空间低温绝对辐射初级基准实验特性及测量精度评估

高精度星上辐射基准的建立是提升在轨辐射定标精度的主要技术手段,本文开展了溯源至国际基本单位制(SI)的空间低温绝对辐射基准研究。自主研制高灵敏度低温绝对辐射探测器,设计高热阻的探测器与冷指连接结构以提升灵敏度,通过多级精密温控建立优于0.4 mK的高稳定热环境。采用大冷量两级脉冲管制冷机,通过压缩工质气体的斯特林循环获得20 K的深低温工作环境。建立低温绝对辐射测量链路,评估测量不确定度,并与国家计量科学研究院的基准低温辐射计进行对比。实验结果表明:空间低温绝对辐射计实验样机的灵敏度达到3 565 K/W,对0.4 mW量级激光功率的测量重复性达到0.017%,相对标准不确定度为0.029%;与基准低温辐射计的归一化偏差为0.4,验证了不确定度评估结果的有效性。该工作为研制空间低温绝对辐射计奠定关键技术基础,对基于绝对探测器的在轨辐射定标方法研究具有重要意义。     

激光测距仪中基于脉冲电流供电的高精度温度控制系统

半导体激光器及雪崩光电二极管作为激光测距仪中发射和接收系统中的关键器件,温度对其性能的影响限制激光测距仪的测量精度。而且二者均为小功率器件,精密测温电路中采用Pt电阻测温时,Pt电阻的自热效应产生的测温误差不能忽略。基于此,在对Pt电阻测温的误差产生机理做详细分析的基础上,提出了一种新的脉冲电流供电的方案,建立了脉冲电流供电电路及其自热升温过程的数学模型,给出了脉冲宽度和热量积累的关系,通过合理控制脉冲宽度大大减小了自热效应引起的测温误差;使用高阶正交多项式拟合的方法对Pt电阻的非线性进行了补偿,给出了该系统温度测量模块测量数据与一级标准铂电阻温度值的比较实验,在不同的温度点,该温度测量系统的最大误差为 0.0006度。系统稳定性测试结果表明,该系统在0度到15度 的温度范围内各温度点控制稳定度均优于±0.005度 。     

基于ADS1248的铂电阻高精度测温装置

为了满足医疗低温控制器中对各部位温度测试的需要,设计了一种基于ADS1248的铂电阻高精度测温装置,ADS1248采用外部参考电压测量法,使系统的精度仅依赖于一个高精度参考电阻的阻值,该装置以STM32微控制器为主控芯片,选用的24位ADS1248芯片内部包含增益PGA,恒流源,滤波等降低了该装置的复杂性。通过分段线性插值数据处理,该装置的测量精度能达到±0.01℃,能够满足医疗低温控制器中柜温的测量精度要求。     

高精度铂电阻测温系统

普通四线制铂电阻测温系统受恒流源长短期漂移、导线热电动势影响,其测量准确度难以超过0.1℃量级。本文分析了一种改进型4线制高精度铂电阻测温方法的原理误差,并设计了相应的高精度铂电阻测温系统。采用温度系数小、阻值稳定性好的参考电阻作为铂电阻阻值测量基准,消除了恒流源长期漂移引起的铂电阻测温误差;分别在正、反向恒流激励条件下测量了铂电阻上的电压,利用导线热电势大小与方向的短期不变性,对得到的两电压量求差以消除导线热电势的影响;通过半导体致冷器（TEC）控制恒流源温度来减小恒流源的短期电流漂移,进而减小其对铂电阻测温精度的影响;设计了精度高、阶跃响应速度快的分时复用式电压信号采集单元用来高精度地测量铂电阻和参考电阻上电压量的比值。等效实验和校准实验结果表明,高精度铂电阻测温系统的测量稳定性优于0.005 ℃/10 day,测量分辨力优于0.005 ℃,测量准确度为0.02 ℃（k=2）,满足超精密激光干涉测量系统提出的高精度温度测量需求。     

激光测距仪的脉冲电流供电温度控制系统

激光测距系统中的发射器件和接收器件具有温敏特性且均为小功率器件,精密测温电路采用Pt电阻时,Pt电阻的自热效应影响测温精度.为减小自热效应产生的测温误差,在分析Pt电阻测温误差产生机理的基础上,提出了一种新的脉冲电流供电方案,建立了脉冲电流供电电路及其自热升温过程的数学模型,给出了脉冲宽度和热量积累的关系,并通过合理控制脉冲宽度大大减小了自热效应引起的测温误差.使用高阶正交多项式拟合法对Pt电阻的非线性进行了补偿,给出了该系统温度测量模块测量数据与一级标准铂电阻温度值的比较实验,在不同的温度点,该温度测量系统的最大误差为0.000 6 ℃.系统稳定性测试结果表明,该系统在0～15 ℃时,各温度点控制稳定度均优于0.005 ℃,满足高精度激光测距的需要.     

