擺動(dòng)周期法中天平橫梁擺動(dòng)角度的測(cè)量研究.pdf

1、建立基于基本物理常數(shù)來(lái)定義新的SI體系的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量量子基準(zhǔn)是最為重要的，也是最困難的，是當(dāng)下國(guó)際計(jì)量領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一。國(guó)際單位制的7個(gè)基本的SI單位中，長(zhǎng)度單位米、時(shí)間單位秒、電流單位安培、溫度單位開(kāi)爾文、物質(zhì)的量單位摩爾、發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉均已實(shí)現(xiàn)了量子化，質(zhì)量單位千克是唯一一個(gè)仍采用實(shí)物基準(zhǔn)的基本單位。實(shí)物基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性無(wú)法滿足科研、生產(chǎn)的需求，加之，量子物理學(xué)的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量基準(zhǔn)的量子化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前國(guó)

2、內(nèi)外定義質(zhì)量單位的相關(guān)研究主要是對(duì)基本物理常數(shù)的測(cè)量，最關(guān)鍵的基本物理常數(shù)就是普朗克常數(shù)。國(guó)際計(jì)量委員會(huì)要求，質(zhì)量量子基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)至少要有三種獨(dú)立的方案來(lái)測(cè)量普朗克常數(shù)。
　　本研究所提及的“擺動(dòng)周期法”是一種測(cè)量慣性質(zhì)量的質(zhì)量量子基準(zhǔn)新方案，由于其原理有別于功率天平方案、硅球方案，可作為第三種獨(dú)立的方案，精確的測(cè)量普朗克常數(shù)。擺動(dòng)周期法測(cè)量普朗克常數(shù)方案已經(jīng)歷了原理性的探索階段，初步驗(yàn)證了該研究方案實(shí)施的可行性。本文所采用的實(shí)驗(yàn)裝

3、置是一架等臂的擺動(dòng)天平，實(shí)現(xiàn)了加載的砝碼質(zhì)量與其質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的解耦，可避免傳統(tǒng)的擺動(dòng)法測(cè)量慣性質(zhì)量時(shí)，其質(zhì)心不易于測(cè)準(zhǔn)的缺陷。對(duì)擺動(dòng)天平系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行了推導(dǎo)，當(dāng)天平橫梁處于擺動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)解析的方法，對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行深入分析，得出擺動(dòng)天平系統(tǒng)的微分方程。設(shè)計(jì)了一款適用于擺動(dòng)天平系統(tǒng)的電容式角位移傳感器，是實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)天平橫梁擺動(dòng)角度準(zhǔn)確測(cè)量的必要環(huán)節(jié)，針對(duì)電容傳感器和天平橫梁的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，保證電容傳感器合理的放置，

4、并實(shí)現(xiàn)高低位置可調(diào)，以便確保電容傳感器屏蔽窗部分的圓心與擺動(dòng)天平橫梁刀口的位置重合。針對(duì)電容傳感器的實(shí)際測(cè)量情況與需要，編制相應(yīng)的Labview測(cè)量程序，實(shí)現(xiàn)電容傳感器容值的時(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)據(jù)的時(shí)時(shí)記錄。結(jié)合擺動(dòng)天平系統(tǒng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，搭建了測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明：電容式角位移傳感器的線性度為2.59×10-6，靈敏度為1.1×10-6 pf/mg，測(cè)量點(diǎn)的遲滯差值均在-7量級(jí)，60分鐘電容輸出的穩(wěn)定性為4.33×10-6。設(shè)計(jì)的用