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科研成果

1.0.5~100mm新型一等量塊標準裝置

? ? 0.5~100mm新型一等量塊標準裝置將移相干涉技術應用于量塊測量。系統以633nm和543nm穩頻激光為測量光源。通過一根單模光纖引入到干涉儀保溫箱內。光纖的出光點被精確放置在準直擴束透鏡的焦點上,通過準直鏡后光束直徑擴為φ50mm平行光。測量光通過分光鏡后,一路光由參考反射鏡返回,另一路光由量塊與平晶的研合體反射。兩路光重新匯合后,由CCD相機采集干涉條紋圖像。PZT移相器與參考反射鏡相連,并推動參考鏡作等步移動,實現5步移相干涉測量。與平晶研合的12塊量塊均勻布置在電動轉臺上,測量時量塊依次旋轉到測量位置,實現多塊量塊同時等溫測量。

主要技術指標:

測量范圍:0.5~100mm

測量不確定度:U=0.015μm+0.07×10- 6L(k=2,L為量塊長度)

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2.一等大量塊標準裝置

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? ? 一等大量塊標準裝置采用多波長干涉法實現125~1000mm量塊的高精度測量。633 nm、543 nm和612 nm三種激光波長通過單根光纖引入到一臺泰曼-格林型干涉儀中,干涉儀內可同時放置3塊量塊進行等溫測量。系統采用小數重合法進行量塊長度測量,改進的Edlen公式用于激光波長修正,采用5步移相法計算干涉條紋小數,專用的測量軟件完成量塊的自動測量。

主要技術指標:

測量范圍:125~1000mm

測量不確定度:U=0.015μm+0.07×10- 6L(k=2,L為量塊長度)

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3.高精度激光二坐標標準裝置

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? ? 為建立我國二維線紋工作基準及溯源傳遞體系,解決先進制造業的超精密掩膜測量和溯源問題、以及應用量大面寬的光學影像測量儀、非接觸坐標機和光學顯微鏡的校準及量值溯源統一問題,中國計量科學研究院2008年12月完成了國家科技平臺項目,研制了高精度激光二坐標標準裝置,2009年通過國家質檢總局科技司主持的成果鑒定會,技術指標達到國際先進水平。該項目取得的主要成果有:

(1)、2012年通過標準考核建立了國家二維線紋工作基準,統一全國二維線紋量值,填補了國內空白;

(2)、2011年國家質檢總局科技興檢獎一等獎;

(3)、2010年中國計量科學研究院科學技術進步獎一類一等獎;

(4)、通過國際同行評審,增加CMC兩項。

主要技術指標:

測量范圍:300mm×300mm

測量不確定度:U=(0.10~0.14)μm,(k=2)

該裝置的主要特點及技術創新有:

(1)、二維線紋量值可直接溯源到國家長度基準633nm激光波長基準上;

(2)、整體光路和機械布局完全符合阿貝原則;

(3)、鏤空式共面運動平臺結構適合于透、反射照明;

(4)、基于柔性鉸鏈技術的超精密驅動及定位系統實現大行程超精密定位;

(5)、高分辨力的精密光學瞄準定位系統實現微刻線的精密瞄準和測量,可實現測量的最小線間隔為2μm;

(6)、基于冗余原理的誤差分離和修正方法,提高了二維坐標的測量精度;

