131941_presentation2

Метр (франц. metre, от греч. métron — мера) - единица длины метрической
системы мер и Международной системы единиц.
1791 г.
1799 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.
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.
Голубев Сергей Вячеславович гр. 4663
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
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.
1872 г.
1960 г.
1983 г.
Принятие «архивного метра». Эталон метра - брус из
сплава Pt (90%) — lr (10%). Поперечное сечение эталона
имеет форму Х (погрешность 1×10-7м)
«метр — длина, равная 1650763,73 длины волны в
вакууме излучения, соответствующего переходу между
уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона - 86». (погрешность
10-8 м)
«Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме
за интервал времени, равный 1/299792458 с».
(погрешность 10-9 м)
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.
Тип
Способ стабилизации Частота, МГц
лазера
Длина
волны, фм
1 Аргоно- стабилизированный
вый
по насыщенному
поглощению в йоде- 581490603.37 514673466,4
лазер
127; переход 43-0,
Р(13), компонента s
2 Nd:YAG стабилизированный
с удвое- по насыщенному
нием
поглощению в йоде- 563260223,48 532245036,14
частоты 127; переход 32-0,
R(56), компонента а10:
3 Не-Nе стабилизированный
по насыщенному
лазер
поглощению в йоде551579482,96 543516333,1
127; переход 26-0,
R(12), компонента а9
Относитель
-ная
неопределенность
2,5х10-10
7х10-11
2,5х10-10
4 Не-Nе
лазер
5 Не-Nе
лазер
6 Не-Nе
лазер
Стабилизированный
по насыщенному
поглощению в йоде127; переход 9-2,
R(47), компонента а7
489880354,9
611970770,0
Стабилизированный
по насыщенному
поглощению в йоде473612214705 632991398,22
127; переход 11-5,
R(127), компонента а13
Стабилизированный
по насыщенному
поглощению в йоде127; переход 8-5,
Р(10), компонента а9
468218332,4
640283468,7
3х10-10
2,5х10-11
4,5х10-10
Измеренная частоты излучения f-компоненты Не-Ne/127I2 лазера VNIIM2 составила νf = 473 612 353 603, 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 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-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.
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
В 1980 г. Государственным комитетом СССР по стандартам утвержден
1980 г. 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.
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; 5диафрагма; 6,15- призма-куб; 7,8,9, 16- зеркала; 10- зеркалоотражатель; 11- автоколлиматор; 14- окуляр; 17- фотоприемник; 18двухлучевой 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 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
» 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<0.05 мкм
Пирамидальность не превышает 5"
Площадь отражающих граней – 30х22 мм
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
» 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 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
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