第五章光电测量仪器
在光谱测量过程中，获得光谱线的准确波长值是非常重要的环节，通过波长的测量可以获得原子和分子微观能级结构的信息，进而深入了解物质的结构。此外，对光谱谱线的线形和线宽的测量可以给出原子分子间的微观相互作用机制和弛豫过程。光谱仪和干涉仪就是可以测量谱线波长或波长间隔的仪器，本章将介绍它们在这方面的应用以及它们的核心器件，如光栅、棱镜和干涉仪。在实验中只有正确使用和选择这类仪器和器件，合理地设计实验方案，才能获得正确的结果。
5.1 光谱仪
光谱仪（spectrometer）是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器，例如棱镜光谱仪和用光栅制成的摄谱仪（spectrograph）和单色仪（monochromator）。它们都是将入射到光谱仪输入狭缝上的光波，经过棱镜或光栅色散后，成像在输出狭缝附近的焦平面上，不同的波长在焦平面上对应于不同的位置。图5.1为棱镜光谱仪和光栅光谱仪的示意图，在焦平面B处用感光板或光电探测器即可记录光谱。
光谱仪通常具有以下四个主要指标；
（1）分辨本领（spectral resolving power）：指光谱仪能分开两条波长（波长差值为Δλ）相近的光谱线的能力，用λ／Δλ来表示，它与棱镜或光栅的色散性能以及成像的距离长短有关。
（2）光谱测量范围（spectral range）：需要区分两种光谱测量范围，一种是指光谱仪能工作的全部波长范围；另一种是指能单值地确定波长的范围，称为自由光谱区（free spectral range，简称为FRS）。
（3）集光率（light gathering power）：指光谱仪接收被测光源辐射通量的能力，它由光谱仪的最大收集角决定，相当于图5.1（a）棱镜光谱仪中的准直透镜L l的直径a和焦距f 的比值a／f，或图5.1（b）光栅光谱仪中M1准直反射镜的直径和焦距之比。集光率也常被认为是光谱仪的“速率”。
（4）光谱透射率（spectral transmittance）T(λ)：反映了光谱仪对入射光信号的损耗程度，是入射光波长的函数，与光谱仪中各光学元件的性能，例如透镜或棱镜的透射率、反射镜和光栅的反射率以及光路有关。
光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构见图5.1（b）。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。复色入射光进入狭缝S1，后，经M1镜变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2镜将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的光电探测器记录该波长的光强度。光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。如果将输出狭缝S2用照相感光板取代，感光板放在S2反射镜的焦平面上，经过曝光和显影处理，在感光板上获得不同黑度的条纹，条纹的位置代表不同的波长，黑度则代表了光谱信号的强度，这样可以在很宽的波长范围内同时记录光源的光谱，被称为光栅摄谱仪。
图5.1 （a）棱镜光谱仪示意图（b）光栅光谱仪示意图
L —光源；P —棱镜；G —光栅；S1、S2 —入射和出射挟缝；
L1、L2和M1、M2—准直透镜和准直反射镜；PhD —光探测器
摄谱仪的特点是可以一次同时记录光谱，但由于感光板记录光信号的灵敏度较低，时间响应也较馒，对弱光谱信号需要很长的曝光时间，几个小时，甚至几天。单色仪的特点是可以配合高灵敏和快速响应的光电探测器进行探测，通过转动光栅对波长进行扫描。随着光电技术的发展，光学多通道分析仪（optical multichannel analyzer，OMA）结合了两者的特点，利用灵敏度高、时间响应快的光电阵列式探测器取代照相感光板，实现对宽波长范围光谱的同时记录，因而在现代光谱测量中发挥了极其重要和有效的作用。
衍射光栅
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。
它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以
是平面或凹面）刻划出一系列平行、等距的刻
线，然后在整个表面镀上高反射率的金属膜或
介质膜，就构成一块反射式衍射光栅。相邻刻
线的间距d称为光栅常数，通常刻线密度为每
毫米数百至数十万条（见图5.2），刻线方向与
光谱仪狭缝平行。图5.2 反射式衍射光栅
衍射光栅的原理
基于单个刻线对光的衍射（单缝衍射）和不同刻线衍射光之间的干涉（多缝干涉）的原理。单缝衍射决定了衍射光的强度分布，多缝干涉则决定了各种波长衍射光的方向。
光栅方程
入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差Δs ＝d（sinα±sinβ），α为入射角，β为衍射角，则可以导出光栅方程：
d（sinα±sinβ）＝mλ(5-1)
光栅方程将某波长的衍射角β和入射角α通过光栅常数d联系起来，λ为入射光波长，m为衍射级次，取0，±1，±2，…等整数。式（5-1）中的“±”号选取规则为：α和β在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。由方程（5-1）可以看出零级衍射光（m＝0）始终在入射光的反射方向上，即β= α，且与波长无关，即没有色散特性。如果入射光为正入射（α = 0）时，方程变为d sinβ＝mλ。
光栅衍射光强度的空间分布
v Nv u u R I I d 22220sin sin sin = （5-2）
式中I 0为入射光强度，R 为光栅的反射率，sin u ／u 2为单缝衍射因子，sin 2Nv ／sin 2v 为多光束干涉因子，N 为光栅条纹总数。其中
λβαπ)sin (sin ±=b u 以及 λ
βαπ)s i n (s i n ±=d v 式中的b 为光栅单一刻线反射部分的条纹宽度。由于零级衍射光的v = 0，由（5-2）式可知其具有最大的光强。图5.3给出在正入射情况下，入射光波长λ= 500 nm ，d ＝l um ，b = 0.7 um ，N ＝10时衍射光强随衍射角度（用弧度表示）的分布。由图可以看到β= 0的零级光强度最大，正负一级衍射光强度受单缝衍射因子的影响而大大下降。除了零级和正负一级主极大峰以外，两个主峰之间还有N - 2个强度很弱的次极大峰，这是由于不完全的相消干涉所引起的，其强度正比于1／N ，当N 值很大时（104 ~105），这些次峰的影响完全可以忽略不计。
各级衍射光的强度可以由（5-2）式导出；
d bm bm N Rd I I m ππ22
220sin )(= （5-3）
图5.3 在正入射情况下，衍射光强随衍射角度的空间分布
（λ= 500 nm ，d ＝l um ，b = 0.7 um ，N ＝10）
光栅的角色散特性
光栅的角色散特性，即衍射角度随波长的变化关系可以由光栅方程导出（入射角特定的情况）
β
λβcos d m d d = （5-4） 角色散特性直接决定了光谱仪的分辨率，由上式可以看出：
（1）光栅的角色散与衍射级次m 成正比。
（2）角色散与光栅常数d 成反比，刻划线密度越大的光栅，角色散也越大。
（3）角色散与cos β成反比，对给定的级次，衍射角β越大，角色散也越大。
在光谱仪中也经常用线色散率d l ／d λ来表示色散特性，根据几何光路，在输出成像的焦平面上，把色散角度换算成线度即可，单位为mm ／A °。
光栅的分辨率
光栅衍射谱线的角宽度（指m 级谱线的最大值与相邻最小值之间的角距离Δβ）决定了谱线的分辨本领
βλ
βcos Nd =? (5-5)
由（5-4）式可知，波长为λ和λ+Δλ的两条谱线经光栅衍射后所产生的角距离
λβ
β?='?cos d m （5-6） 根据瑞利分辨率判据，要分开上述两条线，至少要求Δβ=Δβ′，，因此有
Nm =?λ
λ （5-7） （5-7）式即为光栅的分辨率，m 为衍射光的级次，N 为光栅的条纹总数，严格说N 应该为光栅上被光照亮的条纹数目。这里又一次看到光栅的分辨率与级次以及刻划条纹密度成正比。例如，一块用于可见光波段的光栅，宽度为40 mm ，每毫米刻划线数为2 400条，分辨率大致为105。当刻划密度提高时，光栅常数d 在减小，当d 小于波长λ时，反射作用大大增强。因此在增加刻划密度的同时，还须增加刻划条纹的宽度b ，也即扩大光栅的尺寸。为了提高光谱仪的分辨率，经常使光栅工作在较高的衍射级次上。
当光栅常数d 和刻线宽度b 的比值为一整数时，会出现缺级现象（从公式5-3可以看出），这是因为某一级次的峰值刚好与单缝衍射因子的极小值重合。例如d / b ＝3时，3的整倍数±3、±6、±9，… 等级次的衍射谱线将消失。
此外，光栅在制作时，由于刻线间距不可能完全一致，使得在某方向上某些不希望出现的波长干涉相长而产生极大值，这样形成的谱线称为“鬼线”（grating ghost ）。尽管鬼线强度非常弱，但在激光光谱测量中，由于激光强度很强，引起的散射光会造成鬼线，具强度正比于光栅级次的平方，混杂在光谱线中间，使光谱分析复杂化，这是应该注意的。
光栅的种类很多，有闪耀光栅、阶梯光栅和全息光栅等，通常在光栅光谱仪中多数采用闪耀光栅，以下我们着重介绍闪耀光栅。
闪耀光栅
从前面的叙述中可以看到，在普通的衍射光栅中没有色散特性的零级衍射光占据了很
大一部分能量，而其他级次尤其是高级次的衍射光强度较弱。为了克服这个问题，利用刻槽的特定形状形成的反射光栅可以将衍射光集中在某一特定级次的光谱上，这种光栅称为闪耀光栅（blazed grating ）
闪耀光栅的刻槽呈锯齿型，刻槽面与光栅面之间有一倾角ε，称为闪耀角（见图5.4）。当入射光以α角入射时，衍射光的衍射角为β，如果此方向与槽面的反射方向一致时（N ′为槽面的法线），可以将衍射光强极大值从无色散特性的零级光调整到β方向的级次上。如果波长为λb 的一级衍射光在β方向上具有极大衍射光强时，λb 被称为闪耀波长。这时α、β和闪耀角ε之间满足ε=（α-β）/ 2，再由光栅方程可以给出闪耀波长λb 和闪耀角ε的关系：
[]b d λεαα=--)2sin(sin （5-8）
上式可以用来设计闪耀光栅的几何形状。实际上闪耀波长并不是只对一个波长闪耀，而是在一个波长范围内的闪耀（见图5.5），在闪耀峰值波长上，一级衍射效率可以达到70%—80%。在波长长于闪耀波长的波段上，闪耀效率随波长的增加而缓慢降低；在短于闪耀波长的波段上，闪耀效率下降得很快，通常工作波长选择在闪耀波长附近以及长波方向上。光栅的衍射效率还与入射光的偏振特性有关，与光栅刻线方向垂直的偏振光衍射效率最高，自然光的衍射效率其次，与刻线方向平行的偏振光衍射效率最低，这些特性在开展偏振光谱的测量时是很重要的。目前，闪耀光栅的制作工艺已经非常成熟，闪耀波长可以覆盖真空紫外到远红外波段。
图5.4 闪耀光栅截面 图5.5 闪耀光栅各级衍射光的光谱响应
全息光栅
全息光栅是在光栅基坯上涂有光敏材料，然后采用一个单色激光束，分解成两束，以一定的交角照射到光栅的涂层上，形成等间隔和等宽度的清晰干涉条纹并进行曝光，经显像和处理后形成刻划线，再镀上反射膜和保护层就形成了一块全息光栅。全息光栅的特点是可以获得较大的面积和很高的刻划线密度。例如，刻划线密度可以大于6 000线／mm 、面积为120mm ×140mm 的高分辨全息光栅。全息光栅可以消除机刻光栅中的鬼线，从而使杂散光降低，经常被应用于分辨率要求很高的拉曼光谱仪中。
光谱仪的分辨本领
光谱仪的分辨率主要与光栅的角色散率有关，另外与输入、输出狭缝的宽度有关，输入狭缝越小，分辨率越高。但是，由于光谱仪内部通光孔径a （a 可以看成光栅或棱镜的尺寸）会引起衍射效应，即使输入狭缝的宽度为无穷小，分辨率也有一个极限值。这个极限分辨率为
??
