авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики»

Марусина Мария Яковлевна

Государственные эталоны

Учебное пособие

2012

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................. 4 1. ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ.................................................... 9 ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН................................................................................................. 9 1.1. Воспроизведение единиц физических величин и................................................... передача их размеров. Единство измерений...................................................................... 1.2. Эталоны единиц физических величин................................................................... Классификация эталонов................................................................................................... 2. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ЭТАЛОНЫ................................................. ЕДИНИЦ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН................................................................. 2.1. Краткая история создания эталона длины................................................................ 2.2. Современное определение единицы длины.............................................................. 2.3. Практическая реализация единицы длины............................................................... 2.4. Государственный первичный эталон единицы......................................................... длины – метра (1985 год)................................................................................................... 2.5. Государственный первичный эталон единицы плоского угла................................ 3. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ.............................. МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН......................................................................................... 3.1. Государственный первичный эталон единицы массы............................................. 3.1.1. Исторический обзор и понятие «масса»............................................................. 3.1.2. Современное определение единицы массы и его недостатки.......................... 3.1.2. Эталонные (образцовые) средства измерений................................................... 3.1.3. Рабочие средства измерений............................................................................... 3.1.4. Методы точных взвешиваний............................................................................. 3.2. Государственный первичный эталон единицы силы............................................... 3.2.1. Первичные эталоны.............................................................................................. 3.2.2. Эталонные (образцовые) средства измерений.................................................. 3.2.3. Рабочие средства измерений............................................................................... 4. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ЭТАЛОН.................................................... ЕДИНИЦЫ ДАВЛЕНИЯ.................................................................................................... 4.1. Государственный первичный эталон единицы давления для................................. области избыточных давлений.......................................................................................... 4.1.1. Вторичные эталоны.............................................................................................. 4.1.2. Эталонные (образцовые) средства измерений................................................... 5.1.3. Рабочие средства измерений............................................................................... 4.2.1. Вторичные эталоны.............................................................................................. 4.2.2. Образцовые средства измерений........................................................................ 4.2.3. Рабочие средства измерений............................................................................... 4.3. Государственный специальный эталон единицы..................................................... давления для разности давлений....................................................................................... 4.3.1. Вторичные эталоны.............................................................................................. 4.3.2. Эталонные (образцовые) средства измерений................................................... 4.3.3. Рабочие средства измерений............................................................................... 4.4. Государственный специальный эталон единицы..................................................... давления для абсолютных давлений................................................................................. в диапазоне 2,7·102-1300·102 Па........................................................................................ 4.4.1. Вторичные эталоны.............................................................................................. 4.4.2. Эталонные (образцовые) средства измерений................................................... 4.4.3. Рабочие средства измерений............................................................................... 4.5. Государственный специальный эталон единицы..................................................... давления в диапазоне измерений 2500·105-15000·105 Па................................................ 4.5.1. Эталон-копия........................................................................................................ 4.5.2. Эталонные (образцовые) средства измерений................................................... 4.5.3. Рабочие средства измерений............................................................................... 4.6. Государственный первичный эталон единицы......................................................... плотности............................................................................................................................ 4.6.1. Эталонные средства измерений.......................................................................... 4.6.2. Рабочие средства измерений............................................................................. 4.7. Государственный первичный эталон единицы....................................................... кинематической вязкости................................................................................................ 4.7.1. Рабочие эталоны................................................................................................. 4.7.2. Рабочие средства измерений............................................................................. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................ ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 4................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 5................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 6................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 7................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 8................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 9................................................................................................................. ПРИЛОЖЕНИЕ 10............................................................................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ 11............................................................................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ 12............................................................................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ 13............................................................................................................... ПРИЛОЖЕНИЕ 14............................................................................................................... ВВЕДЕНИЕ Национальная система обеспечения единства измерений в любой стране основывается на принятой в законодательном порядке националь ной системе единиц измерений и национальных (государственных) этало нах. Государственные эталоны, воспроизводящие эти единицы, размеры которых передаются рабочим средствам измерений, используемым в про мышленности, науке, торговле, медицине и т.д., являются национальным достоянием, определяют уровень научного, технического и культурного развития страны.

В настоящее время в соответствии с Законом Российской Федера ции «Об обеспечении единства измерений», принятым в 1993 г., «государ ственные эталоны единиц величин являются исключительной федеральной собственностью, подлежат утверждению Госстандартом России и находят ся в его ведении». Ответственность за «создание, совершенствование, хра нение и применение государственных эталонов единиц величин» возложе на на государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) – науч но-исследовательские метрологические институты Госстандарта России.

Эталон – средство измерений (или их комплекс), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера ниже стоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в ус тановленном порядке. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению устанавливает ГОСТ 8.057-80 «ГСИ.

Эталоны единиц физических величин. Основные положения».

Эталонная база России имеет в своем составе по состоянию на 01.06.2000 г. 118 государственных эталонов (ГЭ) и более 300 вторичных эталонов, обеспечивающих единство измерений и требуемую точность не только в нашей стране, но и в большинстве стран ближнего зарубежья, ис ходные эталоны которых в основном поверяются по ГЭ Российской Феде рации [32].

Структура эталонной базы России отражает, прежде всего, структуру Международной системы единиц физических величин (СИ), принятой и применяемой в международной практике. Основу эталонной базы России составляют государственные первичные эталоны (ГПЭ) основных единиц СИ: метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина и канделы [32].

ГПЭ единицы длины – метра – представляет собой уникальный комплекс средств измерений, размещенный в специальном помехозащи щенном термобаростатированном помещении на виброзащищенном фун даменте. В его состав входят источники эталонного излучения – He Ne I 2 лазеры, установка для измерения отношений длин волн эталон ного излучения и интерференционный компаратор с лазерным интерфе ренционным рефрактометром. Погрешность воспроизведения метра в на стоящее время составляет не более 2 10 11. Уровень точности и техниче ского оснащения Российского эталона метра соответствует уровню нацио нальных эталонов США, Германии и Франции и др. ГПЭ единицы длины создан, хранится и активно используется во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

ГПЭ единицы массы – килограмма – это копия № 12 Международ ного прототипа килограмма, одна из копий, изготовленных в Лондоне в 1876-1889 гг. из платиново-иридиевого сплава. В состав эталона входят также прецизионные эталонные весы, позволяющие осуществлять сличе ния с погрешностью не более 2 10 9.

В 1998 г. во ВНИИФТРИ был разработан новый ГПЭ единиц вре мени, частоты и национальной шкалы времени, обеспечивающий размера ми единиц свыше 300 тыс. средств измерений времени и частоты не считая встроенных в средства измерений других физических величин. Погреш ность воспроизведения единиц менее 5 10 14. Этот эталон находится на уровне лучших эталонов мира, как по достигнутой точности, так и по диа пазону измеряемых величин.

ГПЭ единицы силы постоянного электрического тока – ампера – воспроизводит единицу в комплексе с ГПЭ единицы постоянного электри ческого напряжения – вольта и ГПЭ единицы электрического сопротивле ния – ома, основанных на использовании квантовых эффектов Джозефсона и Холла соответственно. Погрешность воспроизведения ампера варьирует ся от 5 10 2 до 2 10 7 в зависимости от диапазона измерений. Эти эталоны хранятся и применяются во ВНИИМ и, по существу, представляют собой единую группу эталонов, связанных законом Ома и базирующихся на квантовых эффектах и фундаментальных физических константах. Уни кальность этой группы эталонов связана с высокой стабильностью и вос производимостью квантовых эффектов. Точность эталонов ограничивается точностью определения значений фундаментальных физических констант.

Единица температуры – кельвин – воспроизводится двумя ГПЭ, один из которых создан и применяется во ВНИИФТРИ, а второй – во ВНИИМ.