光纤位移传感器在低温装置中测量超导转子 悬浮微位移的应用

介绍了一种补偿式光纤位移传感器,对比分析了该传感器在室温(293 K)下和液氮温度(77 K)下的传输特性。结果表明,该传感器能有效地消除外界环境的影响,可用于宽温度范围的位移测量。在液氦温度(4.2 K)下测量超导转子悬浮微位移的实验结果表明,该传感器可在低温下进行位移测量,测量分辨率达到10 μm。实验结果为光纤位移传感器在低温环境下的应用提供了参考。     

对称结构的半导体式光纤温度传感器

基于半导体吸收的光纤温度传感器具有电绝缘好、抗电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环境下使用等优点，非常适合组建电力设备、石油井下等环境下的温度监测系统，但它目前仍存在测量精度低、稳定性差等问题。提出了一种对称结构的半导体式温度传感系统的设计方案，详细分析了测温原理和系统结构，并构建了实验平台，进行了实验。实验表明：该系统在263～419K的温度范围内有1K的测量精确度和0．1K的分辨率，以及良好的线性度和反应时间，有效消除了光源和光探测器性能的不稳定和光纤耦合效率变动对测量精度的影响，提高系统的测量精度和稳定性。     

多基准源实时自校正技术的研究

在铂电阻测温电路中，采用多基准源进行实时自校正，通过对来自多基准源信息的智能化数据处理，将测量系统的整体精度提高问题转换为基准源的精度提高问题，解决了传统基于桥路测量原理铂电阻测温的局限性。该方法消除了电桥测量原理本身存在的非线性，拓宽了测量范围，解决了提供电桥基准电流源的温度漂移问题，消除了引线电阻所带来的附加误差，解决了电桥之后信号调理电路及A／D转换的零点漂移和灵敏度漂移问题，从而实现铂电阻测温的高精度和长期稳定性。     

高精度铂电阻测温转换电路的实践与分析

一、概述在各类测量温度的传感器中，铂电阻温度传感器与其它类型的测温传感器相比，它具有稳定性高，测量范围宽，线性度较好，易互换等优点。因此，它在各种温度测量中得到了广泛的应用。如何使钻电阻温度传感器在应用中得到较高的精度和稳定性，其关键问题在于如何使铂电阻温度传感器的良好特性获得扩展，同时又能不断克服和完善其自身存在的不足之处，这就为铂电阻测温转换电路提出了一个新课题。下面介绍的这种钥电阻测温转换电路就是为解决这一问题而精心设计的，该电路的转换范围可达上70℃，转换精度优于上0．03℃，年稳定度在100P…     

高阻值纳米薄膜材料的热电特性测量

为了实现高阻值纳米薄膜材料的热电系数测量,搭建了一套塞贝克系数测量系统。研究了该系统的温控精度和温差生成机制并测量了高阻值条件下微弱电压。首先,建立了高真空度和带有多重电磁屏蔽的真空测试环境;然后,设计了高稳定度温差控制平台,以便为测试样品提供可控温差;同时根据高阻条件下的微弱电压的检测要求,消除了检测通道的漏电流和分布电容的影响。最后,提出了一种循环温差的测量方法,用于有效去除分布电容引起的塞贝克电压长期漂移。采用该方法对高阻值的有机半导体材料进行了塞贝克系数的测定,结果显示:阻值高达7×1012Ω的有机薄膜材料的塞贝克系数的测量精密度2%,温度控制精度为±0.001K。得到的结果表明,该系统能够实现对样品阻值高达1012Ω的纳米薄膜材料的塞贝克系数的测量。     

小型14C加速器质谱仪实验条件研究

本文基于小型化¹⁴C专用加速器质谱仪（GXNU-AMS）进行了系统介绍及实验条件研究，包括束流引出调试、剥离气体与电荷态的确定、束流传输调试及本底排除调试。该仪器由中国原子能科学研究院与广西师范大学合作研制，在广西师范大学进行安装调试。仪器采用单极静电加速，最大工作电压为230 kV。仪器的测量精度为0.5%，测量灵敏度为¹⁴C/¹²C≈1.0×10^-14（测量本底4万年），可满足生命科学、考古学等领域的测量要求。     

