精密仪器设计考试复习纲要

1.热辐射：物体由于温度较高而向周围温度较低环境发射能量的形式称为热辐射。这种物体称为热辐射源。热辐射光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。包括白炽灯和卤钨灯两种。

2.气体放电光源具有以下共同的特点：1）发光效率高，比同瓦数的白炽灯发光效率高2~10倍，因此具有节能的特点；2）由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；3）寿命长，一般比白炽灯寿命长2~10倍；4）光色适应性强，可在很大范围内变化（3百年）。

脉冲灯

特点：在极短的时间内发生很强的光辐射。 结构和工作电路原理如图所示：直流电源电压Uo经充电电阻R，使储能电容C充电到工作电压Uc。Uc一般低于脉冲灯的击穿电压Us，而高于灯的着火电压Uz。脉冲灯的灯管外绕有触发丝。工作时在触发丝上施加高的脉冲电压，使灯管内产生电离火花

线，火花线大大减小了灯的内阻，使灯“着火”。电容C中储存着大量能量可在极短的时间内通过脉冲灯，产生极强的闪光。脉冲灯适合于做彩色摄影的光源。 3.固体发光光源（平板发光器件、平板显示器） （一）场致发光光源 1.场致发光定义：固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象。也称为电致发光，也是一种常见的非相干光源。

2.固体场致发光器件种类：交流粉末场致发光屏、直流粉末场致发光屏：薄膜场致发光屏。 A.交流粉末场致发光屏的工作原理是：由于发光屏两电极间距离很小，所以在微小电压的作用下，就可得到足够高的电场强度。粉层中自由电子在强电场作用下加速而获得很高的能量，它们撞击发光中心，使其受激发而处于激发态。当激发态复原为基态时产生复合发光。由于荧光粉与电极之间有高介电常数的绝缘层，自由电子并不导走，而是被束缚在阳极附近，在交流电的负半周时，电极极性变换，自由电子在高电场作用下向新阳极的方向，也就是向正半周时相反的方向加速，这样重复上述过程，使之不断发光。

交流粉末场致发光屏

B.发光亮度与所加电压U和频率f有关 1-玻璃板2-荧光粉层3-高介电常数反射层

4-铝箔5-玻璃板6-透明导电层

交流粉末场致发光屏优点：光发射角大，光线柔和，寿命长，功耗小，发光响应速度快，不发热；缺点：发光亮度低，驱动电压高和老化快。

场致发光光源（发光屏）优点：1）固体化、平板化、因而可靠、安全、占地小，易于

安装；2）面积、形状几乎不受限制，因此可以通过光刻、透明导电膜和金属电极掩蔽镀膜的方法，制成任意发光图形；3）属于无红外辐射的冷光源，因而隐蔽性好，对周围环境没有影响；4）视角大，光线柔和，易于观察；5）寿命长，可连续使用几千小时，而发光不会突然全部熄灭；6）功耗低，约几毫瓦/厘米2；7）发光易于通过电压控制。 场致发光光源缺点：亮度较低（一般使用亮度约为50 cd/m2左右），驱动电压高（通常需上百伏），老化快等。

场致发光光源主要应用：

1）特殊照明。如仪表表盘、飞机座舱、坑道等照明。2）数字、符号显示。如可以做成大型的数字钟、电子秤等显示。3）模拟显示。如显示生产工艺流程和大型设备的工作状态，各种应急系统标志显示等。4）矩阵显示，又叫交叉电极场致发光显示。主要用于雷达、航迹

显示及电视等。5）图像转换及图像增强。把场致发光屏与光导材料联合使用，可以做成现象器件，例如x光像增强与像转换器件。

发光二极管工作原理：发光二极管是一种固态P-N结器件，由一个P型半导体和一个N

型半导体合成的，二极管在电场的作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。在P区加正偏置电压，在N区加负偏置电压，电子进入N区，在P区形成空穴，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。这就是LED的发光机理。

发光二极管特性参数：伏安特性：正向：正向死区、开启电压，反向：反向死区、反向

击穿；发光亮度：基本正比于电流密度，受环境温度影响，注入电流影响；响应时间：指LED开启与熄灭的时间延迟。开启时间tr：4~10ns下降时间tF：4~几十ns；寿命：电流密度小于1A／cm2的情况下，寿命可达106小时；光谱特性：一个峰值，峰值波长由禁带宽度决定，峰值波长，半强度宽度。

量子效率分为内量子效率和外量子效率，A内量子效率：复合发出的光子究竟在整个复合过程中占多大得比例，描述这一物理过程中的数量关系就是内量子效率，B外量子效率：产生的光子数并不能全部射出器件之外，表征器件能射出多少光子的参数就是外量子效率nqe，nqe =Nt/G表示。Nt：器件射出的光子数；G：注入的电子

