擺動(dòng)周期法中天平橫梁擺動(dòng)角度的測量研究.pdf

1、建立基于基本物理常數(shù)來定義新的SI體系的過程中，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)是最為重要的，也是最困難的，是當(dāng)下國際計(jì)量領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一。國際單位制的7個(gè)基本的SI單位中，長度單位米、時(shí)間單位秒、電流單位安培、溫度單位開爾文、物質(zhì)的量單位摩爾、發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉均已實(shí)現(xiàn)了量子化，質(zhì)量單位千克是唯一一個(gè)仍采用實(shí)物基準(zhǔn)的基本單位。實(shí)物基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性無法滿足科研、生產(chǎn)的需求，加之，量子物理學(xué)的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量基準(zhǔn)的量子化已成為必然的發(fā)展趨勢。當(dāng)前國

2、內(nèi)外定義質(zhì)量單位的相關(guān)研究主要是對基本物理常數(shù)的測量，最關(guān)鍵的基本物理常數(shù)就是普朗克常數(shù)。國際計(jì)量委員會要求，質(zhì)量量子基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)至少要有三種獨(dú)立的方案來測量普朗克常數(shù)。
　　本研究所提及的“擺動(dòng)周期法”是一種測量慣性質(zhì)量的質(zhì)量量子基準(zhǔn)新方案，由于其原理有別于功率天平方案、硅球方案，可作為第三種獨(dú)立的方案，精確的測量普朗克常數(shù)。擺動(dòng)周期法測量普朗克常數(shù)方案已經(jīng)歷了原理性的探索階段，初步驗(yàn)證了該研究方案實(shí)施的可行性。本文所采用的實(shí)驗(yàn)裝

3、置是一架等臂的擺動(dòng)天平，實(shí)現(xiàn)了加載的砝碼質(zhì)量與其質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的解耦，可避免傳統(tǒng)的擺動(dòng)法測量慣性質(zhì)量時(shí)，其質(zhì)心不易于測準(zhǔn)的缺陷。對擺動(dòng)天平系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行了推導(dǎo)，當(dāng)天平橫梁處于擺動(dòng)的過程中，通過解析的方法，對其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行深入分析，得出擺動(dòng)天平系統(tǒng)的微分方程。設(shè)計(jì)了一款適用于擺動(dòng)天平系統(tǒng)的電容式角位移傳感器，是實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)天平橫梁擺動(dòng)角度準(zhǔn)確測量的必要環(huán)節(jié)，針對電容傳感器和天平橫梁的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，保證電容傳感器合理的放置，

4、并實(shí)現(xiàn)高低位置可調(diào)，以便確保電容傳感器屏蔽窗部分的圓心與擺動(dòng)天平橫梁刀口的位置重合。針對電容傳感器的實(shí)際測量情況與需要，編制相應(yīng)的Labview測量程序，實(shí)現(xiàn)電容傳感器容值的時(shí)時(shí)測量和數(shù)據(jù)的時(shí)時(shí)記錄。結(jié)合擺動(dòng)天平系統(tǒng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，搭建了測量系統(tǒng)，實(shí)測結(jié)果表明：電容式角位移傳感器的線性度為2.59×10-6，靈敏度為1.1×10-6 pf/mg，測量點(diǎn)的遲滯差值均在-7量級，60分鐘電容輸出的穩(wěn)定性為4.33×10-6。設(shè)計(jì)的用