Первый из них воспроизводит единицу в диапазоне температур от 0,8 до 273,16 К ( 0 С ), второй – в диапазоне температур 0-2500 0 С. Эталоны по устройству и составу – сложнейшие комплексы средств измерений, в осно ву действий которых положены различные физические принципы. Госу дарственные эталоны обеспечивают воспроизведение единицы температу ры в соответствии с требованиями Международной температурной шкалы 1990 г., включающей ряд диапазонов и поддиапазонов. В состав эталона, разработанного во ВНИИМ, входит уникальное средство измерений – га зовый термометр, обеспечивающий возможность абсолютных измерений термодинамической температуры с точностью, недостижимой в настоящее время другими методами. Подобный по назначению и возможностям ком плекс существует только в США (NIST).

ГПЭ единицы силы света – канделы – хранится и применяется во ВНИИОФИ. Эталон воспроизводит единицу с погрешностью 0,1 10 2 0,25 10 2 с помощью радиометра, корригированного светофильтром под кривую спектральной световой эффективности. Эталон передает раз мер единицы более чем 100 тыс. измерительных приборов. Точность эта лона находится на уровне точности национальных эталонов промышленно развитых стран.

Одной из основных единиц системы СИ является единица количества вещества – моль, равная количеству вещества системы, содержащей столь ко же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде- массой 0,012 кг. К настоящему времени ни в одной метрологической лабо ратории мира эталон моля не создан. На пути создания такого эталона встали большие теоретические проблемы, одной из которых является не достаточная четкость определения этой единицы [32]. Тем не менее, теоре тические и экспериментальные исследования в этом направлении ведутся и, возможно, эта проблема будет решена.

В соответствии с 8 Резолюцией 20-й Генеральной конференции по ме рам и весам исключен класс дополнительных единиц системы СИ, к кото рым относились радиан и стерадиан – единицы плоского и телесного угла.

В настоящее время радиан и стерадиан признаны безразмерными произ водными единицами системы СИ. ГПЭ единицы плоского угла – градуса – хранится и применяется во ВНИИМ и обеспечивает точность работы мил лионов прецизионных средств измерений плоского угла, применяемых в промышленности, геодезии, астрономии, навигации, космических и других исследованиях. Он представляет собой комплекс измерительной аппарату ры, сочетающий лучшие современные достижения техники лазеров с уни кальными по технологии изготовления оптическими приборами. Сложная, специально разработанная методика совокупных измерений позволяет уменьшить систематические погрешности, связанные с технологией изго товления узлов эталона, до значений 0,02. Среднее квадратическое откло нение результатов измерений при этом не превышает 0,01.

Кроме эталонов основных единиц во ВНИИМ и других метрологиче ских институтах созданы и применяются ГЭ производных единиц СИ, ис пользуемые для воспроизведения, хранения и передачи размеров единиц механических, электрических и радиотехнических, магнитных, оптико физических, физико-химических величин, а также величин ионизирующих излучений.

Эталоны единиц величин можно структурировать по областям и видам измерений [32]:

- измерение геометрических величин, - измерения механических величин, - измерения параметров потока, расхода, уровня и объема, - измерения давления, вакуумные измерения, - измерения физико-химического состава и свойств веществ, - теплофизические и температурные измерения, - измерения времени и частоты, - измерения электрических и магнитных величин, радиотехнические и радиоэлектронные измерения, - измерения акустических величин, - оптические и оптико-физические измерения, - измерения характеристик ионизирующих излучений и ядерных кон стант.

Данное учебное пособие содержит достаточно полную информацию по ряду ГПЭ, которые созданы, хранятся и активно используются в Феде ральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский науч но-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева).

Учебное пособие состоит из одиннадцати разделов и посвящено один надцати ГПЭ единиц физических величин, разработчиком и хранителем которых является ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. В первом и вто ром разделах рассмотрены эталоны геометрических величин: ГПЭ едини цы длины и ГПЭ единицы плоского угла. Третий и четвертый разделы по священы измерениям механических величин: представлены ГПЭ единицы массы и ГПЭ единицы силы. Пять разделов с пятого по девятый содержат информацию по измерениям давления и вакуумным измерениям. В деся том и одиннадцатом разделах рассмотрены измерения физико химического состава и свойств веществ: ГПЭ единицы плотности и ГПЭ единицы кинематической вязкости. Учебное пособие содержит четырна дцать приложений, содержащих государственные поверочные схемы для различных средств измерений.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ ВНИИМ – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева ВНИИФТРИ – Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений ВНИИОФИ – Всероссийский научно-исследовательский институт оптико физических измерений ГНМЦ – государственные научные метрологические центры ГПС – государственная поверочная схема ГПЭ – государственный первичный эталон ГЭ – государственный эталон ИУС – информационно-управляющая система ККОМ – Консультативный комитет по определению метра МБМВ – Международное бюро мер и весов НСП – неисключенная систематическая погрешность ОСИ – образцовое средство измерений СИ – средство измерений;

в сочетании "система СИ" данное сокращение означает "система интернациональная" СКО – среднее квадратическое отклонение РСИ – рабочее средство измерений ЭК – эталон-копия 1. ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Воспроизведение единиц физических величин и 1.1.

передача их размеров. Единство измерений При проведении измерений необходимо обеспечить их единство.

Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых пер вичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

Понятие «единство измерений» довольно емкое. Оно охватывает важ нейшие задачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам из мерений с установленной точностью и ряд других вопросов. Единство из мерений должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должном уровне единства из мерений направлена деятельность государственных и ведомственных мет рологических служб, проводимая в соответствии с установленными прави лами, требованиями и нормами. На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Госу дарственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или норма тивными документами органов метрологической службы.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и переда чи их размеров применяемым СИ.

Воспроизведение единицы физической величины – совокупность опе раций по материализации единицы ФВ с помощью государственного эта лона. Различают воспроизведение основной и производной единиц.

Воспроизведение основной единицы – это создание фиксированной по размеру ФВ в соответствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов. Например, единица массы – 1 кг (точно) воспроизведена в виде платиноиридиевой гири, хра нимой в Международном бюро мер и весов в качестве международного эталона килограмма. Розданные другим странам эталоны имеют номи нальное значение 1 кг. На основании последних (1979) международных сличений платиноиридиевая гиря, входящая в состав Государственного эталона РФ, имеет массу 1,000000087 кг [25].

Воспроизведение производной единицы – это определение значения ФВ в указанных единицах на основании измерений других величин, функ ционально связанных с измеряемой величиной.

Передача размера единицы – приведение размера единицы ФВ, хра нимой поверяемым средством измерения, к размеру единицы, воспроизво димой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке или ка либровке. Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных средств измерения к менее точным.

Хранение единицы – совокупность операций, обеспечивающая неиз менность во времени размера единицы, присущего данному средству из мерения. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведение взаимо связанных операций, позволяющих поддерживать метрологические харак теристики эталона в установленных пределах. При хранении первичного эталона выполняются регулярные его исследования, включая сличения с национальными эталонами других стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее раз мера.

1.2. Эталоны единиц физических величин.

Классификация эталонов Технической основой обеспечения единства измерений является эта лонная база.

Эталон – средство измерений (или их комплекс), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера ниже стоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в ус тановленном порядке. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению устанавливает ГОСТ 8.057-80 «ГСИ.

Эталоны единиц физических величин. Основные положения» [19].

Перечень эталонов не повторяет перечня принятых ФВ. Для ряда еди ниц эталоны не создаются. Это происходит в том случае, когда нет воз можности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ. Например, нет необходимости в эталоне площади, так как она не поддается непосред ственному сравнению.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизве дения единицы определяются природой данной ФВ и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обла дать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом признаками:

неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью [21].

Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени, а все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго опре деленными функциями величин, доступных точному измерению. Реализа ция этих требований привела к идее создания «естественных эталонов»

различных величин, основанных на естественных физических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения введением соответствующих поправок.

Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерения, нижестоящих по поверочной схеме, и в первую оче редь вторичных эталонов с наивысшей точностью для данного уровня раз вития техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по сво ему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличений.

Поверка СИ – установление органом государственной метрологиче ской службы пригодности СИ к применению на основании эксперимен тально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Поверке подвергают средства измерений, подлежащие государствен ному метрологическому контролю и надзору.

