Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины

Государственный первичный эталон (ГПЭ)

единицы длины

Голубев Сергей Вячеславович гр. 4663

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.

1791 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.

1799 г.

История создания эталона единицы длины

рис. 1. a – поперечное сечение эталона метра, б – штрихи на нейтральной плоскости ab эталона метра; расстояние между осями средних штрихов принимается за 1 м

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 1/299792458 с». (погрешность 10-9 м)1983 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.

Принятие «архивного метра». Эталон метра - брус из сплава Pt (90%) — lr (10%). Поперечное сечение эталона имеет форму Х (погрешность 1×10-7м)

1872 г.

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.

Практическая реализация единицы длины

Рекомендованные источники эталонного

излучения видимого диапазона

Тип лазера Способ стабилизации Частота, МГц Длина волны,

фм

Относитель-ная неопреде-ленность

1 Аргоно-вый лазер

стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 43-0, Р(13), компонента s

581490603.37 514673466,4 2,5х10-10

2 Nd:YAG с удвое-нием частоты

стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 32-0, R(56), компонента а10:

563260223,48 532245036,14 7х10-11

3 Не-Nе лазер

стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 26-0, R(12), компонента а9

551579482,96 543516333,1 2,5х10-10

4 Не-Nе лазер

Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 9-2, R(47), компонента а7

489880354,9 611970770,0 3х10-10

5 Не-Nе лазер

Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 11-5, R(127), компонента а13

473612214705 632991398,22 2,5х10-11

6 Не-Nе лазер

Стабилизированный по насыщенному поглощению в йоде-127; переход 8-5, Р(10), компонента а9

468218332,4 640283468,7 4,5х10-10

Государственный первичный эталон единицы длины – метра (1985 год)

В октябре 1985 г. был утвержден Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы длины — метра.Состав эталона:1) источник первичного эталонного излучения;2) установка для измерения отношений длин волн;3) 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.

Результаты сличения

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

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

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-Перо2 – лазер He-Ne/CH4 3 – перестраиваемый лазер4 – лазер He-Ne/127I2 5 - фотоприемник ИК-диапазона6, 8- система авторегулирования7,9 – фотоэлектронный умножитель10 – генератор-гетеродин11, 13 – частотомеры12 – анализатор спектра14 – 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.

Термобарокамера Рефрактометр

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.

Перспективы развития эталона длины

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

Государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы

плоского угла

История создания эталона единицы плоского угла

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:

o два фотоэлектрических автоколлиматоров с цифровым отсчетом

o поворотное 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.

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 пере дачи размера единицы правильным многогранным призмам;

» 12-гранной правильной призмы для периодического контроля стабильности показаний эталона.

Интерференционный экзаменатор

Воспроизведения малых углов в диапазоне ±15'‘. Служит для аттестации эталонных фотоэлектрических

автоколлиматоров. Представляет собой двух лучевой интерферометр Майкельсона.

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.

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.

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

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.

Угломерная установка

» Предназначена для передачи размера единицы плоского угла правильным многогранным призмам

» Состоит из:Двух цифровых фотоэлектрических автоколлиматоровЭлектронной измерительно-вычислительной системыУстройства 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

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.

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

Техническая характеристика поворотного устройства

Отклонение оси вращения поворотного механизма от перпендикулярности к поверхности плиты

не более 5"

Колебание оси вращения не более 2"

Порог чувствительности механизма тонкой подачи менее 1"

Отклонение от соосности геометрического центра призмы и оси вращения поворотного устройства

не превышает 0,25 мм

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.

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

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.

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

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"

Дальнейшее развитие

» 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