(7)、獨立的二維線紋測量與處理軟件,適應性強,可滿足刻線間距、線寬、點坐標、圓、十字網格等帶有各種圖形的二維掩膜板、標定板等的幾何尺寸和形狀測量與評價。

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4. 2m激光干涉比長儀裝置

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? ? 為滿足一維長度計量器具的高精度、多元化的發展趨勢,解決先進制造業及高新技術產業的標準器具校準、溯源及高精度測量需求,本項目在德國PTB贈送中國計量科學研究院的2m比長儀基本光機部件基礎上,修復及重新設計關鍵部件,安裝、精調光機基礎機構,攻克測長、瞄準等關鍵技術,研制了2m激光干涉比長儀裝置,提升了我國線紋基準量值傳遞溯源體系的水平和國際比對能力,促進和提高了我國長度計量器具及高端應用產品的競爭力,為國家高端裝備制造精密測量提供有力的技術支撐。2m激光干涉比長儀裝置是一臺集合了精密激光干涉測長、高精度光電顯微鏡動態瞄準、精密氣浮控制、多級驅動控制、高倍CCD顯微瞄準、電感接觸式瞄準、高速激光動態面掃描、折射率修正及溫度實時補償技術于一體的高精度多功能測量裝置,量值可以直接溯源至國家激光波長基準。2010年項目通過國家質檢總局科技司主持的成果鑒定會,鑒定委員會專家一致認為:

(1)、國內首次研制成功2m激光干涉比長儀。該裝置采用了優良的結構,課題組研制了先進的測控系統、高精度環境參數測量系統、隔震系統等,可用于檢測線紋尺、光柵尺、容柵尺、激光干涉儀、以及步距規等。

(2)、國內首次將高穩定性碘穩頻532nm半導體激光系統直接用于2m激光干涉比長儀,波長穩定度達到4×10-15(取樣時間1000s),提高了激光干涉儀測長的準確性。

(3)、采用全硬件激光干涉條紋高速信號細分方法,實現了激光干涉條紋信號硬件5000細分,分辨力達到0.05nm,測量速度可達到10mm/s。實現了線紋尺激光干涉的高精度、高速測量。

(4)、采用高精度位移傳感器和智能控制技術,實現了2m激光干涉比長儀姿態控制,傾角控制精度優于±15″減小了環境振動對激光干涉儀的影響。

(5)、利用干涉儀測長細分脈沖對光電顯微鏡信號的同步采樣,通過數字化處理,實現了優于20nm的線紋尺刻線瞄準精度。

? ? 該裝置測量線紋尺的不確定度達到(20+40L)nm(k=2,L以米為單位的數值),技術指標達到了國內領先、國際先進水平。該裝置的研制成功,提高了我國在國際長度測量的影響力,對國家高端裝備制造精密測量提供了有力的技術支撐。

該項目取得的主要成果有:

(1)、2012年通過標準考核建立了激光干涉比長儀工作基準裝置,提升了全國線紋量值溯源水平;

(2)、2013年國家質檢總局科技興檢獎一等獎;

(3)、2013年中國計量科學研究院科學技術進步獎基礎研究獎一等獎。

技術開發與應用:

研制開發新型多功能1m激光比長儀,助力地方計量機構提升長度精密測量能力。

5.國家科技平臺課題:建立GPS接收機檢測場國家標準裝置,不斷完善GPS接收機靜、動態校準系統實驗室,開展GPS接收機的檢測和校準。

6.奧運科技(2008)行動計劃專項(奧運場館幾何量參數計量技術研究):用光電測距儀、激光跟蹤儀、電子經緯儀等高精度測量儀器檢測奧運場館幾何參數。研究快捷、方便,準確度高的測量方法,制定相應的測量程序及確定各種尺寸的最佳計算方法,分析其測量不確定度,提高我國體育場館幾何量參數的檢測精度。

7.提升和完善大長度量傳溯源體系--建立GPS標準基線網,統一野外大長度量值。開展GPS接收機的檢測場的量值傳遞,使大長度研究室在國內外野外大長度量值傳遞的方面具有主要地位。

8.建立1.2km標準基線,提升和完善大長度量傳體系,全面開展光電測距儀及全站儀的檢定測試工作。以檢定測試主要的測繪儀器為契機,逐步研究開發室內大長度計量儀器和測繪儀器(天頂儀,地頂儀,水準儀,經緯儀,激光掃平儀等)的檢測方法,使本研究室成為國內檢測高精度測繪儀器的主導實驗室。

