36
Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины

Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины

  • Upload
    kimi

  • View
    176

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины. История создания эталона единицы длины. Метр (франц. metre , от греч. métron — мера ) - единица длины метрической системы мер и Международной системы единиц. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Государственный первичный эталон (ГПЭ)

единицы длины

Page 2: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Голубев Сергей Вячеславович гр. 4663

Первый эталон изготовлен французским мастером Ленуаром под руководством Ж. Борда в 1799 г. в виде концевой меры длины - платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами, равным принятой единице длины.

Метр (франц. metre, от греч. métron — мера) - единица длины метрической системы мер и Международной системы единиц.

1791 г.Согласно первому определению, принятому во Франции, метр был равен десятимиллионной части четверти длины парижского меридиана. Размер метра был определен на основе геодезических и астрономических измерений Ж. Деламбра и П. Мешена.

1799 г.

История создания эталона единицы длины

Page 3: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

рис. 1. a – поперечное сечение эталона метра, б – штрихи на нейтральной плоскости ab эталона метра; расстояние между осями средних штрихов принимается за 1 м

Поперечное сечение эталона имеет форму Х (рис. 1), придающую ему необходимую прочность на изгиб. Вблизи концов нейтральной плоскости эталона (ab, рис. 1) нанесено по 3 штриха. Расстояние между осями средних штрихов определяет при 0°С длину метра. Эталон № 6 оказался в пределах погрешности измерений равным архивному метру. Постановлением 1-й Генеральной конференции по мерам и весам этот эталон был принят в качестве международного прототипа метра.

1875г.

Семнадцать стран подписали Метрическую конвенцию «для обеспечения международного единства и усовершенствования метрической системы» и учредили Международное бюро мер и весов

Международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960

Page 4: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

«Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени, равный 1/299792458 с». (погрешность 10-9 м)1983 г.

«метр — длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона - 86». (погрешность 10-8 м)

1960 г.

Принятие «архивного метра». Эталон метра - брус из сплава Pt (90%) — lr (10%). Поперечное сечение эталона имеет форму Х (погрешность 1×10-7м)

1872 г.

Page 5: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Современное определение единицы длины

Метр – длина, равная расстоянию, проходимому светом за 1/299792458 долю секунды.

Современное определение метра связывает единицу длины с единицей времени и частоты через фундаментальную константу – скорость света. Это определение основано на фундаментальной зависимости:

с=λ·ν (1)

Консультативный комитет по определению метра (ККОМ) разработал рекомендации по практическому применению нового определения, суть которого заключается в том, что стандартом длины (с соответствующей погрешностью) может являться любое излучение, частота которого известна.

Для практической интерферометрии наиболее подходящими являются источники излучения видимого диапазона, поскольку подавляющее число интерферометров работают именно в видимом диапазоне спектра.

Page 6: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Практическая реализация единицы длины

Рекомендованные источники эталонного

излучения видимого диапазона

Page 7: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Тип лазера Способ стабилизации Частота, МГц Длина волны,

фм

Относитель-ная неопреде-ленность

1 Аргоно-вый лазер

стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 43-0, Р(13), компонента s

581490603.37 514673466,4 2,5х10-10

2 Nd:YAG с удвое-нием частоты

стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 32-0, R(56), компонента а10:

563260223,48 532245036,14 7х10-11

3 Не-Nе лазер

стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 26-0, R(12), компонента а9

551579482,96 543516333,1 2,5х10-10

Page 8: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

4 Не-Nе лазер

Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 9-2, R(47), компонента а7

489880354,9 611970770,0 3х10-10

5 Не-Nе лазер

Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 11-5, R(127), компонента а13

473612214705 632991398,22 2,5х10-11

6 Не-Nе лазер

Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 8-5, Р(10), компонента а9

468218332,4 640283468,7 4,5х10-10

Page 9: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Государственный первичный эталон единицы длины – метра (1985 год)

В октябре 1985 г. был утвержден Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины — метра.Состав эталона:1) источник первичного эталонного излучения;2) установка для измерения отношений длин волн;3) лазерный интерференционный компаратор с системой сбора и

обработки информации.

Точность эталона: - среднее квадратическое отклонение (СКО) - 2·10-11 - неисключенная систематическая погрешность (НСП) - 1·10-9.

В 2004 году ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» принял участие в международных сличениях BIPM.L-K11, проводившихся Международным бюро мер и весов (BIPM, Франция). В результате было измерено абсолютное значение частоты лазера VNIIM2, входящего в состав ГПЭ.