发光二极管的优点：1）属于低电压，小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度（一般为3000cd/平方米以上）；2）发光响应速度快；3）性能稳定，寿命长；4）驱动简单，易于和集成电路匹配；5）与普通光源相比，单色性好，其发光脉冲的半宽度一般为几十纳米；6）重量轻，体积小，耐冲击。 激光器

激光原理1. 光原子二能级系统有3种跃迁过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射

2.激光产生的必要条件：粒子数反转、光泵、谐振腔（1）粒子数反转：在热平衡条件下，原子按能级以玻尔兹曼分布，有n1>>n2，但在非平衡状态，就有可能使原子数按能级分布反转为n1<

4.激光器的基本结构：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔

5.激光器的种类：气体激光器、固体激光器、燃料激光器、半导体激光器

辐射度的基本物理量（辐射度学是研究各种电磁辐射的传播和亮度，包括可见光区域） 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳[J]

辐射通量Φe：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］

辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］ 辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：［W/m2］

辐射出射度Ｍe ：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［W/m2］

辐射亮度Ｌe ：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：［W/m2．Sr］ 光谱辐射通量Φe（λ）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。 光度量的最基本单位（光度学是研究可见光的传播和量度）

发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制中七个基本单位之一。

光通量Φv：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明［lm］。 光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量 ，单位：勒克斯［lx］，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。

光度量只在可见光区（380-780nm）才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。

电子的共有化运动

单个原子中的电子按能级分布。固体中大量原子紧密结合在一起，而且原子间距很小，原子的各个壳层之间有不同程度的交叠。壳层的交叠使外层的电子不再局限于某个原子上，它可能转移到相邻原子的相似壳层上去，这样电子有可能在整个晶体中运动。晶体中电子的这种运动称为电子的共有化。外层电子的共有化较为显著，而内壳层因交叠少而共有化不十分显著。电子的共有化运动只能在原子中相似的壳层间进行，如3S壳层上的电子只能在所有原子的3S壳层上做共有化运动。

能带的形成

电子的共有化使本来处于同一能级的电子能量发生微小的差异。一个电子能级因受N个原子核的作用而分裂成N个新的靠得很近的能级。这N个新能级之间能量差异极小，而N值很大，于是这N个能级几乎连成一片而形成具有一定宽度的能带。

能带的结构

原子中每一电子能级在固体中都分裂成能带。这些允许被电子占据的能带称为允带。允带之间的范围是不允许被电子占据的，这一范围称为禁带。被电子占满的允带称为满带。原子中最外层电子称为价电子，这一壳层分裂所成的能带称为价带。比价带能量更高的允许带称为导带；没有电子进入的能带称为空带。 半导体材料的光吸收效应

本征吸收：本征半导体受光照时，价带中的电子吸收光子跃迁到导带。于是导带电子浓度和价带空穴浓度都增加。本征半导体吸收光子能量的过程称为本征吸收。

杂质吸收：掺杂半导体在光照时，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带；中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带。这种吸收称为杂质吸收。

光电效应

光电导效应：是光电导探测器光电转换的基础。当半导体材料受光照时，由于吸收光子使其中的载流子浓度的增大，因而材料的电导率增大，这种现象称为光电导效应。

生伏特效应：当光照到PN结时，产生的光生载流子被结电场分离，空穴流入P区，电子流入N区，在结区两边产生势垒。这就是光生伏特效应。 光电发射效应（外光电效应） 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电子发射效应。

光电子发射过程可以归纳为以下三个步骤：

(1)物体吸收光子后体内的电子被激发到高能态；

(2)被激发电子向表面运动，在运动过程中因碰撞而损失部分能量； (3)克服表面势垒逸出金属表面。 光电探测器中的噪声

一般光电检测系统的噪声包括右三种：

(1) 光子噪声 包括：信号辐射产生的噪声和背景辐射产生的噪声。

(2)探测器噪声 包括：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1／f噪声和温度噪声。 (3)信号放大及处理电路噪声

热噪声：因载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热噪声。 散粒噪声：随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。入射到光辐射探测器表面的光子是随机起伏的；光电子从光电阴极表面的逸出的是随机的；PN结中通过结区的载流子也是随机的；它们都是一种散粒噪声源。

