您的位置: 首页 > 院属机构 > 专业研究机构
科研成果

一、质量实验室

1. 2000 kg高准确度大质量参数测量装置的研制

    经过历时4年的努力,课题组科研人员将大国工匠精神融入对技术细节的追求,创新地提出了金属材料特殊的高温深冷循环的处理方法等多项关键方法,攻克了有限空间内的自动组合配衡等多项关键技术,成功研制了具有自主知识产权的高准确度大质量参数测量装置。该装置仪器化程度高、可复制性强,满载重复性为0.15 g,灵敏度为1.27 g,测量扩展不确定度为3.6 g(k = 2),进入世界先进行列,被验收专家誉为“我国大质量标准测量装置中设计精巧、工艺创新的精品”。

Picture 3Picture 2

2000 kg高准确度大质量参数测量装置

2. 微克质量标准的建立与溯源中的关键技术研究

    课题组历时4年,成功研制了微克质量标准2套、微克质量测量系统1套、微克质量标准500 μg、200 μg、100 μg和50 μg测量扩展不确定度分别优于 0.22 μg(k=2)、0.14 μg(k=2)、0.13 μg(k=2)和0.094 μg(k=2);本课题的研究成果整体综合技术指标和性能达到了国际先进水平,填补了我国微克质量标准测量能力空白,构建了我国微克质量溯源体系。

调整大小 a5质量称量系统照片

微克质量测量系统

 

二、力与扭矩实验室

1)20kN•m高准确度扭矩标准装置的建立

    针对风电、船舶、国防等行业对大扭矩计量的需求,开展了“20 kN•m高准确度扭矩标准装置的研发”的项目研究,历时4年攻克了以静压空气轴承为支撑的静重式大扭矩标准机的核心技术,成功研制了20 kN•m高准确度扭矩标准装置。该装置的测量范围为100 N•m~24 kN•m、扩展不确定度优于2×10-5(k=2)),综合技术指标和性能达到国际领先水平。

    该装置建成后可将我国扭矩基准的测量上限由5 kN•m扩展到20 kN•m,提高我国扭矩量值在CMC中的测量能力,扩大我国扭矩值的量值传递范围,解决我国大扭矩量值溯源问题。

 

2)微纳力值标准的建立与溯源中的关键技术研究

    本课题为国家科技支撑计划项目“微纳技术计量标准和标准物质研究”(2011BAK15B00)中课题6“微克质量及微纳力值标准的建立与溯源中的关键技术研究”(2011BAK15B06)的子课题,2011年12月31日启动,2015年12月23日通过验收。

    本课题的承担单位为中国计量科学研究院,协作单位为天津大学。课题组历时4年,成功研制了微纳力值标准装置2套。采用静电力原理的微纳力值标准装置在10 μN~100 μN量级,力值测量相对标准不确定度优于0.06%;采用质量方法的微纳力值标准装置在1μN~10μN量级,力值测量相对标准不确定度优于0.4%。本课题的研究成果整体综合技术指标和性能达到了国际先进水平,填补了我国微纳力值标准测量能力空白,构建了我国微纳力值溯源体系。

    微纳力值计量在新材料、生物医学、微电子等领域有着重要应用需求。本课题研制的计量标准将为原子力显微镜(AFM)、纳米压入测量系统等各种微纳力学计量仪器提供高准确度的量值溯源手段,提高测量的准确度,减小测量结果的分散性,为国内相关行业的科学研究和产业化发展提供强大的技术支撑。

 

说明: 调整大小 IMG_2442

采用质量方法的微纳力值标准装置采用静电力原理的微纳力值标准装置

 

三、容量密度实验室

固体密度基准

    固体密度基准是以固体标准物质的密度作为密度量值溯源的最高标准向其它物质或装置进行密度量值传递的密度基准。固体密度基准应具备的主要特征包括:(1)极高的准确度,其量值可直接溯源至计量基本单位质量和长度;(2)简单、理想的几何形状:如球形、立方体、圆柱等等,其中球形以其易于计量和不易被碰损等特点成为首选;(3)制造材料要求低膨胀系数,稳定的物理化学性能,足够强的机械强度如单晶硅,微晶玻璃,熔融石英等等,其中以单晶硅材料最为理想。固体密度基准以其直接溯源到长度和质量基准的特点而具有极高的准确度,又因为用于固体密度基准的单晶硅材料具有极好的材质均匀性和物理化学性能稳定性,因此固体密度基准的高准确度又具有长期稳定的特点,即使固体密度基准因为某种原因遭到碰损,其密度值不会改变仍可继续使用。因此建立固体密度基准将大大的提高我国的密度量值溯源能力,填补我国密度计量领域的空白。对参与密度量值的国际比对,实现我国密度计量与国际接轨有着十分重要的作用。此外,固体密度基准研究也是进行阿伏加德罗常数测量的关键技术。阿伏加德罗常数(NA)是实现七个基本量之一,我国尚未建立的摩尔基准的重要组成部分,是实现质量自然基准主要的潜在方法之一。

