2022年, 第43卷, 第4期　
刊出日期：2022-04-28

  

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电磁学计量
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  计算电容屏蔽电极位移测量的不确定度评估

  王建波,殷聪,钱进,刘忠有,黄璐,杨雁,陆祖良

  计量学报. 2022, 43(4): 437-444. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.01

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  计算电容是电学阻抗单位复现的基准装置,是电容、电感和交流电阻的溯源依据。它是电磁计量领域内除量子电压、量子电阻基准之外准确度最高的装置。计算电容装置实现微小电容值(0.2至0.6pF)精确测量的关键在于对其屏蔽电极位移的高准确度测量。从计算电容屏蔽电极位移测量的基本原理出发,系统分析了屏蔽电极位移测量结果的影响因素,具体包含Fabry-Perot干涉仪的锁定、稳频激光波长的实时校准、残余气体折射率影响、测量余弦误差以及Gouy相位修正,结合计算电容测量结果的复现性,得到屏蔽电极位移测量的相对标准不确定度为4.7×10^-9。
计量学总论
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  基于光子能量测定的普朗克常数直接测量法

  李玉芬,和穗荣,韦联福

  计量学报. 2022, 43(4): 445-451. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.02

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  普朗克常数是物理学中的最小作用量子,是区分经典物理和量子物理的重要标志。因此,这一基本物理常数的精确测量,不管是对物质世界本源的理解、各种量子效应的实验观测,还是质量单位的重新定义都非常重要。普朗克常数的精密测量经历了120多年的发展历史,建立了多种间接或直接的测量方法,直到2019年才给出其精确值。但相对于时间(或频率)的精确值,普朗克常数的测量精度仍有很大的提升空间。作为传统光电效应法间接测量普朗克常数的一种新发展,基于液氦上表面电子态光致电离技术,通过饱和光电流平台测量及光子数可分辨光子探测,提出了一种实现普朗克常数的直接测量方法。结合实验室现有的微纳器件加工工艺平台和极低温弱信号检测实验平台,对这一方法现实的可行性进行了论证。
几何量计量
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  微纳米三坐标测量机三轴垂直度误差测量及建模补偿

  李瑞君,李洁,何亚雄,程真英,黄强先

  计量学报. 2022, 43(4): 452-456. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.03

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  垂直度误差是微纳米三坐标测量机的重要误差源之一,必须对其进行高精度测量并建立垂直度误差的补偿模型。采用基于光电位置敏感器件(PSD)的测量装置,先将三轴垂直度误差转化成相应方向的直线度误差再对其进行测量,并对微纳米三坐标测量机的垂直度误差进行建模和补偿。通过对0级标准量块厚度进行测量和垂直度误差补偿,量块X、Y方向厚度测量误差分别减小了11μm和4μm,验证了垂直度误差测量方法和补偿模型的有效性。
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  俯仰轴轴线位置的视觉标定方法研究

  毕超,赵源,郝雪,房建国

  计量学报. 2022, 43(4): 457-463. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.04

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  针对气膜孔五轴视觉测量系统中的俯仰轴轴线标定问题,提出了一种应用工业级摄像机和定制的标定靶标来确定俯仰轴轴线的空间位置的新方法。以具有锋利和完整直边特征的长方体金属块作为标定靶标,通过系统中俯仰轴的运动使靶标处于不同的位置和姿态,并由三维运动平台带动摄像机运动,使其对焦于处于不同状态的靶标表面,并采集包含目标棱边的前表面与上表面的正焦图像;而后提取出图像中的目标棱边并基于目标棱边的唯一性而建立约束条件,再进行联立求解,从而解算出俯仰轴轴线在机器坐标系O-XYZ中的空间方位。应用该测量系统和标定结果对一个标称尺寸为60mm的长方体试验件进行了10次重复性测量,实验结果显示:被测尺寸的单次测量极限误差为±0.0216mm,并且各次结果的测量误差均小于±0.012mm,从而验证了该标定方法的可行性和有效性。
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  于FDTD仿真的高增益拉曼镀金针尖的可重复准确制备

  祝敏豪,高思田,黄鹭,胡佳成,孙晓爽,刘林伟

  计量学报. 2022, 43(4): 464-469. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.05