При поверке используют эталон. Поверку проводят в соответствии с обязательными требованиями, установленными нормативными докумен тами по поверке. Поверку проводят специально обученные специалисты, аттестованные в качестве поверителей органами Государственной метро логической службы.

Результаты поверки средств измерений, признанных годными к при менению, оформляют выдачей свидетельства о поверке, нанесением пове рительного клейма или иными способами, установленными нормативными документами по поверке.

Другими официально уполномоченными органами, которым может быть предоставлено право проведения поверки, являются аккредитованные метрологические службы юридических лиц. Аккредитация на право повер ки средств измерений проводится уполномоченным на то государственным органом управления [24].

Калибровка СИ – совокупность операций, устанавливающих соотно шение между значением величины, полученным с помощью данного сред ства измерений и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона с целью определения действительных метрологических характеристик этого средства измерений.

Калибровке могут подвергаться средства измерений, не подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору.

Результаты калибровки позволяют определить действительные значе ния измеряемой величины, показываемые средством измерений, или по правки к его показаниям, или оценить погрешность этих средств. При ка либровке могут быть определены и другие метрологические характеристи ки.

Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибро вочным знаком, наносимым на средства измерений, или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах. Сертификат о калибровке представляет собой документ, удостоверяющий факт и ре зультаты калибровки средства измерений, который выдается организацией, осуществляющей калибровку [24].

Различают следующие виды эталонов:

Международный эталон – эталон, принятый по международному со глашению в качестве международной основы для согласования с ним раз меров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Первичный эталон – обеспечивает воспроизведение единицы с наи высшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью.

Государственный первичный эталон – первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве ис ходного на территории государства.

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосред ственно от первичного эталона данной единицы.

Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов, ко торые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера еди ницы рабочим средствам измерений.

Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средст вам измерений.

Эталонная база страны – совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измере ний в стране.

Структура эталонной базы России, являющаяся технической основой обеспечения единства измерений, представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура эталонной базы Российской Федерации В международной практике государственные эталоны обычно назы ваются национальными, а эталоны, хранимые в Международном бюро мер и весов, международными. Термин «национальный эталон» применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным госу дарствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран. Например, национальные эталоны Килограмма сличаются один раз в 20-25 лет, а эталоны Вольта и Ома и ряд других сличаются раз в три года.

К первичным эталонам относят как соответствующие эталоны основ ных СИ, так и производных единиц СИ.

Размер единицы, воспроизводимой вторичными эталонами, «поддер живается» с помощью первичных (государственных).

Вторичные эталоны утверждаются в зависимости от особенностей их применения Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии или государственными научными метрологическими центра ми.

Рабочие эталоны получают размер единицы, как правило, от вторич ного эталона и служат для передачи размера единиц другим рабочим эта лонам (меньшей точности) и рабочим средствам измерений.

До 1994 года в нашей стране применялся термин «образцовое средст во измерений», которое служило промежуточным метрологическим зве ном, расположенным между эталоном и рабочим средством измерений. С целью приближения российской терминологии к международной, было принято решение именовать «образцовые средства измерений» рабочими эталонами. Поскольку образцовые средства измерений в зависимости от точности подразделялись на разряды от 1-го (более высокой точности) до 3-го, а иногда даже до 4-го разряда (наименьшей точности), то такие же разряды были приняты и для рабочих эталонов.

На рис. 1.2. представлена классификация эталонов. Высшим звеном эталонной базы страны является система государственных первичных эта лонов, которые воспроизводят и (или) хранят единицы и передают их раз меры подчиненным эталонам, которые, в свою очередь, передают их рабо чим средствам измерений.

Рис. 1.2. Классификация эталонов В СССР имелось 145 государственных первичных эталонов, а сама эталонная база была признана в мире одной из самых полных систем эта лонов с уникальными возможностями по условиям применения, широкими диапазонами измерений и высокими точностями.

В настоящее время в Российской Федерации 123 государственных первичных эталона, из них 6 эталонов основных единиц (рис. 1.3.) [3].

Рис. 1.3. Основные единицы величин и институты-хранители государ ственных первичных эталонов Эталон единицы длины – метра – включает источники эталонного из лучения He Ne / J – лазеры, стабилизированные по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде-127, установку для измерения отно шений длин волн источников излучения и интерференционный компаратор с лазерным интерференционным рефрактометром. Метр определен как – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 доли секунды (точно).

Эталон единицы массы – килограмм – представляет собой цилиндр из сплава платины (90%) и иридия (10%), у которого диаметр и высота при мерно одинаковы (около 39 мм).

Эталон единицы времени – секунда – соответствует определению се кунды как интервала времени, в течение которого совершается 9 192 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверх тонкими уровнями ( F 4, mF 0 и F 3, mF 0 ) основного состояния атома цезия-133 в отсутствии внешних полей.

Эталон единицы силы постоянного электрического тока – ампер – со стоит из двух комплексов: в первом используется способ воспроизведения размера единицы силы тока (1 мА и 1 А) с использованием косвенных из мерений силы тока I U r, причем размер единицы электрического на пряжения U – вольт – воспроизводится с помощью квантового эффекта Джозефсона, а размер единицы электрического сопротивления r – Ом – с помощью квантового эффекта Холла;

во втором комплексе, воспроизводя 16 щем силу постоянного тока в диапазоне 10 10 А, используется много значная мера силы тока, включающая меру линейно изменяющегося элек трического напряжения с набором герметизированных конденсаторов, прибор для измерения напряжения, прибор для измерения времени и ком пенсирующее устройство. Ампер определен как – сила не изменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводни кам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, располо женных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме вызвал бы между этими проводниками силу взаимодействия равную 2 10 Н на каждый метр длины.

Эталон единицы температуры – один градус Кельвина – определен как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Тройная точка воды ( 273,16 К – равновесие между газообразной (насы щенный газ), жидкой (вода) и твердой (лед) фазами воды) может быть вос произведена с погрешностью 0,0001 C и выше температуры таяния льда – 0,01 C.

Эталон единицы силы света – кандела – представляет собой силу света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое из лучение частотой 540 10 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержит ся в углероде-12 массой 0,012 кг (1 моль углерода имеет массу 0,002 кг, моль кислорода – 0,032 кг, а 1 моль воды – 0,018 кг). К настоящему време ни ни в одной метрологической лаборатории мира эталон моля не создан.

На пути создания такого эталона встали большие теоретические проблемы, одной из которых является недостаточная четкость определения этой еди ницы. В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные исследования на основе квантовой теории с целью создания эталона еди ницы количества вещества на базе фундаментальных физических констант [25].

В соответствии с Конституцией Российской Федерации и законом Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» государст венные эталоны находятся в ведении Российской Федерации (ранее функ ции собственника выполнял Госстандарт России, ныне – Ростехрегулиро вание). Сегодня в России 7 специализированных научно исследовательских организаций, определенных в качестве национальных метрологических институтов и подведомственных Ростехрегулированию (рис. 1.4.) Национальные метрологические институты Российской Федерации Всероссийский научно исследовательский институт Разработчик и хранитель 54 государст метрологии (ВНИИМ) им. венных первичных эталонов РФ Д.И. Менделеева Всероссийский научно исследовательский институт Разработчик и хранитель 15 государст оптико-физических измере- венных первичных эталонов РФ ний (ВНИИОФИ) Всероссийский научно исследовательский институт Разработчик и хранитель 30 государст физико-технических и ра- венных первичных эталонов РФ диотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Всероссийский научно Разработчик и хранитель 7 государст исследовательский институт венных первичных эталонов РФ расходометрии (ВНИИР) Уральский научно Разработчик и хранитель 6 государст исследовательский институт венных первичных эталонов РФ метрологии (УНИИМ) Сибирский научно Разработчик и хранитель 6 государст исследовательский институт венных первичных эталонов РФ метрологии (СНИИМ) Всероссийский научно Разработчик и хранитель 2 государст исследовательский институт венных первичных эталонов РФ метрологической службы (ВНИИМС) Рис. 1.4. Национальные метрологические институты РФ 2. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2.1. Краткая история создания эталона длины Метр (франц. metre, от греч. mtron – мера) – единица длины метриче ской системы мер и Международной системы единиц.

