Голубев Сергей Вячеславович гр Первый эталон изготовлен французским мастером Ленуаром под руководством Ж. Борда в 1799 г. в виде концевой меры длины - платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами, равным принятой единице длины. Метр (франц. metre, от греч. métron мера) - единица длины метрической системы мер и Международной системы единиц г. Согласно первому определению, принятому во Франции, метр был равен десятимиллионной части четверти длины парижского меридиана. Размер метра был определен на основе геодезических и астрономических измерений Ж. Деламбра и П. Мешена г.
Поперечное сечение эталона имеет форму Х (рис. 1), придающую ему необходимую прочность на изгиб. Вблизи концов нейтральной плоскости эталона (ab, рис. 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 качестве международного прототипа метра. 1875г. Семнадцать стран подписали Метрическую конвенцию «для обеспечения международного единства и усовершенствования метрической системы» и учредили Международное бюро мер и весов Международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960
«Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени, равный 1/ с». (погрешность м) 1983 г. «метр длина, равная ,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5d 5 атома криптона - 86». (погрешность м) 1960 г. Принятие «архивного метра». Эталон метра - брус из сплава Pt (90%) lr (10%). Поперечное сечение эталона имеет форму Х (погрешность 1×10 -7 м) 1872 г.
Тип лазера Способ стабилизацииЧастота, МГц Длина волны, фм Относитель -ная неопреде- ленность 1Аргоно- вый лазер стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде- 127; переход 43-0, Р(13), компонента s ,42,5х Nd:YAG с удвое- нием частоты стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде- 127; переход 32-0, R(56), компонента а 10 : , ,147х Не-Nе лазер стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде- 127; переход 26-0, R(12), компонента а , ,12,5х10 -10
4Не-Nе лазер Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде- 127; переход 9-2, R(47), компонента а , ,03х Не-Nе лазер Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде- 127; переход 11-5, R(127), компонента а ,222,5х Не-Nе лазер Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде- 127; переход 8-5, Р(10), компонента а , ,74,5х10 -10
Измеренная частоты излучения f-компоненты Не-Ne/ 127 I 2 лазера VNIIM2 составила ν f = , 6 кГц
1 Эталонный источник излучения Гелий-неоновый лазер, стабилизированный по йоду с длиной волны 0,633 мкм, обеспечивающий повышенную (до 1 мВт) мощность излучения, которая достигается использованием активного элемента с большим усилением и йодной ячейки с малыми потерями. Внешний вид резонатора НеNe/I 2 лазера ВНИИМ
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
2 Установка для измерения отношений длин волн Блок-схема установки для измерения отношения длин волн 1 – модуляционный интерферометр Фабри-Перо 2 – лазер He-Ne/CH 4 3 – перестраиваемый лазер 4 – лазер He-Ne/ 127 I фотоприемник ИК-диапазона 6, 8- система авторегулирования 7,9 – фотоэлектронный умножитель 10 – генератор-гетеродин 11, 13 – частотомеры 12 – анализатор спектра 14 – цифропечатающее устройство.
3 Лазерный интерференционный компаратор Лазерный интерференционный компаратор служит для передачи размера 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 отметок и измерительных поверхностей мер. Компаратор расположен в герметичной термобарокамере (рисунок представлен на следующем слайде), которая стабилизирует показатель преломления воздуха, температуру измеряемых мер и элементов компаратора. Источники света, привод компаратора и тепловыделяющая электронная аппаратура вынесены за пределы термобарокамеры. С внешней стороны термобарокамеры с помощью активной системы термостабилизации поддерживается температура воздуха 20 ± 0,1 °С.
ТермобарокамераРефрактометр
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 виброзащищенном основании. Состав: лазерный интерферометр интерференционный рефрактометр фотоэлектрический микроскоп интерферометр нулевой разности хода система стабилизации нормальных условий термометрическая система информационно-управляющая система
Оптическая схема лазерного компаратора
Поляризационный интерферометр: 1 – каретка; 2 – коллиматор; 3 – светоделитель; 4 – угловой отражатель опорного плеча; 5 - угловой отражатель измерительного плеча; 6, 7 - фотоприемники; 8, 9 – четвертьволновые пластинки; 10 – электрооптический модулятор; 11, 12, 13, 14 - поляризаторы. Интерференционный рефрактометр: 15 - He-Ne лазер; 16 – герметичная кювета; 17 – уголковый отражатель; 18 – двугранный отражатель. Основной интерферометр (интерферометр нулевой разности хода): 19 – штриховая мера; 20 – фотоэлектрический микроскоп; 21 – кронштейн; 22 – концевая мера длины; 23 – вспомогательная пластина; 24 – осветитель; 25 – зеркало; 26 – фотоприемное устройство.
