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科研成果

1.0.5~100mm新型一等量块标准装置

    0.5~100mm新型一等量块标准装置将移相干涉技术应用于量块测量。系统以633nm和543nm稳频激光为测量光源。通过一根单模光纤引入到干涉仪保温箱内。光纤的出光点被精确放置在准直扩束透镜的焦点上,通过准直镜后光束直径扩为φ50mm平行光。测量光通过分光镜后,一路光由参考反射镜返回,另一路光由量块与平晶的研合体反射。两路光重新汇合后,由CCD相机采集干涉条纹图像。PZT移相器与参考反射镜相连,并推动参考镜作等步移动,实现5步移相干涉测量。与平晶研合的12块量块均匀布置在电动转台上,测量时量块依次旋转到测量位置,实现多块量块同时等温测量。

主要技术指标:

测量范围:0.5~100mm

测量不确定度:U=0.015μm+0.07×10- 6L(k=2,L为量块长度)

 

2.一等大量块标准装置

 

    一等大量块标准装置采用多波长干涉法实现125~1000mm量块的高精度测量。633 nm、543 nm和612 nm三种激光波长通过单根光纤引入到一台泰曼-格林型干涉仪中,干涉仪内可同时放置3块量块进行等温测量。系统采用小数重合法进行量块长度测量,改进的Edlen公式用于激光波长修正,采用5步移相法计算干涉条纹小数,专用的测量软件完成量块的自动测量。

主要技术指标:

测量范围:125~1000mm

测量不确定度:U=0.015μm+0.07×10- 6L(k=2,L为量块长度)

 

3.高精度激光二坐标标准装置

 

 

    为建立我国二维线纹工作基准及溯源传递体系,解决先进制造业的超精密掩膜测量和溯源问题、以及应用量大面宽的光学影像测量仪、非接触坐标机和光学显微镜的校准及量值溯源统一问题,中国计量科学研究院2008年12月完成了国家科技平台项目,研制了高精度激光二坐标标准装置,2009年通过国家质检总局科技司主持的成果鉴定会,技术指标达到国际先进水平。该项目取得的主要成果有:

(1)、2012年通过标准考核建立了国家二维线纹工作基准,统一全国二维线纹量值,填补了国内空白;

(2)、2011年国家质检总局科技兴检奖一等奖;

(3)、2010年中国计量科学研究院科学技术进步奖一类一等奖;

(4)、通过国际同行评审,增加CMC两项。

主要技术指标:

测量范围:300mm×300mm

测量不确定度:U=(0.10~0.14)μm,(k=2)

该装置的主要特点及技术创新有:

(1)、二维线纹量值可直接溯源到国家长度基准633nm激光波长基准上;

(2)、整体光路和机械布局完全符合阿贝原则;

(3)、镂空式共面运动平台结构适合于透、反射照明;

(4)、基于柔性铰链技术的超精密驱动及定位系统实现大行程超精密定位;

(5)、高分辨力的精密光学瞄准定位系统实现微刻线的精密瞄准和测量,可实现测量的最小线间隔为2μm;

(6)、基于冗余原理的误差分离和修正方法,提高了二维坐标的测量精度;

(7)、独立的二维线纹测量与处理软件,适应性强,可满足刻线间距、线宽、点坐标、圆、十字网格等带有各种图形的二维掩膜板、标定板等的几何尺寸和形状测量与评价。

 

4. 2m激光干涉比长仪装置

 

    为满足一维长度计量器具的高精度、多元化的发展趋势,解决先进制造业及高新技术产业的标准器具校准、溯源及高精度测量需求,本项目在德国PTB赠送中国计量科学研究院的2m比长仪基本光机部件基础上,修复及重新设计关键部件,安装、精调光机基础机构,攻克测长、瞄准等关键技术,研制了2m激光干涉比长仪装置,提升了我国线纹基准量值传递溯源体系的水平和国际比对能力,促进和提高了我国长度计量器具及高端应用产品的竞争力,为国家高端装备制造精密测量提供有力的技术支撑。2m激光干涉比长仪装置是一台集合了精密激光干涉测长、高精度光电显微镜动态瞄准、精密气浮控制、多级驱动控制、高倍CCD显微瞄准、电感接触式瞄准、高速激光动态面扫描、折射率修正及温度实时补偿技术于一体的高精度多功能测量装置,量值可以直接溯源至国家激光波长基准。2010年项目通过国家质检总局科技司主持的成果鉴定会,鉴定委员会专家一致认为:

(1)、国内首次研制成功2m激光干涉比长仪。该装置采用了优良的结构,课题组研制了先进的测控系统、高精度环境参数测量系统、隔震系统等,可用于检测线纹尺、光栅尺、容栅尺、激光干涉仪、以及步距规等。