Согласно первому определению, принятому во Франции в 1791, метр был равен десятимиллионной части четверти длины парижского меридиа на. Размер метра был определн на основе геодезических и астрономиче ских измерений Ж. Деламбра и П. Мешена. Первый эталон метра был из готовлен французским мастером Ленуаром под руководством Ж. Борда (1799) в виде концевой меры длины – платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами, равным при нятой единице длины. Он получил наименование «метр архива» или «ар хивный метр» (по месту хранения). Однако, как оказалось, определнный таким образом метр не мог быть вновь точно воспроизведн из-за отсутст вия точных данных о фигуре Земли и значительных погрешностей геоде зических измерений.

В 1872 Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от «естественных» эталонов длины и о принятии «архивного метра»

в качестве исходной меры длины. По нему был изготовлен 31 эталон в ви де штриховой меры длины – бруса из сплава Pt (90%) – lr (10%). Попереч ное сечение эталона имеет форму Х (рис. 1.1), придающую ему необходи мую прочность на изгиб. Вблизи концов нейтральной плоскости эталона (ab, рис. 2.1) 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 ка честве международного прототипа метра.

Рис. 2.1. a – поперечное сечение эталона метра, б – штрихи на нейтральной плоскости ab эталона метра;

расстояние между осями средних штрихов принимается за 1 м Прототип метра и две его контрольные копии хранятся в Севре (Франция) в Международном бюро мер и весов. Во Всесоюзном научно исследовательском институте им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт Петербурге хранятся две копии (№11 и 28) Международного прототипа метра. При введении метрической системы мер в СССР (1918) государст венным эталоном метра была признана копия № 28. Международный про тотип метра, погрешность которого 1 107 м, и национальный прототипы обеспечивали поддержание единства и точности измерений на необходи мом для науки и техники уровне в течение десятков лет.

Однако рост требований к точности линейных измерений и необходи мость создания воспроизводимого эталона метра стимулировали исследо вания по определению метра через длину световой волны. 11-я Генераль ная конференция по мерам и весам (1960) приняла новое определение мет ра, положенное в основу Международной системы единиц (СИ): «метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответст вующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона – 86». Для обеспечения высокой точности воспроизведения метра в международной спецификации строго оговорены условия воспроизведения первичного эталонного излучения. Монохроматическое излучение, соответствующее оранжевой линии криптона, создатся специальной лампой (рис. 2.2), за полненной газообразным Kr86. Свечение газа возбуждается разрядом по стоянного тока, во время работы лампу охлаждают до температуры трой ной точки азота (63 К). В этих условиях ширина оранжевой линии Kr86 не превышает 0,013–0,016 см-1 (в волновых числах). Лампа устанавливается перед интерферометром, на котором измеряют концевые или штриховые меры в длинах световых волн. Во ВНИИМе создан эталонный интерферо метр, позволяющий измерять меры длины до 1000 мм со среднеквадратич ным отклонением 3 108 м. Измерение длины прототипа № 28 на эталон ном интерферометре показало, что он больше метра (по определению 1960 г.) на 0,22 мкм.

Рис. 2.2. Схема изотопной лампы с 86Kr и сосуда для охлаждения е стенок до 63К:

1 – баллон лампы;

2 – катод лампы;

3 – капилляр, в котором происходит свечение;

4 – сосуд Дьюара;

5 – герметически закрывающаяся металлическая камера;

6 – термопара для контроля температуры;

7 – манометр 2.2. Современное определение единицы длины Современное определение метра, принятое Генеральной конференци ей по мерам и весам в 1983 году, связывает единицу длины с единицей времени и частоты через фундаментальную константу – скорость света, значение которой принято по международному соглашению. Это опреде ление основано на фундаментальной зависимости:

c v Согласно новому определению метра основной единицей длины сис темы единиц СИ является длина, равная расстоянию, проходимому светом за 1/299792458 долю секунды.

Учитывая, что величина скорости света определена как константа c 2,99792458 108 м/с, этот промежуток времени равен t 3,33564 109 с.

Данное определение удобно использовать для измерения больших расстояний (радиолокация, космические исследования и т.п.), однако, яв ляясь универсальным, оно не вполне удобно для практических измерений длины. Действительно, для измерения длины в 1 м с погрешностью поряд ка (108 109 ) м потребуется измерить временной интервал порядка 3 109 секунды с такой же относительной погрешностью, что при совре менном состоянии измерительной техники недостижимо. Поэтому Кон сультативный комитет по определению метра (ККОМ) разработал реко мендации по практическому применению нового определения, суть кото рого заключается в том, что стандартом длины (с соответствующей по грешностью) может являться любое излучение, частота которого известна.

2.3. Практическая реализация единицы длины ККОМ разработал Перечень рекомендованных излучений для практи ческих применений в метрологии длины, физических исследованиях и т.п.

Перечень включает в себя более десятка типов квантовых генераторов в сантиметровом, инфракрасном и видимом диапазоне излучения, а также ряд спектральных ламп, традиционно используемых в интерферометрии.

Перечень этот постоянно уточняется и расширяется.

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

Рекомендованные источники эталонного излучения видимого диапа зона согласно Перечню рекомендованных излучений приведены в таблице 2.1.

Таблица 2. Рекомендованные источники эталонного излучения видимого диапазона Отно си тель № Тип лазе- Способ стабилиза- Частота, Длина ная п/п ра ции МГц волны, фм неоп ре делен ность Аргоно- стабилизированный 581490603.3 514673466, 2,5х10 вый лазер по насыщенному 7 поглощению в йоде 127;

переход 43-0, Р(13), компонента s Nd:YAG с стабилизированный удвоени- по насыщенному ем часто- поглощению в йоде- 563260223,4 532245036, 7х10- ты 127;

8 переход 32-0, R(56), компонента а10:

Не-Nе ла- стабилизированный зер по насыщенному 543516333, 2,5х10 поглощению в йоде- 551579482, 127;

6 переход 26-0, R(12), компонента а Не-Nе ла- Стабилизированный зер по насыщенному поглощению в йоде- 611970770, 3х10- 489880354, 127;

переход 9-2, R(47), компонента а Не-Nе ла- стабилизированный зер по насыщенному поглощению в йоде 47361221470 632991398, 2,5х10 127;

5 переход 11-5, R(127), компонента а Не-Nе ла- стабилизированный зер по насыщенному 640283468, 4,5х10 поглощению в йоде 468218332,4 127;

переход 8-5, Р(10), компонента а Из приведенного выше списка стабилизированных лазеров, наиболь шее распространение получил Не-Ne/127I2 лазер с длиной волны 633нм, поскольку он обладает высокой воспроизводимостью частоты, надежно стью и сравнительно невысокой стоимостью, кроме того, этот тип лазера наиболее полно изучен и нашел применение в большинстве национальных метрологических лабораторий. В течение длительного времени метрологи ческие характеристики этих лазеров изучались метрологами разных стран, было проведено большое число международных сличений этих лазеров.

Большинство национальных метрологических организаций, в том числе и ВНИИМ, ввели Не-Ne/127I2 ( 633нм) лазеры в состав национальных эта лонов длины в качестве эталонных источников излучения. С помощью Не Ne/127I2 ( 633нм) лазера во ВНИИМ проводятся исследования и аттеста ция промышленных стабилизированных лазеров.

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 рамках программы по исследованиям стабилизированных лазеров видимого диапазона, используемых нацио нальными метрологическими организациями мира в составе национальных эталонов длины. В результате было измерено абсолютное значение часто ты лазера VNIIM2, входящего в состав Государственного первичного эта лона (ГЭП) единицы длины.