低温辐射计斜底腔吸收比测量

考虑在轨绝对辐射定标基准辐射计(ARCPR)要求其测量太阳总辐照度(TSI)的TSI腔的吸收比优于0.999 9,同时测量不确定度在0.001%以下,本文提出采用在空间和低温环境下性能优越的圆柱形斜底腔作为标定太阳总辐照度的黑体腔,并对斜底腔吸收比进行了测量与研究。介绍了斜底腔的特性,分析了低温辐射计多使用斜底腔作为黑体腔的原因。阐述了替代法测量腔体吸收比的原理,增加了参考光路用于监测激光功率,以提高测量重复性和准确性。通过测量信号与参考光路信号的比值计算了斜体腔的吸收比,并对测量结果进行了不确定度分析。测试实验显示,斜底腔吸收比为0.999 928±0.000 005,优于ARCPR对标定黑体腔的要求,验证了将斜底腔作为测量太阳总辐照度的TSI腔的可行性。实验还表明:计算信号电压与参考电压比值,通过比值计算腔体吸收比的方法可以提高测量结果的不确定度,适用于测量超高吸收比腔体的吸收比。     

10~(-6)量级精密离心机输出加速度测量模型及不确定度评定

为了给高精度惯性仪表校准试验提供高精准的加速度输入值,研究了精密离心机输出加速度的建模、测量及不确定度评定方法。建立了适用于10-6量级高精度精密离心机的加速度测量模型及不确定度传递模型。基于本课题组提出的高精度测量方法,完成了10-6量级精密离心机的静动态半径、静动态俯仰失准角等重要分量的高精度测量。分析、归纳了测量不确定度源,分别基于建立的加速度测量不确定度传递模型和蒙特卡洛方法完成了该精密离心机输出加速度的测量不确定度评定。最后,讨论和总结了高精度精密离心机输出加速度建模和精度评定的相关问题。结果表明:该精密离心机对1g~100g输出加速度的相对标准不确定度均小于3×10-6,其精度与目前国际上公开的最高精度离心机处于同一数量级;建立的测量模型及测量不确定度评定方法可以为相关精度等级的精密离心机研制和评价提供参考。     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

星地两用光学表面污染检测装置

针对光通信终端的光学表面污染,研制了10 MHz镀铝石英晶体微天平(QCM),用于实时检测真空试验中的污染量以保证光通信的可靠性。该装置通过引入参考晶体消除环境因素的影响,并降低对其控温精度的要求,其理论质量灵敏度可达10-9g/cm2。经过绝对标定实验后,其实际质量灵敏度为10-8g/cm2,满足应用需求,且成本低,实用性好,可用于星上或地面污染检测。文中依据不同的污染源工作温度,分别在32℃高温恒温段,32℃~-27℃降温段,低温保持段及-2℃~32℃升温段进行了污染沉积量的检测。结果表明:在试验初期的高温恒温段,污染源与敏感表面温差高于0℃,15.75h内单位面积污染沉积量为1.68×10-4g/cm2;在低温保持段,温差一直低于-22℃,23.37h内单位面积污染解吸附量为1.08×10-4g/cm2;真空试验的总污染沉积量为2.7×10-5 g/cm2。得到的结果证实了该QCM用于污染量检测的有效性。文中还初步分析了真空试验下的污染沉积过程,为光学表面污染的预估与防护提供了依据。     

条纹投影三维形貌测量的变分模态分解相位提取

针对条纹投影三维形貌测量涉及的相位提取,提出了一种基于变分模态分解的单幅条纹投影相位提取方法。通过建立变分模态分解模型和极小化变分模态分解将单幅投影条纹图分解成背景部分、条纹部分和噪声部分。然后对得到条纹部分进行Hilbert变换和反正切变换得到包裹相位;对其进行质量导向相位解包裹和Zernike多项式去载频得到解包裹相位。将该方法与Fourier变换、连续小波变换进行了对比,结果显示:本文提出的相位提取方法相位误差为3.14×10-4,小于Fourier变换和连续小波变换方法对应的误差3.30×10-4和6.52×10-4。模拟和实验结果表明:本文提出的方法在处理具有边缘信息投影条纹图时具有优势,能够提取出更准确的相位信息,可有效地用于含边缘不连续和突起的三维物体测量。     

