计量科学与技术

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新一代线角度基准装置的研制

黄垚, 薛梓, 吴金杰, 车双良

2024, 68(2): 3-9. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0299

摘要(413)

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PDF(44)

摘要:
面向数控机床回转定位、航空航天器飞行姿态调控及测绘仪器空间定向领域，针对相关装备角度测量圆分度核心器件的量值传递需求，参照国家平面角计量器具检定系统要求，中国计量科学研究院研制并建立了新一代线角度基准装置。该装置通过超精密精密回转角定位、自校准扫描干涉式圆光栅测量、全圆连续补偿等一系列关键技术，实现了整分角度、细分角度一体化测量，及静态测量、扫描测量多种测量功能，测量范围达到b，采样步长优于0.01″，测量不确定度达到U=0.03″ (k=2)，为圆分度角度测量仪器提供了全圆连续的量值溯源平台。

内禀硅晶格常数的22纳米线宽标准器研制

王芳, 施玉书, 张树

2024, 68(2): 10-15, 59. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0150

摘要(274)

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PDF(26)

摘要:
纳米线宽作为典型纳米几何特征参量之一，其量值准确性对于先进制造等领域尤为重要。随着纳米尺度向着极小尺寸发展，测量精度要求达到亚纳米级，这给纳米线宽的精确测量带来了新的挑战。2018年第26届国际计量大会提出使用硅{220}晶面间距作为米定义的复现方式，这为原子尺度纳米线宽计量技术提供了新的思路与方法。基于多层膜沉积技术制备了22 nm内禀硅晶格的线宽标准器，采用高分辨透射电子显微镜，以标准器中的硅晶格常数为标尺实现对纳米线宽的直接测量，测量不确定度优于1 nm。

超精密回转运动误差测量方法与技术

倪赫, 孙厚军, 朱凯强, 董贤平, 高守锋, 安东阳

2024, 68(2): 16-29. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0315

摘要(391)

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PDF(51)

摘要:
高超精密回转轴在高端装备中应用广泛，而回转运动误差会影响这些设备的精度。第一类传统的回转运动误差测量技术往往需要一个高精度标准器件作为参考，由于标准器形状误差的限制，其不可避免地降低了回转运动误差测量精度，而误差分离技术又很繁琐且费时。第二类基于光学方法回转运动误差测量技术则无法获得高测量精度并且难以获得轴向运动误差。分析了超高精度非球面测量仪器中回转运动误差的影响，并概述了现有两类回转运动误差测量方法。最后分析了所提出的基于复合激光靶标的回转运动误差测量方法，该方法可以测量转轴在运动过程中五个自由度误差，具体包括轴向、径向和角度误差。在这种方法中，建造了一个包含激光点光源和激光准直光束的复合激光靶标，并将其安装在转轴上作为参考基准，其用于标记转轴在回转过程中的位置，通过测量复合激光靶标的位置和角度来获得转轴的姿态。差动共焦显微测量技术被用于测量激光点光源的轴向位置，以获得转轴的轴向误差；传统显微光路用于测量激光点光源的径向位置，以获得转轴的径向误差；准直测量光路用于获得激光准直光束的角度，以获得转轴的角度误差。对轴向和径向误差的分辨力分别为4 nm和2 nm，对角度误差的分辨力为0.2 μrad。此外，该方法还在空气转轴上进行了测试，并证明了在使用该方法获得转轴运动误差的可行性。综上，该方法通过光学参考装置替代传统标准器件来获得转轴误差，而无需额外的误差分离过程。在超高精度测量设备中，该方法有利于实现回转运动误差的实时监测，有望在超精密加工和测量等领域进行更多实际应用。

大尺寸先进计量技术研究与进展概述

李建双, 缪东晶, 刘洋, 赫明钊, 李连福, 蒋远林, 康瑶, 王德利, 朱佳祥

2024, 68(2): 30-39. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0236

摘要(589)

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PDF(86)