Измеренная частота излучения f-компоненты Не-Ne/127I2 лазера VNIIM2 составила f = 473 612 353 603, 6 кГц. Результаты сличений пред ставлены на рисунке 2.3.

Рис. 2.3. Результаты измерений абсолютной частоты Не-Ne/127I2 лазеров:

NIS – Египет, IPQ2 – Португалия, VNIIM2 – Россия, CSIR4 – Южная Аф рика и другие страны-участницы По результатам проведенных сличений ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.

Менделеева» получили сертификат (рис. 1.4).

Рис. 2.4. Сертификат Образцовая установка ВНИИМ, на которой проводятся исследования метрологических характеристик промышленных стабилизированных лазе ров включает в себя: эталонный стабилизированный He-Ne/I2 лазер 633нм, систему гетеродинирования оптических частот, аппаратуру для регистрации результатов измерений. Для регистрации результатов измере ний использовался набор электронной аппаратуры, включающий в себя анализатор спектра, электронный частотомер, осциллограф, вспомогатель ные источники питания. Вся установка при этом размещена на виброза щищенном фундаменте. Относительная погрешность измерения частоты составляет 3·10-12. Относительная погрешность воспроизводимости часто ты эталонного лазера 210-11.

Образцовая установка ВНИИМ находится в специально оборудован ном помещении, в котором были приняты меры защиты лазеров от влия ния внешних условий. Помещение размещается в подвальном этаже и име ет фундамент не связанный с фундаментом здания. С целью защиты фун дамента от вибраций, была оборудована виброизолированная стальная платформа, опирающаяся на пневмоопоры, расположенные на развязанном фундаменте. Помещение термостатировалось с помощью электрических печей, управляемых тиристорными реле, включаемыми ртутными кон тактными термометрами. Принятые меры обеспечили постоянство темпе ратуры воздуха в помещении с точностью ±0,2 С.

Виброизолированная платформа была снабжена оптическими держа телями с магнитной фиксацией их положения, которые служили для закре пления зеркал, делительных пластинок и других устройств, используемых в экспериментах.

Внешний вид образцовой установки ВНИИМ представлен на рисунке 2.5, рабочее место оператора для проведения исследований показано на рисунке 2.6.

Рис. 2.5. Внешний вид образцовой установки ВНИИМ: 1 – исследуемый лазер;

2 – эталонный лазер;

3 – полупрозрачное зеркало;

4 – отражающее зеркало;

5- фокусирующая линза (может не быть или может быть установлена более сложная оптическая развязка);

6 - фотоэлектрический преобразователь;

7 – анализатор спектра;

8 – система автоподстройки частоты (АПЧ) Рис. 2.6. Рабочее место оператора Исследуемые в работе промышленные стабилизированные лазеры относятся к эталонным средствам измерения и входят в государственную поверочную схему для средств измерений длины (рис. 1.7). Для обеспече ния возможности использования лазеров в качестве эталонных средств из мерений длины необходимо иметь достоверные данные об их метрологи ческих характеристиках.

2.4. Государственный первичный эталон единицы длины – метра (1985 год) В октябре 1985 г. был утвержден Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины – метра, в состав которого входят: источник первич ного эталонного излучения, установка для измерения отношений длин волн, лазерный интерференционный компаратор с системой сбора и обработки информации.

Единица длины воспроизводится на новом ГПЭ метра со средним квад ратическим отклонением (СКО) 2 10 11 и неисключенной систематической погрешностью (НСП) 1 109.

Рис. 2.7. Государственная поверочная схема по лазерам В созданном эталоне реализована возможность воспроизведения единицы длины в соответствии с новым определением метра, принятым XVII Генеральной конференцией по мерам и весам в октябре 1983 г. «Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени, рав ный 1/299792458 с».

В основе нового определения метра – возможность связать эталон единицы длины с эталоном единиц времени и частоты. Чтобы обеспечить эту связь проводили измерения частот излучений лазеров ИК- диапазона непосредственным сравнением с эталоном частоты при помощи радиооп тического частотного моста. Так, были проведены измерения частоты излучения с длиной волны 3,39 мкм, которую генерирует гелий неоновый лазер, стабилизированный по насыщенному поглощению в ме тане.

В настоящее время для измерения частоты излучения лазера видимого диапазона наиболее распространен относительный, метод измерения длин волн, заключающийся в определении их отношения к длинам волн ИК диапазона и основанный на интерференционном способе измерений.


Для нового ГПЭ единицы длины был разработан эталонный источник излучения – гелий-неоновый лазер, стабилизированный по йоду с длиной волны 0,633 мкм, обеспечивающий повышенную (до 1 мВт) мощность из лучения, которая достигается использованием активного элемента с боль шим усилением и йодной ячейки с малыми потерями в окнах Брюстера.

В резонаторе лазера (длиной 40 см), внешний вид которого пред ставлен на рисунке 2.8, применены юстировочные устройства с увели ченной жесткостью, в результате чего период между повторными юстиров ками был увеличен до 1 года.

Резонатор образован плоским и сферическим (1 м) зеркалами и выполнен в виде трехстержневой конструкции из инвара. Для управления частотой излучения служат два пьезоцилиндра, один из которых ис пользуется для модуляции и ручной перестройки частоты лазера. Погло щающая ячейка размещается в металлическом стакане, заполненном тер моконтактной пастой. Температура отростка, поглощающей ячейки, мо жет регулироваться в диапазоне 15–20 °С с погрешностью 0,05 °С.

Рис. 2.8. Внешний вид резонатора Не—Ne/I2 лазера ВНИИМ На рисунке 2.9 схематически изображен Не–Ne/I2 лазер ВНИИМ.

Рис. 2.9. Не—Ne/I2 лазер: 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 Система регулирования (автоподстройка) позволяет стабилизировать частоту лазера по любому из нелинейных резонансов линии R (127) поло сы 11-5 йода-127 (а, b, с, d, e, f, g, h, i, j) и допускает дискретную пере стройку частоты лазера в области 320 МГц (рис. 1.10).

abc defg hi j klmn Рис. 2.10. Частота излучений Не—Ne/I2 лазер Особенностью He-Ne127/I2 лазера с 0,633 мкм является малый контраст пиков насыщенного поглощения, не превышающий 0,1%. Малая величина контраста не позволяет наблюдать резонансы насыщенного по глощения непосредственно на контуре выходной мощности лазера.

Значения частот излучений He-Ne/I2 лазера представлены в таблице 2.2.

Таблица 2. Значения частот излучений He-Ne/I2 лазера Пик Частота, Пик Частота, МГц МГц n 373612051,8 g 373612340, 97 m 373612060,9 f 373612353, 10 l 373612076,7 e 373612366, 17 k 373612084,7 d 373612379, 61 j 373612193,1 c 373612497, 46 i 373612214,7 b 373612505, 11 h 373612236,6 a 373612514, 50 Для стабилизации частоты лазера использовался метод выделения слабых сигналов сверхтонких компонент и исключения влияния мощного сигнала, возникающего от контура выходной мощности лазера. В основе метода – модуляция длины резонатора (и, следовательно, оптической час тоты лазера) с помощью синусоидального сигнала на низкой частоте f 1,6 кГц (причем модуляция оптической частоты выбирается примерно равной полуширине сверхтонких переходов йода-127 – 6 МГц) и выделе ние сигнала на частоте 3 f из спектра выходной мощности лазера. Выде лив из спектра выходной мощности лазера сигнал на частоте 3 f (исполь зуя при этом фазочувствительный детектор, управляемый той же частотой), получим для каждой сверхтонкой компоненты электрический сигнал, по которому можно стабилизировать частоту лазера, причем точка перехода напряжения этого сигнала через нулевой уровень соответствует вершине сверхтонкого резонанса.