? ??≤?λβλλd d a （5-9） 式中β为衍射角，a 为光栅的几何尺寸，输入狭缝的极小值可以由下式决定：
a d
b /2min λ≥ (5-10)
式中λ为输入光波长，d 相当于图5.7中狭缝到聚焦镜之间的距离，如果狭缝宽度小于这个极小值，将引起透射光强的很大损耗。例如，光谱仪的光栅尺寸为10 cm ，光谱仪焦距为100 cm ，入射光波长为500 nm ，最小狭缝宽度可取为10 um 。当狭缝宽度减为5 um 时，透射光强下降为原来的25％。
在对称型光谱仪中，即输入和输出焦距相等的情况，狭缝宽度为b min 时，光谱仪的分辨率为
λ
βλλd d a R 3=?= （5-11）
光谱仪的自由光谱区（FSR ）
光谱仪的自由光谱区由光栅决定。假设在正入射情况下，两个不同的波长在同一个衍射角度β上出现，必须满足 λl ＝ d sin β/m 以及 λl ＝ d sin β/(m+1)，这样可以导出自由光谱区范围：
)
1(sin 111sin +=??? ??+-=m m d m m d FSR ββ （5-12） 可以估计由d ＝0.5 um 的一级闪耀光栅组成的光谱仪，它的FSR 大致为100 nm 。由此可见光谱仪的自由光谱区范围是比较宽的，但在测量中仍然要注意避免在同一位置上短波长、高级次光谱线的干扰。
光谱仪的集光率正比于U ＝ΩA ，其中A 为狭缝的面积，Ω为光谱仪的接收立体角，见图5.6。
最佳接收立体角是使进入输入狭缝后的光源能够充满整个光栅面（见图 3.7），这样一方面可以充分利用入射的光通量，另一方面所有的光栅条纹被照亮可以得到较高的分辨本领。立体角过大不仅浪费了光源，而且可能导致在光谱仪内壁上的散射，于扰了测量。
图5.6 光谱仪的集光率U ＝ΩA 图5.7 光谱仪使用中光路的安排
单色仪的安装方式有几种，图5.1（b ）为切尔尼（Czerny ）形式，采用了独立的准直和聚焦反射镜，设计灵活，成像质量好，常用于大中型光栅光谱仪，但体积较大。
图5.8（a ）为Ebert 型，用一块反射镜兼做准直和聚焦的作用，使两者像差可以抵消，但设计灵活性差，也常用于大中型光栅摄谱仪。
图5.8（b ）是Littrow 型光栅单色仪，它的特点是入射光和衍射光的位置相同，准直和聚焦由一块镜子来完成，称为自准式安装。当入射角为α时，光栅方程为
λαm d =sin 2 （5-13）
图5.8 不同类型的光谱仪
(a) Ebert 型 (b) Littrow 型
光栅的转动机构
在使用单色仪时，对波长进行扫描
是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方
程可以给出出射波长和光栅角度之间的
关系（见图3.9）；
ηψλsin cos 2m
d = （5-14） 式中η为光栅旋转角，ψ为入射角和衍
射角之和的一半，对给定的单色仪来说
ψ为一常数。（5-14）式表示单色仪的出
射波长与转角η的正弦成正比，因此这
种机构称为正弦转动机构。 图3.9 光栅转动系统示意图
为了精密控制转角，采用精密丝杠传动，丝杠移动距离l 与转角η的关系为l ＝Dsin η，因此出射波长
kl D
l m d ==ψλcos 2 （5-15） 上式表明丝杠移动距离与出射波长成正比，由丝杠的转动带动齿轮机械计数器就可以显示波长值。
棱镜单色仪的分辨率低，目前在高精密光谱测量中用得不多，但在光学测量或激光技术中，棱镜也是常用的光学元件。
棱镜的分辨率
棱镜的分辨率与棱镜的顶角ε有关，一个等腰棱镜（见图5.10）的角色散率为
λεελθd dn n d d ??? ??-??
? ??=2sin 12sin 222 （5-16） 上式中d n / d λ为棱镜材料的色散率，与材料以及使用的波长范围有关。例如，熔石英的折射率为n = 1.47，工作在波长A ＝400 nm 处，d n / d λ＝1100 cm -1，给出d θ / d λ=1.6×10-4 rad ／nm 。当棱镜顶角ε增加时，角分辨率也要增加，与棱镜的尺寸无关。但是棱镜尺寸过小，相当于在光路中加入一光阑，会引起分辨率的下降。
图5-10 棱镜对光的色散与反射
等边棱镜的角色散率可以由（5-16）式导出：
221??? ??-=n d dn d d λ
λθ （5-17）
棱镜光谱仪的分辨率与材料的色散特性成正比，大致可以由下式给出：
??
? ??=?λλλd dn g （5-18） 上式中的g 是棱镜的底边长度。
棱镜除了可做色散元件外，还经常在光路中做光学反射器件。例如，等腰直角棱镜可以用作0°或90°的光学反射器（见图3.10），采用光学性能好的熔石英做棱镜材料，可以有很高的抗光损伤阈值，尤其适用于反射高峰值功率的脉冲激光束。
其他类型的光谱仪，如红外分光光度计和拉曼（Chandrasekhara Venkata Raman ，1888-1970年，印度物理学家，因发现拉曼散射效应而获得1930年诺贝尔物理学奖）光谱仪，其核心部分也是一台光栅光谱仪，但由于配备了特定的光源和探测设备，以及其特殊的用途，因此被看成独立的光谱设备。如果需要进一步提高光谱仪的分辨率，可以采用双光栅单色仪。例如，许多拉曼光谱仪都采用双光栅甚至三光栅结构，目的是为了分辨与激励激光波长非常靠近的拉曼散射谱线，它相当于将两台光谱仪串联使用，第一台起窄带滤光器的作用，防止很强的激光光源进入第二个单色仪中，以减少激光散射本底。
5. 2 干 涉 仪
干涉仪是指利用光的干涉原理制成的一类光学仪器，它不仅在光谱测量技术中有着重要 的作用，在物理学、天文学以及计量科学中也有广泛的应用。干涉仪以其波长或频率高分辨的特点，在光谱实验中经常用于对谱线线形、线宽以及绝对波长的测量，在激光技术中常用于对激光频宽的压缩。
干涉仪的原理都涉及到将一束入射光分解为两束或多束光，并在各光束间引入一定的光程差，只要光程差不超过相干长度，可以将各束光的光强按照相干迭加原理重新组合起来，产生干涉效应，如图5-11所示。
图5-11 干涉的基本原理
入射光强度为I 0，波长为λ，经过分束镜分解出k 束光，光强为I k （k ＝1，2，3，…，k ），每束光的光程s k ＝ n x k ，为光路上介质的折射率，x k 为第k 束光的传播距离。由于各束光来源于同一个光源，因此这些光束是相干的。按迭加原理，输出后的光强不仅与各光束的振幅E （s k ）小有关，而且还和它们的相位φk ＝φ0 +2πs k /λ有关，因此，输出光强与波长λ也有关系。如果相邻光束间的光程差为Δs ij ＝s i 一s j = m λ，m 为相应的干涉级次，当m ＝1，2，3，… 等整数时产生相长相干（constructive interference ），此时透射光强有极大值，正比于总振幅的平方，合成后的总光强
()2
∑=k k
T s E I （5-19）
E （s k ）为第k 束光的电矢量振幅。
干涉仪的种类很多，我们只介绍几种常用的类型：法布里—珀罗干涉仪、迈克尔逊于涉仪、马赫—塞恩德干涉仪以及利用干涉原理的傅立叶光谱仪。
1 法布里—珀罗干涉仪（Febry – Perot interferometer ）
法布里—珀罗干涉仪是一种常用的多光束干涉仪，简称F —P 干涉仪。激光器就是利用 F —P 干涉仪作为谐振腔产生振荡，常称为F —P 腔。F —P 干涉仪的基本结构如图5-12所示， 两块平行放置的平面反射镜，内表面镀有高反射率的金属或介质膜，外表面镀有增透膜，并磨成一定的倾角，以避免附加干涉。两平面镜间距为d ，是干涉仪的重要参数。如果d 能连续改变，例如在镜片上加装压电陶瓷元件（piezoelectric transducer ，PZT ），则可以通过电压的变化来连续改变两镜间距离d ，这种类型的干涉仪称为扫描F —P 干涉仪。
在F —P 干涉仪中，相邻光束的光程差
θc o s
2nd s =? （5-20） 式中n 为两镜间介质的折射率，d 为镜间距，θ为人射角。由于Δs 所引起的相邻光束间的相位差
?λπδ?+?=s
2 （5-21）
?? 是附加的相位变化，例如考虑反射
所引起的半波损失，π?=?。
如果不考虑附加相位πδ?m 2,=?
（m 为整数，取0，±l ，±2 ，…）时，
由于相长干涉，透射光具有最强的光强， 图5-12 F — P 干涉仪
此时相邻光束的光程差满足Δs ＝m λ。
在θ = 0的正入射情况下，由（5-20）式可知，两镜间的光程刚好为光波半波长的整倍数；
m
nd 2=λ （5-22） 在正入射情况和不考虑吸收损耗时，F —P 于涉仪的反射光强I R 和透射光强I T 可以由相干迭加原理给出，即Airy 公式：
??? ??+-??