9.室內80m大長度激光比長國家標準裝置的研制

研制了目前國內最長81m花崗巖導軌,導軌定位面直線度優于400μm/80m,研制了一體式長導軌氣浮支撐和精密調整機構,實現20根花崗巖導軌拼接和精密調節,提出了組合式直線度測量的新方法,解決超長導軌變形大、難調整、兩維方向直線度難檢測的問題。研制了自動控制的運動平臺系統,運動平臺采用氣浮和氣吸附平臺,實現快速精確定位,在全長范圍內任意位置定位精度優于1μm。

提出了一種基于三路獨立激光干涉儀的空間三角形測長系統,實現了空間任意位置多臺儀器阿貝誤差消除方法。研究了大尺寸范圍內折射率修正系統及修正方法,研制了多傳感器的空氣溫度測量系統,可測量范圍內均布多達40個傳感器,減小了溫度梯度引起的測量誤差,使得空氣溫度測量不確定度優于10mK,裝置折射率修正標準不確定度優于 。

建立了《室內80m國家長度標準裝置》國家級社會公用標準,為我國大尺寸儀器溯源提供溯源源頭,裝置最佳不確定度為0.07μm+0.7×10-7 L(k=2)。技術指標處于國際先進,是目前國內距離最長、精度最高、測試性能最好的大長度計量標準裝置。裝置為我國計量、測繪、國防工業、航空航天、水電、風電、工程測量、汽車船舶制造、軌道交通工具制造等領域廣泛應用的激光干涉儀、激光跟蹤儀、掃描儀、三維攝影測量系統等大長度儀器,標準球桿、攝影基準尺、標準尺等實物標準器提供量值溯源服務。裝置的關鍵技術已以技術開發形式應用于省市計量機構,提高了我國大長度計量水平。裝置為國家重大儀器專家、02科技重大專項、高技術研究發展計劃(863計劃)、國家自然科學基金科學儀器基礎研究專項、國家質量基礎NQI專項等重大專項提供了成果測試驗證平臺和研究基礎。

10.大尺寸空間坐標國家標準

? ? 研制大尺寸空間坐標標準裝置:三維測量范圍8m×6m×3m,研究大尺寸空間坐標標準裝置的溯源方法:用4臺激光跟蹤干涉儀多邊定位坐標測量技術、并與實物標準器相結合的方式建立空間坐標標準;

建立三維數字攝影系統校準場,范圍約4m×2.5m×0.5m,校準場與大尺寸空間坐標標準裝置的坐標系統一

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11.三維數字化近景攝影校準及測量裝置的研究

(1). 高精度三維攝影測量系統的校準裝置,600×600×600 mm3校準空間內長度校準不確定度小于3μm(k=1);2m校準空間內長度校準不確定度為(3+3L)μm(k=1);

(2). 高精度三維數字化近景攝影測量裝置,包括雙相機攝影系統、精密導軌直線運動輔助系統、相機內參數校準系統、攝影測量軟件,(400-600)mm3測量空間內測量不確定度達到10μm(k=1);建立快速三維建模系統,該系統具有色彩飽和度高,紋理清晰,材質準確的特點;

項目成果為攝影測量系統校準和工業現場測量發揮了重要作用。校準系統用于對送檢的各類攝影測量系統進行檢測,保證其量值準確可靠,項目完成以來檢測攝影測量相機及附件百余臺件。利用校準裝置為航天科技集團某部門進行真空低溫特殊環境下攝影測量精度的測試,滿足了航天任務的需求。對某企業研發的三維城市街圖數據采集設備進行了檢測,保證了街景采集相機的性能指標。

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12.漠河野外大長度低溫基準裝置

? ? ? 項目建立了漠河5km野外標準基線,測量范圍:5km,不確定度U=1×10-6L,(k=2,L≥1km);漠河方位標準裝置,標準方位一等天文觀測精度0.5″; 漠河GNSS連續跟蹤站。