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  提出一种可适用于针尖增强拉曼系统(TERS)的基于时域有限差分法(FDTD)的高增益拉曼针尖及其制备方法。在汇聚光条件下,仿真分析镀Au厚度为5～100nm,中间过渡层材料分别为5nm的SiO₂,Ta₂O₅,Ti,Cu的内凹型W针尖,在Au基底金半球样品处的近场电场分布情况。仿真结果表明:50nm镀金厚度,Ti,Cu为中间层的针尖具有更强的增强效果。在此基础上通过磁控溅射,设定镀Ti时间7s,镀Au时间120s,成功制备出所设计的高增益针尖,通过聚焦离子束(FIB)沿轴向切割针尖并借助扫描电镜(SEM)观察针尖剖面结构,验证该镀膜针尖的尺寸形状等结构参数达到设计要求。经4批次,每批次20根针尖进行重复镀膜实验,从而证明所设计的针尖稳定可重复准确制备。
光学计量
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  基于ReInspect算法的多目标追踪

  王文远,金晅宏,宋文净,王轶炜

  计量学报. 2022, 43(4): 470-474. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.06

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  为了提高复杂场景下多目标检测的准确性,提出了一种基于ReInspect算法的对于多个运行目标的检测方法。该算法基于OverFeat算法和Faster R-CNN算法的思想,加入LSTM(long short-term memory)循环网络结构用于记录多个目标的特征序列;通过调整LSTM网络特征标签信息,预处理损失函数,并在追踪后采用置信度分段的方式对检测结果进行匹配,解决对同一目标的重复检测以及目标遮挡问题。实验结果表明,该算法对传统的重叠、遮挡等问题有较好的抗干扰能力,在不同场景下识别准确率均高于90%。
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  基于阈值增量的动态眩光测量方法

  王嘉明,乔卫东,张恒,李奕

  计量学报. 2022, 43(4): 475-481. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.07

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  通过分析阈值增量的评价标准得到影响其变化的基础分量为亮度信息和位置信息,提出了一种基于阈值增量的动态眩光测量方法,建立了实验测量系统。该系统利用图像采集器获取环境图像信息,通过图像亮度标定与双目摄像机的视觉特性分别获取图像亮度信息和三维坐标信息,实现对单帧图像阈值增量的计算,最后依据系统运算时间估算出系统的检测频率,并对该估算频率进行了实际验证。实验结果表明:该动态眩光测量系统的检测频率可以达到7.67Hz,与传统检测方法相比,此方法具有效率高、动态性以及智能化等特点,能满足动态场景下阈值增量测量的实际需求。
流量计量
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  基于回波信号相似度的气体超声流量计动态阈值法研究

  马也驰,赵伟国,章圣意

  计量学报. 2022, 43(4): 482-488. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.08

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  基于双阈值法的气体超声流量计采用第1阈值检测和过零检测确定回波的到达时刻点,然而由于回波波形易受工况环境因素的影响,会导致第1阈值错误,使回波到达时刻点发生错误偏移,影响测量精度,因此提出了一种基于回波信号相似度的动态阈值法。该方法获取回波信号极大值幅值后,计算设定工况和实际工况下回波信号上升区域部分的欧式距离以评估相似度,进而根据最大相似度确定阈值电压,实现阈值的动态调整,以确保回波信号到达时刻点的准确定位,实现飞行时间的准确测量。实验结果表明,该方法在不同工况环境下具有良好的适应性,样机的测量误差优于1%,重复性优于0.2%。
力学计量
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  超小型绝对重力仪主机系统设计

  徐进义,粟多武,王启宇,吉望西,冯金扬,李春剑,吴书清,胡若

  计量学报. 2022, 43(4): 489-493. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.09

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  为了解决NIM-3A和NIM-3C绝对重力仪传动方式在车载、共基座上使用时会产生自振及磁性材料对重力数据准确度和稳定性影响的问题,设计了一套超小型绝对重力仪主机系统,通过传动托盘的伺服跟踪运动改为托盘先行下落的落体测量过程无其他内部机械运动的测量方式等新设计,消除自振及磁性材料的影响。在主机系统重质量减小至30kg的情况下,测量速度较NIM-3A绝对重力仪的3次/min提高到6次/min,预估测量不确定度由NIM-3C重力仪的30μGal提高到10μGal。
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  食盐及其类形物的高精度定量包装设备研究

  王嘉恩,聂晓根

  计量学报. 2022, 43(4): 494-500. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.10