? ??=2sin 4)1(2sin 42220δδR R R I I R (5-23 a)
以及 ??? ??+--=2sin 4)1()1(2220δR R R I I T (5-23 b)
式中δ为两束相邻光束之间的相位差，R 为干涉仪镜面的反射系数，由于忽略了吸收损耗， I R + I T ＝ l 。通常可以取F ＝4R ／(1-R)2来缩写上式：
??
? ??+??? ??=2sin 12sin 220δδF F I I R (5-24 a) 以及 ??? ??+=2sin 1120δF I I T (5-24 b)
由（5-23）式可知，反射系数越大，透射峰越尖锐（见图5-13）。
F —P 干涉仪有三个重要的参数；自由光谱区（free spectral range ，FSR ）、带宽Δν和细度（finesse ）F*。
自由光谱区（FSR ）是指能单值确定的被测谱线波长的范围，这可以从相邻最大透射峰的波长间隔导出：)
1()1(+?=+?-?=m m s m s m s δλ，或者用频率表示为s c v ?=/δ （与m 无关），c 为真空中的光速。由此可以导出F —P 干涉仪用频率表示的自由光谱区为：
)cos 2/(θδnd c v = （5-25）
图5-13 干涉仪透射光强与镜面反射系数的关系
（横坐标为相位δ，单位用弧度表示）
在正入射情况时（入射角θ＝0）的自由光谱区分别为：
用频率表示： nd
c v 2=δ （单位为Hz ） 用波长表示： n
d 22λδλ=
（单位为nm ） 用波数表示； nd
v 21=δ （单位为cm -1） 干涉仪透射峰的带宽Δv 定义为在透射峰半高度处的全宽度（FWHM ），用弧度单位可以表示为
????
??-=?R R v 2)1(arcsin 4 （5-26） 当反射率R 很大时，上式可以近似为
F R R v 4
)1(2=-=?
带宽Δv 也可以用自由光谱区加和干涉仪的细度F*的比值来表示：
*F v
v δ=? （5-27）
F —P 干涉仪的主要指标
（1）分辨率：按照瑞利判据，可分辨的最小波长间隔应不小于透射峰的带宽。透射峰的带宽 *2*2
ndF F λδλ
λ==? （波长单位），因此分辨率
λ
λλ*2ndF R =?= （5-28） 由上式可以看到，要分辨率高，则要求F*（镜面细度）和d （镜面间距）的乘积要大。例如，干涉仪的镜间距d= 1 cm ，镜间介质折射率n = l ，R ＝ 98％ 以及λ＝ 500 nm ，只考虑反射细度时，分辨率R = 6×106，即最小可分辨波长达8×10-5 nm （0.000 8 ?），或者可分辨频率达96 MHz ，可见干涉仪的分辨率是非常高的。
(2)透射率：在忽略吸收损耗以及两镜为理想的平行平面条件下，透射率I T ／I 0由(5—24b)决定。在考虑了吸收损耗后，每个镜面反射率和透射率分别为R 和T ，每个镜面的吸收损耗为A ，三者关系为A = 1 – R – T 。此时干涉仪的透射光强
??? ??++=2sin 11
)(222
0δF T A T I I T （5-29）
与（5-24 b ）式相比较，上式透射光强度下降了一个因子T 2／(A+T)2 ＝ T 2／(1-R)2，尽管镜 面的吸收A 很小，但对透射光强影响很大。例如，A = 0.05，R = 0.9，T ＝0.05，光强的下 降因子为0.25。
如果采用固定间距d 的块状固体
（玻璃或熔石英），两端面镀有高反射
膜，也可形成F —P 干涉仪，被称为标
准具（etalon ）。标准具经常应用于激光
波长的绝对测量以及在激光系统中对激
光的频宽进行压缩。
由干涉仪的基本原理可以导出第m
级透射光强极大值的波长和频率 βαλcos 2sin 2222m
nd n n m d
m =-= 图5-14 标准具 （5-30 a ）
以及 β
νcos 2nd m c m = （5-30 b ） 式中α为入射角，β为在标准具内的折射角（见图5-14）。透射峰之间的相位差δ=2m π，m 为整数。透射峰的强度可由（5-29）式导出： 20201??
? ??+=??? ??-=T A T I R T I I T （5-31） 标准具的透射率、反射率和镜面的吸收
损耗之间的关系可以由图5-15表示。现代镀
膜技术可以使损耗小于0.2％以下，镜面反射
率R 达到99.99％甚至99.999％，但仍然可
以有一定的透射率。例如，镜面反射率为
99.99％，透射率和吸收损耗都为0.005％，标
准具在透射峰上的透光率I T ／I 0有25%，当光
源为激光时，透射峰强度仍然很高。
图5-15 透射率、反射率和损耗之间的关系
（3）干涉仪的收光率；指干涉仪收集被测光能量的能力，由下式给出：
*42dF D A U λ
π=Ω= （5-32）
式中Ω和A 分别为于涉仪的接收立体角和通光面积，D 为反射镜的直径。收光率U 的提高与分辨率的提高有点矛盾，实际使用时需折衷考虑。但采用球面共焦的标准具可以兼顾这两者。
2．迈克尔逊干涉仪（Michelson interferometer ）
迈克尔逊（Albert Abraham Michelson ，1852-1931年，美国物理学家，因发明干涉仪以及借助干涉仪在光谱学和度量学中的研
究成果获得1907年诺贝尔物理学奖）干
涉仪的结构如图5-16所示。M 1和M 2是
两块互相垂直放置的全反镜，M 2可以沿
其法线方向移动，S 0为一个50％反射率
的半透半反束裂镜，C 为补偿镜，补偿光
路中的固有光程差，P 为观察屏。由图可
知，途经M 1和M 2的两束光的光程差
)(2OB OA n s -=?，n 为折射率；相应 的相位差λπ
δ2??=s （注意：相位差δ
不仅与光程差有关，还与光波长有关）。
假设入射光为一单色光，并不计损耗， 图5-16 迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪的透射光强
2
c o s )c o s 1(2200δδI I I T =+= （5-33） 移动M 2时，当δ=2m π（m = 0，1，2，…）时，I T = I 0 ，干涉仪呈全透射状态，如果δ= (2m+1)π时，I T = 0，干涉仪呈全反射状态。随着M 2的移动，相位差δ不断变化，导致透射光强的周期性变化（见图5-17）。
图5-17迈克尔逊干涉仪输出强度与相位的关系 图5-18 干涉仪的干涉花样
如果入射光为一发散光源，不同入射角θ的光束有不同的光程差，只有θ满足下式时才有最大透射光强：
)(2cos OB OA n m -=λ
θ （5-34）
这样可以在屏P 处观测到一系列明暗相间的同心圆环干涉花样，环纹会随M 2镜的移动而发生变化（见图3-18）。
迈克尔逊干涉仪的光谱分辨率与两束光的光程差)(2OB OA n s -=?有关，它可以由下式给出：
λ
λλs R ?=?= （5-35） 此外，形成清晰条纹还受光源的相干长度Δs c 的限制，普通光源的Δs c 只有几个厘米，单模激光光源的Δs c 可以长达数百米以上。所以在采用激光光源时，即使没有补偿镜C 也很容易观察到清晰的干涉条纹。
由于相位差δ与光波长或入射光的圆频率ω有关，可记为δ(ω)，则单色光入射时的透射光强公式为))(cos 1(2
)(2)
(cos )(),(020ωδωωδωωδ+==I I I 。如果考虑有一定光谱范围的入射光，可以对I(δ,ω)进行积分求出总的透射光强 ??????+==???∞∞∞
00000)(cos )()(2
1),()(ωωδωωωωωδδd I d I d I I T （5-36） 式中I T (ω)为M 2镜移动时，在P 处接收到的总光强，它随Δs （或δ）而变化。上式等号右边的第一项与光程差无关，如果用一束白光入射，在δ= 0时有强度极大值。根据（5-36）式，可以将右边第一项记为?∞
==00)0()(δωωT I d I ，再重新整理后得
?∞==-0
0)(c o s )(21)0(21)(ωωδωδδd I I I T T （5-37） 通过上式的Fourier 变换可得
δδδδωd I I I T T cos )0(21)()(00?∞??????=-∝
（5-38） 或者记为复数的形式：
δδδωωδd e I I C I i T T -∞
???
????=-=00)0(21)()( (5-39) 上式反映了以相位作变量的透射光强I T (δ)和以圆频率为变量的源光强I 0 (ω)之间的傅立叶 变换关系。我们通过移动M 2镜来连续改变Δs （也即δ），可以测出I T (δ)和Δs 的关系曲线（或I T 与δ的关系），被称为干涉图，再做干涉图的傅立叶变换，即可得到光源的光谱分布I 0 (ω)，这就是傅立叶光谱（Fourier transform spectroscopy ）的基本原理，它在光谱测量中有着非常重要的作用。
3 马赫—塞恩德干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）
该干涉仪与迈克尔逊干涉仪类似，将入射光束分成两束，经过不同路径再重新汇合（如图5-19所示），在屏上可以看到干涉条纹。
图5-19 Mach-Zehnder干涉仪的原理图
如果M1、M2、B1和B2严格地保持平行，两臂的光程差将与入射光束的入射角度无关。没有样品时两臂间的光程差为零，如果在一个臂中插入折射串为n、长度为L的样品，两臂的光程差将变为Δs＝(n-1)L（空间折射率取为1），引起干涉条纹的变化。用这种方法可以测量样品的折射率。
采用激光做光源，由于激光的相干长度长，可以获得清晰度很高的干涉花样。图5-20是一个测量折射率的例子，L l和L2形成一对扩束透镜，它们将激光束扩展成光斑为10~20 cm 的平行光束，在屏上干涉条纹可以反映样品在空间位置上的折射率变化。测量时除了在L l 和L2间激光光斑被扩束外，在其余镜面上应尽量保持很小的光斑，避免镜面的不平整度或缺陷所带来的误差。
图5-20 利用Mach-Zehnder干涉仪测量空间折射率的变化
Mach-Zehnder干涉仪有广泛的应用，可以测量透明样品（如原子蒸气）的折射率、气体流动时的密度变化以及测量各种光学基片的缺陷等。
5.3 傅立叶光谱仪
傅立叶光谱仪（Fourier transform spectrometer）的基本结构就是迈克尔逊干涉仪。当M2移动镜均匀平移时，可以获得一张干涉图谱（光强与光程差或相位差的关系图），对干涉图谱做傅立叶变换就可以得到光谱的分布图（光强与光频率或光波长的关系图）。这种光谱
方法在1950年就提出来了，但由于技术上的原因（例如探测技术、对干涉图谱的识别技术等）而未能进入实际应用。1965年由Cooley和Tukey提出快速傅立叶变换的计算方法（fast Fourier transfom algorithm），以及计算机技术的发展，使傅立叶光谱仪逐渐进入实用阶段。
傅立叶光谱仪的原理如图5-21所示。红外光源经过准直后变成平行光进入干涉仪，当动镜M2移动时，由探测器检测到干涉图谱，经A／D转换后送入计算机，由计算机作快速傅立叶变换，转换成光谱图。中红外区域的光源常用碳硅棒和能斯特灯两种，工作范围为400～4000 cm-1。近年来傅立叶光谱仪发展很快，它可以用于发射光谱或吸收光谱，按功能可以分为：研究型、分析型、通用型和专用型。研究型测量范围可以从可见光到远红外（15 800～50 cm-1），分辨率优于0.5 cm-1。
图5-21 傅立叶光谱仪的原理图
图5-22 傅立叶光谱仪的基本结构
图5-22的傅立叶光谱仪由左右两组迈克尔逊干涉仪组成，由位移传感器控制两组移动镜M2，产生共同的移动。右边一台用于测量未知光源的干涉图，左边一台用于测量已知波长单模运行的He - Ne激光器的干涉图，产生参考时基波。另外，白光源的输入可以产生一个触发信号，因为白光源在相位差δ= 0时有极大的干涉花样强度。实际处理时采用以下的傅立叶变换形式（即5-39式）：
δδδωωδd e I I C I i T T -∞
???
