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科研成果

一、質量實驗室

1. 2000 kg高準確度大質量參數測量裝置的研制

? ? 經過歷時4年的努力,課題組科研人員將大國工匠精神融入對技術細節的追求,創新地提出了金屬材料特殊的高溫深冷循環的處理方法等多項關鍵方法,攻克了有限空間內的自動組合配衡等多項關鍵技術,成功研制了具有自主知識產權的高準確度大質量參數測量裝置。該裝置儀器化程度高、可復制性強,滿載重復性為0.15 g,靈敏度為1.27 g,測量擴展不確定度為3.6 g(k = 2),進入世界先進行列,被驗收專家譽為“我國大質量標準測量裝置中設計精巧、工藝創新的精品”。

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2000 kg高準確度大質量參數測量裝置

2. 微克質量標準的建立與溯源中的關鍵技術研究

? ? 課題組歷時4年,成功研制了微克質量標準2套、微克質量測量系統1套、微克質量標準500 μg、200 μg、100 μg和50 μg測量擴展不確定度分別優于 0.22 μg(k=2)、0.14 μg(k=2)、0.13 μg(k=2)和0.094 μg(k=2);本課題的研究成果整體綜合技術指標和性能達到了國際先進水平,填補了我國微克質量標準測量能力空白,構建了我國微克質量溯源體系。

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微克質量測量系統

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二、力與扭矩實驗室

1)20kN?m高準確度扭矩標準裝置的建立

? ? 針對風電、船舶、國防等行業對大扭矩計量的需求,開展了“20 kN?m高準確度扭矩標準裝置的研發”的項目研究,歷時4年攻克了以靜壓空氣軸承為支撐的靜重式大扭矩標準機的核心技術,成功研制了20 kN?m高準確度扭矩標準裝置。該裝置的測量范圍為100 N?m~24 kN?m、擴展不確定度優于2×10-5(k=2)),綜合技術指標和性能達到國際領先水平。

? ? 該裝置建成后可將我國扭矩基準的測量上限由5 kN?m擴展到20 kN?m,提高我國扭矩量值在CMC中的測量能力,擴大我國扭矩值的量值傳遞范圍,解決我國大扭矩量值溯源問題。

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2)微納力值標準的建立與溯源中的關鍵技術研究

? ? 本課題為國家科技支撐計劃項目“微納技術計量標準和標準物質研究”(2011BAK15B00)中課題6“微克質量及微納力值標準的建立與溯源中的關鍵技術研究”(2011BAK15B06)的子課題,2011年12月31日啟動,2015年12月23日通過驗收。

? ? 本課題的承擔單位為中國計量科學研究院,協作單位為天津大學。課題組歷時4年,成功研制了微納力值標準裝置2套。采用靜電力原理的微納力值標準裝置在10 μN~100 μN量級,力值測量相對標準不確定度優于0.06%;采用質量方法的微納力值標準裝置在1μN~10μN量級,力值測量相對標準不確定度優于0.4%。本課題的研究成果整體綜合技術指標和性能達到了國際先進水平,填補了我國微納力值標準測量能力空白,構建了我國微納力值溯源體系。

? ? 微納力值計量在新材料、生物醫學、微電子等領域有著重要應用需求。本課題研制的計量標準將為原子力顯微鏡(AFM)、納米壓入測量系統等各種微納力學計量儀器提供高準確度的量值溯源手段,提高測量的準確度,減小測量結果的分散性,為國內相關行業的科學研究和產業化發展提供強大的技術支撐。