Исследования параметров системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), полученные значения воспроизводимости частоты излуче ния лазеров "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", а также результаты между народных сличений лазеров с МБМВ и НФЛ показали, что суммарная по грешность, обусловленная погрешностями АПЧ, составляет не более кГц (2-10-12). Для оценки уровня национальных эталонов единицы длины, в которых используются эталонные источники излучения – He-Ne лазеры, стабилизированные по насыщенному поглощению в йоде, – в период с 1979 по 1984 гг. проводились международные сличения стабилизирован ных лазеров "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева" с НБС (США), МБМВ (Франция), НФЛ (Великобритания) и УНМ (ЧССР). В результате, полу чены следующие значения:

1979 г. 1982 г. 1983 г. 1984 г.

S 1 10 11 S 1 10 11 S 1 10 S 1,3 1011 (НБС) S 2,1 1011 (МБМВ) (НФЛ) (УНМ) (УНМ) Сличения подтвердили высокий научно-технический уровень разра ботанных в «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» стабилизированных лазеров, обеспечивающих воспроизводимость частоты (длины волны в вакуу ме) с CKO 2 1011.

Измерение отношений длин волн (частот) транспортируемого He Ne/CH4 лазера с 3,39 мкм (стабилизирован по F2 -компоненту, час ( 2) тота излучения которого определена на ГПЭ времени и частоты) и He Ne127/I2 лазера с 0,633 мкм (используется в качестве источника излуче ния в ГПЭ единицы длины) осуществляется интерференционным методом с использованием техники стабилизации оптической длины резонаторов и оптического гетеродинирования.

Блок-схема установки для измерения отношения длин волн пока зана на рисунке 2.11. Основой оптической части установки является мо дуляционный интерферометр Фабри-Перо 1 с осветительной системой, по строенной на использовании отражающих оптических элементов. На вход интерферометра 2 направляются световые пучки от He-Ne/CH4 лазера и пе рестраиваемого по частоте He-Ne лазера.

Одночастотный He-Ne лазер с перестраиваемой частотой излучения в пределах 1 ТГц, с выходной мощностью не менее 1 мВт и с длиной волны 0,633 мкм изготовлен на основе активного элемента лазера типа ЛГ– 52–1. Одночастотный режим генерации получен с помощью Т-образного селективного резонатора. Блок-схема перестраиваемого лазера показана на рисунке 2.12.

Рис. 2.11. Блок-схема установки для измерения отношения длин волн В интерферометре используются зеркала с диэлектрическим покрыти ем (коэффициент отражения R1 0,96 для 0,633 мкм и R1 0,98 для 3,39 мкм). Выходящее из интерферометра модулированное по амплитуде излучение перестраиваемого лазера направляется на фотоэлектрический умножитель 7 (рис. 1.12), а излучение He-Ne/CH4 лазера – на фотоприем ник ИК-диапазона 5. Длина интерферометра с помощью системы авторегу лирования 6, работающей от сигнала фотоприемника 5, поддерживается равной величине, соответствующей максимуму интерференции для излуче ния He-Ne/CH4 лазера. Сигнал фотоэлектронного умножителя 7 управляет системой авторегулирования 8, с помощью которой поддерживается часто та излучения перестраиваемого лазера и выполняется условие максимума интерференции. Излучения перестраиваемого лазера 3 и He-Ne127/I2 лазера 4 смешиваются на катоде фотоэлектронного умножителя 9 с динамиче ским преобразованием частоты подачей высокочастотного сигнала ( 50 1000МГц) на внешний электрод фотоумножителя от генератора гетеродина 10. Частота генерации измеряется частотомером 13. Усиленный сигнал фотоумножителя 9 поступает на частотомер 11 и анализатор спектра 12, служащий для контроля характеристик сигнала биений. Показания час тотомеров 11 и 13, алгебраическая сумма которых равна разностной частоте смешиваемых излучений, регистрируются цифропечатающим устройством 14. Измерения разностной частоты проводятся для интерферометров разной длины с целью исключения влияния дисперсии скачка фазы при отраже нии света от зеркал.

Рис. 2.12. Блок-схема перестраиваемого лазера:

1 – сферическое зеркало с радиусом кривизны 2 м и коэффициентом от ражения 98%;

2, 3 – плоские зеркала с коэффициентом отражения 99,8%;

4 – плоское зеркало с коэффициентом пропускания под углом Брюстера около 2,5%;

5 – активный элемент с коэффициентом усиления около 9%;

6 – источник питания активного элемента;

7 – фотодетектор с предусили телем;

8 – система автоматической настройки: дополнительного резонатора;

9, 10 – пьезоприводы зеркал В результате измерений получено значение отношения длин волн:

F2 ( 2) / 5,359050038. При этом значение частоты излучения He Ne127/I2 лазера (пик d) составляет vd a vF ( 2) 4736123794 МГц (где, vF ( 2) 88376181606 МГц – частота излучения He-Ne/CH4 лазера), а длина, волны d c / vd 0, мкм. Суммарная погрешность измерений не превышает 1 109.

Лазерный интерференционный компаратор служит для передачи раз мера 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 отме ток и измерительных поверхностей мер.

Компаратор расположен в герметичной термобарокамере (рис. 2.13), которая стабилизирует показатель преломления воздуха, температуру из меряемых мер и элементов компаратора.

Рис. 2.13. Термобарокамера Источники света, привод компаратора и тепловыделяющая электрон ная аппаратура вынесены за пределы термобарокамеры. С внешней стороны термобарокамеры с помощью активной системы термостабилизации под держивается температура воздуха 20 ± 0,1 °С. 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 виброзащищен ном основании.

В состав компаратора входит: лазерный интерферометр, интерферен ционный рефрактометр, фотоэлектрический микроскоп, интерферометр нулевой разности хода, система стабилизации нормальных условий, термо метрическая система, информационно-управляющая система.

На рисунке 2.14 изображена оптическая схема лазерного компаратора, где показаны основные его элементы.

Рис. 2.14. Оптическая схема лазерного компаратора Лазерный поляризационный интерферометр с электрооптической мо дуляцией расположен на станине с кареткой 1. В его состав входит: колли матор 2, светоделитель 3, уголковые отражатели опорного 4 и измеритель ного 5 плечей, фотоприемники 6, 7;


четвертьволновые пластинки – 8, 9, осуществляющие фазовую модуляцию и измерения дробной части поряд ка интерференции;

10 – электрооптический модулятор;

11, 12, 13, 14 – поляризаторы.

Электронная система интерферометра содержит фазовые детекторы, реверсивный счетчик, интерполятор для отсчета дробной части порядка интерференции.

Влияние показателя преломления на длину световой волны учитывается с помощью интерференционного рефрактометра (устройство для измерения показателя преломления воздуха, рис. 1.15), состоящего из He-Ne лазера 15, двухлучевого интерферометра, герметичной кюветы 16, установленной в одном из его плечей, и электроуправляемой вакуумной системы. Уголко вый отражатель 17 и двугранный отражатель 18, обеспечивающий двух кратное прохождение световых пучков через кювету, снижают чувстви тельность рефрактометра к деформациям.

Рис. 2.15. Рефрактометр Штриховая мера длины 19 расположена на каретке 1 с подвижным отражателем 5 измерительного плеча основного интерферометра так, что ее ось совпадает с продолжением измерительной оси интерферометра.

Штриховые отметки меры фиксируют фотоэлектрическим микроскопом 20, закрепленным на кронштейне 21. На этом же кронштейне закреплен отражатель 4 опорного плеча основного интерферометра. Такое расположе ние отражателя позволяет компенсировать смещения микроскопа, возни кающие из-за деформации станины при движении каретки.

Концевую меру длины 22 с притертой к ней вспомогательной пласти ной 23 располагают на станине. Измерительные поверхности меры и пла стины фиксируют с помощью интерферометра нулевой разности хода пу тем регистрации ахроматической интерференционной полосы, возни кающей при сопряжении отражателя 5 лазерного интерферометра с по верхностями меры и пластины. Интерферометр нулевой разности хода со держит осветитель 24 с источником белого света, светоделитель 3, зеркало 25, фотоприемное устройство 26. Одно из плечей интерферометра образу ет концевая мера, второе – подвижный отражатель 5 лазерного интерферо метра.