? ? 漠河5040m比長基線、漠河天文方位標準裝置、漠河GNSS跟蹤站組成的漠河低溫綜合檢測場,利用漠河寶貴的低溫、高緯度、天文觀測、林區等天然自然資源條件,是國內極寒地區長度、方位及坐標首臺國家野外低溫綜合檢測平臺,填補了我國野外無測繪裝備低溫綜合檢測裝置的空白,為測繪裝備的低溫指標提供檢測標準。項目為我國的測距儀、全站儀、陀螺經緯儀、GNSS接收機等測繪裝備的量值溯源提供綜合檢測場地,同時為我國計量、測繪、地震、航空、航天、軍隊戰備等行業提供了可長期保存、低溫、野外綜合國家實物標準。

? ? 項目提供的集長度方位坐標一體多參數測繪儀器裝備低溫綜合檢測場,可為軍隊、地方提供測繪裝備多參數綜合標準,用于測繪裝備量值傳遞,導彈發射陣地、技術陣地空間基準測量。項目可為國家和軍隊信息化建設提供地理空間測繪裝備計量技術支持,建立軍隊的導彈武器空間基準量值傳遞體系提供計量技術基礎,確保如導彈武器試驗、演習、作戰發射所需的空間基準的準確性和可靠性,使軍民融合在測繪儀器裝備技術保障中得到了充分體現。

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13. 野外標準基線環境溫度自動測量系統

? ? 昌平1.2km標準基線上具備多陳列溫度、氣壓、濕度等傳感器的環境參數自動測量系統,是國內外唯一具備環境參數自動測量修正的1.2km標準基線。1.2km全場范圍內60個溫度傳感器及30個測溫電橋,13個濕度傳感器、3個壓力傳感器及配套的13個設備控溫箱等組成環境溫度自動測量系統。可用于高精度全站儀、測距儀的計量校準及量值溯源,標準基線測量不確定度優于0.8×10-6L k=2 L≥1km),環境參數自動修正系統的修正不確定度優于0.3×10-6

14. 圓錐量規錐度國家基準裝置——激光錐度測量儀

? ? 圓錐量規錐度國家基準裝置是統一全國圓錐量規錐度量值的最高標準,用以保證全國圓錐量規錐度量值準確可靠,達到圓錐工具統一互換,提高機械產品質量。目前,將自主研發的激光錐度測量儀作為圓錐量規錐度國家基準裝置,激光錐度測量儀主要由多齒分度裝置、激光小角度干涉系統、雙光束白光干涉系統、精密旋轉工作臺、數據采集與處理系統等若干部分組成。該測量裝置以雙光束白光干涉方法進行圓錐量規母線的精確定位,采用高精度多齒分度臺測量量規旋轉的大角度值,并利用激光小角度干涉儀及精密回轉工作臺測量量規旋轉的小角度值,將數據送入計算機處理后得到圓錐量規的錐角值。其測量范圍包括普通機床和加工中心中廣泛使用的7:24和HSK錐角系列,錐度C = 1 : 3 ~ 1 : 50,測量長度Lp = (30 ~ 160) mm;測量不確定度為U = 0.2″ (k = 2)。

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15. 齒輪螺旋線基準裝置

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? ? “新一代齒輪螺旋線基準裝置的研制”項目屬于2012年國家公益性行業科研專項項目,由中國計量科學研究院承擔。項目針對齒輪制造精度不斷提高以及國際對齒輪高精度測量技術的要求,利用先進的坐標和激光測量原理及CNC控制技術,研究新的螺旋線基準測量方法,研制了一臺可直接溯源到激光波長的齒輪螺旋線測量幾何裝置。2015年11月19日,該項目通過了國家質檢總局科技司主持的成果驗收會。項目取得的主要創新成果有:

(1)系統設計并研制出一臺可直接溯源到激光波長的齒輪螺旋線綜合測量裝置,該裝置集漸開線、螺旋線及齒距測量與分析功能于一體,突破了我國現有齒輪標準裝置只能單參數測量的局限性,螺旋線偏差擴展測量不確定度為0.9μm/100mm(k=2)。