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說明: 調整大小 IMG_2442

采用質量方法的微納力值標準裝置采用靜電力原理的微納力值標準裝置

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三、容量密度實驗室

固體密度基準

? ? 固體密度基準是以固體標準物質的密度作為密度量值溯源的最高標準向其它物質或裝置進行密度量值傳遞的密度基準。固體密度基準應具備的主要特征包括:(1)極高的準確度,其量值可直接溯源至計量基本單位質量和長度;(2)簡單、理想的幾何形狀:如球形、立方體、圓柱等等,其中球形以其易于計量和不易被碰損等特點成為首選;(3)制造材料要求低膨脹系數,穩定的物理化學性能,足夠強的機械強度如單晶硅,微晶玻璃,熔融石英等等,其中以單晶硅材料最為理想。固體密度基準以其直接溯源到長度和質量基準的特點而具有極高的準確度,又因為用于固體密度基準的單晶硅材料具有極好的材質均勻性和物理化學性能穩定性,因此固體密度基準的高準確度又具有長期穩定的特點,即使固體密度基準因為某種原因遭到碰損,其密度值不會改變仍可繼續使用。因此建立固體密度基準將大大的提高我國的密度量值溯源能力,填補我國密度計量領域的空白。對參與密度量值的國際比對,實現我國密度計量與國際接軌有著十分重要的作用。此外,固體密度基準研究也是進行阿伏加德羅常數測量的關鍵技術。阿伏加德羅常數(NA)是實現七個基本量之一,我國尚未建立的摩爾基準的重要組成部分,是實現質量自然基準主要的潛在方法之一。

? ? 我院于2006年建成的固體密度基準主要特點和技術指標是:利用自主提出的“改進型五步算法”,通過將技術上難以實現的步長“準確控制”轉換成步長測量,利用該算法解決了精密測長中的技術難題;利用“壓力掃描”原理設計出“腔長可變式”法-伯標準具,建立了一套技術原理新穎,并能進一步提高測量準確度的相移法精密測長系統,實現了對單晶硅球直徑的準確測量;該測量系統對硅球直徑的測量重復性達到4nm;固體密度測量的合成標準不確定度為2.2×10-7,達到了國際先進水平。

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非接觸相移干涉法單晶體硅球密度絕對法測量系統

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? ? 基于三維非接觸激光掃描原理的特大型及異型金屬容器容積計量方法研究和裝置建立,采用非接觸陣列式激光掃描測量方法進行大型靜態容積計量容器的精密計量,突破現有計量方法的前提約束,將大型靜態計量容器不作為理想幾何體處理,建立基于非接觸激光大空間掃描原理的靜態容積測量系統進行大型計量容器空間坐標測量,生成大型靜態計量容器的真實物理3D幾何模型,解決以往測量方法速度慢、局部特征缺失、受內部附件遮擋、外測站數據坐標系不一致和累計誤差的問題。

? ? 同傳統測量方法相比,本項目研究成果具有數據獲取速度快(測量速度提高3倍)、實時性強、數據量大(測點數量提高10000倍)、主動性強、點位密集(點位間隔從1000mm減小至2mm)、精度高(可以將10×104m3大型靜態計量容器校準相對不確定度從0.1%提升至0.06%k=2)等優勢,大大提高計量工作人員工作效率和現場工作人身安全系數。本項目研究成果已經在計量、石化能源和現代物流設備制造行業近20家單位進行了應用,為國家戰略能源儲備庫大型靜態計量容器提供了精確標定服務。

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四、硬度室

五、振動重力室

1、超低頻振動國家基準裝置

? ? 課題是基于地震觀測、地質勘探、環境監測、航空航天、精密制造以及結構和生物動力學等領域對超低頻振動量值溯源迫切需求的背景下提出。歷史4年,攻克多項技術難題,研制出超低頻振動國家標準裝置。

? ? 課題研發了超低頻(0.002Hz)、大位移(水平1m、垂直0.1m)、大負載(30kg)和低失真(<1%)振動計量基準裝置;研制了高精度超低頻振動套組。課題主要創新點為:(1)創新設計了閉合式雙磁路結構和高固有頻率的運動部件,解決了長行程水平振動臺結構設計難題;(2)創新設計了大行程水平振動臺管線拖曳同步跟蹤系統,解決了管線牽拉影響臺面運動精度的問題; (3)創新設計了位移、速度和加速度復合運動量反饋控制系統,降低了全頻帶范圍內的加速度失真度;(4)研制了直流輸出的大光程零差正交激光干涉儀,并采用數據自適應動態分解算法,在國內外首次實現了加速度復靈敏度激光絕對法測量頻率下延到0.002Hz、復現2′10-5m/s2微加速度的技術突破;(5)研發了超低頻伺服加速度計套組,可測頻率(0.005~200)Hz,振級(5×10-4~50)m/s2的加速度,解決了因發達國家禁銷,造成大多數國家無超低頻振動傳遞標準的技術瓶頸問題。

