摆动周期法中天平横梁摆动角度的测量研究

发布时间：2017-08-02 21:16

  本文关键词：摆动周期法中天平横梁摆动角度的测量研究

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【摘要】：建立基于基本物理常数来定义新的SI体系的过程中,实现质量量子基准是最为重要的,也是最困难的,是当下国际计量领域关注的热点与难点之一。国际单位制的7个基本的SI单位中,长度单位米、时间单位秒、电流单位安培、温度单位开尔文、物质的量单位摩尔、发光强度单位坎德拉均已实现了量子化,质量单位千克是唯一一个仍采用实物基准的基本单位。实物基准的准确性无法满足科研、生产的需求,加之,量子物理学的迅速发展,实现质量基准的量子化已成为必然的发展趋势。当前国内外定义质量单位的相关研究主要是对基本物理常数的测量,最关键的基本物理常数就是普朗克常数。国际计量委员会要求,质量量子基准的实现至少要有三种独立的方案来测量普朗克常数。当今世界,主流的质量量子基准研究方法只有两种,分别是功率天平方案、硅球方案,且二者均对引力质量进行测量,本文所提及的“摆动周期法”是一种测量惯性质量的质量量子基准新方案,由于其原理有别于功率天平方案、硅球方案,可作为第三种独立的方案,精确的测量普朗克常数。摆动周期法测量普朗克常数方案已经历了原理性的探索阶段,初步验证了该研究方案实施的可行性。本文所采用的实验装置是一架等臂的摆动天平,实现了加载的砝码质量与其质心、转动惯量的解耦,可避免传统的摆动法测量惯性质量时,其质心不易于测准的缺陷。对摆动天平系统的运动方程进行了推导,当天平横梁处于摆动的过程中,通过解析的方法,对其运动状态进行深入分析,得出摆动天平系统的微分方程。设计了一款适用于摆动天平系统的电容式角位移传感器,是实现摆动天平横梁摆动角度准确测量的必要环节,针对电容传感器和天平横梁的实际情况,设计相应的机械机构,保证电容传感器合理的放置,并实现高低位置可调,以便确保电容传感器屏蔽窗部分的圆心与摆动天平横梁刀口的位置重合。针对电容传感器的实际测量情况与需要,编制相应的Labview测量程序,实现电容传感器容值的时时测量和数据的时时记录。结合摆动天平系统实际情况,设计相关实验,搭建了测量系统,实测结果表明:电容式角位移传感器的线性度为2.59×10-6,灵敏度为1.1×10-6 pf/mg,测量点的迟滞差值均在-7量级,60分钟电容输出的稳定性为4.33×10-6。设计的用于摆动天平系统的便携式直流电压参考,2.5小时输出10V电压的稳定性(相对标准差)可小于2×10-7,满足高稳定度稳流源对参考电压的要求。
【关键词】：摆动周期法 天平横梁 质量单位 电容传感器 直流电压参考
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH715.11;TH712
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 课题研究的背景及意义11-17
• 1.2 质量量子基准的研究现状17-25
• 1.2.1 质量量子基准研究方法概述17-18
• 1.2.2 电天平方案的原理及其研究进展18-23
• 1.2.3 硅球方案的原理及其研究进展23-25
• 1.2.4 电天平方案与硅球方案的最新测量结果25
• 1.3 课题主要的研究内容及创新点25-27
• 1.3.1 主要的研究内容25
• 1.3.2 创新点25-27
• 第2章 摆动天平的基本原理27-34
• 2.1 摆动天平基本原理27
• 2.2 摆动天平横梁的运动方程27-30
• 2.2.1 摆动天平自由摆动情况28-29
• 2.2.2 摆动天平在外加作用力下摆动29-30
• 2.3 摆动天平的摆动周期30-31
• 2.4 选用的电磁天平基本参数31-33
• 2.4.1 基本技术参数31-32
• 2.4.2 电磁天平的基本性能32-33
• 2.5 电磁天平的应用33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 电容式角位移位移传感器设计与分析34-51
• 3.1 位移传感器简介34-39
• 3.2 摆动天平系统中电容式角位移传感器的结构设计39-43
• 3.2.1 电容传感器的设计思想39-43
• 3.2.2 传感器的基本工作原理43
• 3.2.3 摆动天平系统电容式角位移传感器结构参数43
• 3.3 测试系统搭建43-46
• 3.4 电容式角位移传感器性能分析46-50
• 3.4.1 电容传感器的线性度46-48
• 3.4.2 电容传感器的灵敏度48
• 3.4.3 电容传感器的迟滞48-49
• 3.4.4 电容传感器的稳定性49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 用于摆动天平系统的高精度直流电压参考设计51-62
• 4.1 直流电压参考概述51-52
• 4.2 电压基准电路设计52-53
• 4.2.1 恒压基准电路的设计52-53
• 4.2.2 精密电阻升压网络与降压网络的设计53
• 4.3 温度控制电路设计53-55
• 4.4 测试系统搭建与实验55-61
• 4.4.1 温度控制电路的系统测试55-56
• 4.4.2 测试结果56-57
• 4.4.3 便携式直流电压参考整机测试57-59
• 4.4.4 整机测试结果59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 总结与展望62-64
• 5.1 课题总结62
• 5.2 课题展望62-64
• 参考文献64-71
• 致谢71-73
• 攻读学位期间取得的科研成果73

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