Page 10: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Результаты сличения

Измеренная частоты излучения f-компоненты Не-Ne/127I2 лазера VNIIM2 составила νf = 473 612 353 603, 6 кГц

Page 11: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Конструктивные особенности эталона длины

1 Эталонный источник излучения Гелий-неоновый лазер, стабилизированный по йоду с длиной волны

0,633 мкм, обеспечивающий повышенную (до 1 мВт) мощность излучения, которая достигается использованием активного элемента с большим усилением и йодной ячейки с малыми потерями.

Внешний вид резонатора Не—Ne/I2 лазера ВНИИМ

Page 12: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

1 – лазерная газоразрядная трубка, 2- йодная ячейка, 3a, 3b – зеркала, 4a, 4b – пьезоэлементы, 5- фотодетектор, 6 – электронная система стабилизации, 7 – элемент Пельтье, 8 – инваровые стержни

Page 13: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

2 Установка для измерения отношений длин волн

Блок-схема установки для измерения отношения длин волн

1 – модуляционный интерферометр Фабри-Перо2 – лазер He-Ne/CH4 3 – перестраиваемый лазер4 – лазер He-Ne/127I2 5 - фотоприемник ИК-диапазона6, 8- система авторегулирования7,9 – фотоэлектронный умножитель10 – генератор-гетеродин11, 13 – частотомеры12 – анализатор спектра14 – цифропечатающее устройство.

Page 14: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

3 Лазерный интерференционный компаратор

Лазерный интерференционный компаратор служит для передачи размера единицы длины штриховым и концевым мерам (до 1 м), которые в настоящее время являются основными и наиболее многочисленными средствами измерения длины.

Аттестация их осуществляется методом счета интерференционных полос при статической фиксации штриховых отметок и измерительных поверхностей мер.

Компаратор расположен в герметичной термобарокамере (рисунок представлен на следующем слайде), которая стабилизирует показатель преломления воздуха, температуру измеряемых мер и элементов компаратора.

Источники света, привод компаратора и тепловыделяющая электронная аппаратура вынесены за пределы термобарокамеры. С внешней стороны термобарокамеры с помощью активной системы термостабилизации поддерживается температура воздуха 20 ± 0,1 °С.

Page 15: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Термобарокамера Рефрактометр

Page 16: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Компаратор оснащен двухступенчатым приводом каретки. Предварительное позиционирование осуществляется тиристорным электроприводом с плавной регулировкой скорости перемещения, точное — с помощью пьезоэлектрического привода. Компаратор и его осветительная система расположены на виброзащищенном основании.

Состав:• лазерный интерферометр• интерференционный рефрактометр• фотоэлектрический микроскоп• интерферометр нулевой разности хода• система стабилизации нормальных условий• термометрическая система• информационно-управляющая система

Page 17: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Оптическая схема лазерного компаратора

Page 18: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Поляризационный интерферометр:1 – каретка;2 – коллиматор;3 – светоделитель;4 – угловой отражатель опорного плеча;5 - угловой отражатель измерительного плеча;6, 7 - фотоприемники;8, 9 – четвертьволновые пластинки;10 – электрооптический модулятор;11, 12, 13, 14 - поляризаторы.

Интерференционный рефрактометр:15 - He-Ne лазер;16 – герметичная кювета;17 – уголковый отражатель;18 – двугранный отражатель.

Основной интерферометр (интерферометр нулевой разности хода):19 – штриховая мера;20 – фотоэлектрический микроскоп;21 – кронштейн;22 – концевая мера длины;23 – вспомогательная пластина;24 – осветитель;25 – зеркало;26 – фотоприемное устройство.

Page 19: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Перспективы развития эталона длины

1. Совершенствования существующих и разработки новых эталонных источников излучения;

2. Совершенствования методов и аппаратуры измерения частот-длин волн источников излучения;

3. Разработка высокоточных лазерных интерферометров и аппаратуры, необходимой для передачи размера единицы длины в отрасли народного хозяйства, науки и техники

Page 20: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы

плоского угла

Page 21: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

История создания эталона единицы плоского угла

1980 г. В 1980 г. Государственным комитетом СССР по стандартам утвержден новый государственный первичный эталон единицы плоского угла – градуса. Ранний эталон:

36-гранная кварцевая призма Эталонная угломерная автоколлимационная установка:

o два фотоэлектрических автоколлиматоров с цифровым отсчетом

o поворотное устройство для установки многогранной призмы

В состав эталона не входила установка, предназначенная для воспроизведения единицы плоского угла и передачи ее размера, а также электронно-вычислительный комплекс, что являлось препятствием для повышения точности эталона и его эффективной эксплуатации.