    我院于2006年建成的固体密度基准主要特点和技术指标是:利用自主提出的“改进型五步算法”,通过将技术上难以实现的步长“准确控制”转换成步长测量,利用该算法解决了精密测长中的技术难题;利用“压力扫描”原理设计出“腔长可变式”法-伯标准具,建立了一套技术原理新颖,并能进一步提高测量准确度的相移法精密测长系统,实现了对单晶硅球直径的准确测量;该测量系统对硅球直径的测量重复性达到4nm;固体密度测量的合成标准不确定度为2.2×10-7,达到了国际先进水平。

 

非接触相移干涉法单晶体硅球密度绝对法测量系统

 

    基于三维非接触激光扫描原理的特大型及异型金属容器容积计量方法研究和装置建立,采用非接触阵列式激光扫描测量方法进行大型静态容积计量容器的精密计量,突破现有计量方法的前提约束,将大型静态计量容器不作为理想几何体处理,建立基于非接触激光大空间扫描原理的静态容积测量系统进行大型计量容器空间坐标测量,生成大型静态计量容器的真实物理3D几何模型,解决以往测量方法速度慢、局部特征缺失、受内部附件遮挡、外测站数据坐标系不一致和累计误差的问题。

    同传统测量方法相比,本项目研究成果具有数据获取速度快(测量速度提高3倍)、实时性强、数据量大(测点数量提高10000倍)、主动性强、点位密集(点位间隔从1000mm减小至2mm)、精度高(可以将10×104m3大型静态计量容器校准相对不确定度从0.1%提升至0.06%k=2)等优势,大大提高计量工作人员工作效率和现场工作人身安全系数。本项目研究成果已经在计量、石化能源和现代物流设备制造行业近20家单位进行了应用,为国家战略能源储备库大型静态计量容器提供了精确标定服务。

 

 

四、硬度室

五、振动重力室

1、超低频振动国家基准装置

    课题是基于地震观测、地质勘探、环境监测、航空航天、精密制造以及结构和生物动力学等领域对超低频振动量值溯源迫切需求的背景下提出。历史4年,攻克多项技术难题,研制出超低频振动国家标准装置。

    课题研发了超低频(0.002Hz)、大位移(水平1m、垂直0.1m)、大负载(30kg)和低失真(<1%)振动计量基准装置;研制了高精度超低频振动套组。课题主要创新点为:(1)创新设计了闭合式双磁路结构和高固有频率的运动部件,解决了长行程水平振动台结构设计难题;(2)创新设计了大行程水平振动台管线拖曳同步跟踪系统,解决了管线牵拉影响台面运动精度的问题; (3)创新设计了位移、速度和加速度复合运动量反馈控制系统,降低了全频带范围内的加速度失真度;(4)研制了直流输出的大光程零差正交激光干涉仪,并采用数据自适应动态分解算法,在国内外首次实现了加速度复灵敏度激光绝对法测量频率下延到0.002Hz、复现2´10-5m/s2微加速度的技术突破;(5)研发了超低频伺服加速度计套组,可测频率(0.005~200)Hz,振级(5×10-4~50)m/s2的加速度,解决了因发达国家禁销,造成大多数国家无超低频振动传递标准的技术瓶颈问题。

    专家鉴定意见为“填补了国内外(0.1~0.002)Hz激光绝对法振动幅值和相位校准的空白,属自主创新科研成果,研制的装置属国内外首创。主要技术指标达到国际领先水平,具有重大推广应用价值”。课题申请发明专利7项,授权1项;获实用新型专利5项;发表论文24 篇,其中EI期刊收录15篇。

    研制的超低频、大位移、大负载和低失真振动计量基准装置解决了我国各领域超低频振动量值的溯源问题;为北京市地震局三分量超宽频带(0.0067Hz~40Hz)高精度地震计的自主研发和中国强度环境研究所购置美国某公司低频振动传感器的验收提供了技术依据;研制的超低频标准套组作为标准器,成功应用于我国主导的APMP低频振动国际比对和国内比对。研究成果在中国测试技术研究院、中国地震局工程力学研究所、中国地震局地球物理所、中国地震灾害防御中心、四川省地震局、湖南省电力公司试验研究院、中国石油东方地球物理公司等国家重要研究部门进行了技术移植,为推动相关领域的科技进步、提高地震计等超低频振动测量仪自主研发水平发挥了重要的计量支撑作用。

 

IMG_0620

超低动国基准装置

 

2、角振动基准装置

    针对国内角振动量值无法溯源、测量频率范围窄、量值精度不高的问题,中国计量科学研究院申请并承担了角振动基准装置研制的课题,任务来源于国家质量监督检验检疫总局科技计划项目,总经费255万元。于2012年初课题立项,于2015年6月完成,历时3年6个月。

