物理傳感器關(guān)鍵點第33頁傳感器所使用主要物理法則第34頁物理傳感器組成模式第35頁物理傳感組成模式(說明)第一模式：直接利用物理法則，組成傳感器。第二模式：利用給予刺激后反回來反射或反應(yīng)而組成傳感器。第三模式：與作為基準(zhǔn)量進(jìn)行比較，利用其一致性差異等組成傳感器，當(dāng)難以用第一或第二模式難以組成傳感器時采取。第36頁傳感器組成物理基礎(chǔ)統(tǒng)計法則：連接描述分子、原子、電子等行為微觀世界和可用我們五官直接體驗宏觀世界法則，如：熱力學(xué)第二定律。守恒法則：物理量總量不隨空間和時間移動而改變（能量、動量、質(zhì)量守恒）。場法則：象運動法則和電磁場法則那樣,描述在重力場、物質(zhì)場、電場、磁場中時間或空間作用法則。結(jié)構(gòu)形傳感器物質(zhì)法則：表示物質(zhì)各種物質(zhì)性質(zhì)法則。包含物質(zhì)固有特征常數(shù)，如：胡克法則、歐姆法則。物質(zhì)形傳感器物理法則第37頁傳感器組成物理基礎(chǔ)(說明)物理法則：

守恒法則，場法則，

統(tǒng)計法則，物質(zhì)法則。物理法則與傳感器傳感器實施信號變換受物理法則支配,物理法則是表示物理現(xiàn)象模型.第38頁信號變換物理法則及傳感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型傳感器(應(yīng)用場法則)

如電容量改變位移傳感器.這類傳感器特征主要被其結(jié)構(gòu)及尺寸直接支配.在場法則中出現(xiàn)物理常數(shù)有限,基本不受傳感器材料物性影響.故輕易實現(xiàn)高性能、穩(wěn)定傳感器。物質(zhì)型傳感器(應(yīng)用物質(zhì)物理性質(zhì)法則)關(guān)于材料固有物理特征法則.如光電傳感器等,可使用波長范圍、光電變換靈敏度等受材料物性所決定,結(jié)構(gòu)及尺寸影響是次要.因為物性大多受溫度等影響，使用時要注意環(huán)境條件。重視性能時采取結(jié)構(gòu)型傳感器、重視經(jīng)濟(jì)性和尺寸時采取物質(zhì)型傳感器。第39頁化學(xué)傳感器關(guān)鍵點及舉例化學(xué)傳感器應(yīng)用酶反應(yīng)自動測量方法生物傳感器

(酶傳感器,免疫傳感器,DNA傳感器)葡萄糖傳感方法第40頁化學(xué)傳感器(氣體,離子,生物為代表)不但可實現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)認(rèn)知,包含物質(zhì)分離,輸送,反應(yīng),催化,信息交換等一體化功效.在環(huán)境監(jiān)測,發(fā)酵/化學(xué)工業(yè)機(jī)電設(shè)備控制,人體健康管理等領(lǐng)域,屬于基礎(chǔ)設(shè)備技術(shù)之一發(fā)揮著關(guān)鍵作用.選擇性改進(jìn),靈敏度提升,試樣微量化(nl),用于腦化學(xué)等人體內(nèi)植入要求日益高漲.第41頁化學(xué)傳感器組成示意圖化學(xué)傳感器由能識別各種物質(zhì)(分子)部分,及可將其刺激變換成信號部分組成.第42頁應(yīng)用酶反應(yīng)自動測量方法酶(酵素):球狀蛋白質(zhì),含有觸媒點安定三維空間結(jié)構(gòu),可經(jīng)過多點進(jìn)行物質(zhì)識別,所以對于特定物質(zhì)選擇性高.酶反應(yīng)機(jī)理第43頁應(yīng)

用

酶

反

應(yīng)

自

動

測

量

法第44頁酶

固

定

化方法第45頁生物傳感器活體中存在著能和酶以及抗體這么物質(zhì)產(chǎn)生特異性相互作用機(jī)能性蛋白質(zhì).將它作為材料并形成叫生物傳感器.由能夠選擇性識別物質(zhì)受體膜,將其改變轉(zhuǎn)換成電信號變換器組成.第46頁生物傳感器原理和種類變換器部分:

電極(半導(dǎo)體)---電極型傳感器熱敏電阻---生物熱敏電阻

光子計數(shù)(光電二極管)---光生物傳感器晶振體---晶振生物傳感器生物機(jī)能性物質(zhì):酶---酶傳感器抗體---免疫傳感器微生物---微生物傳感器第47頁應(yīng)用酶反應(yīng)測量方法第48頁酶傳感器組成:氧可透過聚四氟乙烯膜,酶固化膜,乙酰纖維素膜.

機(jī)理:血清等樣品中蛋白質(zhì)不能透過乙酰纖維素膜,只有低分子量物質(zhì)能夠透過.透過葡萄糖在酶膜中進(jìn)行以下反應(yīng),消耗氧形成葡萄糖胺.氧經(jīng)過聚四氟乙烯膜,在電極處被還原.因酶反應(yīng)降低氧電流值與葡萄糖濃度成百分比,到達(dá)葡萄糖選擇性定量.第49頁傳感器在物質(zhì)測量或分析中物理傳感器

依靠物質(zhì)與電磁波相互作用進(jìn)行物質(zhì)分析或者測量,屬物理測量方法.化學(xué)傳感器

基于物質(zhì)與物質(zhì)間選擇性(特異性)相互作用進(jìn)行物質(zhì)分析或者測量,屬化學(xué)測量方法.第50頁傳感器組成及其在測量中作用關(guān)鍵點機(jī)理明確:基于物理,化學(xué)原理發(fā)展空間:小型,高靈敏,高特異性,新材料,功效材料期待學(xué)科交叉特點:理科,技術(shù),材料,測量方法第51頁測量儀器性能表示靈敏度（sensitivity）：表示測量儀器對被測量改變感覺程度量值。普通表示為相對于測量儀器輸入量取得對應(yīng)輸出量。分辨率（resolution）：輸入值超出某一閥值后，輸出開始改變。測量范圍（measuringrange,span,dynamicrange）直線性（linearity）精度（accuracy）：正確度（correctness）,精密度（precision）反應(yīng)時間（responsetime）