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  针对食盐定量包装生产称量精度低、自动化程度不高等问题,对高精度食盐定量包装设备进行研究,通过分析食盐本身的物理特性,设计了称量、传送、复检反馈装置。称量装置设计为可调式量杯结构,以量杯体积估计预包装的食盐质量;复检反馈装置设计为多传感器的皮带秤结构,克服自重与重物重量比大对称量精度的影响。通过对动态称重过程中存在的误差进行分析,设计了一种基于迭代学习和模糊算法的闭环寻优定量包装控制系统。通过联机运行实验,结果表明该系统可实现食盐的高精度定量包装,具有抗扰动和自适应能力,在误差变化率小于50%的工作环境下,经过3~4次的迭代学习补偿控制,可稳定达到定量包装允许短缺量为3%的精度要求。
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  基于带阈值模块一维残差网络的刀具磨损监测方法

  郭保苏,韩天杰,张宇,吴凤和

  计量学报. 2022, 43(4): 501-506. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.11

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  基于带阈值模块一维残差网络和双向长短期记忆网络,设计了刀具磨损监测模型和预测模型。将传感器信号经过小波分解后输入监测模型中,阈值模块自动选择阈值对信号降噪,残差模块提取信号特征,然后输出刀具磨损监测值,再将其输入到预测模型中获得刀具磨损预测值。实验证明:该监测模型与不带阈值模块的一维残差网络模型和卷积神经网络模型进行了对比,监测准确率分别提高了0.327%和1.697%;预测模型的预测效果较好,绝对误差仅为0.023。
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  10 kPa气体活塞式压力计计量性能测试研究

  悦进,杨远超

  计量学报. 2022, 43(4): 507-512. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.12

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  用FPG8601型活塞式压力计作为标准器,对一台测量范围为1.2~10kPa的气体活塞式压力计的活塞有效面积和鉴别阈进行了测试研究。介绍了标准器的特点和溯源方法,对被测器需要进行全量程测试的必要性和测试程序进行了阐述。测试覆盖了包括被测器测量下限在内的5个不同压力点,计算得到其活塞有效面积的平均值为9.77371cm²。通过在被测器活塞上加放不同质量的小砝码,读取标准器相应的压力变化来对被测器鉴别阈进行测试,反映出鉴别阈优于5mg,相对于测试点而言优于2×10^-5。对各测试点活塞有效面积的不确定进行了评定,结果显示相对扩展不确定度不超过9.4×10^-5。
电磁学计量
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  基于动态自由能磁滞模型的GMM-FBG电流传感器磁滞建模与参数辨识

  滕峰成,杨雪璠,吕登岩,叶文昊

  计量学报. 2022, 43(4): 513-520. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.13

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  为解决GMM-FBG电流传感器中存在的磁滞非线性和涡流损失问题,提出了一种耦合涡流损失模型的动态自由能磁滞模型,采用非线性遗传算法对该模型进行参数辨识和优化,提高了模型在工频下对磁滞曲线的预测精度。搭建了GMM-FBG电流传感器实验平台,利用所建的磁滞模型对传感系统进行建模补偿和实验验证。实验结果表明该模型能够较好地预测工频下传感器中的动态磁滞非线性,模型的预测误差在3.6%以内,电流测量灵敏度可达到0.069nm/A。
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  直流电阻分压器的非线性机理研究

  王楚,张利莉,张国帅

  计量学报. 2022, 43(4): 521-525. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.14

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  针对电阻分压器在直流低电压分压时出现的非线性现象,采用独立影响因素的分析方法,对直流电阻分压器的非线性机理进行了研究。通过分析和实验验证,确定了造成非线性的原因是工作电流的变化导致电阻分压器输出热电势的变化。据此,建立了非线性数学模型,提出了非线性修正方法。利用该方法,±200μV直流电压输出非线性误差小于5nV。
无线电、时间频率计量
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  测量条件对A/D动态有效位数评价的影响

  梁志国

  计量学报. 2022, 43(4): 526-535. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.15

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  针对正弦拟合法评价A/D动态有效位数时测量条件对动态有效位数评价带来的误差影响,进行了拟合误差界的搜索研究。选取的条件变量分别是A/D位数、幅度、序列所含波形的周波数、初始相位、直流分量以及序列数据点数。以两两联动的双条件组合方式进行误差界搜索,获得了动态有效位数评价的误差界随不同条件变化而变化的曲线规律,筛分出了显著影响量和不显著影响量。并对A/D位数、序列所含波形的周波数、以及序列数据点数带来的影响进行了深入研究,获得了误差界呈现量子化阶梯特征的显著规律,并获得了量子化阶梯边界点估计的经验公式。该结果可用于动态有效位数的评价误差和不确定度估计,也可用于在设定拟合误差和不确定度情况下选择测量条件。
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  一种原子钟组加权的优化策略

