Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины

1. Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины

2. История создания эталона единицы длины Метр (франц. metre, от греч. métron — мера) - единица длины метрической системы мер и Международной системы единиц. 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. 1791 г. Первыйэталон 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. 1799 г.

3. 1875г. Семнадцать стран подписали Метрическую конвенцию «для обеспечения международного единства и усовершенствования метрической системы» и учредили Международное бюро мер и весов рис. 1. a – поперечное сечение эталона метра, б – штрихи на нейтральной плоскости ab эталона метра; расстояние между осями средних штрихов принимается за 1 м Международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960 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.

4. Принятие «архивного метра». Эталон метра - брус из сплава Pt (90%) — lr (10%). Поперечное сечение эталона имеет форму Х(погрешность 1×10-7м) 1872 г. «метр — длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона - 86». (погрешность 10-8 м) 1960 г. «Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени, равный 1/299792458 с». (погрешность 10-9 м) 1983 г.

5. Современное определение единицы длины Метр – длина, равная расстоянию, проходимому светом за 1/299792458 долю секунды. Современное определение метра связывает единицу длины с единицей времени и частоты через фундаментальную константу – скорость света. Это определение основано на фундаментальной зависимости: с=λ·ν (1) Консультативный комитет по определению метра (ККОМ) разработал рекомендации по практическому применению нового определения, суть которого заключается в том, что стандартом длины (с соответствующей погрешностью) может являться любое излучение, частота которого известна. Для практической интерферометрии наиболее подходящими являются источники излучения видимого диапазона, поскольку подавляющее число интерферометров работают именно в видимом диапазоне спектра.

6. Практическая реализация единицы длины Рекомендованные источники эталонного излучения видимого диапазона

9. Государственный первичный эталон единицыдлины – метра (1985 год) В октябре 1985 г. был утвержден Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины — метра. Состав эталона: источник первичного эталонного излучения; установка для измерения отношений длин волн; лазерный интерференционный компаратор с системой сбора и обработки информации. Точность эталона: - среднее квадратическое отклонение (СКО) - 2·10-11 - неисключенная систематическая погрешность (НСП) - 1·10-9. В 2004 году ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» принял участие в международных сличениях BIPM.L-K11, проводившихся Международным бюро мер и весов (BIPM, Франция). В результате было измерено абсолютное значение частоты лазера VNIIM2, входящего в состав ГПЭ.

10. Результаты сличения Измеренная частоты излучения f-компоненты Не-Ne/127I2 лазера VNIIM2 составила νf = 473 612 353 603, 6 кГц

11. Конструктивные особенности эталона длины 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 Не—Ne/I2 лазера ВНИИМ

12. 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

13. 2 Установка для измерения отношений длин волн Блок-схема установки для измерения отношения длин волн 1 – модуляционный интерферометр Фабри-Перо 2 – лазер He-Ne/CH4 3 – перестраиваемый лазер 4 – лазер He-Ne/127I2 5 - фотоприемник ИК-диапазона 6, 8- система авторегулирования 7,9 – фотоэлектронный умножитель 10 – генератор-гетеродин 11, 13 – частотомеры 12 – анализатор спектра 14 – цифропечатающее устройство.

14. 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.

15. Термобарокамера Рефрактометр

16. 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

17. Оптическая схема лазерного компаратора

18. 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.

19. Перспективы развития эталона длины • 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

20. Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы плоского угла

21. История создания эталона единицы плоского угла 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: • два фотоэлектрических автоколлиматоров с цифровым отсчетом • поворотное устройство для установки многогранной призмы 1980 г. 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.

22. Новый государственный первичный эталон единицы плоского угла 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. Интерференционныйэкзаменатор • Воспроизведения малых углов в диапазоне ±15'‘. • Служит для аттестации эталонных фотоэлектрических автоколлиматоров. • Представляет собой двухлучевой интерферометр Майкельсона.

23. Особенности устройства • 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.

24. 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.

25. Оптическая схема интерферометра 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

26. Внешний вид интерференционного экзаменатора 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.

27. Угломерная установка • 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 значенийодин из автоколлиматоров может перемещаться вокруг поворотного устройства по дуге окружности, а другой закрепляется неподвижно

28. Схема угломерной установки 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.

29. Описание схемы угломерной установки • 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

30. Техническая характеристика поворотного устройства

31. Внешний вид угломерной автоколлимационной установки • 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.

32. 12-гранная призма • 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<0.05 мкм • Пирамидальность не превышает 5" • Площадь отражающих граней – 30х22 мм Процесс измерения • Передача размера единицы, воспроизводимой интерференционным экзаменатором, призматической угловой мере – правильной многогранной призме – производится в два этапа: • Этап №1:передача размера единицы от интерференционного экзаменатора фотоэлектрическим автоколлиматорам эталонной установки • Этап №2:определении действительных значений центральных углов правильной многогранной призмы с помощью аттестованных фотоэлектрических автоколлиматоров

33. Этап №1 • 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.

34. Передача размера единицы в гос. первичном эталоне • 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 αд замкнутого полигона составляет полный круг • Номинальные значения центральных углов αн и опорных углов βн равны 360 градусам • Опорный угол β, образуемый визирными осями двух автоколлиматоров, в процессе измерения одной серии остается неизменным. • Отклонения центральных углов от номинального значения ∆αi определяют по разностям отсчетов двух автоколлиматоров, полученным при измерении правильной многогранной призмы по всей окружности

35. Этап №2 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. Результаты • среднее квадратическое отклонение результата измерений не превышает 0,01" • не исключенная систематическая погрешность 0,02"

36. Дальнейшее развитие • автоматизация фотоэлектрических автоколлиматоров • сопряжениес 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