(2)、国内首次将高稳定性碘稳频532nm半导体激光系统直接用于2m激光干涉比长仪,波长稳定度达到4×10-15(取样时间1000s),提高了激光干涉仪测长的准确性。

(3)、采用全硬件激光干涉条纹高速信号细分方法,实现了激光干涉条纹信号硬件5000细分,分辨力达到0.05nm,测量速度可达到10mm/s。实现了线纹尺激光干涉的高精度、高速测量。

(4)、采用高精度位移传感器和智能控制技术,实现了2m激光干涉比长仪姿态控制,倾角控制精度优于±15″减小了环境振动对激光干涉仪的影响。

(5)、利用干涉仪测长细分脉冲对光电显微镜信号的同步采样,通过数字化处理,实现了优于20nm的线纹尺刻线瞄准精度。

    该装置测量线纹尺的不确定度达到(20+40L)nm(k=2,L以米为单位的数值),技术指标达到了国内领先、国际先进水平。该装置的研制成功,提高了我国在国际长度测量的影响力,对国家高端装备制造精密测量提供了有力的技术支撑。

该项目取得的主要成果有:

(1)、2012年通过标准考核建立了激光干涉比长仪工作基准装置,提升了全国线纹量值溯源水平;

(2)、2013年国家质检总局科技兴检奖一等奖;

(3)、2013年中国计量科学研究院科学技术进步奖基础研究奖一等奖。

技术开发与应用:

研制开发新型多功能1m激光比长仪,助力地方计量机构提升长度精密测量能力。

5.国家科技平台课题:建立GPS接收机检测场国家标准装置,不断完善GPS接收机静、动态校准系统实验室,开展GPS接收机的检测和校准。

6.奥运科技(2008)行动计划专项(奥运场馆几何量参数计量技术研究):用光电测距仪、激光跟踪仪、电子经纬仪等高精度测量仪器检测奥运场馆几何参数。研究快捷、方便,准确度高的测量方法,制定相应的测量程序及确定各种尺寸的最佳计算方法,分析其测量不确定度,提高我国体育场馆几何量参数的检测精度。

7.提升和完善大长度量传溯源体系--建立GPS标准基线网,统一野外大长度量值。开展GPS接收机的检测场的量值传递,使大长度研究室在国内外野外大长度量值传递的方面具有主要地位。

8.建立1.2km标准基线,提升和完善大长度量传体系,全面开展光电测距仪及全站仪的检定测试工作。以检定测试主要的测绘仪器为契机,逐步研究开发室内大长度计量仪器和测绘仪器(天顶仪,地顶仪,水准仪,经纬仪,激光扫平仪等)的检测方法,使本研究室成为国内检测高精度测绘仪器的主导实验室。

9.室内80m大长度激光比长国家标准装置的研制

研制了目前国内最长81m花岗岩导轨,导轨定位面直线度优于400μm/80m,研制了一体式长导轨气浮支撑和精密调整机构,实现20根花岗岩导轨拼接和精密调节,提出了组合式直线度测量的新方法,解决超长导轨变形大、难调整、两维方向直线度难检测的问题。研制了自动控制的运动平台系统,运动平台采用气浮和气吸附平台,实现快速精确定位,在全长范围内任意位置定位精度优于1μm。

提出了一种基于三路独立激光干涉仪的空间三角形测长系统,实现了空间任意位置多台仪器阿贝误差消除方法。研究了大尺寸范围内折射率修正系统及修正方法,研制了多传感器的空气温度测量系统,可测量范围内均布多达40个传感器,减小了温度梯度引起的测量误差,使得空气温度测量不确定度优于10mK,装置折射率修正标准不确定度优于 。

建立了《室内80m国家长度标准装置》国家级社会公用标准,为我国大尺寸仪器溯源提供溯源源头,装置最佳不确定度为0.07μm+0.7×10-7 L(k=2)。技术指标处于国际先进,是目前国内距离最长、精度最高、测试性能最好的大长度计量标准装置。装置为我国计量、测绘、国防工业、航空航天、水电、风电、工程测量、汽车船舶制造、轨道交通工具制造等领域广泛应用的激光干涉仪、激光跟踪仪、扫描仪、三维摄影测量系统等大长度仪器,标准球杆、摄影基准尺、标准尺等实物标准器提供量值溯源服务。装置的关键技术已以技术开发形式应用于省市计量机构,提高了我国大长度计量水平。装置为国家重大仪器专家、02科技重大专项、高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金科学仪器基础研究专项、国家质量基础NQI专项等重大专项提供了成果测试验证平台和研究基础。