  于航,张磊,宋文霞,王玉琢

  计量学报. 2022, 43(4): 536-541. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.16

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  原子钟组集成技术广泛应用于计时系统中,以保持原子时标的准确性、稳定性和连续性。相同环境下的原子钟之间可能存在一定的相关性,这在一定程度上限制了原子时标性能。从原子钟组与其协方差矩阵的相关性出发,考察了相同环境因素对原子钟频率特性的影响,基于正则化理论设计了一种原子钟组加权方法。将该方法应用于中国计量科学研究院铯钟组,实验表明有效降低了原子钟组的输出频率不稳定性。
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  基于光纤双向时间传递实时驯服铷钟的远程时间溯源

  方维,金尚忠,陈德好,梁坤

  计量学报. 2022, 43(4): 542-546. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.17

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  为了提高铷原子钟的远程时间溯源性能,在中国计量科学研究院TWOTFT链路的基础上,实施了对铷原子钟的高精密准实时驯服实验,驯服间隔分别为16,5,1min,实现了基于TWOTFT的远程时间溯源原理验证。实验结果表明:在远程时间溯源中,TWOTFT相比GNSS时间频率传递效果更优,且1min TWOTFT远程时间溯源效果最优,98.67%的时差绝对值在0.5ns内,时间稳定度和频率稳定度分别为2.5×10^-11s·d^-1和5.0×10^-16d^-1。
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  基于实时性和数据使用率改进的CGGTTS算法研究

  郝爽雨,毕红军,梁坤

  计量学报. 2022, 43(4): 547-553. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.18

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  对GNSS时间频率传递数据标准格式CGGTTS进行改进,包括:将数据周期内全部测量数据用于计算时差值,提高测量数据使用率;为满足时间传递用户对于数据实时性的更高要求,缩短CGGTTS数据周期以提高数据实时性。实验结果表明将数据使用率提高到100%后,可以降低比对结果噪声,噪声性能最大可改善6%。当将数据间隔缩短至5min后,数据实时性最大提高至69%,噪声性能恶化17%以上。分析不同间隔文件的实时性、标准差、数据量及运算量情况,得到当数据间隔在8至13min时,改进的CGGTTS算法共钟差实验噪声水平保持在(0.70～0.80)ns,长基线实验噪声水平保持在(0.75～0.83)ns,是一种折中选择
电离辐射、标准物质与生物计量
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  GM计数管辐射特性与能量补偿研究

  徐阳,高飞,赵瑞,倪宁,黄少鹏,王菲菲,林敏

  计量学报. 2022, 43(4): 554-559. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.19

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  基于国防科技工业电离辐射一级计量站X、γ射线参考辐射场, 对某厂家生产的j613r型GM计数管的坪曲线、线性曲线等辐射特性进行实验研究;结合中国计量科学研究院CT成像系统精确测定计数管内部结构尺寸,并对灵敏区进行能量补偿。结果表明:在10.62μSv/h～161.52mSv/h范围内,计数管可用于剂量测定;采用厚度为0.81mm 的Pb补偿层开中央狭缝的方式时,灵敏区最佳补偿面积为88%～90%,补偿后, 48～662keV范围内相对于137Cs偏差在±20%以内,可为个人剂量仪提供测量部件。
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  高效液相色谱法测定绝缘油中糠醛含量的不确定度评定

  张琳颖,贺石中,丘晖饶,张静茹

  计量学报. 2022, 43(4): 560-564. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.04.20

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  绝缘油中的糠醛含量能够评估变压器绝缘纸的老化状况,并反映其绝缘性能。通过高效液相色谱法对绝缘油中糠醛含量进行定量分析,建立数学模型,确定测定结果的不确定度来源为糠醛标准物质、标准油液的配制、标准曲线的拟合、样品制备、回收率、测量重复性,并对测试结果进行不确定度评定。实验结果表明,绝缘油中糠醛样品浓度为1.05mg/kg,其扩展不确定度U95=0.03mg/kg,其中标准曲线的拟合是高效液相色谱法测定糠醛结果不确定度的主要来源。