    项目中攻克了多项国际性技术难题,研制成功了具有完全自主知识产权的宽频带(0.0005~1200 Hz)、低失真(小于1%)、大负载(10kg)、大动态范围(0.04~2000rad/s2)的激光绝对法角振动基准装置,填补了国内角振动基准空白。

    装置主要包括低频角振动台系统、中频角振动台系统、衍射光栅式外差激光干涉仪以及相关测量控制软件等。主要创新成果有:①创新提出了多层线路板多圈互绕式线圈结构,解决了角振动台盘式动圈推力小、转动惯量大的技术难题;②创新设计了一种具有轴向气隙的双磁源磁路结构,解决了盘式动圈角振动台结构中强而均匀的轴向气隙磁场的设计难题;③发明了一种基于跟踪旋转磁场的径向气隙磁路结构,解决了低频振动台运动部件超大位移输出的技术难题;④创新提出了基频模拟移相技术和矩阵无限衍生分布算法,解决了正弦衍射光栅式外差激光干涉仪解调低频或超低频角振动难的问题,扩展国际标准中外差技术正弦逼近法下限频率至0.05 Hz;⑤创新提出了适用于角振动光栅衍射法测量的同时基动态最小载波技术,解决了小位移角振动精确测量的技术难题;⑥创新提出了模糊和无参自适应的混合振动控制策略,实现了角振动校准过程的自动化。

 

IMG_0766

 

 

参    数

角振动基准装置

频率范围

0.0005Hz~1200Hz

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

角加速度(峰值)

(0.04~2000 )rad/s2

最大角速度(峰值)

13 rad/s

最大角位移(峰峰值)

300°(低频角振动装置)

60°(中频角振动装置)

台面波形失真度

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

最大负载

10 kg(低频角振动装置)

0.5 kg(低频角振动装置)

复灵敏度测量不确定度(k=2)

角加速度计:

1.0%,0.5º(0.05Hz≤ f <0.1Hz);

0.5%,0.5º(0.1Hz≤ f ≤ 630Hz);

0.8%,1.0º(630Hz< f ≤1200Hz)

角速度、位移传感器:

0.4%,0.5º(0.0005Hz≤ f <0.05Hz)

    装置主要用于角加速度计、角速度计、角位移传感器、陀螺仪以及角振动测量仪器的检定和校准。这类仪器广泛应用于航空航天、国防军事、交通运输、发动机内燃机、机械制作、机器人等领域。

3、成功解决高加速度振动量值溯源问题

    针对航空发动机、燃汽轮机等高端动力装备关键零部件疲劳测试中高加速度振动量值的溯源需求,中国计量科学研究院力学声学所围绕高加速度振动量值的发生、控制和高精度测量技术,展开了深入研究,研制了谐振式高加速度振动标准装置。经过多年努力,项目组基于谐振放大原理,创新性地提出了“直推谐振梁固支端”的设计,解决了谐振梁附加阻尼的影响,成功研制了最大加速度10000 m/s2的谐振式高加速度振动发生装置;采用谐振频率迭代识别的方法,解决了谐振梁共振频率的实时跟踪问题,建立了谐振式高加速度振动控制系统,实现了高加速度振动的精确控制;采用带通采样和奈奎斯特采样结合的技术,解决了高加速度振动量值的绝对法测量问题,实现了17.9 Hz~2968 Hz频率范围内外差激光干涉信号的直接采集和解调,建立了绝对法高加速度振动测量和校准系统。该装置已经应用于新型航空发动机叶片测试设备和传感器的校准和测试,为我国航空发动机叶片测试中加速度高达10000 m/s2的振动量值提供了准确溯源。

 

“高加速度振动发生装置”“谐振式高加速度振动控制、测量和校准系统”

 

4、 成功研制高速列车行驶速度计量标准装置

    针对铁路交通领域对高速列车行驶速度测量仪的计量需求,中国计量院力学声学所组织开展了国家重大科学仪器设备开发专项任务“高精度宽量程多普勒雷达测速技术的研究及其测量装置的研制”的课题研究。课题组历时4年,于2016年成功研制了高速列车载雷达测速仪模拟检测装置1套、活动路面模拟装置1套、高速列车现场测速标准装置3套。其中,高速列车载雷达测速仪模拟检测装置的模拟测速范围达到(5~500)km/h,模拟测速误差在±0.1km/h范围之内;活动路面模拟装置的测速范围达到(5~250)km/h,测速误差在±0.12km/h范围之内;高速列车现场测速标准装置的测速范围达到(1.2~350)km/h,测速误差在±0.2km/h范围之内。课题研制的系列计量标准装置,有利于解决高速列车行驶速度测量仪的溯源问题,并初步确立了高速列车行驶速度测量的量值溯源体系,填补了国内高速列车行驶速度测量仪缺乏溯源能力的空白,为国内高速列车测速相关行业的科学研究和产业化发展提供的技术支撑。