Электронная система обеспечивает поиск ахроматической интерферен ционной полосы методом выделения огибающей интерференционного сигнала при модуляции разности хода с амплитудой 5–10 полос и точное наведение на нее.

Для определения условий при передаче вещественной меры с погрешно стью 1*10-7 используются платиновый термометр (рис. 2.16), барометр (рис.

2.17), прибор для измерения влажности (рис. 2.18).

Точность измерения длины меры обусловлена точностью измерения ее среднеобъемной температуры.

Схема измерения среднеобъемной температуры меры предусматривает использование платинового термометра сопротивления и дифференциаль ных медь-копелевых термопар.

Рис. 2.16. Термометр Рис. 2.17. Барометр Рис. 2.18. Прибор для измерения влажности Для определения абсолютной температуры в зоне установки меры ис пользуется платиновый термометр сопротивления (ПТС). С помощью термопар определяется разность температур между платиновым термо метром и выбранными точками на мере. Значение абсолютной темпера туры определяется платиновым термометром ПТС-10 на основе компен сационного метода с использованием образцовой меры сопротивления Р321 и измерительного потенциометра Р363. Этот метод измерения в на стоящее время является самым точным и позволяет проводить измерения с разрешающей способностью 0,00001 Ом.

ПТС аттестовывается, как термометр повышенной точности в узком рабочем диапазоне от 0 до 30 °С. Средняя квадратическая погрешность измерения вблизи 20 °С составляет примерно 2 103 К.

Система автоматизации нового ГПЭ единицы длины предназначена для воспроизведения определенного набора процедур получения информации и управления процессом измерений в автоматизированном режиме.

Она реализована в виде цифровой информационно-управляющей системы (ИУС), встроенной в эталонную установку. Набор функций ИУС обуслов лен особенностями построения, организации функционирования и конст руктивного исполнения эталона. Информационные функции включают сбор и обработку измерительной и влияющей информации, вычисление, наглядное отображение и документирование результатов измерений.

Управление процессом измерений представлено функциями задания и контроля выполнения программы измерений, контроля функционирова ния, управления цифровыми измерительными приборами, выработки рекомендаций оператору по управлению экспериментом.

В информационно-управляющую систему входит:

набор каналов приема и регистрации информации от устройства пози ционирования, интерферометра, рефрактометра, датчиков инфор мации о температуре в районе исследуемой меры;

каналы преобразования входной информации в цифровую форму, со вместимую с ПК;

пульт оператора, на лицевую панель которого вынесены органы управления и индикации, позволяющие контролировать ход измерений и правильность работы каналов ИУС;

персональный компьютер (ПК);

блок обмена информацией нестандартных устройств с пользователем ПК, завершающей формирование системного интерфейса;

комплект программно-алгоритмического обеспечения (ПАО), соот ветствующий любой наперед заданной программе измерений штрихо вых и концевых мер длины.

Автоматизированный режим измерений задается оператором. Он за гружает в память ЭВМ целевую программу измерений и в режиме диалога отвечает на вопросы ПК, вводит с клавиатуры дисплея переменные дан ные (например, дату, номер и тип меры, ряд поправок). ИУС отслежи вает текущие позиции и в цифровой форме отображает первичную ин формацию о номере позиции, порядке интерференции, показателе прелом ления воздуха, абсолютной и относительной температурах в компараторе.

По сигналу готовности в заданной позиции ИУС регистрирует измеритель ную и влияющую входную информацию, обрабатывает ее и одновременно вычисляет результаты измерений без участия оператора, затем печатает про токол измерений. В следующей заданной позиции процедуры повторяются, в протокол вносятся новые данные. Оператор имеет возможность изме нить число измерений в каждой позиции. В случае неполадок в системе или неправильного прохождения информации ИУС высветит адрес неисправно сти или даст рекомендацию повторить измерения.

Новый комплекс аппаратуры Государственного первичного эталона единицы длины, реализующий единицу длины в соответствии с новым оп ределением метра, создан и исследован в «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».

Достигнуто существенное снижение погрешности воспроизведения едини цы и погрешности передачи размера единицы вторичным эталонным ис точникам излучений, а также реализована возможность аттестации таких перспективных средств измерений длины и перемещений, как лазерные ин терферометры.

Дальнейшее совершенствование эталона с целью повышения точности и производительности измерений длины будет осуществляться за счет совер шенствования существующих и разработки новых эталонных источни ков излучения, методов и аппаратуры измерения частот-длин волн источ ников излучения, высокоточных лазерных интерферометров и аппаратуры, необходимой для передачи размера единицы длины в отрасли народного хо зяйства, науки и техники.

Размер единицы длины от эталона МИ 2060 – 90 передатся согласно поверочной схеме (приложение 1).

2.5. Государственный первичный эталон единицы плоского угла В 1980 г. Государственным комитетом СССР по стандартам утвер жден новый государственный первичный эталон единицы плоского угла – градуса. Усовершенствование первичного эталона вызвано необходимо стью повышения точности воспроизведения единицы плоского угла, пере дачи ее размера призматическим угловым мерам, повышения производи тельности и эффективности эталона. Решение этой задачи потребовало из менения состава эталона и новой разработки.

Ранее в состав эталона входили 36-гранная кварцевая призма и эта лонная угломерная автоколлимационная установка, состоящая из двух фо тоэлектрических автоколлиматоров с цифровым отсчетом и поворотного устройства для установки многогранной призмы.

В состав эталона не входила установка, предназначенная для воспро изведения единицы плоского угла и передачи ее размера, а также элек тронно-вычислительный комплекс, что являлось препятствием для повы шения точности эталона и его эффективной эксплуатации.

Новый государственный первичный эталон единицы плоского угла состоит из:

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

угломерной автоколлимационной установки (АУ-1), предна значенной для передачи размера единицы правильным многогранным призмам;

12-гранной правильной1 призмы для периодического контроля стабильности показаний эталона.

Интерференционный экзаменатор, служащий для воспроизведения малых углов в диапазоне ±15'', применяется для аттестации эталонных фо тоэлектрических автоколлиматоров. Он представляет собой двухлучевой интерферометр Майкельсона.

Особенностью схемы интерференционного экзаменатора является расположение концевых отражателей параллельно друг другу, благодаря чему при их повороте ширина интерференционных полос не изменяется.

Отражатели изготовлены в виде одного плоского зеркала, которое закреп лено в оправе с вертикальной осью поворота. Поворот зеркала осуществ ляется как от механического привода, так и от пьезоэлемента.

Угол поворота зеркала определяется как отношение изменения разно сти хода двух пучков, вносимой этим поворотом, к длине базы интерферо метра:

tg N / 2L или N p / 2L, Правильной многогранной (n-гранной) призмой называется угловая мера, основание которой представляет собой правильный выпуклый многоугольник;

номинальные значе ния внутренних углов равны и меньше 180;

номинальные значения длин всех его сторон равны.

где – длина волны источника света;

N – количество интерференционных полос, прошедших в поле зрения интерферометра при повороте зеркала;

L – длина базы интерферометра;

'' – число секунд в радиане (206264,80625").

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

Длина базы интерферометра, представляющая собой расстояние меж ду осями двух параллельных интерферирующих пучков, падающих на концевые отражатели, определяется с помощью аттестованной шкалы, ус танавливаемой перпендикулярно интерферирующим пучкам и частично перекрывающей концевые отражатели. В интерферометре концевые отра жатели и шкала для определения длины базы совмещены и представляют собой единое плоское зеркало с двумя вертикальными штрихами, номи нальное расстояние между которыми 100 мм. В поле зрения интерферо метра одновременно с интерференционными полосами наблюдают изо бражения двух штрихов, образованных оптической системой интерферо метра. База интерферометра – расстояние между интерферирующими пуч ками L – определяется по известному расстоянию между штрихами на по воротном зеркале l и поправке l:

L l l.