????=-=00)0(21)()( 傅立叶光谱仪的分辨本领与迈克尔逊于涉仪一样，由下式决定：
N Y s =?=?=?λ
λλλ2 （5-40） 式中ΔY 是动镜M 2移动的距离，N 是M 2移动过程中所产生的条纹数目。
例如对10 um 入射光进行测量，M 2镜移动距离为5 cm ，此时的分辨率λ/Δλ = N = 104，即可以分辨到1×10-3 um 。移动臂越长，分辨率越高，大型的傅立叶光谱仪可以有非常高的分辨本领。
傅立叶光谱仪的主要优点：
（1）可以以很高的测量信噪比在很短的时间间隔内获得大波长范围的光谱。与傅立叶光谱仪相比较，光栅光谱仪在测量圆频率范围为Δω时，分辨率为δω（由谱仪的狭缝决定）时，意味着要对M ＝Δω／δω个间隔依次进行扫描。如果整个测量时间为T ，对每个间隔的扫描时间（相当于采样时间）为T ／M 。在测量过程中信号正比于采样时间，噪声则正比于采样时间的平方根。这样，光栅光谱仪测量信噪比为S ／N = (T ／N)1/2。傅立叶光谱仪对Δω范围的测量是一次完成的，因此信噪比S ／N ＝ T 1/2，也即比光栅光谱仪要高M 倍。例如，M ＝1 000时，傅立叶光谱仪的测量信噪比要高出33倍；或者说在相同信噪比的情况下，测量的时间要缩短1 000倍。
（2）在相同分辨率的情况下，傅立叶光谱仪的输出口径比光栅光谱仪大得多，可达几十毫米，而光栅光谱仪只有几个微米，由输出狭缝决定。
（3）博立叶光谱仪可以与计算机连接，直接输出数字信号，便于处理。
但是，大型的傅立叶光谱仪的价格比较昂贵。
图5-23显示了典型的干涉图谱和经过傅立叶变换后的光谱图形。
图5-24为加拿大Bomem 公司的DA8型的傅立叶光谱仪的外形，它有很高的分辨率，主要用于科学研究。测量波段可以从4 cm -1到55 000 cm -1，即可以覆盖从紫外到远红外的波段，分辨率可以从32 cm -1到0.002 6 cm -1，操作使用以及更换部件或样品都非常方便，并具有强大的软件系统支持。
图5-23 典型的干涉图谱和经过傅立叶变换的光谱图形 图5-24 DA8型傅立叶光谱仪
5.4 分光光度计
5.4.1 紫外-可见分光光度计
紫外—可见光谱区的分光光度计包括紫外—可见分光光度计与原子吸收分光光度计。
一、光度计原理
为了从某种物质的吸收光谱获得其浓度，可以用一个具有连续谱的光束通过充满该物质的吸收池，透射光束经透镜会聚到光谱仪（单色器）的入口狭缝，并由光电检测器检测。实验表明，当一束强度为I 0的光穿过充满介质的吸收池后，其强度会因分子吸收而衰减。设吸收池长度为L ，则从吸收池出射的光强I 可以用朗伯—比尔定律描述
])(exp[)(/)(0CL I I λδλλ-= （5-41） 式中：δ(λ)表示分子在波长λ处的光学吸收截面．单位为cm 2；C 为分子数密度，单位为cm -3。
设T = I/I 0为透射比，则某物质的吸光度为 T
I I CL A 1log log 0=-==δ (5-42) 分光光度计的最基本原理是分别两次测量光路上安置与不安置被测物质时的光度。现代自动分析的分光光度计多采用双光束方式，即用两束光分别通过样品池与参照池，然后用探测器进行比较测量。其典型组成部分有：
1)光源和照明系统 在190～360 nm 的紫外区，常用光源为氢弧灯（简称氢灯）、氘弧灯（简称氘灯）。，氘灯的光谱分布与氢灯类似，但光强比氢灯强3～5倍。在360～2 500 nm 波长区常用钨丝灯（简称钨灯）和碘钨灯等。
2)单色器 各类分光光度计的核心都分，仪器的主要光学特性和工作特性基本上由单色器决定。
3)探测器 通常选用低噪声、高灵敏度与时间响应快的光电倍增管。
4)光度系统 常用双光束光度系统。最基本要求是保持光路对称，两光路中的反射次数和相应的反射角、透射次数和相应透射面的曲率，以及射入接收器的角度和照射面积等，尽量要求对称，光路尽量缩短，光学零件尽量减少。光度系统通常安排在单色器的出射狭缝后面，以防止样品受强烈紫外线照射而产生光解或发射荧光。
二、 典型的紫外—可见光谱区分光光度计
1 紫外-可见分光光度计
图5-25为具有典型双光束分光光度计光路的730型分光光度计。它可直接自动地给出被测样品相对于参考样品的光度数据。它的光源有两个，在195～400 nm 波段用氢灯，在400～850 nm 波段用钨丝灯，通过反射镜M 1自动切换。单色器为切尔尼—特纳平面光栅装置。除光栅、准直镜及反射镜外，还装有宽度可从0.03～1.5 nm 连续可变的同步出射与入射狭缝、线性波长扫描机构、衍射光栅级次滤光片组、波长指示计数器及波长调整机构等。
由图可见，从光栅单色器射出的单色光被旋转扇形镜M 2反射或透射，形成频率为25 Hz 的对称调制光束，分别交替通过样品池和参照池。然后被与M 2同步的旋转扇形镜M 3重新合并成一路光束，并投射到光电倍增管PM 上。由于样品光束与参比光束完全对称，并几乎
同时工作，从而消除因电源、温度、光源的随机变化对测定结果的影响。
图5-25 730型分光光度计
2 差分吸收光谱仪
差分吸收光谱仪（DOAS）是根据分子对光波吸收的朗伯—比尔定律，对待测分子的某吸收线中心和该吸收线附近
同时进行探测，并从这两
束光的吸收差异中分析待
测分子的浓度。差分吸收
光谱仪主要用于空气污染
做高灵敏度监测。在200
～670 nm的光谱区，用差
分吸收光谱仪可以检测大
气中SO2、NO、NO2、NO3、
CS2、HNO2、NH3、O3、
CH2O等15种以上的痕量
分子。图5-26 一种典型的长程式差分吸收光谱装置图5-26是一种典型
的差分吸收光谱仪装置，
使用—架反射式望远镜探
测待测光程。如图，从高
压氙灯光源射出的光束，
由平面镜M1反射进入大
尺寸球面镜成为平行光束
射向探测区，设置在探测
区另一侧的角反射器将射
来光束按原路返回，并由
球面镜会聚和反射镜M2
反射进入球面镜中心孔。图5-27 差分吸收光谱（DOAS）的光机扫描器
在这里光束通过耦合器进入光纤，再传送到光谱仪进行分光。
为对分光后的光谱进行扫描，在光谱仪出口狭缝处装置一个光机扫描器。这是一个蚀刻数十条径向细槽的旋转圆盘（图5-27），在圆盘后安装了光电倍增管。探测时圆盘旋转，槽缝依次扫过出射光谱，穿过槽细缝后被光电倍增管接收．其输出信号由模—数转换进入计算机。圆盘旋转一次即完成对光谱图一次采集，可获得数百个数字化的信号样本，计算机用专用软件计算出在测量光路上待测分子的平均浓度。
3 原子吸收分光光度计
与分子不同，原子的光谱是线光谱，吸收线的半宽度仅为10-3 nm量级。因此测量原子的吸收光谱，必须使用发射窄谱线的光源，常用空心阴极灯。此外还须使原于处于蒸气状态，即用高温火焰或石墨炉将样品原子化。原子吸收分光光度计可对70种以上的元素进行定量测定。它的检出限低，火焰原子吸收法达到10-9g／mL，石墨炉原子吸收法达到10-10～10-14 g／mL；并且选择性好，一般共存元素不对被测元素产生干扰。
空心阴极灯有一个由待测元素制成的空心圆筒形阴极和一个由钨、钛等制成的阳极，并密封在玻璃壳内，在其顶部是石英窗口内充低压惰性气体。当在阴极和阳极之间施加100～400 V电压时，管内产生辉光放电，并发射待测元素的特征谱线。
图5-28为一种常见的双光束
原子吸收分光光度计的光学系统。
如图，含有被测元素的物质通过加
热（火焰或无火焰方式）分解成游
离态的中性原子。空心阴极灯辐射
出的光束，通过调制盘U上的通光
孔及与通光孔对称安置的小反射镜，
将来自光源的光束变成交替的参比
光束和样品光束。待分析样品—般
制成液态，通过喷雾器以微小气溶
胶状态吹入原子化器A，并在可燃图5-28 双光束原子吸收分子光度计
性气体点燃的火焰中分解形成游离
态中性原于（在无火焰原子化器中，通电加热石墨管使其中的液态或固态样品原子化）。样品光束通过物质的蒸气云，被基态的待测元素共振吸收。该光束再经单色器分光．由光电倍增管所检测。