产生-复合噪声：载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中带有产生-复合噪声。

光电探测器的特性参数

1.响应率：探测器的输出信号电压Vs或电流Is与入射的辐射通量 之比，称为电压响应率或电流响应率Sv

Sv 的单位为v／w，SI的单位为A／W

2.光谱响应率探测器在波长为的单色光照射下，输出的电压Vs( )或电流Is( )与入射的单色辐射通量( )之比称为光谱响应率。即

光电探测器的合理选择

(1)根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的动态范围。(2)探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布一致。即探测器和光源的光谱匹配。(3)对某种探测器，它能探测的极限功率或最小分辨率是多少—需要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生电信号的信噪比。(4)当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率响应范围。(5)当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信号的线性程度。除了上述几个问题外，还要考虑探测器的稳定性，测量精度，测量方式等因素。 色温和相关色温 色温定义：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们

的相对光谱功率分布不一定相同。

相关色温:对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。定义：在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。

绝对黑体：吸收比等于1.能吸收所有波长的辐射源叫做绝对黑体 光照下的PN结

1.PN结光伏效应：两种工作模式:光伏工作模式和光电导工作模式。

1）光伏工作模式：如果工作在零偏置的开路状态,PN结型光电器件产生光生伏特效应,这种工作原理称光伏工作模式。

2）光电导工作模式：如果工作在反偏置状态,无光照时结电阻很大,电流很小;有光照时,结电阻变小,电流变大,而且流过它的光电流随照度变化而变化。这种状态称为光电导工作模式。 光照下PN结的电流方程（1）在一定温度下,开路电压与光电流的对数成正比。即,与照度或光通量的对数成正比。（2）短路光电流ISC与照度或光通量成正比 光电池的主要功能：是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号

光电池的种类：太阳能光电池：主要用作电源，结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、

寿命长、能直接将太阳能转换成电能；测量光电池：主要功能是作为光电探测用,它被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。

硅光电池的结构和基本原理：硅光电池按基底材料不同,分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以P型硅作基底,2CR型光电池则是以N型硅作基底,然后在基底上扩散磷(或硼)作为受光面。构成PN结后,分别在基底和光敏面上制作输出电极,在光敏面上涂上二氧化硅作保护膜,即成硅光电池。 硅光电池的特性参数

（1）光照特性：光电池的光照特性主要有：伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。结论光电池的短路光电流ISC与入射光照度成正比,而开路电压UOC与光照度的对数成正比；因此在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在强光照范围内使用。照度-电流电压特性；照度-负载特性。

（2）光谱特性：硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应度表示。

（3）频率特性：负载电阻大时频率特性变差，减小负载电阻可减小时间常数τ，提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低,

（4）温度特性：光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。 它的开路电压Voc随着温度的升高而减小，其值约为2～3mV／oC；短路电流Isc随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为10-5～10-3mA/oC数量级。 硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池的区别：① 制作衬底材料的掺杂浓度：光电池较高,约为1016~1019原子数/cm3，光电二极管约为1012~1013原子数/cm3;② 电阻率：光电池约为0.1~0.01Ω/cm;硅光电二极管为1000Ω/cm;③偏置：光电池在零偏置下工作;硅光电二极管通常在反向偏置下工作;④光敏面面积和光电流：光电池光敏面大,光电流大;硅光电二极管的光敏面小,电流小。

硅光电二极管和硅光电三极管的区别：①相同照度下电流值：硅光电三极管的光电流在毫安量级；硅光电二极管的光电流在微安量级。②在零偏压时，硅光电三极管没有光电流输出；硅光电二极管有光电流输出。③在一定的光照下,当工作电压较低时,输出的光电流的非线性状况：硅光电三极管的非线性较严重；硅光电二极管非线性稍轻。④在一定的偏压下,光照与输出电流的非线性状况：硅光电三极管随着光照的增加,光电流响应率下降比较严重。硅光电二极管的光电流响应率下降得轻一些。

1.仪器的定义：仪器是认识世界的工具，是信息的源头，使人们利用物质实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与系统的总称。

2.仪器的研制与生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化

3.仪器的基本组成部分基准部件、感受转换部件、转换放大部件、瞄准部件、处理与计算 部件、显示部件、驱动控制部件、机械结构部件

4.精密仪器的主要参数是能够基本反映该设备的概貌和特点的一些项目，包括精度参数、尺寸参数、运动参数、动力参数。

5.说明精密仪器技术指标的作用，精密仪器技术指标分几个方面？ 精密仪器的技术指标，是用来说明一台精密仪器性能和功用的具体数据的，因此它既是设计的基本依据，又是检验成品质量的基本依据。A. 反应设计工作性能b.反映设备精度。C.反映设备自动化程度d反映工作效率e.反映而被可靠性g.设备安全性h,反映设备大小 6说明确定精密仪器的主要参数及技术指标的方法

a根据设备的用途确定 b根据测量对象的主要尺寸确定c根据测量加工精度的要求确定d 根据设备或仪器中的薄弱环节确定e根据系列化要求f根据产品可靠性与成本的要求确定 7精密仪器基本设计原则：1.阿贝原则2.运动学设计原则3.变形最小原则4.基面合一原则 5.最短传动链原则6.粗精分离原则7.外界环境影响最小原则8.系列化、通用化和标准化原则9.工作可靠、安全、维修与操作方便原则10.结构公益性良好原则11造型与装饰宜人原则12.价值系数最优原则