摘要:
大尺寸计量技术是高精度测量或标定大尺寸物体长度、位置姿态和形貌参量的关键技术，在工业制造、大型建造和工业测量等领域具有广泛的应用。伴随先进光学技术、精密测量技术、数据融合技术和工程应用技术的逐步发展，大尺寸计量技术同样从技术和应用层面均面临不断革新，诞生一系列大尺寸先进计量新技术，打破传统大尺寸计量中单一量值和离线溯源的瓶颈，逐步向复合参量和原位溯源进行过渡，进一步向实现数字化、扁平化和智能化的高精度大尺寸计量变革。通过介绍大尺寸计量中室内工业测量和室外大地测量中的先进计量技术，为大尺寸计量未来的发展趋势进行了展望和分析，并为先进大尺寸计量技术的进一步发展提供了新思路。

基于单路利特罗型光栅干涉仪的超精密位移测量技术研究

朱宏宇, 吴益泽, 冯婧桐, 林子超, 禹静, 薛栋柏, 邓晓, 程鑫彬

2024, 68(2): 40-45, 75. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0304

摘要(439)

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PDF(64)

摘要:
基于光栅干涉仪的超精密位移测量技术是先进制造领域的关键共性技术，采用更高刻线密度的光栅是提升光栅干涉仪测量精度与分辨率的有效途径。随着电子束制备光栅技术的提升，采用电子束加工高刻线密度光栅（大于3000线/mm）作为测量基准是优化干涉仪性能的有效途径。利用3333线/mm的高刻线密度电子束直写光栅，采用单路利特罗光栅干涉构型，搭建了原始信号周期为300nm的光栅干涉仪，验证了其在位移测量方面的准确性与稳定性。单路利特罗光栅干涉仪与激光干涉仪比对装置为后续光栅间距标定提供了新的可能性，是电子束直写型高刻线密度光栅在精密位移测量领域的有益探索。

多传感器坐标测量机的校准及应用

位恒政, 王为农, 裴丽梅, 郭斯宜, 崔剑秋, 向思思

2024, 68(2): 46-51. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0289

摘要(303)

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PDF(39)

摘要:
多传感器坐标测量机通过组合不同类型的传感器，可以快速地得到更全面、准确的测量数据，成为解决复杂物体测量的重要手段。多传感坐标测量机校准需要考虑单个传感器的计量特征和组合特性，介绍了国内外相关方法，中国计量科学研究院开展了基于多传感器坐标技术的摄影测量用靶标、硬度压头参数等应用研究，开发了光机两用标准器，实现了影像传感器和接触式传感器组合测量系统的精度评价。最后探讨了多传感器坐标测量技术一些有待研究的问题。

基于激光溯源的纳米台阶高度标准物质研制与计量技术

王琛英, 景蔚萱, 张雅馨, 李伟, 张易军, 李常胜, 施玉书, 蒋庄德

2024, 68(2): 52-59. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0149

摘要(409)

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PDF(59)

摘要:
随着半导体产业的快速发展，高精度极小尺寸三维纳米制造技术给纳米测量技术提出了更高的要求，急需开发与之相应的纳米几何量标准物质来满足这一日益迫切的需求。为实现我国纳米台阶高度标准物质的可控制备和纳米高度量值的可溯源性，我国自主研发了与国际水平相当的系列纳米台阶高度标准物质，并基于激光波长实现了米定义直接溯源，为支撑多领域技术研究，打破国外垄断，完善我国纳米几何量值传递体系，促进纳米产业的发展做出了重要贡献。通过对国内外纳米台阶高度标准物质的相关研究进行分析对比，就纳米台阶高度标准物质的研制方法及计量技术进行综述，以期为纳米台阶高度标准物质及其他类型的微纳米几何量标准物质的研究提供参考与展望。

大型装备智能制造关键共性计量技术研究

赵子越, 宫思远, 瞿剑苏, 何小妹, 王爱军, 王一璋, 李艳, 何学军

2024, 68(2): 60-75. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0286

摘要(342)

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摘要:
智能制造具备自感知、自学习、自决策、自适应等功能并可应用到设计、生产、管理、服务等诸多制造环节，将新一代信息通讯技术和先进制造技术进行了深度融合，形成了一种新型的生产方式。结合其定义与大型装备制造的需求，智能制造具有典型的四大特征：动态感知、实时分析、自主决策、精准执行。国内外学者经过深入研究，分析智能制造包含以下五层架构：企业联盟层，企业管理层，生产管理层，控制执行层，智能设备层。其中，智能设备层中实现智能制造活动的加工、装配、测量测试三类设备是与计量保障活动直接相关的制造要素，实时在线保证智能设备的测量数据准确可靠是智能制造发挥效能的关键所在。本文系统分析了智能制造的计量需求，对加工设备、装配设备、测试设备和模型算法等要素进行系统分析，达到构建关键共性计量技术体系要求。

