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