Page 22: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Новый государственный первичный эталон единицы плоского угла

Состоит из:

» интерференционного экзаменатора (ЭИ-1), предназначенного для воспроизведения единицы плоского угла и передачи ее размера эталонным фотоэлектрическим автоколлиматорам угломерной установки;

» угломерной автоколлимационной установки (АУ-1), предназначенной для пере дачи размера единицы правильным многогранным призмам;

» 12-гранной правильной призмы для периодического контроля стабильности показаний эталона.

Интерференционный экзаменатор

Воспроизведения малых углов в диапазоне ±15'‘. Служит для аттестации эталонных фотоэлектрических

автоколлиматоров. Представляет собой двух лучевой интерферометр Майкельсона.

Page 23: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Особенности устройства

Расположение концевых отражателей параллельно друг другу (благодаря чему при их повороте ширина интерференционных полос не изменяется).

Отражатели изготовлены в виде одного плоского зеркала, которое закреплено в оправе с вертикальной осью поворота.

Поворот зеркала осуществляется как от механического привода, так и от пьезоэлемента.

Разность хода двух параллельных пучков определяется как произведение половины длины волны источника света на число интерференционных полос, прошедших в поле зрения интерферометра или перед щелью фотоприемника при повороте зеркала на угол α.

Длина базы интерферометра, представляющая собой расстояние между осями двух параллельных интерферирующих пучков, падающих на концевые отражатели, определяется с помощью аттестованной шкалы, устанавливаемой перпендикулярно интерферирующим пучкам и частично перекрывающей концевые отражатели.

Page 24: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

В интерферометре концевые отражатели и шкала для определения длины базы совмещены и представляют собой единое плоское зеркало с двумя вертикальными штрихами, номинальное расстояние между которыми 100 мм.

В поле зрения интерферометра одновременно с интерференционными полосами наблюдают изображения двух штрихов, образованных оптической системой интерферометра.

База интерферометра – расстояние между интерферирующими пучками L – определяется по известному расстоянию между штрихами на поворотном зеркале l и поправке ∆l

предусмотрена возможность применения белого света.

Page 25: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Оптическая схема интерферометра

1- источник; 2- конденсор; 3- точечная диафрагма; 4, 13- объектив; 5-диафрагма; 6,15- призма-куб; 7,8,9, 16- зеркала; 10- зеркало-отражатель; 11- автоколлиматор; 14- окуляр; 17- фотоприемник; 18- двухлучевой осциллограф

Page 26: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Внешний вид интерференционного экзаменатора

Оптико-механические узлы экзаменатора размещены на чугунной плите размером 630х1000 мм и закрыты металлическим кожухом. Для устранения влияния вибрации плита отделена от фундамента с помощью надувной резиновой камеры.

Page 27: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Угломерная установка

» Предназначена для передачи размера единицы плоского угла правильным многогранным призмам

» Состоит из:Двух цифровых фотоэлектрических автоколлиматоровЭлектронной измерительно-вычислительной системыУстройства для установки и поворота многогранной призмы.

» Фотоэлектрические автоколлиматоры, выполненные по идентичным оптической и электронной схемам, служат для измерения отклонений центральных углов призмы α от опорного угла β, образуемого визирными осями автоколлиматоров

» Для образования опорных углов различных значений один из автоколлиматоров может перемещаться вокруг поворотного устройства по дуге окружности, а другой закрепляется неподвижно

Page 28: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Схема угломерной установки

Угломерная установка: » Измерительно-вычислительный комплекс, функционирующий в реальном масштабе

времени, позволяет вести наблюдения за процессом измерений и при необходимости своевременно вносить коррективы.

» Устройство для установки и поворота многогранной призмы обеспечивает приведенные призмы в плоскость измерения, ее центрировку относительно вертикальной оси вращения, жесткое крепление на регулируемом столике и поворот призмы на заданный угол при измерении центральных углов.

Page 29: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Описание схемы угломерной установки

» Автоматизация процесса измерения, сбор измерительной информации и ее математическая обработка осуществляются с помощью автоматической измерительной системы высокой точности, включающей: цифровой прибор, индикаторные стрелочные приборы осциллограф измерительный электронный блок блок сопряжения ПК с измерительным блоком.