如图，该光度计还有一组背景校正光源，可见光用钨灯，紫外光用氘灯。它们发出的光也通过调制盘．形成与空心阴极灯光路完全重合的参比光束和样品光束。但它们只引起背景的分子或其他原子的吸收，对待测原子没有影响，通过背景扣除，可消除掉背景物质对待测元素的干扰。
4 红外分光光度计
红外分光光度计用于对分子的振动与转动光谱的测定。虽然，红外分光光度计的光路系统的要求与紫外 - 可见分光光度计相同。由于波段上的差异，所用的光源、检测器、信号检测方式、仪器结构等与紫外 - 可见分光光度计均有不同。
红外分光光度计的主要部件如下：
（1）光源
理想的红外光源在整个测定范围内能够发射出能量均匀的连续光谱。最理想的光源是黑体辐射。实际常用光源有：①碳化硅棒（简称硅碳棒），它是直径为6～8 nm，长度为5～10
各种测量仪器的使用方法 水准仪及其使用方法 高程测量就是测绘地形图的基本工作之一,另外大量的工程、建筑施工也必须量测地面高程,利用水准仪进行水准测量就是精密测量高程的主要方法。 一、水准仪器组合: 1、望远镜 2、调整手轮 3、圆水准器 4、微调手轮 5、水平制动手轮 6、管水准器 7、水平微调手轮 8、脚架 二、操作要点: 在未知两点间,摆开三脚架,从仪器箱取出水准仪安放在三脚架上,利用三个机座 螺丝调平,使圆气泡居中,跟着调平管水准器。水平制动手轮就是调平的,在水平镜内通过三角棱镜反射,水平重合,就就是平水。将望远镜对准未知点(1)上的塔尺,再次调平管水平器重合,读出塔尺的读数(后视),把望远镜旋转到未知点(2)的塔尺,调整管水平器,读出塔尺的读数(前视),记到记录本上。 计算公式:两点高差=后视－前视。 三、校正方法: 将仪器摆在两固定点中间,标出两点的水平线,称为a、b线,移动仪器到固定点一端,标出两点的水平线,称为a’、b ’。计算如果a－b≠a’－b’时,将望远镜横丝对准偏差一半的数值。用校针将水准仪的上下螺钉调整,使管水平泡吻合为止。重复以上做法,直到相等为止。
四、水准仪的使用方法 水准仪的使用包括:水准仪的安置、粗平、瞄准、精平、读数五个步骤。 1、安置 安置就是将仪器安装在可以伸缩的三脚架上并置于两观测点之间。首先打开三脚架并使高度适中,用目估法使架头大致水平并检查脚架就是否牢固,然后打开仪器箱,用连接螺旋将水准仪器连接在三脚架上。 2、粗平 粗平就是使仪器的视线粗略水平,利用脚螺旋置园水准气泡居于园指标圈之中。具体方法用仪器练习。在整平过程中,气泡移动的方向与大姆指运动的方向一致。 3、瞄准 瞄准就是用望远镜准确地瞄准目标。首先就是把望远镜对向远处明亮的背景,转动目镜调焦螺旋,使十字丝最清晰。再松开固定螺旋,旋转望远镜,使照门与准星的连接对准水准尺,拧紧固定螺旋。最后转动物镜对光螺旋,使水准尺的清晰地落在十字丝平面上,再转动微动螺旋,使水准尺的像靠于十字竖丝的一侧。 4、精平 精平就是使望远镜的视线精确水平。微倾水准仪,在水准管上部装有一组棱镜,可将水准管气泡两端,折射到镜管旁的符合水准观察窗内,若气泡居中时,气泡两端的象将符合成一抛物线型,说明视线水平。若气泡两端的象不相符合,说明视线不水平。这时可用右手转动微倾螺旋使气泡两端的象完全符合,仪器便可提供一条水平视线,以满足水准测量基本原理的要求。注意？气泡左半部份的移动方向,总与右手大拇指的方向不一致。 5、读数 用十字丝,截读水准尺上的读数。现在的水准仪多就是倒象望远镜,读数时应由上而下进行。先估读毫米级读数,后报出全部读数。 注意,水准仪使用步骤一定要按上面顺序进行,不能颠倒,特别就是读数前的符合水泡调整,一定要在读数前进行。 五、水准仪的测量 测定地面点高程的工作,称为高程测量。高程测量就是测量的基本工作之一。高程测量按所使用的仪器与施测方法的不同,可以分为水准测量、三角高程测量、GPS高程测量与气压高程测量。水准测量就是目前精度最高的一种高程测量方法,它广泛应用于国家高程控制测量、工程勘测与施工测量中。 水准测量的原理就是利用水准仪提供的水平视线,读取竖立于两个点上的水准尺上的读数,来测定两点间的高差,再根据已知点高程计算待定点高程。 如下图所示,在地面上有A、B两点,已知A点的高程为HA、为求B点的高程HB,在A、B两点之间安置水准仪,A、B两点各竖立一把水准尺,通过水准仪的望远镜读取水平视线分别在A、B两点水准尺上截取的读数为a与b,可以求出A、B两点问的高差为:
认识各种常用的测量仪器及仪器正确的使用方法 一.测长度的仪器有____________________________；最基本的是 正确使用方法： a.看（使用前要观察它的、和）； b.放（测量时，被测物体的一端要与对齐，尺要沿被测边缘，紧贴被测物体； c.读（读数时，视线应刻度线，并与尺面，在精确测量时，要估读到）； d.记（测量值由数字（、）和组成，倒数第二位是，最末一位是， 包括估计值在内的测量值称为有效数字）。 练习： 1、四位同学用同一把刻度尺测量同一物体长度，结果中错误的是() A.246.5mm B.24.66cm C.248.5mm D.246.7mm 2、用塑料卷尺测物体的长度，若用力拉伸尺子进行测量，结果() A.偏大 B.偏小 C.不受影响 D.无法判断 3、用一把尺子测量长度，一般要测量多次，这样做的目的是为了（） A、减少观察刻度线时由于实现不垂直而产生的误差 B、减少由于刻度尺不精密而产生的误差 C、避免测量中可能出现的错误 D、减少由于读数时估计值偏大或偏小而产生的误差 4、下列数据中最接近初中物理课本长度的是() A．20mm B．1dm C．1m D．26cm5、下列关于使用刻度尺的说法中，错误的是() A．使零刻度线对准被测物体的一端B．使刻度尺的刻度线紧贴被测的物体 C．读数时，视线要正对刻度线，不可斜视D．记录时，只要记录准确值，并要注明测量单位 6、用刻度尺测量物体长度，下列情况中属于误差的是()． A．观察时，视线未能与刻度尺垂直B．测量用的刻度尺本身刻度不完全均匀C．未能估读到分度值的下一位数D．物体的左边缘未对准刻度尺的“0”刻度线，就把物体右边缘所对刻度尺上的刻度值当作物体的长度 7. 如下图所示，读出木块的长度为： (1)A图中木块长度是______cm，刻度尺的分度值为________. (2)B图中木块长度是_____cm，刻度尺的分度值为____________. 8、用刻度尺测出桌子的长度为1.243m，所用的刻度尺的分度值是。 9、小明同学用一把刻度尺测量同一物体的长度，五次测量的值分别是：8.23cm，8.25cm，8.23cm，8.24cm，8.78cm， 其中错误的数据是_________；此物体的长度是_________cm． 二.测时间的仪器有_______________________________；常用的是 三.测温度的仪器是______；它的原理是： 正确使用方法： 使用前：先观察它的判断是否适合待测液体的温度，并认清温度计的，以便准确读数。 使用时：温度计的玻璃泡要,不要;温度计玻璃泡浸入被测液体中稍待一会儿，待再读数；读数时玻璃泡要，视线要。 练习： 1.图中有A、B、C、D四种测量水温的操作.请你评价这四种操作方法的正误.如果是错误的，指出错在哪里. A:______________________________________________ B:_______________________________________________ C:_______________________________________________ D:_______________________________________________ A B C D 2.如图所示，用温度计测温度时正确的使用方法是（）． 3.下列是使用温度计的操作步骤，请将各步骤的标号按正确的操作顺序填写在下面横线上.
