当前课程知识点：光电仪器设计 > 第2章 仪器误差分析和分配 > 2.3 实验设计方法 > 2.3 实验设计方法
大家好
这节课我们来介绍实验设计方法
无论是科学研究
还是仪器开发
都需要做一些原理性的实验
那么如何来进行实验的设计呢
一般都需要测量哪些参数呢
虽然实验的目的不同
要测量的参数也不同
但是有一些量是必不可少的
下面咱们就来一起讨论一下
首先 如果你开发了一个新方法
希望以此为依据来制作仪器
那么首先这个方法就要可重复
这样的重复
不仅是要有重复性的实验
将来也需要别人
能够用同样的方法
来得到同样的数据
应该有很好的复现性才好
在此基础上
你所开发的方法
有可能和现有方法的精度相当
或者比现有的方法精度高
或者略低 都没关系
那么 你需要用现有方法来做参考
来进行精度方面的一个比较
上面两个部分是基本实验
此外再考虑针对性的实验
来验证你方法的优点
比如说抗干扰性
或者热稳定性等等
最后是分析所存在的问题
或者是进行不确定度的分析
并且在此的基础上来提出改进方法
就重复性而言
一般新方法的标准偏差
应该小于等于旧方法
否则就认为重复性不够好
在重复性不够好的时候
作为研究方案是可以的
但是是否要以此为蓝本
来开发好用的仪器
就值得商榷了
来看一个例子
激光干涉仪测距
如果距离长
测量的结果容易受空气扰动影响大
标准差大
而用光栅尺测量
因为系统紧凑 重复性好
如果干涉仪是旧方法
你这儿提出光栅尺的方法
在重复性方面就有优势
下面讨论新方法的精度
新方法与旧方法有比较好的相关性
也是非常重要的
如果旧方法被认可
那么以旧方法作为参考
新方法就应该与旧方法
有比较好的相关性
所以在评价新方法的精度时
可以采用新旧方法同时进行测量
以旧方法得到的结果作为横坐标
再以新方法得到的结果作为纵坐标
来进行直线拟合
如果二者相关系数大
斜率接近1 残差又小
就说明新方法
与旧方法的精度非常的接近
举一个例子
新开发一种测距方法
是用特种光栅尺来测量的
而旧的方法是用干涉仪来测量的
我们认为干涉仪精度高于光栅尺
因为干涉仪可以溯源到长度基准
因此以干涉仪测量的方法来作为参考
就可以得到光栅尺的测量误差
如果这二者相关性好
斜率接近1且残差小
就说明光栅尺的测量精度很高
那如果斜率偏离了1
但是残差小
这说明有系统误差
这个误差通常可以标定 可以修正
再来讨论一下新方法的优点
新方法的优点可以针对性地给出
比如说抗干扰 可以给出噪声
比较新旧两种方法抗噪声的能力
比如说灵敏度的情况
可以给出新旧两种方法的灵敏度的曲线
来作为对比
比如热稳定性的情况
可以在测量的时候来改变温度
然后对比这两种方法的输出结果
其他的优点
也可以设计相应的实验来进行说明
比如上面说的干涉仪和光栅尺
如果想证明光栅尺抗干扰强
可以在有干扰的环境下
比如可以在测量现场打开风扇
对比这两种方法的重复性
新方法的各项实验做完之后
得到实验结果
还需要进行不确定度的分析
一般如果有更高精度的测量仪器
认为更高精度仪器测量的结果是真值
直接和更高精度的仪器对比
就可以得到测量误差
如果能溯源 就直接溯源
但是有时候
没有更高精度的仪器来作为比对
即使有这样的仪器
我们也希望分析一下
是什么原因导致的测量误差
以便进一步地改进
因此不确定度分析就显得非常的重要
这是一个不确定度分析的表格
作者开发了一款
测量二维光栅栅线夹角的方法
这个方法需要两次用光电自准直仪读数
用这两次读数之差除以2
得到要测量的角度
首先 对每一次测角
包含了这样几个误差
光栅旋转误差
栅距不等误差
和图像分辨率
估计这些误差对最终结果的影响
给出误差的最大值
这些误差成矩形分布
每次测量还需要用光电自准直仪读数
自准直仪是购买的仪器
已经标定过
误差是正态分布
因为在最后的计算公式中要除以2
因此敏感系数是0.5
新方法开发后进行了重复性的测量实验
重复性是0.12
然后就可以进行不确定度的合成了
误差效果估计乘以转换系数
再乘以敏感系数等于单项不确定度
其中转换系数如果误差是矩形分布
那么估计的是误差的极值
要除以根号3
如果误差是正态分布
转换系数为1
最后 把所有不确定度合成
也就是平方和再开方
就得到了最终的合成的标准不确定度
最后可以根据实验提出一些改进的方法
比如对比的新方法和旧方法的测量范围
以及精度等等
思考一下有没有改进的空间
还可以考虑其他的参数
比如说响应速度
抗干扰能力等等
还有没有继续提升的可能
下面我们再回顾一下
实验设计时需要考虑的因素
重复性实验
是证明方法稳定
与已有方法比较的实验
使所开发的方法在指标上能够被认可
接下来是要显示新方法优势的实验
和不确定度的分析
以及最后的改进方法等等
这节课就讲到这儿
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
