极小样本数据的不确定度改进灰色评定方法

为解决经典的测量不确定度灰色评定模型在极小样本条件下的局限性问题,在分析经典模型原理的基础上,引入合成少数类过采样技术(SMOTE)以及支持向量回归(SVR)模型,经过适用性改造,进而提出改进的测量不确定度灰色评定方法。为验证模型的可靠性、泛化性等,分别将计算机模拟数据和某航空发动机高空模拟实验空气流量测量中的总温数据运用到模型中。结果显示,以极差法的计算结果为参考,改进的灰色方法能够适应不同分布类型的极小样本数据,在仿真数据中最高改善41.18%,实例数据中最高改善50.00%。因此,这种改进的灰色方法或可成为解决极小样本数据不确定度评定的有效途径。

2m比长仪纳米级精度线间距测量系统的研究

介绍了2m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JJG331—1994激光干涉比长仪检定规程进行实验，2m比长仪单次最佳刻线瞄准精度优于10nm（la），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＋40L）nm（k=2）。

线纹计量中的对准技术

介绍了线纹对准技术的发展以及典型线的纹对准技术及方法,分析各种线纹对准的技术特点及其适用范围。刻线种类的多样性决定了对准方法的多样性,线纹计量的对准技术的发展朝着多元化方向发展。对一些新型特殊的线纹测量器具(微密线纹测量和宽线单边对准测量),介绍了基于光电扫描的对准测量方法。线纹光电自动对准技术可以拓展应用到其它非线纹一维几何参量的计量。

单频纳米激光干涉仪非线性误差及其修正方法

介绍了单频纳米激光干涉仪的非线性误差,分析了各种典型的单频激光干涉仪非线性误差修正方法,如Heydemann方法、频谱分析方法、基于干涉信号波峰和波谷的方法、基于神经网络的NN方法.在基于干涉信号波峰和波谷的方法的基础上,提出了一种改良方法(P方法),试验结果表明,P方法具有运算简单、误差修正精度高和抗干扰性能较强等优点,可以在非计量环境下用该法对干涉仪的非线性误差进行修正,实用价值较大.

一种实用的精密测量设备空气弹簧监控系统

介绍了典型空气弹簧系统的组成和原理。以此为基础，根据几何量精密测量的需要，研制了一种电子与机械相结合、安全可靠的空气弹簧自动监控系统。系统的关键部分包括气动升高安全控制机构和平台调平机构，基于计算机平台传感系统，信号分析处理和监测系统。该监控系统可直接用于大型高精度几何量测量设备（如激光干涉比长仪），实现仪器振动的隔离、自动调平、高度控制等功能。

2m激光干涉测长基准装置

阐述了2m激光干涉测长基准装置工作原理及系统组成，以线间距测量功能为基础，研究了接触式和非接触式的几何测长对准方法，实现了其测长功能拓展应用。介绍了实现纳米精度测长的技术措施。对称布局的双光电显微镜同步扫描测量接长的方式实现2m刻线间距测量，信号处理系统具有标准间距位置脉冲发生功能，可以实现位移传感器动态触发校准和其它应用。对于高质量的线纹尺，2m激光干涉测长基准装置单次测量刻线间距的最佳瞄准精度优于10nm（1σ），1m测量范围内的线纹测量不确定度U=（20＋40L）nm（k=2）。

高等别线纹尺校准装置及校准方法研究

高等别线纹尺广泛用于精密加工及精密测量设备的定位、标定及校准等。为满足长三角地区高端装备制造业对高等别线纹尺的量值溯源需求,提升地方计量机构的量传能力,研制开发了新的激光干涉比长仪装置。在主体结构设计、激光干涉测长、环境监测与补偿等方面进行了精心设计,并利用基准尺等多种仪器,对装置各部分的计量特性进行校准及实验测试。测试结果表明,该装置校准线纹尺达到了基准级的测量精度。

提高环境参量法测量空气折射率精度的研究

介绍了应用Edlén经验公式的环境参量法测量空气折射率，分析和总结了提高其测量精度的措施，如公式的合理选用、环境参量测量传感仪表的选用等。从软硬件两个方面描述了实际折射率测量系统的构成，分析结果表明其测量标准不确定度达1．03×10^-8，可以满足高精度激光干涉测长的要求。