10.大尺寸空间坐标国家标准

    研制大尺寸空间坐标标准装置:三维测量范围8m×6m×3m,研究大尺寸空间坐标标准装置的溯源方法:用4台激光跟踪干涉仪多边定位坐标测量技术、并与实物标准器相结合的方式建立空间坐标标准;

建立三维数字摄影系统校准场,范围约4m×2.5m×0.5m,校准场与大尺寸空间坐标标准装置的坐标系统一

 

 

11.三维数字化近景摄影校准及测量装置的研究

(1). 高精度三维摄影测量系统的校准装置,600×600×600 mm3校准空间内长度校准不确定度小于3µm(k=1);2m校准空间内长度校准不确定度为(3+3L)µm(k=1);

(2). 高精度三维数字化近景摄影测量装置,包括双相机摄影系统、精密导轨直线运动辅助系统、相机内参数校准系统、摄影测量软件,(400-600)mm3测量空间内测量不确定度达到10µm(k=1);建立快速三维建模系统,该系统具有色彩饱和度高,纹理清晰,材质准确的特点;

项目成果为摄影测量系统校准和工业现场测量发挥了重要作用。校准系统用于对送检的各类摄影测量系统进行检测,保证其量值准确可靠,项目完成以来检测摄影测量相机及附件百余台件。利用校准装置为航天科技集团某部门进行真空低温特殊环境下摄影测量精度的测试,满足了航天任务的需求。对某企业研发的三维城市街图数据采集设备进行了检测,保证了街景采集相机的性能指标。

 

12.漠河野外大长度低温基准装置

      项目建立了漠河5km野外标准基线,测量范围:5km,不确定度U=1×10-6L,(k=2,L≥1km);漠河方位标准装置,标准方位一等天文观测精度0.5″; 漠河GNSS连续跟踪站。

    漠河5040m比长基线、漠河天文方位标准装置、漠河GNSS跟踪站组成的漠河低温综合检测场,利用漠河宝贵的低温、高纬度、天文观测、林区等天然自然资源条件,是国内极寒地区长度、方位及坐标首台国家野外低温综合检测平台,填补了我国野外无测绘装备低温综合检测装置的空白,为测绘装备的低温指标提供检测标准。项目为我国的测距仪、全站仪、陀螺经纬仪、GNSS接收机等测绘装备的量值溯源提供综合检测场地,同时为我国计量、测绘、地震、航空、航天、军队战备等行业提供了可长期保存、低温、野外综合国家实物标准。

    项目提供的集长度方位坐标一体多参数测绘仪器装备低温综合检测场,可为军队、地方提供测绘装备多参数综合标准,用于测绘装备量值传递,导弹发射阵地、技术阵地空间基准测量。项目可为国家和军队信息化建设提供地理空间测绘装备计量技术支持,建立军队的导弹武器空间基准量值传递体系提供计量技术基础,确保如导弹武器试验、演习、作战发射所需的空间基准的准确性和可靠性,使军民融合在测绘仪器装备技术保障中得到了充分体现。

 

 

 

 

13. 野外标准基线环境温度自动测量系统

    昌平1.2km标准基线上具备多陈列温度、气压、湿度等传感器的环境参数自动测量系统,是国内外唯一具备环境参数自动测量修正的1.2km标准基线。1.2km全场范围内60个温度传感器及30个测温电桥,13个湿度传感器、3个压力传感器及配套的13个设备控温箱等组成环境温度自动测量系统。可用于高精度全站仪、测距仪的计量校准及量值溯源,标准基线测量不确定度优于0.8×10-6L k=2 L≥1km),环境参数自动修正系统的修正不确定度优于0.3×10-6

14. 圆锥量规锥度国家基准装置——激光锥度测量仪

    圆锥量规锥度国家基准装置是统一全国圆锥量规锥度量值的最高标准,用以保证全国圆锥量规锥度量值准确可靠,达到圆锥工具统一互换,提高机械产品质量。目前,将自主研发的激光锥度测量仪作为圆锥量规锥度国家基准装置,激光锥度测量仪主要由多齿分度装置、激光小角度干涉系统、双光束白光干涉系统、精密旋转工作台、数据采集与处理系统等若干部分组成。该测量装置以双光束白光干涉方法进行圆锥量规母线的精确定位,采用高精度多齿分度台测量量规旋转的大角度值,并利用激光小角度干涉仪及精密回转工作台测量量规旋转的小角度值,将数据送入计算机处理后得到圆锥量规的锥角值。其测量范围包括普通机床和加工中心中广泛使用的7:24和HSK锥角系列,锥度C = 1 : 3 ~ 1 : 50,测量长度Lp = (30 ~ 160) mm;测量不确定度为U = 0.2″ (k = 2)。