8什么是阿贝原则，举例说明应采取何种技术措施减小阿贝误差 阿贝原则：被测量轴线只有与标准量的测量轴线重合或在其延长线上时，测量才会的到精确地结果。

阿贝原则是长度计量的最基本原则，其意义在于它避免了因导轨误差引起的一次测量误差。在检定和测试中遵守阿贝原则可提高测量的准确度，特备是在使用不符合阿贝原则的仪器时，更要注意阿贝原则的应用。 9.精度（不确定度）：计算值或估计值与真值（或被认为是真值）之间的接近程度

（1）准确度：反映系统误差的大小（2）精密度：反映随机误差的大小（3）精确度：反映系统误差和随机误差的综合。

10.可靠性：是指一种产品在一定时间内和一定条件下，不出故障地发挥其规定功能的概率，还可用于平均故障间隔时间或称产品平均寿命、故障率或称失效率、有效性、平均保养间隔时间或平均寿命等来表示。

11.总体设计前为什么要进行设计任务分析？设计任务分析应考虑哪些因素？

答：为了要弄清设计任务对仪器提出的各项指标，摘要写进设计任务书 ，并且根据总体设计的基本原则注意系研究。A 使用要求B仪器精度C生产批量F生产效率E工作环境F安全保护

1.仪器的定义：仪器是认识世界的工具，是信息的源头，使人们利用物质实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与系统的总称。

2.仪器的研制与生产趋向智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化

3.仪器的基本组成部分基准部件、感受转换部件、转换放大部件、瞄准部件、处理与计算 部件、显示部件、驱动控制部件、机械结构部件

4.精密仪器的主要参数是能够基本反映该设备的概貌和特点的一些项目，包括精度参数、尺寸参数、运动参数、动力参数。

5.说明精密仪器技术指标的作用，精密仪器技术指标分几个方面？ 精密仪器的技术指标，是用来说明一台精密仪器性能和功用的具体数据的，因此它既是设计的基本依据，又是检验成品质量的基本依据。A. 反应设计工作性能b.反映设备精度。C.反映设备自动化程度d反映工作效率e.反映而被可靠性g.设备安全性h,反映设备大小 6说明确定精密仪器的主要参数及技术指标的方法

a根据设备的用途确定 b根据测量对象的主要尺寸确定c根据测量加工精度的要求确定d 根据设备或仪器中的薄弱环节确定e根据系列化要求f根据产品可靠性与成本的要求确定 7精密仪器基本设计原则：1.阿贝原则2.运动学设计原则3.变形最小原则4.基面合一原则 5.最短传动链原则6.粗精分离原则7.外界环境影响最小原则8.系列化、通用化和标准化原则9.工作可靠、安全、维修与操作方便原则10.结构公益性良好原则11造型与装饰宜人原则12.价值系数最优原则

8什么是阿贝原则，举例说明应采取何种技术措施减小阿贝误差 阿贝原则：被测量轴线只有与标准量的测量轴线重合或在其延长线上时，测量才会的到精确地结果。

阿贝原则是长度计量的最基本原则，其意义在于它避免了因导轨误差引起的一次测量误差。在检定和测试中遵守阿贝原则可提高测量的准确度，特备是在使用不符合阿贝原则的仪器时，更要注意阿贝原则的应用。 9.精度（不确定度）：计算值或估计值与真值（或被认为是真值）之间的接近程度

（1）准确度：反映系统误差的大小（2）精密度：反映随机误差的大小（3）精确度：反映系统误差和随机误差的综合。

10.可靠性：是指一种产品在一定时间内和一定条件下，不出故障地发挥其规定功能的概率，还可用于平均故障间隔时间或称产品平均寿命、故障率或称失效率、有效性、平均保养间隔时间或平均寿命等来表示。

11.总体设计前为什么要进行设计任务分析？设计任务分析应考虑哪些因素？

答：为了要弄清设计任务对仪器提出的各项指标，摘要写进设计任务书 ，并且根据总体设计的基本原则注意系研究。A 使用要求B仪器精度C生产批量F生产效率E工作环境F安全保护

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/f0cv.html