量子質(zhì)量基準精密運動定位裝置研制.pdf

1、質(zhì)量量子基準研究被 Nature雜志評選為2012年六大具有挑戰(zhàn)性科學難題之一。如何實現(xiàn)質(zhì)量基準的量子化已成為目前國際計量學界亟待解決的科研難題和研究熱點。本文以能量天平精密定位機構(gòu)為研究對象，對線圈系統(tǒng)精密定位指標要求進行分解，設(shè)計了激勵線圈和感應(yīng)線圈的精密定位裝置，建立了誤差傳遞模型，并對影響精密定位的誤差項進行了實驗研究，裝置滿足了能量天平互感測量對線圈系統(tǒng)精密定位要求。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　?。?）將能量天平合成不確

2、定度指標分解，確定線圈系統(tǒng)定位精度指標?；谀芰刻炱交ジ袦y量對激勵線圈和感應(yīng)線圈機械結(jié)構(gòu)的要求，對質(zhì)量測量合成不確定度小于10-7技術(shù)指標進行分解，確定激勵線圈和感應(yīng)線圈機械定位精度要求。以定位精度指標為依據(jù)，設(shè)計了激勵線圈和感應(yīng)線圈的運動定位機構(gòu)，分析影響線圈系統(tǒng)精密定位的誤差源，并計算得到誤差量值。
　?。?）基于定位精度要求設(shè)計激勵線圈機械結(jié)構(gòu)，建立誤差傳遞模型。該運動定位機構(gòu)包括精密升降臺、精密導向部件、環(huán)形配重部件等。由

3、于激勵線圈運動平穩(wěn)性對定位精度影響較大，仿真分析激勵線圈運動定位機構(gòu)頻響特性、靜態(tài)力形變和強度校核。為分析影響激勵線圈子系統(tǒng)定位精度的運動自由度，采用多剛體系統(tǒng)理論對激勵線圈子系統(tǒng)進行拓撲分析，建立了誤差傳遞模型，并計算得到激勵線圈運動定位機構(gòu)的合成誤差。
　?。?）基于定位精度要求設(shè)計感應(yīng)線圈機械結(jié)構(gòu)，建立誤差傳遞模型。該運動定位機構(gòu)包括精密調(diào)心臺、壓電陶瓷鎖定部件、砝碼交換部件等。為測量感應(yīng)線圈的五自由度姿態(tài)，在垂直方向采用三

4、路激光干涉儀測量z、Rx、Ry，水平方向采用三個電容傳感器測量x、y。采用多剛體系統(tǒng)理論對感應(yīng)線圈子系統(tǒng)進行拓撲分析，建立了誤差傳遞模型，并計算得到感應(yīng)線圈運動定位機構(gòu)的合成誤差。
　?。?）實驗驗證激勵線圈和感應(yīng)線圈定位機構(gòu)的性能。激勵線圈定位機構(gòu)實驗包括：z向穩(wěn)定性、運動直線性、與鉛垂方向的平行性，將測量結(jié)果與理論誤差結(jié)果進行比較，驗證激勵線圈定位機構(gòu)設(shè)計合理性；感應(yīng)線圈定位機構(gòu)實驗包括：z向穩(wěn)定性、z向相對鎖定、運動同軸度，

5、將測量結(jié)果與計算誤差結(jié)果進行比較，驗證感應(yīng)線圈定位機構(gòu)設(shè)計合理性。
　　綜上，本文設(shè)計了量子質(zhì)量基準線圈系統(tǒng)運動定位裝置，基于多剛體理論建立了激勵線圈和感應(yīng)線圈子系統(tǒng)的誤差傳遞模型，并對定位機構(gòu)的性能指標進行測量。實驗結(jié)果表明：激勵線圈定位機構(gòu)x、y方向運動直線度分別為7.45μm和7.55μm；經(jīng)壓電陶瓷補償，感應(yīng)線圈和激勵線圈z向相對定位精度為10nm，運動同軸度為17.9μm。實驗結(jié)果表明本機構(gòu)滿足了量子質(zhì)量基準裝置對線圈系