光电传感器在人体脉搏信号采集系统中的应用 姓名：时劭科 专业：核工程与核技术 班级：080211 学号：08021117 2011年12月5日
摘要：脉搏是人类对自身生理特征认识非常早的一项指标，人类对脉搏的采集也是和社会技术发展同步的，从机械到电子发展到近代的光学。目前医疗产品中临床上的脉搏采集基本以光电传感器采集脉搏方法为主。光电传感器种类也比较多，大多都可用于对脉搏采集。各种光电传感器各有自己的特点，可用于不同情况下的脉搏采集。 一、引言 中医脉象诊断技术是脉搏测量技术在中医诊断上的卓有成效的应用。古代就有“切之以九脏之动，微妙在脉，不可不察”之说。脉诊是医生运用手指的触觉切按病人动脉脉搏以探查脉象、了解病情的诊断方法，通过诊脉可以了解气血的变化、阴阳的盛衰，对分析病理、推断疾病的变化、识别病情的真假、判断疾病的预后，都具有重要的临床意义。然而由于受到人为等多方面因素的干扰，使得传统的中医诊脉缺乏客观性，医家往往是“心中易了，指下难明”，因此，近代的许多学者便致力于脉诊的客观化研究，希望借助现代科学技术及成果实现脉诊的客观化。 目前我们常见的脉搏采集方法有：压力传感器法、超声脉图法、光电容积法、电容传感器法、电声传感器法等。以上这些方法中，超声脉图法和光电传感器法在目前临床应用中比较普遍。而电容、电声和压力传感器法多用于无创血压测量中的脉搏测量，其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点。 目前医疗产品中临床上的脉搏采集发展到光电传感器采集脉搏方法为主。光电传感器种类也比较多，大多都可用于对脉搏采集。它们有光敏电阻、光敏电池、光敏二极管等。以上几种光电传感器各有自己的特点，可用于不同情况下的脉搏采集。 (1)光敏电阻，它的特点是价格低廉，输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力比较强、可靠性好、器件本身不容易发生故障，它的缺点是响应时间慢。 (2)光电二极管和光电三极管它的特点是灵敏度高，响应时间快、但它受温度影响比较大、受光面小、而且有非常强的方向性、抗干扰能力弱、它的另一个特点是不同型号的管子对光谱响应有很大不同。 (3)光敏电池传感器它的特点是受光面积大、输出电流小、灵敏度高、响应速度快、光谱比较宽、受温度影响比较小，抗干扰能力一般。 二、脉搏的形成和生理特点 动脉管壁随着心动周期周而复始、一起一伏的搏动，称为动脉搏动，简称脉搏。当心室收缩时，血液冲开主动脉瓣，并把血液射入主动脉中，主动脉内压突然增高，迫使血管壁迅速膨大，当心室舒张时，主动脉压降低，主动脉壁因其具有弹性而回缩，这样，动脉管壁就随心室的收缩出现周期性的起伏搏动，形成脉搏，它存在于身体的每个部位，中医学的切脉，就是用手指的触觉和压觉分析桡动脉脉搏的频率、深浅、强弱及其他特征，作为诊断疾病的重要指标之一。 就容积式脉搏波的探测而言，指尖是较理想的部位，因为它位于肢体前端，容易实现非接触检测；其次，由手指的解剖结构可知，每个指尖的血液都是经指总动脉分两路从指干两侧通向指尖，再经丰富的冠状小动脉弥散至毛细血管，然
医学光电检测技术论文 光电型脉搏传感器的原理及其应用The principle of type photoelectric pulse sensor and its application 学生姓名：张先绪 专业：生物医学工 学号：110811117 指导教师：庞春颖 学院：生命科学技术学院 二〇一四年十二月
摘要: 介绍了光电式脉搏传感器的原理和设计方案,采用集成光敏部件和放大器的光敏芯片代替传统的分立光敏器件实现对脉搏的测量。芯片的集成化能够有效减小器件间匹配引起的干扰,提高脉搏测量精度。在实验测试过程中,采用该光电式脉搏传感器对人体的脉搏进行实时测量,对脉搏信号测量可能引起的噪声来源做了分析,并做相应的抗干扰处理,得到比较理想的脉搏波形,为脉搏信息的提取和分析提供了良好的数据。 关键词:脉搏信号;光电容积法;脉搏传感器;噪声分析 Abstract: The PPG pulse sensor is attached to the finger base for monitoring beat to beat https://www.doczj.com/doc/b23818204.html,paring with the traditional design,the pulse sensoruses a new integrated chip,which is integrated the photosensitive unit and the signal amplifier.This design can efficiently remove the system noise and improve the precision of measure.In the experiment,using the newPPG pulse sensor can measure the pulse directly from the pulse in real time.At the same time,making the noise analysis and dealing with the measure noise,and getting a good pulse wave. Keywords:pulse signal;photoplethymograph;pulse sensor;noise anylsis
全站仪，即全站型电子速测仪（Electronic Total Station），是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。 电子全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分（CPU）、通讯接口、显示屏、键盘等组成。 （1）同轴望远镜 全站仪的望远镜实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴同轴化。 使得望远镜一次瞄准即可实现同时测定水平角、垂直角和斜距等全部基本测量要素的测定功能。
棱镜杆 （2）双轴自动补偿 作业时若全站仪纵轴倾斜，会引起角度观测的误差，盘左、盘右观测值取中不能使之抵消。而全站仪特有的双轴（或单轴）倾斜自动补偿系统，可对纵轴的倾斜进行监测，并在度盘读数中对因纵轴倾斜造成的测角误差自动加以改正（某些全站仪纵轴最大倾斜可允许至 ±6′）。也可通过将由竖轴倾斜引起的角度误差，由微处理器自动按竖轴倾斜改正计算式计算，并加入度盘读数中加以改正，使度盘显示读数为正确值，即所谓纵轴倾斜自动补偿。 （3）键盘 键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件，全站型仪器的键盘和显示屏均为双面式，便于正、倒镜作业时操作。
（4）存储器 全站仪存储器的作用是将实时采集的测量数据存储起来，再根据需要传送到其它设备如计算机等中，供进一步的处理或利用，全站仪的存储器有内存储器和存储卡两种。 （5）通讯接口 全站仪可以通过BS–232C 通讯接口和通讯电缆将内存中存储的数据输入计算机，或将计算机中的数据和信息经通讯电缆传输给全站仪， 实现双向信息传输。 全站仪的使用步骤 （1）安置全站仪
................. 摘要 作为反映人体健康状况的重要生理信息，脉搏波在临床诊断和疾病治疗中,受到广泛重视。目前，"摸脉"方法仍然是医生诊断疾病所采用的一种普遍技术手段。脉搏波所呈现出的综合信息，如形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等，在很大程度上反映了人体心血管系统中的生理和病理的血流特性，其医学价值重大。无创血氧浓度和无袖带血压测量技术就是在脉搏波的波形分析基础上实现的。由于人体的生物信号处于强噪声背景下, 脉搏波作为一种低频微弱的非电生理信号，必需经过放大和后级滤波处理，才能满足进行采集和观察的要求。 本文在广泛查阅国内外有关光电容积脉搏波扫描法的研究和应用情况的基础上，设计并制作完成了基于光电容积脉搏波扫描法的透射式光电脉搏波传感放大器电路，并对其在使用中的问题及应用前景进行了深入探讨 关键词：脉搏波光电容积脉搏波扫描法放大器滤波器传感器
目录 摘要 (1) 绪论 (3) 第一章. 动脉脉搏波的相关理论 (4) 1.1 动脉脉搏波的产生及波形特点 (4) 1.2 脉搏波的传播速度 (5) 1.3 脉搏波的研究意义 (8) 第二章.血压测量技术的研究方法 (9) 2.1 无创血压测量方法综述 (9) 2.1.1 柯氏音听诊法 (9) 2.1.2 示波法 (10) 2.1.3 扁平张力法 (11) 2.1.4 超声波法 (11) 2.2 弱信号测量相关知识 (12) 2.2.1 电气设备干扰 (12) 2.2.2 常规小信号检测方法 (13) 第三章．系统设计及实现 (14) 3.1 系统总体设计与框图 (14) 3.2 PPG传感器设计 (15) 3.2.1 光源的驱动电路 (15) 3.2.2 光电接收及前置放大 (17) 3.3 二阶低通滤波电路 (18) 3.4 二阶高通滤波电路 (22) 3.5 二级放大及电平提升电路 (25) 第四章. 系统运行结果测试 (26) 4.1采集电路测试 (26) 4.2 初级放大和滤波电路功能测试 (27) 4.3系统总体测试 (28) 结论 (29) 参考文献 (30)
心率测量及报警装置《电气技术实践基础》综合设计 2017年11月
摘要 光电容积脉搏波包含了人体丰富的生理、病理信息，对其进行实时监测可为临床研究和诊断提供科学的指导。这一套基于图形化虚拟仪器电子电路的光电容积脉搏波信号采集、处理、脉搏频率显示及报警系统，可完成对该信号的实时采集、显示和信息反馈。装置原理简单，用简单分立元件及中规模集成电路模拟了LabVIEW系统的基本功能。 关键词：光电容积脉搏波，模拟电路，数字电路，仿真 Abstract The light capacitance pulse wave contains abundant physiological and pathological information of human body, and real-time monitoring of it can provide scientific guidance for clinical research and diagnosis. The signal acquisition, processing, pulse frequency display and alarm system based on graphic virtual instrument electronic circuit can accomplish the real-time acquisition, display and information feedback of the signal. The principle of the device is simple, and the basic functions of the LabVIEW system are simulated by simple discrete components and medium scale integrated circuits. Key words: PPG, analog circuit, digital circuit, simulation