新型运载火箭中电容式液位传感器接口专用集成电路

为了提高新型航天运载火箭中电容式液位传感器系统的电容检测性能,设计了一款适用于航天运载火箭中电容式液位传感器的接口专用集成电路(Application Specitic Integrated Circuit,ASIC)芯片。首先,完成了整体电路的系统级设计,实现了对电容式液位传感器输出电容的线性检测,将传感器输出电容量转化为与之呈线性关系的电压量输出。然后,对接口ASIC芯片的线性度、噪声特性和温度环境适应性进行了理论分析与研究。最后,采用0.5μm CMOS工艺完成接口ASIC的流片,并进行了芯片的性能测试。实际测试结果显示,芯片电容检测非线性为0.005%,输出噪声密度3.7aF/Hz~(1/2)(待测电容40pF),电容测量稳定性7.4×10-5 pF(参考电容40pF,待测电容40pF,1σ,1h),输出零位温度系数4.5μV/℃。测试结果证明,该接口ASIC的电容检测性能已经达到国外最高性能的电容式液位传感器液位测量芯片的水准,可以广泛应用到多种电容式检测传感器中。     

硅微振梁式加速度计的温度检测及闭环控制

为实现硅微振梁式加速度计系统芯片级温度测量及系统闭环,本文针对系统的非惯性结构部分提出了微机电系统（MEMS）结构温度的芯片级测量和闭环控制优化方法。与以温控罩的温度作为参考温度的方法不同,该方法提出了供芯片级温度测量的MEMS结构、工艺及配套电路,通过直接测量MEMS结构的温度完成实时补偿,从而提高了测量精度。该方法在闭环控制的前置电路中应用了二极管电容解调电路,与前期使用的跨阻或者跨导方案相比,对器件的要求从pA级降至nA级。运用时域方法求得二极管电路方案的解析解,提出参数优化设计方法,保证了电容测量输入与输出间的线性关系。最后,采用二阶最优模型对闭环控制的后置电路进行参数优化,控制了上电时间。配合硅微振梁式加速度计原理样机进行了实验。实验结果表明,温度补偿后的零偏稳定性为52.0 μg,标度因子稳定性为16.0×10^-6,分辨率为34.9 μg。这些结果验证了本文理论的可行性。     

精密数控车床主轴热误差建模

开展了精密数控车床主轴系统热误差补偿的实验与建模方法的研究。建立了精密数控车床主轴系统轴向与径向偏转热误差补偿模型以增强其误差补偿能力,并提高机床加工精度。构建了主轴系统热误差测试平台,应用五点法测试主轴系统热误差,使用热电偶与红外热像仪测量主轴系统温升关键点温度变化数据,应用灰色综合关联分析法实现温度敏感测点辨识。构建了基于粒子滤波重采样粒子群算法的热误差预测模型,对模型预测效果进行评价。结果表明:基于粒子滤波重采样粒子群热误差补偿模型得到的轴向热误差预测残差为-1.29μm~1.55μm,建模精度为95.04%;y向热偏转误差预测残差为-4.68×10~(-6°)~9.66×10~(-6°),建模精度为91.26%;z向热偏转误差预测残差为-5.83×10~(-6°)~8.59×10~(-6°),建模精度为93.24%。实验结果证明该热误差补偿模型具有较高的预测精度,具有较强的工程应用价值。     

阈值判决引导的单载波分块传输稀疏信道估计

为利用高速无线通信时信道的稀疏多径传播特性,改善传统单载波分块传输(SCBT)信道估计方法的性能,提出了一种阈值判决引导的稀疏信道估计方法。该方法通过导频进行初始最小二乘信道估计,利用获取的信道估计值设置判决阈值。然后,将幅值低于判决阈值的信道抽头强制置零,仅保留幅度值大于判决阈值的信道抽头估计值,从而有效地改善单载波分块传输系统的稀疏信道估计性能。基于COST 207典型乡村信道模型进行了仿真实验,结果表明:阈值判决引导的稀疏信道估计方法的实验结果最接近于信道参数已知时的误比特率性能;在信噪比为20dB条件下,新方法的误比特率可达到5×10-4,而最小二乘算法只能达到3×10-2。该方法改善了SCBT系统的稀疏信道估计精度与复杂度,得到的结果验证了提出方法的有效性。