? ? 專家鑒定意見為“填補了國內外(0.1~0.002)Hz激光絕對法振動幅值和相位校準的空白,屬自主創新科研成果,研制的裝置屬國內外首創。主要技術指標達到國際領先水平,具有重大推廣應用價值”。課題申請發明專利7項,授權1項;獲實用新型專利5項;發表論文24 篇,其中EI期刊收錄15篇。

? ? 研制的超低頻、大位移、大負載和低失真振動計量基準裝置解決了我國各領域超低頻振動量值的溯源問題;為北京市地震局三分量超寬頻帶(0.0067Hz~40Hz)高精度地震計的自主研發和中國強度環境研究所購置美國某公司低頻振動傳感器的驗收提供了技術依據;研制的超低頻標準套組作為標準器,成功應用于我國主導的APMP低頻振動國際比對和國內比對。研究成果在中國測試技術研究院、中國地震局工程力學研究所、中國地震局地球物理所、中國地震災害防御中心、四川省地震局、湖南省電力公司試驗研究院、中國石油東方地球物理公司等國家重要研究部門進行了技術移植,為推動相關領域的科技進步、提高地震計等超低頻振動測量儀自主研發水平發揮了重要的計量支撐作用。

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超低動國基準裝置

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2、角振動基準裝置

? ? 針對國內角振動量值無法溯源、測量頻率范圍窄、量值精度不高的問題,中國計量科學研究院申請并承擔了角振動基準裝置研制的課題,任務來源于國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目,總經費255萬元。于2012年初課題立項,于2015年6月完成,歷時3年6個月。

? ? 項目中攻克了多項國際性技術難題,研制成功了具有完全自主知識產權的寬頻帶(0.0005~1200 Hz)、低失真(小于1%)、大負載(10kg)、大動態范圍(0.04~2000rad/s2)的激光絕對法角振動基準裝置,填補了國內角振動基準空白。

? ? 裝置主要包括低頻角振動臺系統、中頻角振動臺系統、衍射光柵式外差激光干涉儀以及相關測量控制軟件等。主要創新成果有:①創新提出了多層線路板多圈互繞式線圈結構,解決了角振動臺盤式動圈推力小、轉動慣量大的技術難題;②創新設計了一種具有軸向氣隙的雙磁源磁路結構,解決了盤式動圈角振動臺結構中強而均勻的軸向氣隙磁場的設計難題;③發明了一種基于跟蹤旋轉磁場的徑向氣隙磁路結構,解決了低頻振動臺運動部件超大位移輸出的技術難題;④創新提出了基頻模擬移相技術和矩陣無限衍生分布算法,解決了正弦衍射光柵式外差激光干涉儀解調低頻或超低頻角振動難的問題,擴展國際標準中外差技術正弦逼近法下限頻率至0.05 Hz;⑤創新提出了適用于角振動光柵衍射法測量的同時基動態最小載波技術,解決了小位移角振動精確測量的技術難題;⑥創新提出了模糊和無參自適應的混合振動控制策略,實現了角振動校準過程的自動化。

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參??? 數

角振動基準裝置

頻率范圍

0.0005Hz~1200Hz

[ 0.05Hz~1200Hz(角加速度、角速度、角位移);0.0005Hz~0.05Hz(角速度、角位移)]

角加速度(峰值)

(0.04~2000 )rad/s2

最大角速度(峰值)

13 rad/s

最大角位移(峰峰值)

300°(低頻角振動裝置)

60°(中頻角振動裝置)

臺面波形失真度

<1.0%(角速度) (0.0005Hz≤ f <0.05Hz);<1.0%(角加速度) (0.05Hz≤ f ≤1200Hz);

最大負載

10 kg(低頻角振動裝置)