光电脉搏测量仪设计报告 一、设计意义 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临Array床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的 重视。目前医院的护士每天都要给住院的病人把 脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人 腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了 节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测 量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得 到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时， 而且精度也不高，因此，需要有使用更加方便， 测量精度更高的设备。 二、关键技术 脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感 器输出的微弱信号提取问题, 本文设计的脉搏波 检测系统以光电检测技术为基础，并采用了脉冲振幅光调制技术消除周围杂散光、暗电流等各种干扰的影响。并利用过采样技术和数字滤波等数字信号处理方法，代替实现模拟电路中的放大滤波电路的功能。本系统模拟电路简单，由ADC841芯片实现脉搏信号采集，信号处理和脉搏次数的计算等功能，因此体积小，功耗低，系统稳定性高。本系统可实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机(PC 机)的实时通讯, 因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和脉搏波形显示。 三、硬件设计 3.1 设计框图 光电脉搏测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、 数码显示、电源等部分。脉搏测量仪硬件框图如图1所示。 当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。 3.2脉搏信号采集与放大整形 目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式 脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由 于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简
测绘仪器全站仪的使用 内容：了解全站仪的分类、等级、主要技术指标；掌握全站仪的基本操作，测角、测边、测三维坐标和三维坐标放样的原理和操作方法；了解全站仪的对边测量、悬高测量、面积测量等方法。 重点：全站仪的基本操作，测角、测边、测三维坐标和三维坐标放样的原理和操作方法。难点：全站仪测三维坐标和三维坐标放样的原理和操作方法。 教学方法：采取演示法教学。讲解拓普康全站仪使用，在课堂上每讲一项功能后，利用多媒体课室的优点，现场演示一次，并将操作过程通过投影仪投影到屏幕上，起到直观、形象的效果，使学生能迅速掌握全站仪的使用。 §7.1 全站仪（total station）的功能介绍 随着科学技术的不断发展，由光电测距仪，电子经纬仪，微处理仪及数据记录装置融为一体的电子速测仪（简称全站仪）正日臻成熟，逐步普及。这标志着测绘仪器的研究水平制造技术、科技含量、适用性程度等，都达到了一个新的阶段。 全站仪是指能自动地测量角度和距离，并能按一定程序和格式将测量数据传送给相应的数据采集器。全站仪自动化程度高，功能多，精度好，通过配置适当的接口，可使野外采集的测量数据直接进入计算机进行数据处理或进入自动化绘图系统。与传统的方法相比，省去了大量的中间人工操作环节，使劳动效率和经济效益明显提高，同时也避免了人工操作，记录等过程中差错率较高的缺陷。 全站仪的厂家很多，主要的厂家及相应生产的全站仪系列有：瑞士徕卡公司生产的TC 系列全站仪；日本TOPCN （拓普康）公司生产的GTS 系列；索佳公司生产的SET 系列；宾得公司生产的PCS 系列；尼康公司生产的DMT 系列及瑞典捷创力公司生产的GDM 系列全站仪。我国南方测绘仪器公司90 年代生产的NTS 系列全站仪填补了我国的空白，正以崭新的面貌走向国内国际市场。 全站仪的工作特点： 1、能同时测角、测距并自动记录测量数据； 2、设有各种野外应用程序，能在测量现场得到归算结果； 3、能实现数据流； 一、TOPCON 全站仪构造简介 图1为宾得全站仪PTS-V2 ，图2为尼康C-100 全站仪，图3为智能全站仪GTS-710，图4为蔡司Elta R系列工程全站仪，图5为徕卡TPS1100系列智能全站仪。 二、全站仪的功能介绍 1、角度测量（angle observation） （1）功能：可进行水平角、竖直角的测量。 （2）方法：与经纬仪相同，若要测出水平角∠AOB ，则： 1）当精度要求不高时： 瞄准A 点——置零（0 SET ）——瞄准B 点，记下水平度盘HR 的大小。 2）当精度要求高时：——可用测回法（method of observation set ）。 操作步骤同用经纬仪操作一样，只是配置度盘时，按“置盘”（H SET ）。 2、距离测量（distance measurement ）
常见工程测量仪器的使用 水准仪广泛用于建筑行业，是测量水平高低的仪器，具有精度高、使用方便、快速、可靠等优点，使用在引测、大面积场地测量、楼面水平线标志、沉降观测等。现介绍水准仪的使用方法。 一、水准仪器组合： 1.望远镜 2.调整手轮 3.圆水准 器 4.微调手轮 5.水平制动手轮 6.管水准器 7.水平微调手 轮8.脚架 二、操作要点： 在未知两点间，摆开三脚架，从仪器箱取出水准仪安放在三脚架上，利用三个机座螺丝调平，使圆气泡居中，跟着调平管水准器。水平制动手轮是调平的，在水平镜内通过三角棱镜反射，水平重合，就是平水。将望远镜对准未知点（1）上的塔尺，再次调平管水平器重合，读出塔尺的读数（后视），把望远镜旋转到未知点（2）的塔尺，调整管水平器，读出塔尺的读数（前视），记到记录本上。 计算公式：两点高差=后视－前视。 三、校正方法： 将仪器摆在两固定点中间，标出两点的水平线，称为a、b线，移动仪器到固定点一端，标出两点的水平线，称为a’、b ’。计算如果a－b≠a’－b ’时，将望远镜横丝对准偏差一半的数值。用校针将水准仪的上下螺钉调整，使管水平泡吻合为止。重复以上做法，直到相等为止。 四、保养与维修： 1．水准仪是精密的光学仪器，正确合理使用和保管对仪器精度和寿命有很大的作用； 2．避免阳光直晒，不许可证随便拆卸仪器；
3．每个微调都应轻轻转动，不要用力过大。镜片、光学片不准用手触片； 4．仪器有故障，由熟悉仪器结构者或修理部修理； 5．每次使用完后，应对仪器擦干净，保持干燥。 经纬仪是测量的主要仪器，可用以测量水平角、竖直角、水平距离和高差： 第一节水平角测量原理 地面上两相交直线之间的夹角在水平面上的投影，称为水平角。如图3—1，在地面上有A、O、B三点，其高程不 同，倾斜线0A和OB所夹的角AOB是倾斜面上的角。如果通过倾斜线OA，OB分别作竖直面，与水平面相交，其交线。 oa与ob所构成的角aob，就是水平角。
一文看懂常用测量仪器的使用及其作用 测量仪器必须经过检定且在检定周期内方可投入使用，是保证工程质量，加快工程进度，减轻劳动强度，为作业机具自动化创造条件。随着建筑业的发展，工程规模日益扩大，建筑物的高度不断增加，施工机械化和自动化程度不断提高，激光测量仪器得到了迅速发展，被广泛使用于各种施工测量中，并对测量工作提出了更高的要求。 一、常用测量仪器及其作用 水利水电工程施工常用的测量仪器有水准仪、经纬仪、电磁波测距仪、全站仪、全球定位系统(GPS)等。 (一)水准仪分类及作用 水准仪按精度不同可分为普通水准仪和精密水准仪，国产水准仪按精度分有DS05、DS3、DS10等。工程测量中一般使用DS3型微倾式普通水准仪，D、S分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音第一个字母，数字3表示该仪器精度，即每公里往返测量高差中数的偶然中误差为±3mm。另外还有自动安平水准仪、数字水准仪等。 水准仪用于水准测量，水准测量是利用水准仪提供的一条水平视线，借助于带有分划的尺子，测量出两地面点之间的高差，然后根据测得的高差和已知点的高程，推算出另一个点的高程。 (二)经纬仪分类及作用 经纬仪按精度不同可分为DJ07、DJ1、DJ2、DJ6和DJ10等，D、J分别为“大地测量”和“经纬仪”的汉语拼音第一个字母，数字07、1、2、6、10表示该仪器精度。按读数装置不同可分为两类：测微尺读数装置;单平板玻璃测微器读数装置。 经纬仪是进行角度测量的主要仪器。它包括水平角测量和竖直角测量，水平角用于确定地面点的平面位置，竖直角用于确定地面点的高程。另外，经纬仪也可用于低精度测量中的视距测量。 (三)电磁波测距仪分类及作用 电磁波测距仪按其所采用的载波可分为：用微波段的无线电波作为载波的微波测距仪;用激光作为载波的激光测距仪;用红外光作为载波的红外测距仪，后两者又统称为光电测距仪。 电磁波测距仪是用电磁波(光波或微波)作为载波传输测距信号，以测量两点间距离的。一般用于小地区控制测量、地形测量、地籍测量和工程测量等。
光电式脉搏传感器的原理 根据郎伯－比尔（lamber－beer）定律,物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比,当恒定波长的光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。 脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的,在人体指尖,组织中的动脉成分含量高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。 手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织,其中非血液组织的光吸收量是恒定的,而在血液中,静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的,可以忽略,因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的,那么在恒定波长的光源的照射下,通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号。 一、光电式脉搏传感器的结构 从光源发出的光除被手指组织吸收以外,一部分由血液漫反射返回。其余部
分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射形式和反射式2种[2],其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光,这种方法可较好地反映出心律的时间关系,但不能精确测量出血液容积量的变化;反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧,接收的是血液漫反射回来的光,此信号可以精确地测得血管内容积变化。本文讨论的是透射式脉搏传感器,侧重于脉搏信号的测量。 二、光电式脉搏传感器的制作 1、光敏器件 光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法,其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池,在传统的光电式脉搏传感器设计中,通常采用的是独立光敏元件,利用半导体和光电效应改变输出的电流,通常光敏元器件输出的电流极低,容易受到外界干扰,而且对后续的放大器的要求比较严格,需要放大器空载时的电流输出较小,避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰,这样对于普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后端。
测量仪器说明书
目录 一、GeoPluse浅地层剖面仪操作规程 (1) 1、仪器简介 (1) 1）功能简介 (1) 2）系统配置 (1) 2、GeoPluse浅地层剖面仪系统配置连接 (1) 1）换能器安装 (1) 2）5430A收发机与5210A接收机连接 (2) 3）接通电源 (4) 3、5210A与5430A收发机功能键简介 (4) 1）5430A收发机功能键简介 (5) 2）5210A接收机功能键简介 (5) 4、数据采集后处理 (7) 二、Knudsen 320Ms双频测深仪操作规程 (14) 1、仪器简介 (14) 1）工作原理 (14) 2）功能简介 (14) 2、系统配置连接 (15) 1）换能器连接 (15) 2）Knudsen 320Ms主机与电脑的连接 (15) 3）接通电源 (16) 3、Knudsen 320Ms菜单结构 (16) 4、数据采集后处理 (21) 三、TideMaster型潮位仪操作规程 (29) 1、仪器硬件设置 (29) 1）主要设备仪器 (29) 2）操作及安装使用 (31)