Поправка l соответствует расстоянию между изображениями штрихов в поле зрения интерферометра. Знак поправки определяют в зависимости от направления взаимного смещения изображения штрихов. Значение поправ ки на длину базы определяется путем непосредственного измерения попе речного смещения аттестованной шкалы (зеркала) при последовательном совмещении изображений штрихов шкалы с неподвижной визирной осью системы наведения. Перемещение шкалы измеряется с помощью микрока тора с ценой деления 0,1 мкм.

При измерении базы интерферометра шкала должна быть установлена перпендикулярно к интерферирующим пучкам, для чего в оптической схеме интерферометра предусмотрена возможность применения белого света.

Перпендикулярному положению зеркала соответствует появление в поле зрения интерферометра черной ахроматической интерференционной поло сы.

Оптическая схема интерференционного экзаменатора приведена на ри сунке 2.19. Свет от источника 1 конденсором 2 проецируется на точечную диафрагму 3, находящуюся в фокальной плоскости объектива 4. Параллель ный пучок лучей из объектива 4 после прохождения через диафрагму призмой-кубом 6 разделяется на два пучка, которые направляются на зерка ло-отражатель 10 (один после отражения от зеркала 7, другой – после от ражения от зеркал 8 и 9). Затем пучки возвращаются в призму-куб 6 по этому же пути и интерферируют. Интерференционную картину, представ ляющую полосы равной толщины, локализованные на поверхности зеркала отражателя 10, можно наблюдать визуально с помощью микроскопа, со стоящего из объектива 13 и окуляра 14. Тот же пучок, пройдя призму-куб 15 и отразившись от зеркала 16, направляется на два фотоприемника 17, сигналы от которых попадают на двухлучевой осциллограф 18. Диафрагмы, установленные перед фотоприемниками 17, сдвинуты на четверть интерфе ренционной полосы. При смещении интерференционной картины, что про исходит при повороте концевого отражателя 10, на экране осциллографа наблюдают фигуру Лиссажу в виде окружности. По направлению враще ния пятна на экране осциллографа определяется направление смещения ин терференционных полос и соответственно направление поворота концевого отражателя 10. Отражатель 10 имеет двухстороннее зеркальное покрытие.

Внутренняя сторона зеркала входит в состав интерферометра, а наружная служит отражателем для исследуемого автоколлиматора 11.

Рис. 2.19. Оптическая схема интерферометра В интерферометре в качестве основного источника света используется гелий-неоновый лазер ( 0,632819 мкм), что повышает контрастность ин терференционных полос. Цена интерференционной полосы в единицах плоского угла составляет 0,6526. На экзаменаторе воспроизводятся углы, кратные цене целой интерференционной полосы (, 2, 3…n), т.е.

без дробных частей, что повышает точность наведения на полосу и, следо вательно, точность воспроизводимых углов.

Систематические погрешности воспроизведения углов, вызываемые погрешностью определения длины волны источника света () и погреш ностью измерения длины базы интерферометра (L), составляют:

(3 105 ) и L (3 104 ). Случайная погрешность воспроизведе ния, вызываемая погрешностью наведения, составляет 0,01 интерференци онной полосы, а в единицах плоского угла – (6,5·10-3)". Эта погрешность может быть уменьшена за счет многократных измерений. Например, при измерении шестью приемами она не превысит 0,003". Поскольку при вос произведении угла, операция наведения на центр интерференционной по лосы производится дважды, то погрешность воспроизведения будет в раз больше, чем погрешность наведения и составит для интерференционно го экзаменатора 0,004".

Оптико-механические узлы экзаменатора (рис. 2.20) размещены на чугунной плите размером 630х1000 мм и закрыты металлическим кожу хом. Для устранения влияния вибрации плита отделена от фундамента с помощью надувной резиновой камеры.

Рис. 2.20. Экзаменатор интерференционный Дальнейшее совершенствование экзаменатора предусматривает из менение фотоэлектрического способа наведения интерференционной по лосы, автоматического счета полос, стабилизации лазера по мощности и т.д.

Угломерная автоколлимационная установка, предназначенная для передачи размера единицы плоского угла правильным многогранным призмам, состоит из двух цифровых фотоэлектрических автоколлимато ров, электронной измерительно-вычислительной системы и устройства для установки и поворота многогранной призмы.

Фотоэлектрические автоколлиматоры, выполненные по идентичным оптической и электронной схемам, служат для измерения отклонений цен тральных углов призмы от опорного угла, образуемого визирными ося ми автоколлиматоров. Для образования опорных углов различных значений, что необходимо, например, для измерений методом во всех комбинациях, один из автоколлиматоров может перемещаться вокруг поворотного уст ройства по дуге окружности, а другой закрепляется неподвижно.

Оптическая схема фотоэлектрического автоколлиматора эталонной ус тановки идентична схеме фотоэлектрического автоколлиматора АФ-2. При емная часть автоколлиматора образует два канала – визуальный и фотоэлек трический.

Оптическая система, начиная от линзового компенсатора до окуляра, составляет визуальный канал и служит для приведения визирной оси са мого автоколлиматора и оси многогранной призмы в требуемое положе ние, а также для периодического контроля исправной работы всей оптико электронной системы.

Второй оптический канал переносит изображение марки, отраженное от грани призмы (зеркала), в плоскость щели вибратора, которая установ лена в фокальной плоскости объектива. Вдоль оси светового потока за щелью вибратора установлен фотоприемник (ФЭП). Световой поток, пройдя щель вибратора, падает на ФЭП, переменные составляющие сиг нала которого зависят от смещения автоколлимационного изображения марки относительно центра колебания щели вибратора. Сигнал от ФЭП поступает в измерительный канал, в котором вырабатывается сигнал рас согласования в виде постоянного тока и, проходя через обмотку вибрато ра, смещает последний в направлении перемещения автоколлимационно го изображения марки. При совпадении оси штриха автоколлимационной марки с осью колебания щели вибратора сигнал рассогласования будет равен нулю, и перемещение щели вибратора прекращается. В этом заклю чается принцип автоматического наведения фотоэлектрического автокол лиматора на грань призмы.

Напряжение постоянного тока, подаваемого на вибратор для его смещения, пропорционально отклонению изображения штриха марки от оси колебания щели вибратора, которое, в свою очередь, пропорциональ но углу отклонения грани призмы от перпендикулярности к визирной оси автоколлиматора. Это напряжение измеряется цифровым прибором. Ко эффициент усиления выбран таким, что повороту грани призмы на 1" со ответствует изменение напряжения на цифровом приборе на 1 В.

Автоматизация процесса измерения, сбор измерительной информа ции, и ее математическая обработка осуществляются с помощью автома тической измерительной системы высокой точности, включающей циф ровой прибор, индикаторные стрелочные приборы, осциллограф, измери тельный электронный блок, блок сопряжения ЭВМ с измерительным бло ком.

Функциональная схема угломерной автоколлимационной установки показана на рисунке 2.21. Сигнал от ФЭП поступает на синхронный де тектор СД и на интегратор. Постоянное напряжение с интегратора сум мируется в смесителе с переменным напряжением генератора, модули рующего напряжения ГМН, усиливается в усилителе постоянного тока УПТ и через резистор R подается в обмотку вибратора В.

Рис. 2.21. Схема угломерной установки Каждый автоколлиматор подключен к измерительному каналу, вы полненному по описанной схеме. Разностный сигнал измеряется цифро вым прибором ЦП и через блок сопряжения поступает на ЭВМ. Исходная измерительная информация и результаты последующей обработки выда ются на дисплей и печатающее устройство. Для настройки электронной части установки используют показывающие измерительные приборы.

Внешний вид угломерной автоколлимационной установки представ лен на рисунке 2.22.

Измерительно-вычислительный комплекс, функционирующий в ре альном масштабе времени, позволяет вести наблюдения за процессом из мерений и при необходимости своевременно вносить коррективы.

Устройство для установки и поворота многогранной призмы обеспе чивает приведенные призмы в плоскость измерения, ее центрировку от носительно вертикальной оси вращения, жесткое крепление на регули руемом столике и поворот призмы на заданный угол при измерении цен тральных углов. Техническая характеристика поворотного устройства представлена в таблице 2.2.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.