0.5 kg(低頻角振動裝置)

復靈敏度測量不確定度(k=2)

角加速度計:

1.0%,0.5o(0.05Hz≤ f <0.1Hz);

0.5%,0.5o(0.1Hz≤ f ≤ 630Hz);

0.8%,1.0o(630Hz< f ≤1200Hz)

角速度、位移傳感器:

0.4%,0.5o(0.0005Hz≤ f <0.05Hz)

? ? 裝置主要用于角加速度計、角速度計、角位移傳感器、陀螺儀以及角振動測量儀器的檢定和校準。這類儀器廣泛應用于航空航天、國防軍事、交通運輸、發動機內燃機、機械制作、機器人等領域。

3、成功解決高加速度振動量值溯源問題

? ? 針對航空發動機、燃汽輪機等高端動力裝備關鍵零部件疲勞測試中高加速度振動量值的溯源需求,中國計量科學研究院力學聲學所圍繞高加速度振動量值的發生、控制和高精度測量技術,展開了深入研究,研制了諧振式高加速度振動標準裝置。經過多年努力,項目組基于諧振放大原理,創新性地提出了“直推諧振梁固支端”的設計,解決了諧振梁附加阻尼的影響,成功研制了最大加速度10000 m/s2的諧振式高加速度振動發生裝置;采用諧振頻率迭代識別的方法,解決了諧振梁共振頻率的實時跟蹤問題,建立了諧振式高加速度振動控制系統,實現了高加速度振動的精確控制;采用帶通采樣和奈奎斯特采樣結合的技術,解決了高加速度振動量值的絕對法測量問題,實現了17.9 Hz~2968 Hz頻率范圍內外差激光干涉信號的直接采集和解調,建立了絕對法高加速度振動測量和校準系統。該裝置已經應用于新型航空發動機葉片測試設備和傳感器的校準和測試,為我國航空發動機葉片測試中加速度高達10000 m/s2的振動量值提供了準確溯源。

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“高加速度振動發生裝置”“諧振式高加速度振動控制、測量和校準系統”

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4、 成功研制高速列車行駛速度計量標準裝置

? ? 針對鐵路交通領域對高速列車行駛速度測量儀的計量需求,中國計量院力學聲學所組織開展了國家重大科學儀器設備開發專項任務“高精度寬量程多普勒雷達測速技術的研究及其測量裝置的研制”的課題研究。課題組歷時4年,于2016年成功研制了高速列車載雷達測速儀模擬檢測裝置1套、活動路面模擬裝置1套、高速列車現場測速標準裝置3套。其中,高速列車載雷達測速儀模擬檢測裝置的模擬測速范圍達到(5~500)km/h,模擬測速誤差在±0.1km/h范圍之內;活動路面模擬裝置的測速范圍達到(5~250)km/h,測速誤差在±0.12km/h范圍之內;高速列車現場測速標準裝置的測速范圍達到(1.2~350)km/h,測速誤差在±0.2km/h范圍之內。課題研制的系列計量標準裝置,有利于解決高速列車行駛速度測量儀的溯源問題,并初步確立了高速列車行駛速度測量的量值溯源體系,填補了國內高速列車行駛速度測量儀缺乏溯源能力的空白,為國內高速列車測速相關行業的科學研究和產業化發展提供的技術支撐。

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20141231-項目辦年終檢查-聲像資料-聲像資料-高速列車載雷達測速儀模擬檢測裝置(速度模擬模塊1)

高速列車載雷達測速儀模擬檢測裝置 ? ? ? ?活動路面模擬裝置

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高速列車現場測速標準裝置

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5、加速度計動態特性校準裝置——階躍和脈沖加速度激勵系統

