脉冲式动态压力溯源方法研究

动态压力测试在工业领域应用越来越广泛,而可靠的校准技术则是动态压力量值准确的保障,溯源问题一直是制约动态压力校准技术发展的瓶颈。本文以基于激光干涉的可溯源动态压力测量方法为研究对象,针对液体脉冲压力的特点,建立基于牛顿第二定律的脉冲压力测量模型,对各影响因素引入的误差进行分析和测试,通过压力传感器校准试验完成激光干涉测量可行性验证和测量不确定度分析,实现脉冲压力的可靠溯源。     

激光干涉测量中光学窗口受动态压力的影响分析

利用激光干涉仪对动态压力进行非接触测量时,压力腔中常设计光学窗口,目的是在动态压力环境与激光干涉仪间建立光学通道,利用激光干涉法使动态压力能溯源到时间、长度与静态压力上。由于在动态压力环境下光学窗口受到内外压差、温度梯度、振动等因素影响,将直接影响光学测量精度。针对上述问题,通过仿真分析方法,分析在动态压力环境下压力、温度、振动与光学窗口的影响关系,同时通过光学窗口在动态压力环境下试验,研究各影响分量对真实测量结果的影响,可为后续动态压力的校准和测量进行修正和补偿以及其他类似动态压力环境下的光学窗口设计提供依据。     

可溯源动态压力校准方法

动态压力测试与校准技术越来越受到重视,校准的技术手段也越来越多,但关键的溯源问题已经明显制约了动态压力测试校准技术的发展与推广.本文比较分析了阶跃压力、脉冲压力、正弦压力三种主要的动态压力激励信号的主流校准溯源方法,以及它们在可靠溯源方面存在的不足,尤其是使用越来越多的脉冲压力与正弦压力校准.通过对各种测量原理的可溯源动态压力校准方法以及世界各国最新研究进展情况的全面分析归纳,总结出基于运动参数与动力学方程的动态压力测量方法与基于折射率变化的激光干涉动态压力测量方法等两个重点研究方向.     

用pVTt法气体流量装置检定流量计

为满足0.2级及0.5级高准确度气体流量计量值溯源需求,建立大标准容积的pVTt法气体流量标准装置,使用组合阀门换向法对气体流量计进行动态检定,利用附加质量修正消除阀门换向系统时间引起的误差,分析检定过程中关键参数如压力、温度变化规律,获得使测量不确定度最优化的检定流程。通过分析测量过程中标准容器、温度、压力、附加质量等关键量的影响,进行测量不确定度评定,得到使用pVTt法气体流量标准装置检定气体流量计的测量不确定度为Ur=0.11%(k=2),证明使用pVTt法气体流量标准装置检定0.2级及0.5级气体流量计的可行性及合理性。     

超短脉冲激光时域参数计量标准装置

长期以来,由于缺乏超短脉冲激光时域参数计量标准装置,导致超短脉冲激光器和超短脉冲激光测量仪器无法溯源。针对此问题,研制了超短脉冲激光光谱相位干涉测量仪,利用小波变换技术实现了飞秒脉冲激光光谱相位的自动准确提取,精确还原了超短脉冲光谱相位,重建了脉冲时域波形,测量范围覆盖10~500 fs,测量不确定度U_rel=8%（k=2）;研制了大量程自相关测量装置,实现了10 fs~50 ps量程超短脉冲宽度的准确测量和量值溯源,解决了超短脉冲时域参数测量仪器的溯源问题,测量不确定度U_rel=10%（k=2）;建立了“超短光脉冲自相关仪校准装置”国家计量标准,测量范围覆盖10 fs~12 ps,测量不确定度U_rel=10%（k=2）,为超短脉冲测量仪器提供了精确校准手段,对于保障超短脉冲时域参数测量结果精准统一具有重要意义。     

基于LDV测速算法的多普勒频率测量不确定度分析和评定

为了明确激光多普勒测速仪(LDV)通过转盘装置校准的低速结果在高速的适用性，分析得到LDV测量流速的不确定度与测量体中的干涉条纹间距和多普勒频率的不确定度相关。由于干涉条纹间距与被测流速无关，则高、低流速测量结果不确定度间的可能差异由多普勒频率算法引入。用基于蒙特卡洛法(MCM)传播概率分布评定测量不确定度的方法分析在不同流速下多普勒频率算法引入的多普勒频率测量不确定度，发现在流速为0.1～340 m/s时，由多普勒频率算法引入的多普勒频率相对不确定度均小于0.03%,且该相对不确定度在不同流速下基本保持不变。流速不同产生的多普勒频率不确定度差异对LDV测速结果的影响小于0.013%,验证了测速算法精度的适用范围。得到了LDV低速校准结果可以应用于高速测量的结论，解决了高流速测量的溯源问题。     