 

15. 齿轮螺旋线基准装置

 

    “新一代齿轮螺旋线基准装置的研制”项目属于2012年国家公益性行业科研专项项目,由中国计量科学研究院承担。项目针对齿轮制造精度不断提高以及国际对齿轮高精度测量技术的要求,利用先进的坐标和激光测量原理及CNC控制技术,研究新的螺旋线基准测量方法,研制了一台可直接溯源到激光波长的齿轮螺旋线测量几何装置。2015年11月19日,该项目通过了国家质检总局科技司主持的成果验收会。项目取得的主要创新成果有:

(1)系统设计并研制出一台可直接溯源到激光波长的齿轮螺旋线综合测量装置,该装置集渐开线、螺旋线及齿距测量与分析功能于一体,突破了我国现有齿轮标准装置只能单参数测量的局限性,螺旋线偏差扩展测量不确定度为0.9μm/100mm(k=2)。

(2)构建了一种齿轮渐开线和螺旋线的2D激光测长光路,减小了装置的阿贝几何误差。

(3)建立了3D探测系统沿齿面扫描测量时产生的挠曲变形对激光测长的修正补偿模型和齿轮螺旋线与渐开线量化修正模型,有效提高了渐开线和螺旋线测量精度。

(4)提出了一种用于渐开线和螺旋线测角的气浮回转台角位置自校准修正法,使角度分度误差降低到0.1″。

新一代齿轮螺旋线基准装置的研制对保证国内齿轮螺旋线量值传递的一致性及解决国内高精度齿轮的溯源和校准问题,提升我国精密齿轮的加工和评价能力提供了强有力的技术支撑。

 

16. 直径与形状综合测量标准装置

 

    直径与形状综合测量标准装置主要用于回转体类零件的直径尺寸和截面圆度、母线直线度等形状参量的测量。该装置采用双传感器対径布局,利用圆柱度误差复合反向分离法,可实时分离出空间回转主轴和Z轴的平行性误差对形状测量的影响,提高形状测量精度。该装置所涉及的主要关键技术包括超精密轴系技术、超精密导轨技术、超精密传感器技术、激光干涉测量技术、复合误差分离和补偿技术以及多轴联动超精密闭环式驱动控制技术等,为提高我国精密仪器制造业的技术水平提供强有力的技术支撑;建立了以复合误差分离技术为特点的超精密直径和形状评价方法,为我国几何量产品技术规范标准的制订提供技术依据和保障。其测量范围为160mm×100mm×150mm;测量不确定度为0.1μm/100mm,(k=2);主轴径向回转误差为(0.02+3L/10000)μm;主轴轴向误差优于0.03μm;主轴定位精优于3″。该标准装置的建立填补了我国直径和形状参量综合测量的空白,解决了我国超精密直径和形状测量技术落后的问题,统一全国直径和形状量值,为我国GPS标准的制订和实施提供强有力的技术支撑,为我国先进制造业、航空航天、军事及相关领域测量数据的准确可靠提供有力保障。

 

17. 膜厚计量

    膜厚是薄膜厚度的简称,是光学、机械、电子、半导体等产品为实现某种功能通过特定加工方法沉积镀制的表面覆盖层或自支撑单体薄膜的厚度,是微小尺度几何参数,是薄膜的几何、光学、材料等诸多特性参量中重要参量之一。膜厚计量是关于对膜厚计量标准器、标准测量装置的研制、保存,膜厚及膜厚测量仪器的校准、精密测量技术及测量不确定度的研究,包括光学膜、金属膜、有机或无机膜等,例如单镀层膜、多镀层膜、自支撑膜、透明膜等膜厚以及X射线荧光镀层测厚仪、库仑测厚仪、涂覆层测厚仪的检测、校准、能力验证等。金属标准薄膜具有特定材料(如金、镍等多种单金属或合金)和厚度范围(几十纳米至几微米)。膜厚是微电子、半导体、新能源产品等先进制造中必须精密控制的关键参量,直接影响电子产品的外观、功能、质量、寿命,自支撑标准薄膜是膜厚参数测量和溯源的计量标准,是膜厚计量领域应用最广泛的标准物质。自支撑标准膜厚,属静态实物样品,主要用于镀层膜厚分析测量仪器的误差校准及量值传递溯源。薄膜安装尺寸:30mm×20mm;膜层材料:金Au、镍Ni、银Ag、铜Cu、锡Sn、锌Zn、铬Cr;膜厚:(0-2)μm, MPE:±(1~5)%;包装盒外形尺寸:75mm×40mm×20mm。