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? ? ?針對壓電加速度計動態特性及其校準的問題和動態機械量測量的需求,開展了壓電加速度計動態特性及其校準裝置與方法的研究。課題組緊盯國際同行的最新研究內容,對加速度計在常規使用范圍內其動態特性的表征以及校準裝置進行了深入的研究,建立了階躍加速度激勵校準系統。針對壓電加速度計動態特性及其校準的問題和動態機械量測量的需求,開展了壓電加速度計動態特性及其校準裝置與方法的研究。利用線性測量系統的頻率響應與沖激響應為一對傅里葉變換對的原理,建立了基于鋼珠碰撞的加速度計動態特性脈沖激勵系統,該系統主要控制不同直徑的鋼珠碰撞產生脈沖信號,從而實現對加速度計寬頻范圍的激勵。主要優點是能夠產生脈沖持續時間足夠窄的沖擊激勵信號,通過加速度計的輸出,直接確定加速度計的幅度與相位響應曲線。裝置如下圖所示。

該裝置采用重復性與可控性好的電磁力錘作為小鋼珠的發射器,這樣確保每次碰撞試驗的波形一致性好,同時采用三路激光自動校準水平的模塊,確保加速度計安裝水平。

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6、研制新型絕對重力計量儀器及主辦絕對重力儀國際關鍵比對

為了更好地滿足地質勘探、地質研究、國防軍事和計量科學等領域對精確測定重力加速度的需求,自主研制了新一代NIM-3型、NIM-3A型、NIM-3B型可移動式絕對重力儀,研究了絕對重力儀的計量特性。其中NIM-3A型采用了創新的低頻拾振修正技術,自動化程度、測量效率大大提高,測量結果合成標準不確定度優于5微伽,達到國際先進水平,并順利參加了2013年11月在盧森堡大學(瑞士計量院為主導實驗室)舉辦的第九屆全球絕對重力儀關鍵比對,取得了與關鍵比對參考值僅差1.5微伽的結果,建成了新的重力加速度(絕對法)校準裝置社會公用計量標準。NIM-3B型進一步研究了振動抑制方案,研制了動平衡式絕對重力儀,減小儀器自振影響。為了保證絕對重力儀測量的準確性,開展了儀器自引力、光速有限、激光衍射等計量特性研究工作。(參照計量特性研究項目結題報告)(連云港開發項目)

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? ? 代表我國成功申請到2017年全球絕對重力儀關鍵比對主辦權,這是該重要國際關鍵比對自開始主辦以來的三十多年來首次移出歐洲,意義重大。完成超導重力儀、FG-5X型絕對重力儀購置、相對重力儀精密重力網測量、超導重力儀連續觀測計算重力固體潮汐模型等前期準備工作。在此基礎上,主辦了第一屆亞太區域絕對重力儀關鍵比對(APMP.M.G-K1),為2017年第十屆全球絕對重力儀關鍵比對積累了經驗,奠定了基礎。

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六、聲學實驗室

1、新一代聲壓量值復現技術及其應用研究取得階段性成果

(1)基于LDV技術的空氣聲聲壓量值復現裝置

? ? 為實現聲壓量值的直接復現,建立了低失真的行波管聲場和雙光束多普勒測量系統,實現聲場中粒子振速的測量。基于CCD成像技術實現測量體內干涉條紋畸變的監測和條紋間距的測量,優化激光干涉質量,降低干涉條紋間距引入的系統不確定度;進行聲管內介質聲速和密度的定量評估,降低介質聲阻抗引入的系統不確定度;聲壓復現的頻率范圍為 250 Hz~2000 Hz,不確定度為0.2 dB(k=2)@1 kHz。

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圖基于粒子振速測量的空氣聲聲壓量值復現

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(2)高強度聚焦超聲(HIFU)聲壓復現及聲場測量研究

? ? 針對超聲領域中治療聲場參數無法溯源、無法直接測量等問題,自行建立寬頻激光測量系統、高速數字解調系統等,通過激光掃描技術實現了高強度超聲聲壓場的直接測量,克服了壓電或光纖水聽器耐受度不高、侵入測量對聲場的破壞、以及有限尺寸帶來的平均效應修正等問題。

? ? 測量頻率范圍為0.5 MHz ~60 MHz,聲壓峰峰值高達10 [email protected] MHz,不確定度 15%(k=2),基本滿足治療超聲聲場的測量需求。

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圖高強度超聲聲壓復現及聚焦超聲場(HIFU刀)測量結果

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