1.Совершенствования существующих и разработки новых эталонных источников излучения; 2. Совершенствования методов и аппаратуры измерения частот-длин волн источников излучения; 3. Разработка высокоточных лазерных интерферометров и аппаратуры, необходимой для передачи размера единицы длины в отрасли народного хозяйства, науки и техники
1980 г. В 1980 г. Государственным комитетом СССР по стандартам утвержден новый государственный первичный эталон единицы плоского угла – градуса. Ранний эталон: 36-гранная кварцевая призма Эталонная угломерная автоколлимационная установка: oдва фотоэлектрических автоколлиматоров с цифровым отсчетом oповоротное устройство для установки многогранной призмы В состав эталона не входила установка, предназначенная для воспроизведения единицы плоского угла и передачи ее размера, а также электронно-вычислительный комплекс, что являлось препятствием для повышения точности эталона и его эффективной эксплуатации.
Состоит из: » интерференционного экзаменатора (ЭИ-1), предназначенного для воспроизведения единицы плоского угла и передачи ее размера эталонным фотоэлектрическим автоколлиматорам угломерной установки; » угломерной автоколлимационной установки (АУ-1), предназначенной для передачи размера единицы правильным многогранным призмам; » 12-гранной правильной призмы для периодического контроля стабильности показаний эталона. Воспроизведения малых углов в диапазоне ±15'. Служит для аттестации эталонных фотоэлектрических автоколлиматоров. Представляет собой двух лучевой интерферометр Майкельсона.
Расположение концевых отражателей параллельно друг другу (благодаря чему при их повороте ширина интерференционных полос не изменяется). Отражатели изготовлены в виде одного плоского зеркала, которое закреплено в оправе с вертикальной осью поворота. Поворот зеркала осуществляется как от механического привода, так и от пьезоэлемента. Разность хода двух параллельных пучков определяется как произведение половины длины волны источника света на число интерференционных полос, прошедших в поле зрения интерферометра или перед щелью фотоприемника при повороте зеркала на угол α. Длина базы интерферометра, представляющая собой расстояние между осями двух параллельных интерферирующих пучков, падающих на концевые отражатели, определяется с помощью аттестованной шкалы, устанавливаемой перпендикулярно интерферирующим пучкам и частично перекрывающей концевые отражатели.
В интерферометре концевые отражатели и шкала для определения длины базы совмещены и представляют собой единое плоское зеркало с двумя вертикальными штрихами, номинальное расстояние между которыми 100 мм. В поле зрения интерферометра одновременно с интерференционными полосами наблюдают изображения двух штрихов, образованных оптической системой интерферометра. База интерферометра – расстояние между интерферирующими пучками L – определяется по известному расстоянию между штрихами на поворотном зеркале l и поправке l предусмотрена возможность применения белого света.
1- источник; 2- конденсор; 3- точечная диафрагма; 4, 13- объектив; 5- диафрагма; 6,15- призма-куб; 7,8,9, 16- зеркала; 10- зеркало- отражатель; 11- автоколлиматор; 14- окуляр; 17- фотоприемник; 18- двухлучевой осциллограф
Оптико-механические узлы экзаменатора размещены на чугунной плите размером 630х1000 мм и закрыты металлическим кожухом. Для устранения влияния вибрации плита отделена от фундамента с помощью надувной резиновой камеры.
» Предназначена для передачи размера единицы плоского угла правильным многогранным призмам » Состоит из: Двух цифровых фотоэлектрических автоколлиматоров Электронной измерительно-вычислительной системы Устройства для установки и поворота многогранной призмы. » Фотоэлектрические автоколлиматоры, выполненные по идентичным оптической и электронной схемам, служат для измерения отклонений центральных углов призмы α от опорного угла β, образуемого визирными осями автоколлиматоров » Для образования опорных углов различных значений один из автоколлиматоров может перемещаться вокруг поворотного устройства по дуге окружности, а другой закрепляется неподвижно
Угломерная установка: » Измерительно-вычислительный комплекс, функционирующий в реальном масштабе времени, позволяет вести наблюдения за процессом измерений и при необходимости своевременно вносить коррективы. » Устройство для установки и поворота многогранной призмы обеспечивает приведенные призмы в плоскость измерения, ее центрировку относительно вертикальной оси вращения, жесткое крепление на регулируемом столике и поворот призмы на заданный угол при измерении центральных углов.