(2)構建了一種齒輪漸開線和螺旋線的2D激光測長光路,減小了裝置的阿貝幾何誤差。

(3)建立了3D探測系統沿齒面掃描測量時產生的撓曲變形對激光測長的修正補償模型和齒輪螺旋線與漸開線量化修正模型,有效提高了漸開線和螺旋線測量精度。

(4)提出了一種用于漸開線和螺旋線測角的氣浮回轉臺角位置自校準修正法,使角度分度誤差降低到0.1″。

新一代齒輪螺旋線基準裝置的研制對保證國內齒輪螺旋線量值傳遞的一致性及解決國內高精度齒輪的溯源和校準問題,提升我國精密齒輪的加工和評價能力提供了強有力的技術支撐。

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16. 直徑與形狀綜合測量標準裝置

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? ? 直徑與形狀綜合測量標準裝置主要用于回轉體類零件的直徑尺寸和截面圓度、母線直線度等形狀參量的測量。該裝置采用雙傳感器対徑布局,利用圓柱度誤差復合反向分離法,可實時分離出空間回轉主軸和Z軸的平行性誤差對形狀測量的影響,提高形狀測量精度。該裝置所涉及的主要關鍵技術包括超精密軸系技術、超精密導軌技術、超精密傳感器技術、激光干涉測量技術、復合誤差分離和補償技術以及多軸聯動超精密閉環式驅動控制技術等,為提高我國精密儀器制造業的技術水平提供強有力的技術支撐;建立了以復合誤差分離技術為特點的超精密直徑和形狀評價方法,為我國幾何量產品技術規范標準的制訂提供技術依據和保障。其測量范圍為160mm×100mm×150mm;測量不確定度為0.1μm/100mm,(k=2);主軸徑向回轉誤差為(0.02+3L/10000)μm;主軸軸向誤差優于0.03μm;主軸定位精優于3″。該標準裝置的建立填補了我國直徑和形狀參量綜合測量的空白,解決了我國超精密直徑和形狀測量技術落后的問題,統一全國直徑和形狀量值,為我國GPS標準的制訂和實施提供強有力的技術支撐,為我國先進制造業、航空航天、軍事及相關領域測量數據的準確可靠提供有力保障。

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17. 膜厚計量

? ? 膜厚是薄膜厚度的簡稱,是光學、機械、電子、半導體等產品為實現某種功能通過特定加工方法沉積鍍制的表面覆蓋層或自支撐單體薄膜的厚度,是微小尺度幾何參數,是薄膜的幾何、光學、材料等諸多特性參量中重要參量之一。膜厚計量是關于對膜厚計量標準器、標準測量裝置的研制、保存,膜厚及膜厚測量儀器的校準、精密測量技術及測量不確定度的研究,包括光學膜、金屬膜、有機或無機膜等,例如單鍍層膜、多鍍層膜、自支撐膜、透明膜等膜厚以及X射線熒光鍍層測厚儀、庫侖測厚儀、涂覆層測厚儀的檢測、校準、能力驗證等。金屬標準薄膜具有特定材料(如金、鎳等多種單金屬或合金)和厚度范圍(幾十納米至幾微米)。膜厚是微電子、半導體、新能源產品等先進制造中必須精密控制的關鍵參量,直接影響電子產品的外觀、功能、質量、壽命,自支撐標準薄膜是膜厚參數測量和溯源的計量標準,是膜厚計量領域應用最廣泛的標準物質。自支撐標準膜厚,屬靜態實物樣品,主要用于鍍層膜厚分析測量儀器的誤差校準及量值傳遞溯源。薄膜安裝尺寸:30mm×20mm;膜層材料:金Au、鎳Ni、銀Ag、銅Cu、錫Sn、鋅Zn、鉻Cr;膜厚:(0-2)μm, MPE:±(1~5)%;包裝盒外形尺寸:75mm×40mm×20mm。

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