 

20141231-项目办年终检查-声像资料-声像资料-高速列车载雷达测速仪模拟检测装置(速度模拟模块1)

高速列车载雷达测速仪模拟检测装置        活动路面模拟装置

 

11

高速列车现场测速标准装置

 

5、加速度计动态特性校准装置——阶跃和脉冲加速度激励系统

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     针对压电加速度计动态特性及其校准的问题和动态机械量测量的需求,开展了压电加速度计动态特性及其校准装置与方法的研究。课题组紧盯国际同行的最新研究内容,对加速度计在常规使用范围内其动态特性的表征以及校准装置进行了深入的研究,建立了阶跃加速度激励校准系统。针对压电加速度计动态特性及其校准的问题和动态机械量测量的需求,开展了压电加速度计动态特性及其校准装置与方法的研究。利用线性测量系统的频率响应与冲激响应为一对傅里叶变换对的原理,建立了基于钢珠碰撞的加速度计动态特性脉冲激励系统,该系统主要控制不同直径的钢珠碰撞产生脉冲信号,从而实现对加速度计宽频范围的激励。主要优点是能够产生脉冲持续时间足够窄的冲击激励信号,通过加速度计的输出,直接确定加速度计的幅度与相位响应曲线。装置如下图所示。

该装置采用重复性与可控性好的电磁力锤作为小钢珠的发射器,这样确保每次碰撞试验的波形一致性好,同时采用三路激光自动校准水平的模块,确保加速度计安装水平。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6、研制新型绝对重力计量仪器及主办绝对重力仪国际关键比对

为了更好地满足地质勘探、地质研究、国防军事和计量科学等领域对精确测定重力加速度的需求,自主研制了新一代NIM-3型、NIM-3A型、NIM-3B型可移动式绝对重力仪,研究了绝对重力仪的计量特性。其中NIM-3A型采用了创新的低频拾振修正技术,自动化程度、测量效率大大提高,测量结果合成标准不确定度优于5微伽,达到国际先进水平,并顺利参加了2013年11月在卢森堡大学(瑞士计量院为主导实验室)举办的第九届全球绝对重力仪关键比对,取得了与关键比对参考值仅差1.5微伽的结果,建成了新的重力加速度(绝对法)校准装置社会公用计量标准。NIM-3B型进一步研究了振动抑制方案,研制了动平衡式绝对重力仪,减小仪器自振影响。为了保证绝对重力仪测量的准确性,开展了仪器自引力、光速有限、激光衍射等计量特性研究工作。(参照计量特性研究项目结题报告)(连云港开发项目)

 

IMG_1703.JPG

 

    代表我国成功申请到2017年全球绝对重力仪关键比对主办权,这是该重要国际关键比对自开始主办以来的三十多年来首次移出欧洲,意义重大。完成超导重力仪、FG-5X型绝对重力仪购置、相对重力仪精密重力网测量、超导重力仪连续观测计算重力固体潮汐模型等前期准备工作。在此基础上,主办了第一届亚太区域绝对重力仪关键比对(APMP.M.G-K1),为2017年第十届全球绝对重力仪关键比对积累了经验,奠定了基础。

 

IMG_20160127_170316.jpg

 

六、声学实验室

1、新一代声压量值复现技术及其应用研究取得阶段性成果

(1)基于LDV技术的空气声声压量值复现装置

    为实现声压量值的直接复现,建立了低失真的行波管声场和双光束多普勒测量系统,实现声场中粒子振速的测量。基于CCD成像技术实现测量体内干涉条纹畸变的监测和条纹间距的测量,优化激光干涉质量,降低干涉条纹间距引入的系统不确定度;进行声管内介质声速和密度的定量评估,降低介质声阻抗引入的系统不确定度;声压复现的频率范围为 250 Hz~2000 Hz,不确定度为0.2 dB(k=2)@1 kHz。

 

图基于粒子振速测量的空气声声压量值复现

 

(2)高强度聚焦超声(HIFU)声压复现及声场测量研究

    针对超声领域中治疗声场参数无法溯源、无法直接测量等问题,自行建立宽频激光测量系统、高速数字解调系统等,通过激光扫描技术实现了高强度超声声压场的直接测量,克服了压电或光纤水听器耐受度不高、侵入测量对声场的破坏、以及有限尺寸带来的平均效应修正等问题。

    测量频率范围为0.5 MHz ~60 MHz,声压峰峰值高达10 MPa@1 MHz,不确定度 15%(k=2),基本满足治疗超声声场的测量需求。

 

图高强度超声声压复现及聚焦超声场(HIFU刀)测量结果