一种基于高速A／D的刻线瞄准信号处理方法

介绍了基于高速A／D信号处理方法的系统组成和工作原理，包括对瞄准信号的模拟信号调理、A／D采样、数字信号处理等环节，能够实现2nm的瞄准分辨率，可用于激光干涉比长仪的动态显微瞄准系统。通过实验验证了方法的可行性，即使在干扰较大的非理想波形信号的情况下也能得到对刻线瞄准的较高的重复性。

一种用于纳米计量的原子力显微镜测头的设计

介绍了我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头.该显微测头与其它部件协同工作在50 mm×50 mm×2 mm的测量范围内实现纳米级精度的测量.测头采用光束偏转法检测探针悬臂的微小偏移,由单模保偏光纤引入半导体激光作为光源.该测头安装有3个立体反射镜作为激光干涉仪的参考镜.样品与原子力显微镜测头的相对位置可以由激光干涉仪直接读数,可溯源到米国际定义及国家基准上.激光干涉仪的布置无阿贝误差.测头采用立体光路设计,结构紧凑.测头厚度小于20 mm,质量约200 g,却实现了100 mm的反射光程.使用该测头测得与量块表面的力-距离曲线,还测得标称高度300 nm SiO2台阶样板的图像,分辨率优于0.05 nm.

动态光电显微镜刻线瞄准信号的处理方法

研究了激光干涉比长仪的动态光电显微镜刻线瞄准信号的处理方法。分析了基于硬件电路的信号处理方法,及基于高速A/D采样、计算机数据处理的软硬件结合的信号处理方法,分别介绍了这两种方法的系统组成及工作原理。实验证明,前者抗干扰性能差,瞄准精度低;后者实现对刻线信号均匀等距采样,瞄准精度高,在测量速度达3mm/s时,可实现2nm的瞄准分辨率。

2m比长仪测量滑板运动控制系统的实现

分析了2m激光干涉比长仪测量滑板运动控制系统的实现方法。设计了气液联动控制机构，以气压为动力，利用气液转换器把气压转换为液压来推动活塞杆控制测量滑板的运行速度和方向，将气压控制的响应快与液压控制的速度稳定性高的特点结合起来，并结合电气系统的控制灵活性，构成了电-气-液的多级控制结构。利用多个液压回路管路直径长度的变化控制测量滑板移动的无级调速，实现了测量滑板运动方向、速度、位置的精确控制，测量速度为2μm/s～10mm/s。系统充分发挥了电、气、液的控制优点，速度，位置控制精度高、运动平稳、可靠性好。

基于FPGA的正交信号细分系统研究

介绍了一种新的基于FPGA的纯硬件细分系统，该系统主要由模拟信号处理和集成于同一FPGA芯片上的坐标变换、FIFO存储器、FIR滤波器几个部分组成。采用了集成化和模块化设计，具有精度高、实时性好等特点。将此方法应用于2m比长仪的测长系统，通过实验验证了该细分系统的准确性及实用性。

基于双路多光束干涉的光程微变动实时监测技术

介绍了一种基于多光束干涉原理,采用双通道的微光程测量系统。该系统具有较高的测量灵敏度,可以实现诸如空气折射率变动引起光程微变的测量。采用简单方法对测量灵敏度实验进行验证,利用声波改变空气折射率进而改变光学光程,将系统的测试结果与迈克尔逊干涉方法的测试结果进行了比较,结果表明,本系统能够在较小干涉臂情况下实现只有当迈克尔逊干涉大干涉臂才能具备的测量灵敏度。由于光程变动的测量具有较多的应用,本测量实验系统具备微型化的结构特点,可以为相关领域的应用提供技术基础。

基于激光干涉仪的位移传感器标定技术研究

为提高位移传感器的测量精度,研究了基于激光干涉仪的位移传感器标定方法,并搭建了标定系统,以激光干涉仪作为长度标准,设计了符合阿贝原则的机械结构,减小标定误差;开发了自动控制测量系统,实现被测传感器与标准干涉仪数据的连续、同步采集并输出误差曲线;建立了基于多点差值的误差修正模型,实现位移传感器误差的自动标定。以三角激光传感器为被测对象进行了实验,实验结果表明,经标定后被测传感器绝对误差减小50%以上。