» Автоматизация процесса измерения, сбор измерительной информации и ее математическая обработка осуществляются с помощью автоматической измерительной системы высокой точности, включающей: цифровой прибор, индикаторные стрелочные приборы осциллограф измерительный электронный блок блок сопряжения ПК с измерительным блоком. » Сигнал от ФЭП поступает на синхронный детектор СД и на интегратор » Постоянное напряжение с интегратора суммируется в смесителе Σ с переменным напряжением генератора, модулирующего напряжения ГМН, усиливается в усилителе постоянного тока УПТ и через резистор R подается в обмотку вибратора В » Каждый автоколлиматор подключен к измерительному каналу, выполненному по описанной схеме. Разностный сигнал измеряется цифровым прибором ЦП и через блок сопряжения поступает на ПК. Исходная измерительная информация и результаты последующей обработки выдаются на дисплей и печатающее устройство
Отклонение оси вращения поворотного механизма от перпендикулярности к поверхности плиты не более 5" Колебание оси вращенияне более 2" Порог чувствительности механизма тонкой подачименее 1" Отклонение от соосности геометрического центра призмы и оси вращения поворотного устройства не превышает 0,25 мм
» С помощью регулируемого столика устанавливают призму в плоскости измерения с отклонением не более 2,5" (установка призмы в плоскости измерения и измерение пирамидальности граней производится с помощью визуального автоколлиматора АК-0,25) » Поворотное устройство, как и фотоэлектрические автоколлиматоры, установлено на чугунной плите, которая изолирована от фундамента с помощью надувной резиновой камеры.
» Изготовлена из плавленого кварца » Измерительные поверхности призмы аллюминированы » Отклонение центральных углов от номинального значения между смежными гранями не превышают ±2" » Отклонение от плоскостности измерительных поверхностей не более 0,03 мкм » Шероховатость Rz
» Настройка электронного измерительного блока приведении его коэффициента усиления в соответствие с требованием 1В = l". При этом каждый автоколлиматор юстируют отдельно по показаниям интерференционного экзаменатора. Для этого зрительную трубу автоколлиматора устанавливают на интерферометре против основного зеркала, воспроизводимые интерферометром углы измеряют автоколлиматором и результаты сравнивают. При отклонении показаний цифрового прибора от показаний интерферометра это несоответствие устраняют способом последовательных приближений. » Определение систематической погрешности показаний спаренных Оба автоколлиматора включают по схеме получения разности отсчетов и определяют систематическую погрешность показаний спаренных автоколлиматоров. При этом один из автоколлиматоров наводят на неподвижное плоское зеркало, а второй – на зеркало интерферометра. В дальнейшем эту систематическую погрешность вводят в виде поправки в программу измерений ЭВМ.
» В государственном первичном эталоне плоского угла передача размера единицы угловым призматическим мерам производится относительным способом с помощью двух автоколлиматоров. Сущность относительного способа заключается в следующем: ˃Сумма действительных значений смежных центральных углов α д замкнутого полигона составляет полный круг ˃Номинальные значения центральных углов α н и опорных углов β н равны 360 градусам ˃Опорный угол β, образуемый визирными осями двух автоколлиматоров, в процессе измерения одной серии остается неизменным. ˃Отклонения центральных углов от номинального значения α i определяют по разностям отсчетов двух автоколлиматоров, полученным при измерении правильной многогранной призмы по всей окружности
Известны два способа передачи размера единицы: » Абсолютный При абсолютном способе действительные значения центральных углов призмы определяют по образцовой угловой мере в виде круговой шкалы с равномерным делением (гониометр, прецизионный делительный стол... ). » Относительный действительные значения центральных углов призмы определяют сравнением с опорным углом, образуемым визирными осями двух автоколлиматоров или двумя гранями призмы. При этом значения опорных углов не известны. » среднее квадратическое отклонение результата измерений не превышает 0,01" » не исключенная систематическая погрешность 0,02"
» автоматизация фотоэлектрических автоколлиматоров » сопряжение с ПК » обеспечение автоматического процесса измерений в реальном масштабе времени и последующую математическую обработку методом наименьших квадратов » внедрение фотоэлектрического интерференционного метода воспроизведения углов » включение всех устройств эталона в единую замкнутую систему, управляемую ПК