玻璃靶丸内气体压力的垂直扫描干涉测量技术研究

本文通过分析光线通过靶丸样品后的光程变化,建立了基于垂直扫描干涉技术的玻璃靶丸气体压力精密检测方法。为了验证折射率与密度计算关系的准确性,分别利用LorentzLorenz公式和GladstoneDale公式对靶丸内气体的密度进行了计算,实验结果表明,两种分析方法一致性较高,其最大误差小于1%。对垂直扫描干涉法测量玻璃靶丸内气体压力的不确定度分析和比对实验结果表明,该方法的测量不确定度约为5.3%。     

Q开关Nd:YAG激光治疗机关键参数计量检测装置研制

针对脉冲激光治疗机关键参数溯源难的问题,基于LabVIEW和USB总线技术设计并研制了Q开关Nd:YAG激光治疗机关键参数计量检测装置。实现了对治疗激光和瞄准激光关键参数的计量检测及自动生成检测报告等功能,其主要功能模块有:脉宽、能量、重复频率、光斑尺寸和束散角、波长以及瞄准激光功率测量模块。在光斑测量模块中,在传统“刀口法”中引入反馈机制并实现了全自动测量,可自适应不同脉冲频率的激光。研究了其溯源方法,光斑尺寸测量不确定度达到了3.2%。对研制的装置其它参数也做了不确定度分析,包括激光波长、脉宽、能量、重复频率和瞄准激光功率,其不确定度分别为0.6 nm、4.0%、3.2%、0.12%和3.4%。     

激光干涉法进行正弦力校准研究

采用绝对法进行正弦力校准,动态力由安装在振动台上的质量块产生,力值根据力的定义直接溯源到质量、加速度和时间。为了减少测量不确定度,质量块上的加速度分布必须进行准确测量。文中介绍了采用激光干涉法进行动态力校准的原理和信号处理方法,同时介绍了与德国PTB加速度实验室进行加速度测量的比对情况。结果表明,采用所介绍的正弦力校准方法可以提高校准的准确度。     

光纤折射率分布和几何参数标准测量装置的研究

介绍了中国计量科学研究院建立的光纤折射率分布和几何参数标准测量装置，该装置采用“光反馈激光开关干涉-计算机光功率组分”测量微位移，并采用“干涉逼近法”和“插值法”测量折射率差的方法，分别使光纤的几何参数测量和折射率差测量溯源到He-Ne激光波长，测量光纤皮径和芯径的不确定度（2σ）分别为±0.25um和±0.5um。测量折射率的不确定度达到±2×10^-3。     

正弦力计量校准研究

动态力是加速度的导出量,文章介绍了正弦力计量标准装置研究与量值溯源现状,并认为根据动态力定义用激光干涉法测量加速度直接溯源到质量、加速度和时间是正弦力计量发展方向。由于正弦力计量中运动部件各处加速度不相等,因而研究质量块加速度分布非常重要,文章采用圆板弹性动力学模型将质量块三维结构简化为一维结构研究加速度径向分布,再用杆件结构动力学模型进一步将质量块简化为质点研究加速度轴向分布,进而减少正弦力测量结果的不确定度。     

2m比长仪纳米级精度线间距测量系统的研究

介绍了2 m比长仪系统的组成,对其采用光电显微镜动态瞄准刻线和激光干涉测长原理进行了分析,研究了提高刻线瞄准精度和激光干涉测长精度的方法及利用现代电子技术实现刻线信号和干涉信号自动同步快速处理方法。自动信号处理系统基于FPGA现场可编程电路技术和计算机技术。通过对金属线纹尺测量的实验表明,依据JJG 331—1994激光干涉比长仪检定规程进行实验,2 m比长仪单次最佳刻线瞄准精度优于10 nm(1σ),对其测量的不确定度分析表明,对于测量高质量的高等别线纹尺,其测量不确定度U=（20+40 L）nm（k=2）。     

0.01级活塞式压力计检定装置测量值的不确定度评定

本文分析了用0.01级活塞压力计检定装置测量值的不确定度的来源,对各项测量不确定度进行了评定,最后给出了一台压力变送器3MPa点电流信号测量值的扩展不确定度。并对检定结果进行了验证,验证结果表明,装置测量不确定度符合要求     