近场光学显微镜发展综述

陶伟灏, 赵书浩, 董涵瑾, 张国锋, 杨树明

2024, 68(2): 76-87. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0363

摘要(1006)

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PDF(226)

摘要:
半导体芯片制造、超精密加工以及生物医学等领域的探索已经深入纳米尺度，对相应的测量技术提出了更高要求。光学方法以其非接触、无损、快速等优势得到了广泛应用，但传统光学显微镜的分辨率受限于衍射极限。扫描近场光学显微镜基于非辐射场的探测和成像原理，能够突破衍射极限，在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像。介绍了近场光学显微镜的成像原理，分析了其不同工作方式下的优缺点。针对目前近场光学显微镜发展过程中所聚焦的提高分辨率和信噪比两个重点方向进行了综述。在提高分辨率方面，通过在孔径式近场光学显微镜探针尖端添加纳米天线，基于纳米天线原理突破了探针孔径对于分辨率的限制；利用在光纤尖端包覆金属膜或嵌入金属纳米线等方法，将光纤内的光转化为表面等离激元形式传播至尖端实现高分辨测量；利用一种探针与样品的极小间距模式将光斑压缩，突破散射式近场光学显微镜分辨率受针尖大小的限制，提高了分辨率。在增强针尖处聚焦光场强度、提高信噪比研究方面，通过在探针尖端制备各种纳米结构来激发表面等离激元，避免了远场光直射针尖区域所造成的背景噪声，提高了信噪比；在光纤式探针中通过增加环形光栅等结构来提高表面等离激元转化效率，增加聚焦光场强度，提高了信号强度；采用平台等特殊结构使表面等离激元产生反射共振增强，提高聚焦光场强度。最后，总结并展望了未来近场光学显微镜的发展方向。

端度计量

张旭东, 王方彪, 温梓彤, 高宏堂, 刘香斌

2024, 68(2): 88-94. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0233

摘要(278)

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PDF(40)

摘要:
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0.04 μm+0.4×10⁻⁶L。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+0.15×10⁻⁶L。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。

633 nm碘稳频He-Ne激光器研究进展

邹金澎, 殷聪, 王建波, 毕文文, 张明宇, 朱怡轩

2024, 68(2): 95-100, 9. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0283

摘要(628)

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PDF(102)

摘要:
在长度计量领域，基于饱和吸收技术的633 nm碘稳频He-Ne激光器因其具有波长在可见光范围内，结构简单而紧凑，波长复现性好等优点，作为长度基准在长度实验室和计量实验室得到了广泛应用。对633 nm碘稳频He-Ne激光器进行进一步的研究，对于保持我国长度计量领域的先进性及我国数字计量事业的建设具有重要意义。介绍633 nm碘稳频He-Ne激光器的基本原理、研究现状以及数字化进程，对其发展趋势进行展望。

高精度面形坐标测量方法研究进展与应用

刁晓飞, 范芯蕊, 康岩辉

2024, 68(2): 101-110. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0339

摘要(493)

HTML (174)

PDF(91)

摘要:
随着光学元件加工技术的不断提升，复杂曲面光学元件在航空、航天、极紫外光刻等领域逐渐展露出其卓越的应用价值。全面回顾了高精度面形测量方法在复杂曲面光学元件研究中的进展和应用。重点关注通用性较高的坐标点扫描测量方法，详细介绍其发展历程和研究进展，分析讨论了不同方法的适用范围和优缺点。综合国内外先进的测量技术与方法，提出了一种基于微型干涉测头的标准非球面面形测量装置，以期解决面形测量仪器的量值统一和溯源问题，为复杂曲面的高精度测量提供了新的可行性方案。最后简要概括了复杂曲面测量领域的重点研究方向和可能的发展趋势。

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