2、临时验潮站站址选择原则 (31) 3、仪器的软件设置 (31) 四、GPS操作规程 (41) 1、工作原理 (41) 2、基准站操作 (41) 1）仪器架设 (41) 2）用手簿启动基准站 (44) 3、Trimble SPS461 GPS罗经设置及使用说明46 1）网络连接方法设置461 (46) 2）SPS461 信标机定位定向仪液晶屏设置说明 (51) 五、海底管线铺设导航、定位技术 (64) 1、GPS定位原理 (64) 2、海洋定位技术 (65) 1）差分GPS技术 (65) 2）信标差分技术 (65) 3、GPS 控制网及基准站的设立解算 (66) 1)基准站的选定和设立 (66) 2)GPS控制网的布设、施测和解算 (67) 3）测区的坐标七参数的解算 (68) 4）利用转化参数转换坐标 (69) 4、海底管道施工导航定位技术 (69) 1）海底管线临时定位桩施工 (69) 2）铺管船法海底管线铺设导航定位 (71) 六、海底管线预、后调查方案 (75) 1、概述 (75) 1）项目概述 (75) 2）海底管线状态简介 (75) 2、使用检测仪器进行海底管线铺设后调查内容76 1）海底管线外观检查 (76)
实验一常用仪器的使用 一、实验目的 （1）了解双踪示波器、函数信号发生器、数字万用表的原理框图和主要技术指标。 （2）掌握用双踪示波器测量信号的幅度、频率和相位。 （3）掌握万用表的正确使用方法。 二、实验仪器 （1）双踪示波器; （2）低频信号发生器； （3）数字式（或指针式）万用表。 三、实验原理 在电子技术实验里，测试和定量分析电路的静态和动态的工作状况时，最常用的电子仪器有：示波器、低频信号发生器、直流稳压电源、晶体管毫伏表、数字式（或指针式）万用表等。它们之间的连接方式如下图所示。 静态偏置 输入信号 输出信号静态测量 图1-1电子技术实验中测量仪器、仪表连接框图 示波器：用来观察电路中各点的波形，以监视电路是否正常工作， 同时还用于测量波形的周 期、幅度、相位差及观察电路的特性曲线等。 函数信号发生器：为电路提供各种频率和幅度的输入信号。直流稳压电源：为电路提供电源。 数字式（或指针式）万用表： 用于测量电路的静态工作点和直流信号的值等。 四、实验内容及步骤： 熟悉仪器（仪器使用简单步骤见附录） 1.学会正确使用函数信号发生器 2.学会正确使用数字示波器 3.熟悉并学会使用数字式万用表 4.熟悉模拟电路实验箱五、实验步骤 实验电路函数信号发生器双踪示波器 直流电源 万用表
1、使用函数信号发生器输出频率的调节方法 （1）使用Sine按键，波形图标变为正弦信号，并在状态区左侧出现“Sine”字样。按Sine 频率/周期频率，设置频率参数值。配合面上的“频率调节”旋钮可使信号发 生器输出频率在1HZ~10MHZ的范围改变。 屏幕中显示的频率为上电时的默认值，或者是预先选定的频率。在更改参数时，如果当 前频率值对于新波形是有效的，则继续使用当前值。若要设置波形周期，则再次按频率/ 周期软键，以切换到周期软键（当前选项为反色显示）。 使用数字键盘，输入所需的频率值。直接输入所选参数值，然后选择频率所需单位，按 下对应于所需单位的软键。也可以使用左右键选择需要修改的参数值的数位，使用旋钮改变该数位值的大小。 （2）根据手册通过设置频率/周期、幅值/高电平、偏移/低电平、相位，可以得到不同参数 值的正弦波。 2、双踪示波器的使用 (1)使用前的检查与校准 （2）交流信号电压幅值的测量 使低频信号发生器信号频率为1kHz、信号幅度为5V，适当选择示波器灵敏度选择开关“V/div”的位置，使示波器屏上能观察到完整、稳定的正弦波，则此时上纵向坐标表示每格的电压伏 特数，根据被测波形在纵向高度所占格数便可读出电压的数值，置于表1-1 中要求的位置并测出其结果记入表中。 表1-1 函数信号发生器输出电压100mV 500mV 5V 20V（或者最大 值） 示波器垂直档位 （V/div） 峰峰波形高度（格） 峰峰电压值（v）（计 算） 电压有效值（V） 示波器峰峰电压值 读数（MEASURE） 分析误差： 注意：若使用10：1 探头电缆时，应将探头本身的衰减量考虑进去。 (3) 交流信号频率值的测量 将示波器扫描速率中的“微调”置于校准位置，在预先校正好的条件下，此时扫描速率开关 “t/div”的刻度值表示屏幕横向坐标每格所表示的时间值。根据被测信号波形在横向所占 的格数直接读出信号的周期，若要测量频率只需将被测的周期求倒数即为频率值。按表1-5 所示频率，由信号发生器输出信号，用示波器测出其周期，再计算频率，并将所测结果与已 知频率比较。 表1-2 函数信号发生器 输出信号频率 100Hz 1KHz 10KHz 1MHz 示波器水平档位 （t/div） 一个周期占有的 水平格数（格） 信号频率（计算）
水准仪及其使用方法 高程测量是测绘地形图的基本工作之一，另外大量的工程、建筑施工也必须量测地面高程，利用水准仪进行水准测量是精密测量高程的主要方法。 一、水准仪器组合： 1.望远镜 2.调整手轮 3.圆水准器 4.微调手轮 5.水平制动手轮 6.管水准器 7.水平微调手轮 8.脚架 二、操作要点： 在未知两点间，摆开三脚架，从仪器箱取出水准仪安放在三脚架上，利用三个机座螺丝调平，使圆气泡居中，跟着调平管水准器。水平制动手轮是调平的，在水平镜内通过三角棱镜反射，水平重合，就是平水。将望远镜对准未知点（1）上的塔尺，再次调平管水平器重合，读出塔尺的读数（后视），把望远镜旋转到未知点（2）的塔尺，调整管水平器，读出塔尺的读数（前视），记到记录本上。 计算公式：两点高差=后视－前视。 三、校正方法： 将仪器摆在两固定点中间，标出两点的水平线，称为a、b线，移动仪器到固定点一端，标出两点的水平线，称为a’、b ’。计算如果a－b≠a’－b’时，将望远镜横丝对准偏差一
半的数值。用校针将水准仪的上下螺钉调整，使管水平泡吻合为止。重复以上做法，直到相等为止。 四、水准仪的使用方法 水准仪的使用包括：水准仪的安置、粗平、瞄准、精平、读数五个步骤。 1. 安置 安置是将仪器安装在可以伸缩的三脚架上并置于两观测点之间。首先打开三脚架并使高度适中，用目估法使架头大致水平并检查脚架是否牢固，然后打开仪器箱，用连接螺旋将水准仪器连接在三脚架上。 2. 粗平 粗平是使仪器的视线粗略水平，利用脚螺旋置园水准气泡居于园指标圈之中。具体方法用仪器练习。在整平过程中，气泡移动的方向与大姆指运动的方向一致。 3. 瞄准 瞄准是用望远镜准确地瞄准目标。首先是把望远镜对向远处明亮的背景，转动目镜调焦螺旋，使十字丝最清晰。再松开固定螺旋，旋转望远镜，使照门和准星的连接对准水准尺，拧紧固定螺旋。最后转动物镜对光螺旋，使水准尺的清晰地落在十字丝平面上，再转动微动螺旋，使水准尺的像靠于十字竖丝的一侧。 4. 精平 精平是使望远镜的视线精确水平。微倾水准仪，在水准管上部装有一组棱镜，可将水准管气泡两端，折射到镜管旁的符合水准观察窗内，若气泡居中时，气泡两端的象将符合成一抛物线型，说明视线水平。若气泡两端的象不相符合，说明视线不水平。这时可用右手转动微倾螺旋使气泡两端的象完全符合，仪器便可提供一条水平视线，以满足水准测量基本原理的要求。注意？气泡左半部份的移动方向，总与右手大拇指的方向不一致。 5. 读数 用十字丝，截读水准尺上的读数。现在的水准仪多是倒象望远镜，读数时应由上而下进行。先估读毫米级读数，后报出全部读数。 注意，水准仪使用步骤一定要按上面顺序进行，不能颠倒，特别是读数前的符合水泡调整，一定要在读数前进行。 五、水准仪的测量 测定地面点高程的工作，称为高程测量。高程测量是测量的基本工作之一。高程测量按所使用的仪器和施测方法的不同，可以分为水准测量、三角高程测量、GPS高程测量和气压高程测量。水准测量是目前精度最高的一种高程测量方法，它广泛应用于国家高程控制测量、工程勘测和施工测量中。 水准测量的原理是利用水准仪提供的水平视线，读取竖立于两个点上的水准尺上的读数，来测定两点间的高差，再根据已知点高程计算待定点高程。 如下图所示，在地面上有A、B两点，已知A点的高程为HA、为求B点的高程HB，在A、B 两点之间安骨水准仪，A、B两点亡各竖立一把水准尺，通过水准仪的望远镜读取水平视线分别在A、B两点水准尺上截取的读数为a和b，可以求出A、B两点问的高差为：
实验一基本测量仪器的使用 【实验目的】 1．熟悉米尺、游标卡尺、螺旋测微计、测量显微镜的构造、测量原理及使用方法，练习使用分析天平进行精密称衡； 2．学习有效数字和不确定度的计算，掌握误差理论与数据处理方法，熟悉精密称衡中的系统误差补正． 【实验仪器】 米尺、游标卡尺，螺旋测微计，测厚仪，分析天平，球体，圆柱等，金属块、玻璃块、有机被璃块等． 【实验原理】 一、米尺 “米”是国际公认的标准长度单位，历史上由保存在巴黎国际标准度量衡局的米原器二刻线间的长度决定。1983年第十七届国际计量大会通过的“米”的新定义为：1m是光在真空中于1/299792458s的时间内所传播的距离。 常用米尺（包括各种常用直尺）的分度值是1mm毫米,因此用米尺测量长度时可以读准到毫米级,估计到0.1毫米级(1/10毫米位)。 用米尺测量物体长度的要领是紧贴、对准、正视。米尺自身有一定的厚度，若不贴紧待测物，观测者从不同角度看去，将产生读数的差异，测量时应尽量减少视差。为避免端边磨损带来的误差，也可以不用零刻度线，而以某一刻度线（如1.00cm）作为测量起点，考虑到刻度的不均匀,可以不同刻度线为起点作多次测量而取其中平均值。 二、游标卡尺 （1）游标卡尺构造 游标卡尺的构造如图1-4所示，卡钳E和E'同刻有毫米的主尺A相连，游标框W上附有游标B以及卡钳F和F'，推动游标框W可使游标B连同卡钳F、F'沿主尺滑动．当两对钳口E与F，E'与F'紧靠时，游标的零点（即零刻度线）与主尺的零点相重合．用游标卡尺测定物体长度时，用卡钳E F或E'F'卡着被测物体，显然此时游标零点与主尺零点间距离恰好等于卡钳E、F间或卡钳E'、F'的距离，所以从游标零点在主尺上的位置，根据游标原理就可测出物体的长度（卡钳E'F'部分是用来测量物体的内部尺寸，如管的内径等）．图中螺钉C是用来固定油标框的，防止游标框在主尺上滑动以便于读数．
1适用范围 规定关于测量仪器的使用?测量方法。 2测量的概要 2‐1 关于测量与检查 测量就是指将物体的形状、尺寸用测量仪器及装置进行测量使其量化。 检查就是指把对物体测量的结果(数值)与判定用的标准值进行比较,来判断该物体就是否合格。 2‐2 关于测量误差 在测量物体的形状、尺寸时,实际值与测量值或近似值之间会有出入,另外即使在同一条件下,每次测量的值都可能不同,这个就就是测量误差。 测量误差大致可以区分为,由测量者导致的误差、测量误差、由外部条件导致的误差、偶然误差等。 ①由测量者导致的误差 在读取测量值时,因测量者的性格?倾向造成的误差,也可以讲就是因测量者的测量能力的大小、对测量感觉的不同而造成的误差。 ②测量误差 因测量仪器的结构原因所产生的误差,由于摩擦、测量压力等的变化及没有调整好各部分机构而造成的误差。 ③由外部条件导致的误差 由于室温、湿度、照度、震动等测量环境的变化影响而造成的误差。 ④偶然误差 各种不确定的细小因素,在一定的条件下,相互作用而造成的误差。 2‐3 测量仪器使用上的注意事项 ①要选择与测量内容相符的测量仪器。 不同规格型号的测量仪器,其测量的方法、测量的范围、精度等都就是不同的,所以必须选择合适的规格型号的测量仪器。 ②要小心的使用。 测量仪器就是结构精密的仪器,要注意不要使其从高处掉下、不要使其受到挤压、震动与冲撞。 ③使用时要经常保持干净。 要注意清除测量面、滑动面的垃圾、灰尘,防止生锈。 ④要测量静止的物体。 如果测量移动的物体的话,会引起测量仪器的破损,同时也不能进行正确的测量。 ⑤要考虑因视差引起的误差。 由于读取刻度时眼睛的位置不同,会造成很大的误差,所以要从正上方读取刻度。 ⑥开始测量时必须要进行仪器的检查。 要检查测量面、滑动面、零点位置。 ⑦要注意在标准温度下进行测量。 要考虑到被测量物的尺寸会因温度的变化而改变,要考虑温度变化造成的误差。 ⑧要注意测量面的磨损。 要注意测量面、滑动面容易因接触而产生磨损。 ⑨要定期进行校正。 为了能够稳定地进行测量,要定期进行校正、确认精度。 ⑩要保管在环境变化小的场所。 要保管在低湿、恒温、没有震动的场所。 3测量仪器的概要?使用?测量方法 3‐1游标卡尺 1）游标卡尺的概要 游标卡尺(Mosel型)能够进行外测、内测、深度的测量,一般用于测量精度为1/10～1/20ｍｍ左右的物品。 2）游标卡尺(Mosel型)各部的名称 用于测量内侧内量爪