2～4 MPa燃气流量标准装置不确定度评估及验证

为了满足燃气流量仪表的溯源需求，基于标准表法建立一套燃气流量标准装置。该装置采用4台涡轮流量计作为标准表，可达到燃气压力2～4 MPa时，流量范围60～8 600 m³/h的测量能力。针对标准装置存在的标准表非定点使用和低温介质的问题，对其进行不确定度的评估及控制研究。基于NIM-2015模型非线性拟合技术控制标准表非定点使用的不确定度，该标准装置可提供标准流量的不确定度为0.26%(k=2)。在此基础上，建立天然气管道流动传热模型，发现增加预流动时间动态置换管容可实现装置温度动态平衡，提高测量重复性，装置可校准流量计的最优不确定度为0.32%(k=2)。     

基于TDLAS直接吸收法的气体压力测量技术研究

针对气体压力无接触测量需求,开展了基于TDLAS直接吸收法的气压测量技术分析。以CO2为研究对象,通过对以朗伯-比尔定律为基础的吸收光谱理论研究,建立压力测量模型,并利用MATLAB软件对气压测量过程进行仿真,将仿真结果与SpectraPlot结果进行对比,同时搭建实验系统进行验证。结果显示在1～2 atm的气压范围内,吸光度曲线仿真结果与SpectraPlot的结果高度重合,积分吸光度值最大偏差小于8%;压力测量实验结果相对误差呈现随压力增大而增大的趋势,该结果为以后吸收光谱法测量中压气体进一步研究提供了参考。     

渗透配气法痕量苯标准气体的研制

文章对渗透配气法制备的标准气体进行了定值研究,并使用固相微萃取—气相色谱联用法对定值结果进行了验证。讨论了定值的原理与方法,并根据定值结果对测量结果不确定度进行了分析。实验表明,采用渗透配气法可制备出nmol/mol量级的苯标准物质,不确定度为6.4%。定值结果溯源链完整,不确定度来源明确。     

一种数字时钟的校准方法及验证装置

为准确测量数字时钟示值偏差,保障数字时钟溯源的有效性,提出并设计一种数字时钟的校准方法及验证装置。采用PIN结硅光电二极管对数字时钟的数码管进行检测,将多路检测信号运算放大,与阈值电压进行比较后输出逻辑电平,再经过秒脉冲发生电路输出秒脉冲信号与标准时间秒脉冲进行比较测量。实验表明,验证装置延时223.4ns,不确定度为100.1ns(k=1)。     

球棒球心距测量装置及装校方法

激光干涉仪直接测量球棒球心距是目前国际上球棒标准器量值溯源的一种新颖且有效的方法,根据该原理构建球棒球心距测量装置。通过激光干涉仪校准、导轨滑动平台直线度调节以及球座和角锥反射镜座装校等方法,来降低几项主要误差来源,并进行实验及不确定度分析。当测量球心距为300 mm的标准球棒时,装置的扩展不确定度可达0.5μm。通过与德国DAkks校准证书中采用的三坐标测量机法进行比对,En值为0.41,验证不确定度评定的合理性。实验结果表明:该装置的构建为我国高精度球棒的量值溯源提供新的校准方案,具有良好实用性。     

VOR信号量值溯源技术研究

基于相位发生器和调频调幅设备建立了甚高频全向信标(VOR)标准信号发生装置,将VOR相位量值溯源至国家相位基准,解决了传统基于直接数字信号合成方法难以实现量值溯源的问题。对VOR标准信号发生装置的不确定度进行了评定,VOR相位扩展不确定度小于±0.020°(k=2),VOR调幅深度不确定度为±0.2%(k=2)。基于该标准信号发生装置可以对商用VOR信号发生和解调设备提供校准。     

压力传感器的模型不确定度研究

针对利用单次动态校准数据建立的压力传感器动态数学模型可信度不高的问题,提出了一种估计压力传感器最优动态数学模型及评定模型不确定度的方法.首先,对同一支压力传感器进行多次动态校准、建模得到多个模型参数向量.然后,对多个模型参数向量等概率可放回地随机抽取求均值,重复抽取过程模拟大量的建模结果,以此估计压力传感器的最优动态数学模型及评定模型不确定度.最后,对该压力传感器进行多次动态校准,建模验证时域和频域模型是否落在评定的不确定度区间内.实验结果表明:该方法得到的压力传感器最优动态数学模型合理,模型不确定度符合实际且小于运用贝塞尔法、蒙特卡洛法评定的模型不确定度.