量子质量基准精密运动定位装置研制

发布时间：2017-07-28 23:21

  本文关键词：量子质量基准精密运动定位装置研制

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【摘要】：质量量子基准研究被Nature杂志评选为2012年六大具有挑战性科学难题之一。如何实现质量基准的量子化已成为目前国际计量学界亟待解决的科研难题和研究热点。本文以能量天平精密定位机构为研究对象,对线圈系统精密定位指标要求进行分解,设计了激励线圈和感应线圈的精密定位装置,建立了误差传递模型,并对影响精密定位的误差项进行了实验研究,装置满足了能量天平互感测量对线圈系统精密定位要求。论文的主要研究内容包括:(1)将能量天平合成不确定度指标分解,确定线圈系统定位精度指标。基于能量天平互感测量对激励线圈和感应线圈机械结构的要求,对质量测量合成不确定度小于10-7技术指标进行分解,确定激励线圈和感应线圈机械定位精度要求。以定位精度指标为依据,设计了激励线圈和感应线圈的运动定位机构,分析影响线圈系统精密定位的误差源,并计算得到误差量值。(2)基于定位精度要求设计激励线圈机械结构,建立误差传递模型。该运动定位机构包括精密升降台、精密导向部件、环形配重部件等。由于激励线圈运动平稳性对定位精度影响较大,仿真分析激励线圈运动定位机构频响特性、静态力形变和强度校核。为分析影响激励线圈子系统定位精度的运动自由度,采用多刚体系统理论对激励线圈子系统进行拓扑分析,建立了误差传递模型,并计算得到激励线圈运动定位机构的合成误差。(3)基于定位精度要求设计感应线圈机械结构,建立误差传递模型。该运动定位机构包括精密调心台、压电陶瓷锁定部件、砝码交换部件等。为测量感应线圈的五自由度姿态,在垂直方向采用三路激光干涉仪测量z、Rx、Ry,水平方向采用三个电容传感器测量x、y。采用多刚体系统理论对感应线圈子系统进行拓扑分析,建立了误差传递模型,并计算得到感应线圈运动定位机构的合成误差。(4)实验验证激励线圈和感应线圈定位机构的性能。激励线圈定位机构实验包括:z向稳定性、运动直线性、与铅垂方向的平行性,将测量结果与理论误差结果进行比较,验证激励线圈定位机构设计合理性;感应线圈定位机构实验包括:z向稳定性、z向相对锁定、运动同轴度,将测量结果与计算误差结果进行比较,验证感应线圈定位机构设计合理性。综上,本文设计了量子质量基准线圈系统运动定位装置,基于多刚体理论建立了激励线圈和感应线圈子系统的误差传递模型,并对定位机构的性能指标进行测量。实验结果表明:激励线圈定位机构x、y方向运动直线度分别为7.45μm和7.55μm;经压电陶瓷补偿,感应线圈和激励线圈z向相对定位精度为10nm,运动同轴度为17.9μm。实验结果表明本机构满足了量子质量基准装置对线圈系统运动定位精度要求。
【关键词】：能量天平 运动定位机构 多刚体理论 误差传递模型
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH715.11;O413
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-12
• 1.2 量子质量基准研究国内外现状分析12-18
• 1.2.1 瓦特天平研究现状及分析12-15
• 1.2.2 能量天平研究现状及分析15-18
• 1.3 本文的主要研究内容18-19
• 第2章 能量天平线圈运动定位装置结构设计19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 能量天平指标分解及结构设计19-23
• 2.2.1 能量天平的整体指标分析19-21
• 2.2.2 能量天平整机方案21-23
• 2.2.3 线圈组运动定位精度要求23
• 2.3 线圈的自由度测量方法23-29
• 2.3.1 激励线圈自由度解算24-25
• 2.3.2 感应线圈自由度解算25-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 激励线圈运动定位机构设计及误差传递模型30-45
• 3.1 引言30
• 3.2 激励线圈运动定位机构设计30-37
• 3.2.1 激励线圈子系统设计及仿真31-32
• 3.2.2 升降传动部件设计32-33
• 3.2.3 激励线圈运动定位机构导向部件设计33-37
• 3.3 激励线圈运动定位机构误差传递模型建立37-40
• 3.3.1 基于多刚体理论的激励线圈子系统拓扑建模37-38
• 3.3.2 激励线圈运动定位机构误差传递模型38-40
• 3.4 激励线圈运动定位机构误差合成40-43
• 3.4.1 支撑底板误差项分析40-41
• 3.4.2 导向柱误差项分析41-42
• 3.4.3 激励线圈误差项分析42-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第4章 感应线圈运动定位机构设计和误差传递模型45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 感应线圈运动定位机构设计45-49
• 4.2.1 感应线圈子系统设计及仿真46
• 4.2.2 砝码交换部件设计46-47
• 4.2.3 感应线圈悬杆部件设计47-49
• 4.3 感应线圈运动定位机构误差传递模型建立49-52
• 4.3.1 基于多刚体理论的感应线圈子系统拓扑建模50-51
• 4.3.2 感应线圈系统误差传递模型51-52
• 4.4 感应线圈运动定位机构误差合成52-54
• 4.4.1 花岗岩支撑框架误差项分析52-53
• 4.4.2 调心位移台误差项分析53
• 4.4.3 质量比较器及上铰链误差项分析53
• 4.4.4 姿态调整装置误差项分析53-54
• 4.4.5 感应线圈误差项分析54
• 4.6 本章小结54-55
• 第5章 实验与分析55-72
• 5.1 引言55
• 5.2 运动定位机构性能实验55-65
• 5.2.1 激励线圈运动直线度测量56-59
• 5.2.2 激励线圈运动轴线与铅垂方向的平行度实验59-62
• 5.2.3 激励线圈与感应线圈轴线同轴度测算62-65
• 5.3 线圈组Z向相对位移补偿锁定实验65-71
• 5.3.1 激励线圈z向稳定性实验65-67
• 5.3.2 感应线圈z向稳定性实验67-68
• 5.3.3 感应线圈和激励线圈z向相对位移锁定实验68-71
• 5.4 实验结果与理论值对比71
• 5.5 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果76-78
• 致谢78-79

【参考文献】

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1 严智文;PSD空间定位及抗干扰研究[D];南京理工大学;2007年

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本文编号：586530