» Сигнал от ФЭП поступает на синхронный детектор СД и на интегратор ∫ » Постоянное напряжение с интегратора суммируется в смесителе Σ с переменным

напряжением генератора, модулирующего напряжения ГМН, усиливается в усилителе постоянного тока УПТ и через резистор R подается в обмотку вибратора В

» Каждый автоколлиматор подключен к измерительному каналу, выполненному по описанной схеме. Разностный сигнал измеряется цифровым прибором ЦП и через блок сопряжения поступает на ПК. Исходная измерительная информация и результаты последующей обработки выдаются на дисплей и печатающее устройство

Page 30: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Техническая характеристика поворотного устройства

Отклонение оси вращения поворотного механизма от перпендикулярности к поверхности плиты

не более 5"

Колебание оси вращения не более 2"

Порог чувствительности механизма тонкой подачи менее 1"

Отклонение от соосности геометрического центра призмы и оси вращения поворотного устройства

не превышает 0,25 мм

Page 31: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Внешний вид угломерной автоколлимационной установки

» С помощью регулируемого столика устанавливают призму в плоскости измерения с отклонением не более 2,5" (установка призмы в плоскости измерения и измерение пирамидальности граней производится с помощью визуального автоколлиматора АК-0,25)

» Поворотное устройство, как и фотоэлектрические автоколлиматоры, установлено на чугунной плите, которая изолирована от фундамента с помощью надувной резиновой камеры.

Page 32: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

12-гранная призма

» Изготовлена из плавленого кварца» Измерительные поверхности призмы аллюминированы » Отклонение центральных углов от номинального значения между смежными

гранями не превышают ±2" » Отклонение от плоскостности измерительных поверхностей не более 0,03 мкм » Шероховатость Rz<0.05 мкм » Пирамидальность не превышает 5" » Площадь отражающих граней – 30х22 мм

Процесс измерения» Передача размера единицы, воспроизводимой интерференционным

экзаменатором, призматической угловой мере – правильной многогранной призме – производится в два этапа:

Этап №1: передача размера единицы от интерференционного экзаменатора фотоэлектрическим автоколлиматорам эталонной установки

Этап №2: определении действительных значений центральных углов правильной многогранной призмы с помощью аттестованных фотоэлектрических автоколлиматоров

Page 33: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Этап №1

» Настройка электронного измерительного блока

приведении его коэффициента усиления в соответствие с требованием 1В = l". При этом каждый автоколлиматор юстируют отдельно по показаниям интерференционного экзаменатора. Для этого зрительную трубу автоколлиматора устанавливают на интерферометре против основного зеркала, воспроизводимые интерферометром углы измеряют автоколлиматором и результаты сравнивают. При отклонении показаний цифрового прибора от показаний интерферометра это несоответствие устраняют способом последовательных приближений.

» Определение систематической погрешности показаний спаренных

Оба автоколлиматора включают по схеме получения разности отсчетов и определяют систематическую погрешность показаний спаренных автоколлиматоров. При этом один из автоколлиматоров наводят на неподвижное плоское зеркало, а второй – на зеркало интерферометра. В дальнейшем эту систематическую погрешность вводят в виде поправки в программу измерений ЭВМ.

Page 34: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Передача размера единицы в гос. первичном эталоне

» В государственном первичном эталоне плоского угла передача размера единицы угловым призматическим мерам производится относительным способом с помощью двух автоколлиматоров. Сущность относительного способа заключается в следующем:˃ Сумма действительных значений смежных центральных углов αд

замкнутого полигона составляет полный круг ˃ Номинальные значения центральных углов αн и опорных углов βн

равны 360 градусам˃ Опорный угол β, образуемый визирными осями двух

автоколлиматоров, в процессе измерения одной серии остается неизменным.

˃ Отклонения центральных углов от номинального значения ∆αi определяют по разностям отсчетов двух автоколлиматоров, полученным при измерении правильной многогранной призмы по всей окружности

Page 35: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Этап №2

Известны два способа передачи размера единицы:

» Абсолютный При абсолютном способе действительные значения центральных

углов призмы определяют по образцовой угловой мере в виде круговой шкалы с равномерным делением (гониометр, прецизионный делительный стол... ).

» Относительный действительные значения центральных углов призмы определяют

сравнением с опорным углом, образуемым визирными осями двух автоколлиматоров или двумя гранями призмы. При этом значения опорных углов не известны.

Результаты

» среднее квадратическое отклонение результата измерений не превышает 0,01"

» не исключенная систематическая погрешность 0,02"

Page 36: Государственный первичный эталон  (ГПЭ)  единицы длины

Дальнейшее развитие

» автоматизация фотоэлектрических автоколлиматоров » сопряжение с ПК» обеспечение автоматического процесса измерений в реальном

масштабе времени и последующую математическую обработку методом наименьших квадратов

» внедрение фотоэлектрического интерференционного метода воспроизведения углов

» включение всех устройств эталона в единую замкнутую систему, управляемую ПК