基于单稳频激光的端面距离微尺寸测量方法

搭建了一种用于端面距离微尺寸测量的干涉光路,分别以频率高度稳定的532 nm波长激光和波长不确定度水平相对较差的633 nm波长激光作为光源进行照射以获取干涉图样。使用电荷耦合器件(CCD)传感器获取干涉图样,采用数字图像处理手段清晰化干涉图样,并利用条纹的像素距离计算干涉条纹级次差的小数部分,用多波长的小数重合法计算端面间距。通过系统的软件部分,利用数字图像处理的手段对干涉图像的质量进行优化,在较为简单的实验条件下实现精度较高的端面距离微尺寸测量。

步距规动态测量方法研究

步距规是一种典型的多量值面间距标准器,由于各工作面间相互阻隔,使步距规的校准具有一定难度。本文提出了一种新的测量方法,即应用光切显微镜的测量原理实现被测工作面的精确定位,给激光干涉比长仪提供了各个测量面的触发信号,从而实现了面间距的非接触动态连续测量。根据该方法研制了光学测头,并安装在激光干涉比长仪上进行了测量,分别对测头的定位精度､系统的测量重复性以及测量精度进行了实验,并给出了实验结果。目前,用此方法测量步距规的面间距,重复性可达16nm,测量不确定度优于U=0.1μm+1.5×10^(-6)L,k=2,其中L为被测步距规总长,μm。

端度计量

端度计量是几何量计量的一项基础工作,国内外对量块、量块对和台阶规端度标准器的高精度测量技术开展了大量的研究。量块的测量方法分为比较法和绝对干涉法。比较法介绍了基于高定位重复性测头和干涉比较技术的高精度量块比较仪,其测量不确定度0.04μm+0.4×10^(-6)L。绝对干涉法介绍了量块绝对干涉测量的测量原理及国内干涉测量的发展历程。绝对干涉法主要包括单端和双端量块干涉测量方法,相应地研制了需要研合测量的单端移相量块干涉仪和无需研合的双端移相量块干涉仪,其测量不确定度达到15 nm+0.15×10^(-6)L。以移相量块干涉仪为基础开展了量块对和台阶规的测量方法研究。为实现量块对的高精度测量,通过不确定度分析和实验验证获得并规定了单端移相量块干涉仪测量量块对的限定测量条件。采用移相量块干涉仪测量量块对长度差的测量不确定度不超过10 nm。采用单端移相量块干涉仪可以实现台阶规的高精度测量,通过对干涉条纹的分析计算,台阶中心高度测量不确定度达到(0.01~0.1)μm。为满足超高精度的长度测量的需求,研究超高精度干涉测量技术是端度计量的发展趋势。已有的单端和双端移相干涉技术为基于全新设计的超高精度干涉仪的研制奠定了基础,从而实现纳米级测量不确定度的端度测量。

长度单位变革以来的影响及展望

2018年11月第26届国际计量大会上,SI单位进行了重新修订,长度基本单位“米”的定义没有变动。长度单位变革的这36年,全方面影响着工业和科技中对长度量值的溯源需求。首先缩短了量值传递路径而提升了长度量传精度,丰富了长度量值传递的形式,催生出许多重要的长度测量应用。飞秒激光的应用更加方便了长度单位“米”与时间单位“秒”的统一,随着科技的进步,一些先进长度测量仪器不断出现,将时间和空间的关系变得更加紧密。长度单位“米”定义到光速的这把光米尺具有超越性,应用潜力空间巨大、所带来的影响将持续不断。

提高激光传感器用于现场校准装置精度的研究

阐述了激光传感器在位移传感器现场校准装置中的应用,对激光传感器的测量原理及校准方法进行了分析。结合现场校准的特殊性,分析现场校准过程中的误差来源,提高现场校准的精度。应用2m比长仪对激光传感器进行溯源,研究激光传感器在大长度测量应用中提高精度的方法,采用曲线拟合的方法对测量结果进行补偿。最后应用空气弹簧隔振平台的高度监控系统对溯源后的激光传感器进行验证。实验结果表明,应用激光传感器的位移传感器现场校准装置,其精度可以达到0.1%。